(a) 本計畫開發兩款無線感測器平台Octopus II及Octopus X，分別採用TI的 MSP430及Intel 8051 為微控器核心，其無線通訊符合IEEE 802.15.4標準及Zigbee通信協定。此兩款無線感測器平台皆可擴充溫、濕度、光度、三軸加速器、電子羅盤、陀螺儀等感測器。以上無線感測器平台，除技轉給業界外，此一平台也被國科會指定為「無線感測器網路技術創新整合應用研究」專案的使用平台，並提供給台大、清大、交大、成大、中央、北藝大、中原、中華、淡江、逢甲、北科大、長庚、海大等20所以上大學研究團隊使用，目前已被大量運用於智慧屋、空氣品質監測、天然災害預警、及東方果實蠅的生態研究上。此一平台的效能與國外同級產品相當，但售價只有國外產品的三分之一。本人參與的科專計畫也將其運用在智慧電表上，現正與一家美商公司洽談技轉中。目前也被許多學校，使用在嵌入式系統及微處理機的教學應用上，本計畫成果對國內無線感測網路的產業發展有極大的貢獻。
(b) 本研究團隊亦開發出一款全世界最小的無線感測器平台Eco，不但應用於國內的研究，也提供國外研究團隊如UC Irvine, USA以及University of Zaragoza, Spain等，進行前瞻研究。其重要重要研究成果如下：
- EcoSpire[IEEE ESL2010]：EcoSpire是高儲存性的無線感測網路平台。它具有低耗功率、無線傳輸能力為初代Eco平台的兩倍、硬體提供可靠的傳輸、門檻偵測功能以及可移除式的儲存裝置(SD卡)。我們也開發了無線感測網路的閘道，稱之為EZ-Gate。它能夠提供各式各樣的RF無線感測網路的傳輸。
- Enix [Sensys 2010]: 一個專為無線感測網路(WSN)所設計之輕量化且動態的作業系統。Enix提供合作式執行緒(cooperative threading model)、動態載入函式庫(儲存於micro-SD卡)及虛擬記憶體，因此可以很快的進行開發。它也是在無線感測網路中第一個以8051為基礎且最輕量的作業系統。
- TeleScribe [EMSOFT 2010]:一個讓Eco無線感測平台可以大量進行遠端燒錄的的系統。具有可快速的從被中斷燒錄過程中還原的強健特性。
- EcoExec [SECON 2010]：一套為了Eco WSN設計的高互動框架，讓使用者在不需要得知任何硬體相關細節的情況下，只要透過基於Python的command line介面，就可以簡單地對Eco節點下指令，並可以動態地對程式碼進行更新的動作。
- EcoPlex [Mobiquitous 2009]：一套為了我們WSN 閘道器（Gateway）設計的中介軟體系統，可以支持Eco無線感測節點的漫遊，並提供Eco、標準ZigBee和其他RF標準之間的橋樑。EcoPlex為所有非ZigBee的節點創立了虛擬的ZigBee身份，讓他們與真正的ZigBee節點無異。
- DuraCap [ISLPED 2010]: 為一套具有自我校準，最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)的能源擷取系統。其使用了超級電容(Supercapacitor)儲存能量，並且支援冷開機(cold booting)。此系統使得無線感測網路系統得以在低能源供應的情況下得以運行。
(a) 本團隊利用所開發之無線感測平台，與逢甲大學地理資訊中心合作，進行土石流觀測。無線感測器網路可以較低的成本佈建與維護。我們所設計之土石流感測器系統，架構如下圖所示。這個系統主要分為兩個裝置，INSIDER與COORDINATOR。
其中INSIDER為具強韌包裝的無線感測器系統，安裝在河道之上。當土石流來臨時，INSIDER就會被土石流帶走，同時不停的將自己讀取到資料與參數等回傳到岸邊的COORDINATOR。根據系統的設計，本系統可以連續運作150天不需要照射陽光來充電，因此可以達到低維修機率的要求。在岸邊的COORDINATOR會接收來自INSIDER的資料。此外，COORDINATOR會負責協調控制INSIDER的傳輸時程與時間同步等工作。我們所設計的無線感測器，已經在雲南蔣家溝實地的測試過。
(b) 本團隊已經建立了戶外快速且穩定的佈建的相關技術。我們設計了一套低複雜度、自動化設定且低耗電的多跳通訊協定。其中包含設計一套固定頻率回報、低耗能、且不需要事先設定topology的資料收集協定。在 區域內感測器總數量(含relay節點)少於20個的情形下，監測範圍可達200 m x 200 m，且感測器間不需事先組態、不需記憶routing table，同時提供基本的data redundancy及100% data delivery(含retransmission)。該無線感測器近期會佈建於台中縣和平鄉達觀部落野溪處，進行固床工程當中的生態監控使用。預計佈建的時間將於相關設備完成之後，於2010年9月底左右開始進行。
(a) Taiwan UniGrid: 本計畫開發一格網中介軟體(Unibox)，整合超過20所國內大學的計算與儲存資源，形成台灣大學格網系統，是國人第一個自行研發的學術格網系統。此系統提供一系列的服務 (包含storage service, information service, computing service等等)、及網頁使用者介面，讓使用者透過網頁來使用格網強大的儲存空間以及計算能力，整體系統架構圖如下圖所示。
UniGrid 架構圖
