中大工程學院藉BATS code架建智能燈柱

楊偉豪教授
香港中文大學工程學院卓敏信息工程學講座教授兼網絡編碼研究所聯席主任楊偉豪教授與團隊花了7年時間研發出BATS code,成功簡化編碼和解碼程序。

政府近年積極倡議建設智慧城市,而《施政報告》亦提出引入「多功能智能燈柱」,作為智慧城市發展藍圖的重點項目之一。配備感應器的智能燈柱,可提供實時交通、天氣、空氣質素等資訊,並提供空間建設Wi-Fi和第5代流動通訊(5G)基站。而智能燈柱之間的數據傳輸可靠性、速度與安裝成本,將會是實現計畫的關鍵。

香港中文大學工程學院卓敏信息工程學講座教授兼網絡編碼研究所聯席主任楊偉豪教授表示,即使日後實現5G,要在每根智能燈柱鋪設光纖成本過於高昂,因此在一根智能燈柱部署線纜,然後由該智能燈柱分享頻寬和連接給附近智能燈柱的做法至為理想,惟Wi-Fi的可靠性和穩定是實行的關鍵。

「傳統的網絡編碼涉及繁複的運算方法,每當信息經過一個無線鏈路,例如Router(路由器),數據都有所損耗及流失。假設每個數據封包丟失率為0.2,即數據每傳經一個路由器便僅剩下原來的80%內容;如此類推,最終數據封包便會剩下0。而BATS code(分批稀疏編碼)原理則大相逕庭,透過只有0和1的組合,以解碼方式將內容還原,而非將每個byte的內容加起來還原,因此能有效限制封包丟失率,無論傳經多少個無線鏈路,仍能保持還原80%內容。」

以編碼器取代路由器推進數據傳輸

楊偉豪教授闡釋,數據流失最常見的現象,是通過流動網絡觀看網上視頻時,出現「起格」(畫面不流暢)或延遲情況,正是因為數據封包丟失 (Packet loss) 造成。楊教授及其團隊花了7年時間,研發出BATS code,成功簡化編碼和解碼程序。

BATS code的理論是以編碼器取代路由器,發送信息的「憑據」(evidence),而非整個信息。編碼接收器收到「憑據」後,便重組還原信息,令網絡通訊更有效率、可靠、穩定和安全。以一個包含2個中繼節點和3個無線鏈路的線型網絡為例,相比傳統線型網絡,BATS code可以提升56%的傳輸速率,及減少29%的整體數據流失。

BATS code不但克服了數據流失的問題,其對硬件的運算能力和緩存的需求並不高,低耗能的通訊器材已足夠應付。測試顯示,BATS code在具有數百至一千跳(即中繼節點或無線鏈路的數目)的無線網絡中進行通信,數據傳輸仍維持高效流暢;換言之,將BATS code應用在綿延不絕的電燈柱上,毋須增設Wi-Fi發射站或額外鋪設光纖網絡,燈柱收集的數據也能快速傳輸至終端機,供市民及分析統計之用。此外,BATS code能同時處理龐大數據,更有低延遲和較小儲存要求等優勢,可謂建構智慧城市的理想技術。

與ASTRI合作於中大部署智能燈柱

楊教授透露,BATS code目前已取得歐美等地多項專利,而團隊亦與各地電子基建供應商接洽磋商應用,包括:聯同北京航天科技單位,將BATS code應用於衛星通訊上;與加拿大Nova Scotia大學合作,計畫將技術套用在水底的聲波傳輸(Acoustic Signals) 網絡,用以監察當地一個民用水底基建項目的運作情況,克服海洋數據傳輸障礙。展望未來,楊教授期望BATS code可配合熱汽球,在偏遠山區搭建空中的無線網絡,或配合航拍機進入災區,即時傳輸現場數據,協助緊急救援。

「我們目前正與ASTRI(香港應用科技研究院)合作,計畫在中大校園內部署20多根智能燈柱作監測用途,主要應用於視訊傳輸,因視頻最能反映封包丟失的嚴重性,反觀空氣監測等傳輸要求甚低,難以彰顯BATS code和傳統網絡編碼的分別。」

與此同時,楊教授的研究團隊正與不同地域的工業界,合作推動霧運算架構,目標是將運算需求分層次、分區域處理,化解可能出現的網絡擠塞現象。直到現時為止,中大及其網絡編碼研究所,是國際霧運算先驅組織OpenFog Consortium唯一一所來自香港的大學院校成員。楊教授指,霧運算和物聯網有密不可分的關係,例如工業及醫療用的智能機械人、車聯網(Internet of Vehicles,IoV),都是物聯網(Internet of Things,IoT)的發展領域,而中大研發的BATS code技術,是實現IoT關鍵的一環。此外,楊教授的團隊正向工程學國際權威組織「電機及電子工程師學會」(IEEE),申請將BATS Code納入國際通訊的編碼標準,盼進一步令BATS Code應用普及化。

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