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陣列天線波束成形優化與系統特徵驗證技術發展

無線通訊系統的目前應用主要範疇之一為5G行動通訊系統，而5G通訊系統為彌補頻段變高所帶來的消耗，不得不使用大型陣列，藉由提高單元的數目以及陣列的特性來達到較遠距離的傳輸，但大型陣列會產生出一個小型陣列不太會遇到的問題——掃描視盲現象。而本篇意旨為對於大型陣列系統常遇見的掃描視盲問題做出改正，給予一個能夠有效改善的方式，並建立出一個5G的天線陣列系統的架構並針對我們提出的方式作驗證。我們使用的方法主要是針對Active S-parameter去做調整，由天線陣列架構調整以及從饋入端建造演算法去做優化，而驗證的架構由低頻的base端開始，使用國家儀器(NI, National Instrument)的通用軟體無線電外設(USRP, Universal Software Radio Peripheral)去做建構，包含對於訊號的調變與解調，傳送端與接收端的識別碼處理，與放大器、6GHz以下的升降頻都由USRP做處理，後端接上的是由微型處理器(MCU, microcontroller unit)控制的升降頻與天線模組，傳輸的方式會以即時的影片傳輸為主。

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大規模多輸入多輸出系統在部分連接混合式架構下基於波束選擇方法之最佳化空間預編碼

因應現今行動通訊與無線通訊的發展，我們針對降低硬體成本、減少耗能、提高系統容量及大規模多輸入多輸出系統等等在本實驗室先前提出的系統架構下繼續進行效能之優化。 我們延續以往所使用的波束成型選擇之空間預編碼(Beamforming-selection spatial precoding, BSSP)結合混合式預編碼(Hybrid Beamforming)方法做為架構，並以最佳化演算法調整預編碼矩陣之參數，此一作法能夠有效減少干擾，同時降低CSI回傳的overhead及硬體成本消耗。 在本篇論文中，除了先前本實驗室討論過的交互耦合(Mutual Coupling)與空間相關性(spatial correlation)影響，另外加入了Gain Phase Error跟Phase Noise兩種誤差進行模擬，讓通道更貼近真實的狀況，並調整天線擺放的位置讓理論平均錯誤率有更好的表現。在最佳化演算法的部分，我們以Grey Wolf Optimizer(GWO)取代了以往的第二代合作式共同粒子群演算法(Cooperatively Coevolving Particle Swarm Optimization, CCPSO2)，改善了原本運算時間太長及維度不夠的問題，因此能夠模擬天線數量較多的情形。 由於我們所提出的架構中每條天線都需要一條RF(Radio Frequency) chain，隨著天線數量的增加，在連接上耗損的功率也越來越多，因此我們在理論平均錯誤率表現及耗能上進行取捨，加入了部分連接(Partially Connected)架構以降低傳輸的功率耗損，並以離散型GWO進行連接方式的最佳化。為了優化整體的表現，我們除了線性陣列(Linear Array)以外，也加入了圓形陣列(Circular Array)來進行模擬，並加入半正交空時區塊碼 (Quasi-Orthogonal Space-Time Block Code, QOSTBC)技術，透過同時最佳化天線部分連接方式以及天線元件擺設位置來降低錯誤率，優化整體表現。

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具有時變輔助電場的擴散分子通信的通道建模和性能優化

分子通訊近年來蓬勃發展，常用於傳統電磁通信性能不佳的環境中。在數種類型的分子通訊之中，由於擴散作用為自然界中常見的現象，擴散式分子通訊 (Molecular Communication via Diffusion)為熱門發展對象之一。基於提高擴散式分子通訊系統的傳輸效率，本文以端對端模型 (End-to-End Model) 為基石建構時隙分子通訊系統 (Time-Slotted Molecular Communication) 以達到連續傳輸的目的。然而連續傳輸將造成系統的符元間干擾 (Inter-Symbol Interference)，因此本文透過設計時變輔助電場並使用離子作為訊息分子的方式以達到抑制系統的符元間干擾的目標。具輔助時變電場的分子通訊系統其離子的運動行為可以用偏微分方程 (Partial Differential Equation) 形式下的能斯特-普朗克方程式 (Nernst-Planck) 或隨機微分方程 (Stochastic Differential Equation)形式下的伊藤過程 (Itô Process) 來描述。然而當偏微分方程具有較複雜的輔助場與邊界條件時不容易得到解析的結果。因此本文以測度轉換與卡梅倫-馬丁-吉爾薩諾夫定理 (Cameron-Martin-Girsanov Theorem) 的方法求得受時變輔助場的離子於三維空間中時間與空間的聯合分佈。進而得到系統具球形被動接收器、球形全吸收接收器、方形被動接收器之通道脈衝響應，並基於這些結果建構端對端模型。此外、我們也分析了系統的錯誤率，並基於降低系統錯誤率提出最大化感測機率(MSP) 與最大化擊中機率 (MHP) 率為目標的時變輔助電場設計方式，且提出 MRP 演算法以解決 MSP 與 MHP 問題。

