引言
5G网络的基本架构是每个基站都需要和5G核心网连接，以构建互联互通的移动网络。众所周知，在很多应用中5G无线信号需要使用光纤/电缆或无线连接到云端。城乡通信、应急通信等面临的挑战支援是缺乏回传网络基础设施。本文介绍香港应用科技研究院 (应科院) 和安眺科技有限公司 (安眺科技) 共同开发的全球首个网络编码赋能5G集成接入和回传应用解决方案，可快速实现网络的连续覆盖。该方案利用基站之间的无线连接，构建单跳或多跳无线回传。而网络编码技术则为回传链路提供一种高效、可靠、 稳定和安全的信息传输。
5G有綫回传：施工成本高、部署时间长
5G蜂窝网络由5G核心网和一个或多个5G基站组成 (图1)。5G 网络提供高数据速率和低延迟连接。通常的做法是，在房屋顶层部署大功率宏基站以提供基本覆盖，与此同时，部署低功率小基站是为了改善宏基站无法支持的人口密集城市地区的服务。即小基站可以提高用户密度高的区域的容量，增加覆盖范围和可用数据速率等。5G核心网与各基站之间的连接成为回程链路，而基站和用户设备之间的无线链路称为接入链路。
传统上，回程链路采用电缆或光纤连接。但在设计回程链路时会遇到严峻的挑战。传统的有线回程对于部署在屋顶的宏基站是可行的，但对于部署在街道设施上的密集部署的小型基站却不一定可行，原因在于布线需要的施工工作成本高、而且部署时间长。
图1：5G基站有线回程链路
5G 无线集成接入回传（IAB）：减少使用光纤，降低成本
IAB是Integrated Access Backhaul的简写， 即集成接入回传。IAB分为两种类型，一个是中继的宿主基站，另一个是微站。宿主基站是有光纤或微波进行回传的站点，而微站是部署在宏站覆盖不到的区域，不需要光纤或微波进行回传，可直接通过5G的毫米波 (或中、低頻段) 进行回传。所以，集成接入回传不仅可以实现覆盖补盲，更可以延申覆盖。无线集成接入回传的优势是可以快速实现网络的连续覆盖而无需部署有线网络。
当无线信号需要传输到较远范围时，就要使用5G多跳回传技术了。具体用例包括在街道设施、智慧校园等处部署5G基站，而用于智慧城市或农村的5G网络通常也需要多跳无线连接才能完成远程传输。但随着无线跳数的增加，丢包也会不断累积，致使5G 数据速率和服务可靠性随之下降。
网络编码技术分批稀疏编码（BATS）：大大提升网络传输速率
香港中文大学教授、安眺科技联合创办人及董事杨伟豪教授早在2000年期间提出的网络解码编码，成为世界院校在通讯理论学说的必修课题。杨伟豪教授、杨升浩教授与科研团队，经过长达超过十年时间的钻研，成功研发了网络编码技术分批稀疏编码 (BATS)，从而简化了编码和解码程序，以编码器取代路由器，发送信息的「凭据」而非整个信息，令网络通讯更有效率、可靠、稳定和安全。相比传统线型网络，「分批稀疏编码」(BATS) 可以提升传输速率超过十倍。杨教授的研究贡献屡获殊荣，他在2021年获得电机工程界最高奖项之一的IEEE Richard W. Hamming Medal及在2022年获得信息论领域最高荣誉的Claude E. Shannon Award。
应科院的网络编码5G多跳回传技术：实现智慧城乡通信，提高经济效益
应科院凭借多年积累的4G、5G开发经验，针对现有5G多跳回传技术的痛点，将「分批稀疏编码」（BATS） 与5G「集成接入回传」 (IAB) 的模式相结合，应用于5G 基站网络或其他宽带无线回传（wireless backhaul）网络上。图2 为5G 多跳回传技术的示意图。具体做法是，仅有少数的5G 基站的回传链路采用光纤连接至5G的核心网，而其他5G基站的回传链路不再使用光纤，取而代之的是使用BATS 和5G多跳回传技术，实现基站信号的回传。网络编码5G多跳回传技术不仅能够实现低时延、高传输效率和稳定可靠的信号回传，同时又能减少光纤部署，提升网络经济效益。
