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低功耗寬頻率可調範圍之陣列式主動電感振盪器

本論文中，我們提出增加可調頻率調整範圍且低功率的陣列式主動電感振盪器。為了解決一般主動電感振盪器功耗大的問題，尤其當頻率可調範圍變大時，我們提出一個新式陣列式的架構，並改變控制頻率可調範圍的機制，將傳統上控制通過主動電感的電流之方式改為以電晶體的寄生電容去控制頻率，此種方式可大幅節省功耗 。我們使用了台積電0.18 微米的CMOS 製程實現我們的電路，VCO 面積為0.0721 mm2 (不含PAD)，功率消耗為6.86~6.94 mW，頻率可調範圍是810MHz ~ 2.41GHz (99.6%)，最後得到的FOMT (Figure of Merit) 為-175.7。

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應用於LTE之負阻式輸入匹配新穎寬頻低雜訊放大器

本篇論文提出了一種結合負阻(Negative Resistance)與共閘極架構應用於LTE系統之新式寬頻低雜訊放大器。研究焦點著重於如何降低低雜訊放大器其功率消耗及雜訊指數，並運用負阻架構來達到輸入阻抗匹配的效果。在以往的低雜訊放大器設計中，一般在輸入端使用RLC回授或是冗長的電感、電容串並聯來實現寬頻匹配電路，而我們的電路使用較少的元件數目來達成寬頻的功能。本電路設計共閘極組態，我們以負阻架構來取代傳統架構中的被動式電感，利用電晶體電流的特性不受頻率影響，作為輸入端之用，並與轉導增強技術達成低功率及有效的降低雜訊，再利用並聯峰值更進一步的壓制高頻雜訊達成很低的雜訊水平。所提出的LNA由TSMC 0.18-μm CMOS製程技術來實現，且藉由CIC的儀器完成量測。 其量測結果如下所述：頻寬為0.5~3.7 GHz，輸入與輸出反射損失皆大於12 dB，最大增益為17.8 dB，最低雜訊指數為3.3 dB，在2.7GHz的P1dB增益壓縮點為-20dBm，IIP3截斷點為-10.3 dBm，核心電路消耗功率為6.48 mW，整體佈局面積包含pad為0.716*0.744=0.533mm2。

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以鼠競環混成器與枝幹耦合器為基礎之寬頻帶通濾波器合成與設計

本論文發展以鼠競環混成器與枝幹耦合器為基礎之寬頻帶通濾波器架構，並提出完整的電路解析以及系統化的濾波器合成方法。所提出之兩種以鼠競環混成器為基礎的寬頻帶通濾波器架構分別具有一對可控制虛頻率位置的零點以及一對可控制實頻率位置的零點，藉由選擇適當的虛頻率零點位置可以使濾波器的通帶具有平坦的群延遲響應，而選擇適當的實頻率零點位置，則可以改善濾波器的選擇性。最後，利用雙側平行步階阻抗帶線實現具有帶拒響應以及寬上止帶之微小化寬頻鼠競環帶通濾波器。此外，亦提出兩種以枝幹耦合器為基礎之寬頻帶通濾波器架構，其分別具有一對可控制實頻率位置的零點以及兩對可控制實頻率位置的零點，此類寬頻帶通濾波器具有很高的選擇性，而就我們所知，目前並沒有以枝幹耦合器為基礎的寬頻帶通濾波器被提出。

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OFDM 系統在60 GHz 頻帶之非直視傳輸： 混合式波束形成和全雙工中繼器

IEEE802.15.3c系統是一適合高速之上網或高畫質之影音傳輸的規格，但操作的頻段是在免執照的 60 GHz，此頻段的通道對訊號之衰減性高且載波之穿透性低，因此其所需的傳送功率大且傳輸須直視的環境(LOS)，如何在非直視環境(NLOS)下做低功率的傳輸是一大挑戰。本篇論文的目的即是研究60GHz 系統中LOS/NLOS 之傳輸技術。我們使用平面陣列天線(planar antenna array)以及波束形成(beamforming)技術來補償損耗的方法。首先依據IEEE 802.15.3c的編碼簿，我們提出了一種新的波束搜尋法，可快速的達到搜尋出最佳波束對的目的，同時也提出一另一方法可以在LOS變動為NLOS時，仍然能夠可快速的搜尋出最佳波束對。此外，我們也使用全雙工(full-duplex)中繼器來克服NLOS的問題，並改善傳統半雙工系統吞吐量減半的問題。在全雙工(full-duplex)中繼器中，接收機會受到傳送機的干擾，稱之為為迴音(echo)，為了使迴音(echo)干擾消除且同時不影響原本的陣列天線的場型，我們設計了一個混合波束形成器的迴音消除器，有效的消除了迴音。

