创科广场｜网络编码技术商业化 「东澳古道」初试啼声

近年有不少关于智慧城市的计画，不过如果没有网络覆盖，「边缘」数据无法利用，「智慧」也无从谈起，所以数据必须有「回传」（Backhaul）功能。

 

城市人口密集位置，电讯商可安装5G提供连接，不过如果有大量数据，回传的成本也可能相当高，而郊野公园或者乡村，用量太低，基本上营运商更不愿意提供覆盖。

 

　　随着网络连接愈来愈重要，「网络编码」（Network Coding）也愈来愈多人讨论，不但可以更有效利用网络容量。香港中文大学的杨伟豪教授是「网络编码」理论的联合创始人，打破了网络传送数据只像货物运输，证明网络通过计算优化，同时以多条路经，承载更大量数据，也减少干扰损失。

 

　　从最简单说法，网络编码通过计算，增加了网络容量和性能；可改善数据传输、储存、干扰。网络编码在多个领域突破，甚至有机会倍增大气电波频宽。近年杨伟豪在学术领域获得肯定，获得了多个大奖，最近一次是「电机暨电子工程师学会」（IEEE）颁发信息论领域最高荣誉，是2022年度的「克劳德．香农奖」（Claude E. Shannon Award）获奖者，也是首位获奖的亚洲学者。

 

「分批稀疏码」应用

 

　　从理论至应用，网络编码要克服不少障碍。过去20年，光纤、无綫宽频、LTE的高速发展，网络编码潜力未获发挥。随着网络编码不少技术突破出现，应用爆发亦为期不远。

 

　　杨伟豪就以网络编码理论，再开发出「分批稀疏码」（BATS code）算法，大幅提升网络传输速率和减低数据包流失。BATS code一个妙用，就是减少无綫网络传输过程的损耗，提供大面积Wi-Fi覆盖。

 

　　以香港政府的Wi-Fi服务，一向都利用服务供应商边缘服务，因为Wi-Fi的热点必须回程（Backhaul），理论上Wi-Fi可通过网状布局（Mesh）伸延，不过衰减极快，实际用途不大。

 

　　BATS code应用范围很广，其中一个方向就是伸展Wi-Fi热点。杨伟豪与何伟中合作成立nHop推广BATS code，已经完成了大屿山从东涌经海边至大澳的著名行山古道「东澳古道」郊野公园段的测试。

 

　　杨伟豪说，土木工程拓展署希望行山路径上提供Wi-Fi服务，碍于缺乏回传覆盖，考虑以BATS code提供大范围Wi-Fi无綫，向郊游人士提供Google maps、WhatsApp、衞星定位等服务。

 

　　nHop设立了4个Wi-Fi的热点，其中仅一个以4G回传；其馀则以BATS code接力传送，效果理想，正着手大规模部署的可行性研究。

 

　　不过nHop第一代产品，以工业电脑IPC运作，不太可能大规模部署，功耗过高，设备庞大，成本过高也是难题。最理想是微缩成ASIC晶片设计；以减低功耗，体积和部署的复杂性。

 

　　nHop采用英特尔「可程式化逻辑闸阵列」（Field Programmable Gate Array，FPGA）以执行演算法；FPGA优点除了具灵活性编程设计、可并行计算处理大量数据；跟ASIC的全定制电路最大分别，就FPGA属于半定制的电路，具备软件升级的能力，可作为过渡至ASIC定制电路量产前热身。

 

助研智慧灯柱

 

　　杨伟豪说，不过香港FPGA编程专家不多，nHop正与Arrow Electronics合作，以加快将编码在FPGA重新开发，以普及BATS code应用。

 

　　全球政府正研究部署智慧灯柱，蒐集城市资讯。虽然说5G速度极快，如果大量采用的话，费用将非常可观。即使是5G本身亦受回传的困扰，原因就是5G的基站数目大增，如果均采用光纤，营运商肯定无法负担。

 

　　虽然光纤高速稳定，安装成本也高昂，部分地区碍于业权及历史因素，也无法掘路。故此BATS code亦有机会应用在智慧灯柱上，回传大量数据降低成本。

 

　　杨伟豪说，即使5G与BATS code亦可相辅相成，5G正迈向建设第2阶段的5G独立组网（SA），实现更强功能，其中一种关键技术，就是以5G「接入与回传整合」（Integrated Access and Backhaul，IAB），5G的基站互相接力传送，以便没铺设光纤处所，营运商以更低成本部署5G；回传对基站众多的5G「毫米波」（mmWave）更是挑战。他表示，「不过暂时业界IAB还没有标准，营运商各师各法。BATS code也是选项之一。」

 

BATS code前景广阔

 

　　杨伟豪说，长远而言，BATS code对于深海通讯也有作用，例如声波在水中的传播速度远远超过在空气中传播速度：海水中的声波速度约每秒1500米，但在空气中却仅每秒340米。海豚和鲸鱼就通过声音互相理解、定位巡航。

 

　　「水底声波通讯」（UAC）一直公认是海底长距离数据传输最可行的方法，传输距离甚至可达几十公里，而以低频的声波传送，其散射、失真和传输损失较少，传播更远，问题是低调制频宽的传输速率也较低，数据速度一般只有kbps。

 

　　「有时海底声波干扰，令讯号无法接收，如果水底建立『多跳』（Multi-Hop）基站，BATS code就可加强频宽和为失真作出补偿。」杨伟豪说。BATS code也可应用在衞星、地底矿场、发电厂等干扰严重的通讯场景。

 

　　不同标准机构包括Internet Engineering Task Force、IEEE、3GPP都正在计画呈交BATS工业标准。网络编码和BATS code厚积薄发，应用爆发时代，应该亦不远矣。