香港中大研發數據傳輸新技術 強化智能燈柱網絡

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五月 25, 2018 •生活科技

在《施政報告》中「智能燈柱」是香港智慧城市發展藍圖的重點項目之一,而智能燈柱會為市民帶來即時交通、天氣、空氣質素等資訊,而且會亦有視像鏡頭監察路面,並提供空間建設 Wi-Fi 和 5G 流動通訊基站。智能燈柱之間的數據傳送,可靠性,還有安裝成本,都是實現這個計劃的重要關鍵元素。中文大學工程學院就發展了一項有助於提升遠距離數據傳送的網絡編碼技術,可大幅減少需要安裝光纖上網設備的燈柱數量,從而減低安裝成本與提升系統安裝速度。


香港中文大學工程學院楊偉豪教授及其團隊研發「分批稀疏編碼」BATS code 編碼技術,為智能燈柱的發展提供重要支持。大多數燈柱將毋須安裝上網設施,利用無線傳輸方式,把無數支燈柱串連在一起,數據可傳送至鄰近的燈柱,再傳送至裝設了光纖上網設施的燈柱。這種方法可大大減少需要安裝光纖上網設施的燈柱數量,令整體建設成本下降,加快智能燈柱在本港落實應用。

中繼節點式傳送數據  速度更快、流失率更低

中大工程學院楊偉豪教授指出,傳統數據傳輸因涉及繁複運算方法,無線數據傳輸每經過一個路由器,都會有數據損耗及流失,最常見的情況是通過流動網絡觀看影片時,出現「起格」或延遲現象,就是因為數據丟包(Packet loss)造成。而在惡劣環境之下,丟包問題就更加嚴重。

研發小組就花了 7 年時間研究,提出以數據編碼技術應在節點式數據傳輸上。理論是以編碼器取代路由器,傳送訊息一方只發送訊息的「憑據」(evidence)而非整個訊息,接收一方的編碼器收到「憑據」後便會重組還原訊息,令網絡通訊更有效率,更可靠。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。以一個包含 2 個中繼節點、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。

▲在 10 個中繼節點的測試當中,採用 BATS code 編碼的一組(左)傳送影片時相比傳統傳輸方式(右),出現更少「起格」現象

半年內在中大校園開始測試

楊偉豪教授指,這個 BATS code 應用於智能燈柱的系統,最快在半年內可推出原型機,在中大校園區內進行測試。楊教授指 BATS code 可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。目前他們正與香港應用科技研究院,探討如何在港實現智慧燈柱。

▲中大楊教授期望可在半年內(2018年內)把相關系統在中大校園區進行測試,圖為有關裝置的原型

向IEEE申請納入為國際標準

BATS code已取得歐美等地多項專利,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。此技術亦可解決全球各國長距離數據傳輸過程中遇到的資料丟失問題,改善水底、人造衛星以至災區的數據傳輸,大大提升網絡的傳輸速率。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。」

▲新技術可為用到大量中繼節點傳送數據的衛星、水底數據傳送提供更快、更可靠的傳送方式

BATS code 數據傳輸原理

當火星上 A 基站要透過衛星,同 B 基站互相傳送與接收訊息。以往要把 A 基站的內容傳送到衛星,再傳送到 B 基站,而 B 基站同樣要傳送資料到衛星,再由衛星傳到 A 基站。當中衛星需要處理訊息的次數為 4 次(下圖左)。

而採用了 BATS code 之後,A 基站與 B 基站分別都會傳送訊息到衛星,而衛星會同時把 A 基站 + B 基站的訊息進行特別形式的廣播(上圖右)。衛星處理訊息的次數減為 3 次,解決了數據「塞車」問題,令到衛星上的路由器,因轉發數據時產生的損耗或流失減少。由於採用了特別編碼方式(只發送訊息「憑據」,再由各基站的解碼器重組還原為訊息),A 基站 + B 基站內容結合後的數據量不會大幅提升。

▲中大楊教授指利用最新技術,數據流失率可長期保持在大約 2 成,傳統傳送方式在使用大量中繼節點的情況下,會逐漸衰減。

資料來源:香港中文大學

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