图2：5G 多跳回传技术节省大量光纤
图3 和图 4分別比较了沒有BATS和有BATS 技术对数据传输的可靠性和吞吐量的影响。如图3所示，没有BATS技术时，丢包随着跳数的增加而不断积累，通过使用 BATS 网络编码技术，中间节点对接收到的数据包进行重新编码，用来补偿网络上游的数据包丢失，从而使目的节点能够成功解码其数据，丢包累积的问题迎刃而解。
(a) 沒有BATS 技术时，丢包随着跳数的增加而不断累积
(b) BATS技术有效减少数据失真
图3：BATS 技术显著提高数据传输的可靠性
图4展示了TCP/IP 和 BATS 代码之间的性能比较 - BATS 技术可以显著提高数据传输的可靠性。此举能优化 5G IAB场景，大大提升网络传输速率，以及减少因为数据丢失而产生的失真，实现高质量信息传输，成就智慧城市。
图4：BATS技术显著提高数据吞吐量（比如高达 50 跳）
安眺科技创办人及首席执行官何伟中先生说：「我们感到非常兴奋有机会与应科院合作，将我们的 BATS 技术应用到 5G 集成接入和回程 (IAB) 蜂窝标准中。支持 BATS的 IAB 标准将有助于 5G 基站致密化，它不仅提供了基站的灵活性和快速部署能力，使用多跳无线回程能够让移动服务运营商节省大量光纤连接的实施或租赁成本。该技术促进实现致密化，并且助力5G生态系统中的参与者很快推出更多对频宽容量需求无限的创新应用。」
安眺科技联合创办人及董事杨伟豪教授表示：「应科院拥有其中一支最优秀的 5G 研究团队，可以和安眺科技互相补足。这个项目将建基于我的团队获奖的研究 — 网络编码，我们将共同开发一项新技术，旨在于彻底改革 5G IAB 中的信息通信协议。」
应科院行政总裁叶成辉博士指出，「应科院作为香港资讯通讯技术研发中心，多年来为通讯科技发展不遗馀力，凭借掌控5G科技及兴建5G基站的能力，配合杨伟豪教授的网络技术「BATS」，相信将来于有关领域将引领环球发展，符合全力支持本地大学技术商品化的愿景。」他认为，「技术从研究、实验、落地到市场，对于智慧城市发展和改善至关重要，在智慧城市中，创新将转化为满足需求的真正服务产品，应科院有多年技术商品化的经验，一定能增加科研项目的价值及各界信心。」
2023年2月27日至3月2日举办的巴塞罗那世界移动通信大会上，应科院和安眺科技以 “网络编码技术赋能5G 集成接入和回传“ 为主题，共同展示了全球首个网络编码赋能的5G集成接入和回传系统应用。在随后4月26日至30日「第48届日内瓦国际发明展」中，应科院与安眺科技共同研发的 “ 实现智慧城乡通信的网络编码5G多跳技术 “ 勇夺「评审团嘉许金奖」，得到国际认同。这个奖项不仅体现了应科院多年来在通讯技术上的不懈努力，更再次验证了网络编码5G多跳回传技术的前沿性和创新性。
BATS令5G如虎添翼，更将在5G非地面网络中大放异彩
至今，BATS 相关的专利技术已高达11项，应用范畴广泛。应科院可以将BATS技术与应科院自主研发的便携式5G基站相结合，低成本、高效率地快速搭建5G 通讯网络，提供高效、可靠、 稳定和安全的信息传输。
展望未来，5G非地面网络 (Non-terrestrial network) 通信技术可以成功融合卫星通信与5G地面蜂窝网络，已经成为发展新趋势。应科院通信团队现在正致力于5G卫星通讯的研发工作，，有望在不远的将来将BATS技术应用在卫星通信上，连接地球的每一个角落 (边远地区、服务欠缺地区、或海洋等)，甚至可以配合热汽球，在偏远山区搭建无线网络，或配合航拍机进入灾区，即时传输现场数据，协助紧急救援等。 
