网络通讯新典范

李硕彦教授(左)与杨伟豪教授(右)
卫星通讯
左: 信号经由地面发射器传送至太空的卫星,再由卫星转发至一个或多个地面接收站。
右: 卫星先把信号编码,才发送至接收站,传送效率得以提升。
蝴蝶网络
左: 多点传播网络的一个基础模型。信息来源S经由不同路线把信息X及Y分别传至t2及t1。
右: 当X及Y两项信息传至交点3,X和Y被编码为新的一个一位元的信息X+Y,再传至交点4,续往其目的地t2及t1。

一直以来,电话、互联网及其他通信网络的数据传输,均沿用存储转发机制,运作模式与邮递系统大同小异—将包裹从甲地送到乙地,再送往丙地,如此类推。然而,数据与包裹不同,可经「编码」及「解码」。所以自80年代起出现过一些传输模式,数据在传输期间并没被存储,反而被分解及混并,最终在接收端被解码,或转换回本来的信息。

资讯传输的优点

虽然这个数据传输的另类方法已经存在一段日子,但却一直未得到正式认可或广泛应用,除了1988年的两个例子,分别为用作磁带数据存储的磁碟阵列(RAID)面世,以及中大信息工程学系教授李硕彦,当时于美国新泽西州Bellcore所作有关优化传输通道容量的研究。另一个例子是中大卓敏信息工程学讲座教授杨伟豪及美国南加州大学的张箴教授,于1997年进行的卫星通讯研究。

应用实例有了,但始终未出现相通的数学程式或结构模型,可以打破研究范畴之间的藩篱,连结上在相关但不同领域内孜孜工作的研究人员及理论家。

蝴蝶的孵育

1997年夏天,杨伟豪教授在与张箴教授合作研究的基础上,开始与德国俾勒菲特大学的蔡宁博士,共同研究如何普遍应用此种新的传输方式。同年9月,杨教授就此议题与当时忙于撰写一本开关电路理论著作的李硕彦教授进行讨论,这次讨论对两人来说都意义重大。就是在这次讨论中,李教授以「蝴蝶网络」来勾画出网路编码的好处。虽然两人关注的理论及实用观点均有不同,但都因「蝴蝶网络」的突破而振奋,而李教授更不惜放下写作近两个月,全心投入完善「蝴蝶网络」的理论细节。

正因如此,网路编码产生了两种理论。第一种是杨教授及蔡博士以资讯理论方式制定的非线性理论;第二种是李教授藉「蝴蝶网络」的线性代数基本原理所发展出的线性理论。后来非线性理论与「蝴蝶网络」于2000年7月一篇名为 “Network Information Flow” 的论文中正式发表,这两种理论都证实网路编码比存储转发在效率上优胜得多。

线性网路编码采用简单易行的编码╱解码机制,演算上亦较简洁。自2003年起,网路编码愈发成为热门的研究题目,对研究网络资讯流向有革新的影响。李教授、杨教授及蔡博士凭2003年一篇题为 “Linear Network Coding” 的论文,获得电机电子工程师协会(IEEE)资讯理论协会2005年度论文奖。中大亦获大学教育资助委员会的卓越学科领域计划资助,成立了网络编码研究所,由李教授和杨教授共同领导。