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編碼無合成器之LINC-OFDM系統最大似然偵測

正交多頻分工(OFDM)為一高效能的調變技術已廣泛的使用在各種通訊系統中。然而OFDM有一個主要缺點即傳送訊號有很高的峰值與平均功率比( peak-to-average power ratio, PAPR)，因此需要高線性度的功率放大器才能使系統正常操作，造成傳送機需要很高的功率。使用非線性元件之線性放大(Linear amplification with nonlinear component, LINC)技術為一降低PAPR的有效方法，LINC系統將訊號拆解成兩路並各經由非線性放大器後，再藉由功率合成器將兩路訊號合併，但功率合成器的在實現上有很高的難度，為了克服此問題有研究者提出無合成器之LINC系統，但是在非理想的通道條件下，無合成器之LINC系統效能會受到很大的影響。本篇論文旨在研究無合成器之LINC-OFDM系統，我們使用一編碼之無合成器之LINC-OFDM系統，並提出新的接收端等化與解碼的演算法，使用所提的方法此系統可以在非理想通道條件下可以有效的運作。模擬結果顯示，我們所提出的編碼無合成器之LINC-OFDM系可以與傳統OFDM系統有相同的效能表現，在某些情況甚至可以超越傳統OFDM。

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大型天線陣列系統的秩值與複合通道估計及閉迴路傳收機之設計

我們探討一個裝有大型天線陣列基地台(BS)來服務多個單天線用戶(UE)的多輸入多輸出(MIMO)分時多工系統。此系統藉由上行(UL)的領航信號(pilot)來估計包含大尺度衰減係數(LSFC)及小尺度衰減係數(SSFC)的通道狀態資訊(CSI)。雖然在MU-MIMO或是分散式MIMO系統之運作，LSFC資訊是不可或缺的，然而有關MIMO通道估計之研究往往被假設為已知或是被忽略。我們利用大型天線陣列之通道硬化(channel-hardening)並能同時收到大量空間樣本的特性，在不需SSFC資訊的前提下能有效的利用相對少量的領航符元精準地估計LSFC。 至於SSFC的估計，我們利用降秩(rank-reduced, RR)通道模型來完成。由於這種方法之降秩效應需選擇適當的基底並有準確的秩值估計，後者又需先知道通道的空間相關矩陣。針對這三項議題我們首先分析了最佳先設(predetermined)基底的選擇，證明兩種常用的基底之近優性(near-optimality)。接著我們探討秩值對SSFC估計的性能影響、設計一套秩值決定的演算法，最後並發展了估計空間相關矩陣的演算法。這些成果乃是以我們對SSFC估計法的均方誤差(mean squared error, MSE)性能的詳細分析為基礎。我們結合了大、小尺度衰減係數的估計並證明在接收信號之入射角度擴散(AS)不大時，還可利用適當的RR模型來一併估計平均的接收角度(AoA)。比起使用不含AoA資訊的模型之通道估計法，這種方法不但可降低MSE而且所估得的角度資訊可用來形成下傳鏈路的波束。 最後，我們推導了上行領航信號的設計方式，並且在含括前述的複合通道估計器後，提出了分別適用於分時多工和分頻多工模式的閉迴路傳收機(closed-loop transceiver)設計流程與細部演算法。由電腦實驗結果可以看出我們的複合通道估計器、秩值決定及空間相關矩陣估計等演算法在大型天線陣列系統中的優異表現。

