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二零一八年五月十六日

推動智慧城市系列
中大工程學院網絡編碼技術
大幅提升數據傳輸效率 實現人工智慧燈柱



新一份《施政報告》提出引入「多功能智慧燈柱」作為本港智慧城市發展藍圖的重點項目之一。配備感應器的智慧燈柱,可以為市民帶來即時交通、天氣、空氣質素等資訊,並提供空間建設Wi-Fi和第五代流動通訊(5G)基站。智慧燈柱之間的數據傳輸可靠性、速度與安裝成本,將會是實現計劃的關鍵。 

由香港中文大學(中大)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及其團隊研發的分批稀疏編碼(BATS code,可以為智慧燈柱的發展提供重要支持。BATS code是目前最成熟的網絡編碼技術之一,經過編碼和解碼程序,能夠增加網絡容量和解決無線通訊過程中數據丟失的難題,大大提升網絡的傳輸速率,有助物聯網(Internet of Things,IoT)、霧運算(Fog Computing)等新科技發展,以及改善水底、人造衛星以至災區的數據傳輸,打破地域環境的限制。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。

推進數據傳輸創先河 

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,例如路由器(Router),數據都有所損耗及流失,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,正是因為數據丟包 (Packet loss) 造成。楊教授及其團隊花了七年時間,研發出BATS code成功簡化編碼和解碼程序。其理論是用編碼器取代路由器,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。以一個包含兩個中繼節點和三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,其對硬件的計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能夠同時處理龐大數據,更有低延遲和較小儲存要求等優勢,建構智慧城市的理想技術。 

跨領域合作研究伙伴

BATS code已取得歐美等地多項專利,楊教授的團隊亦與各地電子基建供應商接洽,磋商應用,包括:與香港應用科技研究院探討如何實現智慧燈柱;聯同北京航天科技單位將BATS code應用於衛星通訊上;與加拿大新斯科舍省(Nova Scotia)的大學合作,計劃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,克服海洋數據傳輸的障礙。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。由此可見,BATS code具有巨大的應用潛力。 

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雲端運算的延伸概念-霧運算架構,目標是將運算需求分層次、分區域處理,化解可能出現的網路擠塞現象。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。楊教授指出:「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。」 

中大是本港網絡編碼理論(Network Coding Theory)的發源地,楊教授的團隊早在九十年代就已提出網絡編碼理論,隨即掀起網絡信息傳輸的革命,是信息科學領域近年的重大突破。BATS code正是建基於網絡編碼理論的實踐成果,楊教授期盼由中大研發的技術能率先應用在香港的基建上,進而令香港成為世界級的智慧城市。 

首位香港學者獲移動技術領域論文的最高榮譽

楊偉豪教授是國際網絡通信研究的專家,現為中大卓敏信息工程學講座教授兼網絡編碼研究所聯席主任。他及其合作伙伴共同發表的論文(Network Information Flow)最近獲得ACM移動技術學會(SIGMOBILE)授予移動技術領域論文的最高榮譽-Test-of-Time Paper Award (時間考驗論文獎),是首名香港學者獲得此項殊榮,意義重大。

楊偉豪教授早年榮獲德國洪堡基金會頒發研究獎項Friedrich Wilhelm Bessel Research Award、裘槎基金會優秀科研者獎以及IEEE院士榮銜。2016年,楊教授獲頒發IEEE Eric E. Sumner Award,以表揚他開創網絡編碼研究的傑出成就。該獎於1995年創立,楊教授及其研究夥伴是至今唯一獲此殊榮的亞太地區學者。楊教授的信息理論和網絡編碼教科書已被世界各地100多所大學採用。

關於網絡編碼研究

中大網絡編碼研究所於2010年獲研究資助局(研資局)和中大配對撥款支持,是全球首個研究網絡編碼理論及在互聯網、無線通訊、信息安全及雲端數據存儲等領域應用的研究所,希望透過發表原創性研究成果,以及將成果轉化為高端科技,提升香港在世界網絡編碼的領先地位。

有關中大工程學院「推動智慧城市」系列

中大在人工智能及深度學習方面的研究領先全球,曾先後在人臉識別和視覺識別的國際挑戰賽中名列前茅;中大多媒體實驗室被譽為「人工智能研究先鋒」,與美國加州大學柏克萊分校、麻省理工學院、史丹福大學及牛津大學等齊名,是亞洲唯一獲此美譽的高等學府。工程學院下設的信息工程學系、電子工程學系、系統工程與工程管理學系及計算機科學與工程學系多個研究團隊,均致力開發人工智能及深度學習在智慧生活、智慧出行和智慧環境等方面的應用,致力把香港構建為一個世界級的智慧城市。未來,中大將推出更多利用人工智能改善人類生活質素的創新項目,並陸續於「推動智慧城市」系列中與公眾分享。 

分批稀疏編碼短片介紹:http://iest2.ie.cuhk.edu.hk/~whyeung/BATS.mp4

中大卓敏信息工程學講座教授、網絡編碼研究所聯席主任楊偉豪教授正申請將其研發的分批稀疏編碼納入為國際通信標準。楊教授的團隊正與各地電子基建供應商接洽,磋商在智慧燈柱、通訊、物聯網等方面應用。
中大卓敏信息工程學講座教授、網絡編碼研究所聯席主任楊偉豪教授正申請將其研發的分批稀疏編碼納入為國際通信標準。楊教授的團隊正與各地電子基建供應商接洽,磋商在智慧燈柱、通訊、物聯網等方面應用。

分批稀疏編碼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。
分批稀疏編碼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。