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以八面體可重組頻率選擇表面設計三維波束切換天線

此篇論文提出且實作了一個使用可重組頻率選擇表面達到在三維空間中切換波束能力的天線，且其在水平及垂直方向上均具有波束掃描能力，並在全空間中提供較高的涵蓋率，在各可掃描方向的縫隙處，其增益變動亦較文獻中的作品低。在過去的文獻中，使用可重組頻率選擇表面實作的波束切換天線很少具有掃描垂直面的能力，而少數具有此能力的作品，則面臨由相位控制造成的複雜饋線網路、較難製造和垂直面掃描範圍有限的缺點，而在此作中，不需要進行任何相位上的控制，實作雛型也印證了常見的印刷電路板製程已足夠，此外，垂直面的可使用範圍亦提升到+/-90°。 本作提出的整體系統包含饋入天線、由可重組頻率選擇表面製作的八面體外殼，以及直流控制電路三部分，可重組頻率選擇表面可以透過改變焊於其上的PIN二極體偏壓的方式，在反射入射波及允許入射波穿透的兩個狀態中切換，因此，可以根據目標輻射方向改變反射面的位置。在八面體內部，則由兩個相互垂直的偶極天線作為偽等方向性的輻射源。此外，由於三角形在其他三維結構中的較高延伸性，本作採用以三角形為基底的圖形，因八面體幾何結構上的因素，亦必須同時控制雙極化方向的響應，關於可重組頻率選擇表面的設計概念、其他與整體天線組裝相關的議題，以及模擬和實驗結果的細節皆呈現於此論文中。 實作雛型在2.5GHz運作，此雛型成功印證了所提概念的可行性，量測中所得的最佳實際增益為6.86 dBi，波束可切換的方向包含直角座標中的+/- x、+/- y及+/- z六個方向。

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具動態安全性及每秒高交易量的工作量證明區塊鏈

由於區塊鏈能讓參與者在去中心的環境中達成對資料的共識，它在許多領域中扮演著重要的角色。在類比特幣協議中，所有的礦工都必須去競爭、檢查和確認每一個區塊。這樣子的設計隱含了一個思想：「所有的交易都必須用最高安全等級的規格來保護」。這個思想導致了今日區塊鏈的每秒交易吞吐量受限在一個非常低的常數值。在真實世界的應用中，不同交易的安全需求經常是相異的；根據這個想法，我們提出了一個每秒交易吞吐量能夠擴展的區塊鏈。該方法打破了現有區塊鏈在區塊安全上的限制，從而能夠更有效率地分配系統資源來確認各種具不同安全需求的交易。在我們的分析中，此區塊鏈能夠繼承類比特幣協議的「最終一致性」，這使得本系統的使用者既能享受低安全要求所帶來的低手續費，又不必擔心已確認的交易受到駭客的攻擊（即雙花攻擊）。在這之上，我們也實作了開源的模擬器，根據我們的模擬結果，能見我們的系統交易吞吐量可以達到現有系統的一百倍之上；同時，相比於現有系統，在此區塊鏈中等待過久仍未確認的交易也大幅減少了七成以上。

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用於全景影像卷積操作之編碼機制

本篇基於編碼機制，以編碼的方式改變作用於平面影像的卷積核中的權重，使卷積在全景影像的特徵提取上能有較佳的表現，並且可以與現存的卷積類神經網路模塊兼容。 實驗結果以全景圖片分類的準卻度呈現了此編碼機制和卷積類神經網路及殘差模塊的相容性，並以 omni-MNIST, omni-CIFAR10, omni-CIFAR100 進行實驗，在準確度上得到目前最佳的結果。

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通過西爾維斯特矩陣和核範數實現基於帶孔協同陣列的加權最小平方到達方向估計

本論文的目的是討論如何在基於有孔洞的協同陣列估計訊號的到達角度(DoA)。為了分析更多的信號源，透過使用稀疏陣列的協同陣列來增加樣本協方差矩陣的維數。稀疏陣列可以使用M個傳感器解析大約O(M2)個信號源。現有的DoA估計演算法中，S. Sedighi、B. S. M. R. Rao和B. Ottersten在2019年的研究中指出加權最小平方(WLS)估計器的均方根誤差(RMSE)已經能有效漸進到Cramér–Rao bound (CRB)。然而，對於不連續的協同陣列，例如互質陣列，最小孔數陣列的協同陣列等，由於目標函數變量之間的關係求解複雜，複雜度增加。因此，我們針對不連續的協同陣列提出一個更通用的實現方法。在實現中，這個方法通過使用Sylvester矩陣，以避免進行符號運算。然後我們運用核範數對目標函數進行近似。最終的目標函數可以通過凸函數求解器得到結果。我們在本論文中提供了所提出方法的一些數值模擬。藉由討論其性能，我們發現在某些情況下也能漸進達到CRB。在合理範圍內，可以使用相同的參數和停止條件，應用於不同大小和形式的一維陣列，仍可以獲得良好的結果。