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非理想通道資訊及時空關連通道下之空間調變信號偵測

空間調變(SM)是一個高效率的多天線傳輸方法。它沒有傳統多天線系統中通道間交互干擾(ICI) 的問題、不需建立多傳輸天線資料鏈的同步，傳送端只需要一個射頻鏈路(RF chain)並可將資訊置於傳送天線序號中。 為偵測、解調SM訊號，接收端需有通道資訊(CSI)。大多數的研究都假設通道是非時變的(time-invariant)並有完整正確的CSI，這樣的假設並不實際。此外一般的CSI通道估計演算通常忽略或是不考慮通道的空間與時間的關連性(spatial and temporal correlations)，其推論或估測之正確性有頗多改善的餘地。 本論文探討了決策引導(decision-directed)與基於模型(model-based) 兩種CSI估測法。我們同時考慮通道估計誤差(CSI estimation error)及其時空關連性並分別推導相關的最佳解調器。 此外，我們進一步提出了兩種可大幅降低解調器運算複雜度的解調器結構。針對所提出的各種解調器結構，我們透過了電腦模擬來檢驗其效能並與現有的方法比較。這些數據顯示我們所提出的空間調變解調器改善了現有解調器的效能，且低運算複雜度的解調器與最佳解調器的效能差別幾乎是可忽略的。

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智慧電網狀態估計之匿蹤攻擊與防護

從傳統電力網路(Power Grid，以下簡稱電網)結合先進的通訊網路而演進到智慧電網(Smart Grid)後，電網內各設施的資訊不再經由獨立隔絕的電網電路或人力的方式而是透過公共的通訊網路傳送，資訊安全因此變得十分重要。目前最受矚目的資安議題之一便是針對電網狀態估計(State Estimation)的所謂假數據攻擊(False Data Injection Attack, FDIA)。只要攻擊者有電網結構的資訊又能夠及時串改部分電表的測量值，就可通過錯誤資訊判斷機制(Bad Data Detection)使得電力公司之控制中心估計出錯誤的狀態(States)致使能源管理系統(EMS)用這些錯誤狀態做出不正確的電力調整或控制決策。FDIA若能通過BDD測試而不為EMS察覺，則稱為匿蹤攻擊。 這種匿蹤攻擊可以透過保護一定數量的電表或測量值來防止。但通常需保護的量測值相當龐大，費用很高，施工期也長。本文研究的重點即在電網管控單位因種種原因無法及時保護足夠數量之電表量測，而只能保護一定量的測量值的前提下去設計一保護電表選擇的策略以最大化攻擊者之成本(需竄改的測量值數量)提高此惡意攻擊之困難度。易言之，對這種攻擊測量值(counter-measures, CM)與保護測量值(counter counter-measures, CCM)間的賽局(game)，我們採取的是max-min策略，即迫使攻擊方提高(最大化)所需付出的最小代價，而其代價則以所需竄改(攻擊)的測量值(電表)數量為準。但若就防禦方（電網管理者）而言，其風險則反比於攻擊方之代價，即攻擊者所要竄改的量越少管理的風險越高。如此來說，我們的策略就變成min-max的形式，試圖盡量降低最大的可能風險。 由於要一次選出大量的保護值複雜度很高，我們的max-min解是一個逐步(incremental)選擇保護電表演算法。這個方法與每個電表的安全指數(SI)有關，SI是指連帶竄改電表的數量，亦即FDIA為了要竄改某一測量值且通過錯誤資訊判斷機制所必須連帶竄改的最少電表數量。SI的計算可透過將電網結構視為某種圖形而考慮電表在圖中之最小切法(minimum cut)而得。保護安全指數最低的電表便可迫使攻擊者尋找其他攻擊成本(即SI)更高的攻擊方式。然因常有多個電表的安全指數同為最小的情況，我們進一步利用每個電表會通過多條最小切法的現象，發展出一套有效決定電表保護優先順序的演算法。 我們先探討攻擊者選擇攻擊對象的最佳化(即竄改最少電表而能達成目的)問題，將其從NP hard，在無入射式電表電網(injection-free grids)中，簡化成多項式時間(polynomial time)即可解的等效問題。對一般有入射式電表(injection meter)之電網，我們先排除入射電表來決定保護策略再將其列入考慮以決定須保護之額外電表。但即使沒有額外之電表保護我們也可證明在無入射式電表的假設下所設計之保護策略也可保證攻擊者實際將付出更高之代價。易言之，我們的保護策略所估計之攻擊代價雖未將入射電表列入考慮，但事實上FDIA所需攻擊之電表數量一定高於我們的估計值，因此我們的演算法保證的是最低的電網安全指數。根據數種IEEE標準電網模型所進行的電腦模擬也證明我們的演算法相對於其他方法有遠為優異的效能表現。

