網絡編碼改變5G物聯網未來

中大前校長高錕教授發明的光纖以及無線網絡的出現顛覆了全球的通訊模式。放眼未來，人類將步入第五代流動通訊（5G）及物聯網的時代，網絡編碼技術將是啟動它們的關鍵技術。

這項嶄新技術由楊偉豪教授及其團隊研發，通過對資料進行編碼，大幅減少多跳無線傳輸的數據丢包問題，同時增加數據傳輸量，令整個網絡變得更可靠和穩定。它不但可以應用到現有的流動通訊技術，解決成本問題，也可以應用到衛星通訊、數據加密、雲端儲存等範疇，開啟新一代網絡通訊革命。

在蝴蝶網絡中，假設信息來源S經由不同路線把信息X及Y分別傳送至t1及t2，標上數字的交點便是中轉點；每條線代表在特定時間內可傳送一個位元信息的渠道（亦即其傳輸容量）。如圖所示，以傳統多點傳送的模式（左圖）傳送，交點3及4是瓶頸所在。由於容量所限，X和Y總共兩個位元的信息不能同時通過；如以網絡編碼形式（右）發送，X和Y被編碼為一個新的一位元信息X+Y，解決瓶頸問題。

全新網絡模型 解決數據丟包問題

在無線網絡世界，信息傳輸有如現實的速遞物流，中轉點的路由器會將收到的數據包儲存、分類再轉發，以接力形式將完整的數據包由發送點傳到目的地。不過處理數據包的過程會有延遲及損耗，當數據流量增加，「塞車」情況便會愈見明顯。可想而知，當傳輸距離愈長，經過的中轉點愈多，數據流失便會愈嚴重。大家通過流動網絡觀看網上視頻時或出現「起格」（畫面不流暢）及延遲情況，正是因為數據丟包所造成。

楊教授解釋：「要減少數據丟包，理論上我們可以增加無線信號的發射功率，這樣可增加傳送距離，減少中轉點，但同一時間會干擾到其他無線通信。多年來研究人員就是研究如何突破這個看似是『零和』的物理限制，找出能減少丟包及毋須增加發射功率的方法。」

當時網絡科技界認為傳送信息最好的方法是將它們打包及壓縮成數據包，再放上網絡高速傳送，不過楊教授及當時另一位中大信息工程學李碩彥教授就提出相反意見。他們研究「蝴蝶網絡」中的奧妙後，提出一個全新的傳播網絡傳輸模型。

「這技術不會傳送完整信息，只會發出一串編碼，由中轉站的路由器進行再編碼，最後讓目的地的路由器重組完整信息，以此解決丟包問題。在這種傳送方法下，即使經過多點傳送，總體的數據流失率跟只是單點傳送的流失率差不多，令長距離網絡傳輸變得更可靠和安全，數據流量亦可大大增加。」楊教授解釋。

後來此技術發展成為分批稀疏編碼（BATS Code）， 簡化了編碼和解碼的程序，令網絡更有效率、可靠、穩定及安全。配合近年網絡硬件承載及運算能力的提升，相關技術亦日漸受到關注。「5G通訊涉及高頻頻段，傳送距離較短，因此要安裝大量中轉發射站確保有足夠覆蓋範圍。採用新編碼技術後，只需要在燈柱加裝微型裝置，便可以組建一個共用網絡，減少鋪設光纖及發射器的成本，推動5G通訊發展。」

高端技術落地應用 接通全世界

楊教授憑這嶄新技術已在學術界贏得無數肯定，不過他更想看到這技術真正落地，應用在不同領域上。這促使他在2018年與其博士學生、中大（深圳）理工學院楊升浩教授成立初創公司。「我們成功將技術應用在智慧燈柱的信息交互上，下一步會研究讓燈柱釋放Wi-Fi訊號。此外，我們亦跟土木工程拓展署合作，在郊野公園一段手機信號覆蓋不佳的行山徑加裝信號裝置，提供Wi-Fi服務，方便行山人士利用移動設備進行導航、查詢天氣消息以至求救等。」他舉例說。

創業短短三年，如今公司已完成首輪融資。對於公司的發展，楊教授滿懷憧憬，皆因他看到這技術應用發展的巨大潛力。

楊教授下一步將研究利用燈柱釋放Wi-Fi及5G無線網絡信號，減低鋪設光纖及發射器的成本，並收集空氣質素、天氣及交通狀況等實時數據，推動智慧城市發展。

「無論是發電廠內、地下礦洞或水底都可應用這技術，亦可應用在數據加密、雲端儲存等範疇。」

— 楊偉豪教授

中大卓敏信息工程學講座教授及網絡編碼研究所聯席主任

研究領域：網絡通訊、信息理論及網絡編碼

主要成就：

• IEEE Claude E. Shannon 獎（信息論領域最高榮譽）（2022）
• IEEE Richard W. Hamming 獎（首名獲獎亞洲學者）（2021）
• IEEE Eric E. Sumner 獎（2016）
• 擁有關於分批稀疏編碼的10多項專利，其與網絡編碼相關的學術論文至今獲引用逾萬次