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毫米波分佈式放大器及基板壓控振盪器之研究

本論文分為兩個部分，一個是寬頻的分佈式放大器，另一個是250 GHz的基板壓控振盪器。本論文的第一部分描述了一個分佈式放大器的電路設計，採用台積電65奈米金氧半場效電晶體製程。此電路由兩個傳統的分佈式放大器及一個串接單級分佈式放大器所組成，並且從中利用這兩個架構的優點。除此之外，此電路使用了多驅動級間耦合技術，增加高頻的頻寬及高頻的增益。此電路使用了 0.68 mm2 的晶片面積，直流功率消耗為 254 mW。此分佈式放大器提供了30 dB的增益，3dB 頻帶寬為14至91 GHz。此電路可顯示2435 GHz的增益頻寬積，在已發表的CMOS分佈式放大器中，是最高的數字。本論文的第二部分是一個250 GHz基板壓控振盪器，採用了台積電65奈米金氧半場效電晶體製程。此壓控振盪器利用基板的電壓改變調整電晶體的寄生電容容值，進而調整振盪器的振盪頻率。該電路的輸出功率為 -10.4 dBm，直流功率消耗僅有16.9 mW，得出直流轉換功率為0.53%。此電路的可調頻率範圍為244.5 GHz至252.5 GHz，電路面積為0.09 mm2。與其他已發表之200 GHz以上射頻電路的振盪器相比，此電路擁有低功耗、面積小、及高直流轉換功率等性能。

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利用雲端服務和私人虛擬網路探索Twitch的影片傳遞架構

隨著人們對於網路內容的需求日益上升，負責傳輸內容的內容傳遞網路也隨之變得更加重要。而去了解這樣的系統是如何運作的，也成為了一項重要的課題。在本研究中，我們設計出一個有辦法探索直播平台Twitch的影片傳遞架構的爬蟲系統，並藉此來分析Twitch的伺服器分布情況。透過分析封包，我們發現了Twitch用來導向用戶的負載平衡器Usher，並利用這個平衡機制作為我們爬蟲系統的依據。我們同時設計了一個演算法來取得Twitch的服務，且結合了平台數據後，成功設計出了一個能夠大規模探索Twitch內容傳遞網路的系統。和過往的研究比起來，我們不使用Planetlab作為部屬平台，相反的，我們利用了雲端服務平台和虛擬私人網路結合容器技術來達到大規模部屬的目的。這兩種爬蟲方式讓我們觀察到Twitch的伺服器多數集中在北美洲、歐洲、亞洲和大洋洲上的幾個集中的地理位置附近。我們也發現了Twitch傾向將用戶導向到地理位置上較為接近的伺服器做存取。最後，我們探討兩種不同的部屬平台中哪一個較為適合類似我們這種爬蟲目的選擇。

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基於隱私考量的多區域虛擬網路嵌入

網路虛擬化被視為未來網路中最具前景的技術之一，這項新技術允許將各個應用抽象化成不同的虛擬網路（VN），並共享同一個基礎設施供應商（InP）所提供之實體網路（SN）資源。如何有效地分配資源給每個虛擬網路為虛擬環境下的一個重要問題，此問題通常稱為虛擬網路嵌入（virtual network embedding, VNE）。 在虛擬網路嵌入的問題中，大部分的研究著重於單一基礎設施供應商的場景。在此情境之下不需要去考慮基礎設施供應商的隱私問題，因為基礎設施供應商不需將自己的實體網路拓墣公開給他人知道。取而代之的是，需要考慮服務供應商的隱私。若缺乏一個適當的保護機制，很難不讓基礎設施供應商知道有關虛擬網路的資訊。相反的，當環境中涉及多個基礎設施供應商時，服務供應商的隱私問題變得容易解決，只需要將原本完整的虛擬網路拓墣拆成多個部分並交由不同基礎設施供應商來執行。如此一來，將沒有任何一個基礎設施供應商能知道完整虛擬網路的長的樣子，也就能避免他們推論整個虛擬網路所提供的服務是什麼以及是如何被實現的。然而，我們必須考量基礎設施供應商的隱私，因為我們很難避免讓基礎設施供應商提供部分資訊給負責做虛擬網路拆分的人。 本文的主旨在於我們嘗試在不犧牲網路嵌入效率的前提下，來對負責虛擬網路的角色隱藏基礎設施供應商之拓撲訊息。我們提出一種基於Ｋ匿名的拓墣模糊化方式來保護基礎設施供應商的隱私。模擬結果顯示我們所提出的方法相較於其他已存在的方法提高了12.3%的接受率。