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一個802.11n通訊協定以WPA2加密之有效結構及其實現

隨著無線通訊的普及化，通訊品質及資訊安全變成一個重要的課題。802.11n是一種現今被普遍使用的WLAN(Wireless Local Area Network) 技術，其中包含了封包聚合技術(Frame Aggregation)及其他技術來提升傳輸速度。另外也包含WPA2(Wi-Fi Protected Access 2) 這種安全機制以保護傳輸過程中資料不被竊取或竄改。但是這兩個機制卻沒有被同時考慮，因此當使用者開起WPA2 來進行保護時，傳輸的速率會急速下降。 在本篇論文中，我們提出運用分割式計數器模式密碼塊鏈消息完整碼協議的複合結合式自動回覆請求 (Aggregated Hybrid Automatic Repeat Request Mechanism with Fragmentation Counter Mode with CBC-MAC Protocol, AH-FCCMP)使得用戶在保證安全傳輸的情況下，也能有良好的傳輸品質。這個機制利用改變CCMP的運算方式，使得資料傳輸與加解密運算可以同步運算，以達到整體運算時間的減少。模擬結果顯示我們提出的AH-FCCMP機制能達到比傳統機制高的系統傳輸量，並保證資訊安全上的需求。

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LTE下鏈路非連續接收機制中支援服務品質資源分配演算法

長程演進技術(LTE)為第三代合作伙伴(3GPP)發展第四代行動通訊過程中形成的無線網路系統。長程演進技術採用正交分頻多工存取 (OFDMA)做為下行鏈路實體層的傳輸技術，其頻譜多樣性提供很好的網路效能。為了有效地使用無線資源，目前已經發展出許多不同目標的資源分配演算法。由於現今智慧終端普及，對於多媒體應用上網的需求呈現高度成長，保證即時性訊務的服務品質成為封包排程必須要克服的問題。 由於長程演進技術是藉由許多新穎技術構成的網路系統，使用者裝置必須擁有較複雜的計算能力增加了電力消耗。因此第三代合作伙伴針對下行鏈路提出非連續接收模式(DRX)來降低電力耗損，延長使用者裝置的電池壽命。使用者裝置在非連續接收模式中不再永遠保持清醒地監聽下傳控制通道(PDCCH)。當使用者裝置進入睡眠模式時會關閉射頻(RF)電路，停止接收來進演進型基地台(eNB)的訊息，以達到省電的效果。雖然非連續接收模式擁有很好的省電效能，但是其代價便是增加了封包延遲。因此在非連續接收模式中保證即時性訊務的服務品質變得更加困難。傳統的資源分配演算法不需要考慮使用者裝置會進入睡眠模式的問題，因此只在當前的訊框中滿足訊務的需求。而在非連續接收模式中，資源分配必須考慮使用者裝置可能會在睡眠模式違反服務品質需求，況且現今尚未有一種演算法是針對在非連續接收模式中做資源分配。因此我們提出感知非連續接收模式的資源分配演算法降低非連續接收模式對訊務造成的影響。[1]利用訊務之延遲限制與資料遺失率計算『最小所需頻寬』，將資源分配定義為滿足訊務之最小所需頻寬下，最大化系統吞吐量之最佳化問題。而在非連續接收模式中，計算最小所需頻寬將改為預留服務品質策略，用來推算使用者裝置是否能夠進入睡眠模式。針對那些進入睡眠模式後會違反服務品質需求的使用者裝置，我們會動態地增加啟動非活動計時器(Inactivity Timer)的機會，防止它們進入睡眠模式並繼續保持傳輸。模擬結果顯示我們提出之資源分配演算法不但能夠降低非連續接收模式對系統吞吐量和平均遺失率的影響，還能夠保持良好的省電效能。