Newsletter No. 420

4 No. 420, 19.6.2013 楊偉豪教授 Prof. Raymond W. Yeung 楊偉豪教授1984年畢業於美國康乃爾大學，主修電機 工程學，繼於1985及1988年獲得碩士及博士學位，其 後於AT&T貝爾實驗所工作三年。楊教授1991年加入中 大，現為卓敏信息工程學講座教授。 楊教授2000年榮獲裘槎基金會優秀科研者獎，同時 也獲選為電機及電子工程師學會（IEEE）院士。他與同 事合著的網絡編碼論文獲頒2005年IEEE的信息理論 學會論文獎，是本港首位學者獲此殊榮。2007年他獲 德國洪堡基金會的FriedrichWilhelmBessel Research Award。 Prof. Raymond W. Yeung received the BS, MEng and PhD degrees in electrical engineering from Cornell University in 1984, 1985, and 1988, respectively. After that, he worked at AT&T Bell Laboratories for three years. He joined CUHK in 1991 and is currently Choh- Ming Li Professor of Information Engineering. Professor Yeung received a Croucher Senior Research Fellowship in 2000 and was also elected a Fellow of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). In 2005, a paper on network coding he co- authored with CUHK colleagues received the IEEE Information Theory Society Paper Award, a first for Hong Kong researchers. In 2007 he received the Friedrich Wilhelm Bessel Research Award from the Alexander von Humboldt Foundation in Germany. 蝴蝶效應  網絡傳播技術的蛻變 The Butterfly Effect Network Coding Trumps Routing 互 聯網經常被喻為信息的超級高速公路，不是完全沒 有道理。在虛擬的網絡中，動輒以MB（Megabyte）， 甚至TB（Terabyte）或PB（Petabyte）計的信息川流不斷， 其間於交匯點停停進進，傳播途徑由路由器控制支配。 和鋼筋水泥造的公路一樣，信息的超級高速公路也不是常 常暢通無阻的。現實的道路固然長度及寬度有限，信息公 路亦然，其傳輸容量也有上限。當兩個載體（不管是車輛或 信息數據包）於交匯點相遇，只有其一可先行通過，另一則 必須停留等候。由此可見，交通流量愈大，擠塞的情況也 愈見頻繁。所以，每當熱門的音樂會或足球比賽門券在網 上公開發售的一刻，你總是上不到網，你便知道在信息公 路上有着上千甚至上百萬的人與你爭路，出現了「堵車」 現象。 在現今人人相互連結的世界，大量用家同一時間維繫於同 一個網絡，最突出的例子是如迷宮般的互聯網了。圖一是 多點傳送傳播網絡的一個基礎模型。 假設信息來源s經由不同路線把信息X及Y分別傳送至t 2 及 t 1 ，標上數字的交點（我們可視之為路由器）便是信息儲 存及轉發之處。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）。X和Y的傳輸路徑可如下 表示： X: s—1—3—4—t 2 Y: s—2—3—4—t 1 顯然而見，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。 在2000年，包括現為中文大學卓敏信息工程學講座教授 的 楊偉豪 教授及同屬中大的 李碩彥 教授在內的一群信息 理論專家，提出一個全新的傳播網絡傳輸模型；他們認為 網絡的中轉點並不一定要原原本本地把信息送出，而是 可以把信息內容經合併編碼才傳送，以盡用頻寬的容量。 簡言之，只要把數據包的內容加上線性組合的編碼，便可 做到。 看看圖二，當X及Y兩項信息傳至交點3，X和Y被編碼為新 的一個一位元的信息X+Y，再傳至交點4，續往其目的地t 2 及t 1 。如此一來，既不會超逾渠道的容量，也不會延誤傳 輸。當信息傳至終點，只要有足夠的線索或指示，即可重 組原來的信息內容。這樣，不但處理信息能力大大提高 了，因遺失信息數據而不能重組原來信息的風險也相對減 低，傳輸變得更安全可靠。互聯網瀏覽者遇到上網沒回應 而需要重新下載圖文的機會也將減少。就傳輸效率而言， 編碼肯定勝過路由。 這項新穎技術是為網絡編碼，該網絡則被稱為蝴蝶網絡。 信息過去被認為是不可分割的整體，但網絡編碼革新了這 個看法。楊教授表示，「在網絡傳播中，信息不是一件商 品。」套用微軟研究院 吳韵楠 及多倫多大學 李葆春 教授的 評語，網絡編碼的優點是傳輸效率高、易於管理及適應不 同的網絡環境。 另一共用傳播網絡的例子是衞星廣播，信號經由地面發射 器傳送至太空的衞星，再由衞星轉發至一個或多個地面接 收站（ 圖三左 ）。發射器是信號源頭，衞星是中轉站，而接 收站則是終點。楊教授說，現時大部分衞星廣播仍然採用 路由方式，當空中有那麼多信號在交叉往來，無怪乎會偶 有阻礙，特別是當全球數以百萬計人都爭奪來自同一源頭 的信號時。然而，如果改用編碼方式，由衞星先把信號編 碼，才發送至接收站（ 圖三右 ），便可提升傳送效率。觀眾 收看現場直播球賽時，因「技術問題」而受到的干擾自會 減少。 時至今日，蝴蝶網絡的影響無遠弗屆，網絡編碼普遍用於 無線通信、數據存儲、渠道編碼、計算機網絡、網絡交換理 論及密碼學，而數學、物理及生物等學科也在探討網絡編 碼的理論應用，並取得突破性的成果。 楊教授與李碩彥教授於中大創立了網絡編碼研究所，並一 起出任該所所長。研究所更獲特區政府撥款機構評定為 卓越學科領域，並正繼續網絡編碼的前沿研究，以及其於 互聯網、無線通信、數據存儲及安全和生物信息等領域的 應用。楊教授指出，網絡世界愈趨複雜多變，牽涉的數據 量愈趨龐大，故網絡編碼的發展和應用潛力相當大。例如 雲端計算的概念便繫於儲存龐大的數據和安全可靠的檢 索能力。又如流動應用程式，不管是遊戲、視像數據串流， 或是社交聊天和會議，都要依靠一個流暢無阻、快捷、多 點聯繫，以及發出和接收點都瞬息萬變的通信網絡。 十多年前一個數學概念上的大膽突破，造就了或許是二十 一世紀電信科技最矚目及影響深遠的發展之一，楊教授 說：「有這麼的一個說法，我們現在生活的資訊年代，是由 第三次工業革命帶來的，我相信網絡編碼會是帶領我們進 入下一個革命階段的蒸汽引擎。」