(b) 醫療格網平台（Medicare Grid Platform）: 本計畫利用格網與P2P 技術來將所有醫療院所的計算及儲存能力整合起來，並在其上發展醫療資料共享機制。所開發之計算格網系統能滿足醫療院所龐大計算需求。以P2P技術開發之資料格網系統、具有高度安全性以及容錯能力，並具有高效率的資料搜尋以及儲存能力。此外，我們開發出統一的電子病歷格式及格式交換平台，此交格式換平台能夠將統一的電子病歷格式轉換成各醫院之醫療資訊系統之資料格式，也能將各醫院之醫療資訊系統之資料格式轉換成統一的電子病歷格式。
而在整個運作機制部分，由於各醫院有不同的看診系統以及病歷資料庫，我們希望在盡量不動到現有醫療院所系統的狀況之下來架構我們的系統，因此我們透過下圖的方式跟各醫院現有的系統做配合。左邊黑字為現有的醫院管理系統，醫師透過各家醫院不同的電腦系統看診，並且將有電子化的醫療資料儲存於各家醫院不同格式的資料庫中；紅字部分為我們的P2P格網系統，我們透過在每家醫院安裝我們所設計的程式，負責與local端的資料庫做格式轉換的功能（TMT轉換程式），至於資料的共享則透過我們的P2P Storage Client程式來下載或上傳資料到中介儲存平台，之後各醫院即可透過此一介面共享醫療資料。
醫療格網平台運作示意圖
(c) 雙魚座：點對點格網系統（Pisces: A P2P Meta-Grid System）: 為結合不同的格網系統以達到整合資源共享又不失去自治性（Autonomy）的原則，雙魚座計畫基於Super-Peer Network的概念提出點對點格網系統的管理架構，如圖3-1所示，利用分層的系統架構設計研發跨越格網的層級，透過上層Grid-to-Grid的建置可負責不同格網之間的通訊以及訊息交換，並能在盡量不修改原有底層格網系統的運作為前提之下，達到整合不同格網系統的目的。對於各格網系統內部的管理，可依照各自環境的需求採用集權式/非集權式的架構管理內部的資源；對於格網系統之間的管理，則是透過點對點（Peer-to-Peer）技術連結不同的格網系統，藉此可增加系統的延展性並能達到分散式的管理與整合。
點對點格網系統之管理架構圖
在此提出的多功能N對N節點全光封包交換技術（N-to-N OPS），其架構如圖1所示。在此架構中裡的每個輸入埠，根據特別規劃的時間延遲與預定輸出埠構築而成的傳輸控制，我們利用可調式波長轉換器（tunable wavelength converter, TWC）將輸入的光封包轉換至指定波長。在經過N對1光結合器（N-to-1 combiner）之後，用一組三埠光循環器（3-port optical circulator）將所有的光封包自輸入埠導向光學緩衝器。這部份的光學緩衝乃是由光纖延遲路徑（fiber delay lines, FDLs）以及寬頻光纖布拉格光柵（wideband FBG, WFBGs）所組成。其中，寬頻光纖布拉格光柵可使用寬頻的多通道光纖布拉格光柵（multichannel FBG, MFBG）或取樣光纖布拉格光柵（sampled FBG, SFBG）。由於光纖布拉格光柵的反射特性，每個封包會在光纖延遲路徑中來回傳遞一次。因此，每一份的光纖延遲只須要提供封包延遲所需時間的一半。為使光學緩衝能提供儲存（M – 1）個封包的容量，我們採用（M – 1）段的光纖延遲路徑及M組寬頻光纖布拉格光柵。每一組的寬頻光纖布拉格光柵皆能反射一整組WDM波長訊息，這組WDM波長位於輸出端所使用的陣列波導光柵（arrayed waveguide grating, AWG）的一個自由頻譜區域（free spectral range, FSR）之中。如需不同的時間延遲，只要把封包波長轉換至不同自由頻譜區域的波長區間中即可獲得適當的延遲。在系統的輸出端，藉由陣列波導光柵的濾波與自由頻譜區域之特性，每個陣列波導光柵的輸出埠皆具備在光頻譜上以自由頻譜區域為間隔的週期濾波功能。因此，被緩衝的光封包就能經由1對N陣列波導光柵（1 x N AWG）路由至預定的輸出埠。
圖1：提出架構的示意圖與波長分配
這樣的光學封包交換機具有許多不同的交換功能。例如圖2所呈現的是先進先出多工（first-in-first-out multiplexer, FIFO MUX）功能。假定不同封包在交換機裡發生衝突（contention）時，a0(t)輸入埠的封包擁有較高的優先權。我們預計使抵達a0(t)與a1(t)兩個輸入埠的光封包皆路由到輸出埠b0(t)，如圖2所示。因為兩組封包同時抵達，且a0(t)的優先權較高，故在輸入埠a0(t)的第一個封包並不需要延遲，並被轉換為波長λ11，即是在波長分配策略之下第一個自由頻譜區域的第一道波長。另一方面，輸入埠a1(t)的第一組封包與剩下的其他封包必須延遲一個時間區塊（time slot）。所以，這些封包的波長會被轉換為第二自由頻譜區域的第一道波長，λ21，以確保能獲得一個時間區塊的延遲，並且在輸出埠b0(t)輸出。其實驗的結果，在輸入埠與先進先出多工輸出埠的封包序列呈現於圖2(b)。
(a)
(b)
圖2：先進先出多工 (a)波長配置與(b)提出之光封包交換的實驗結果展示
在此，如圖3(b)，我們將展示線性場域調變（linear field modulation）及直接偵測（direct detection）之虛擬單邊帶正交分頻多工（virtual SSB-OFDM, VSSB-OFDM）傳輸，其中一射頻頻率（RF tone）被設置於此單頻帶的下緣。相較於圖3(a)所呈現的傳統的光正交分頻多工，此技術可大幅增加頻譜效益。藉由反覆的估計與消除（iterative estimation and cancellation）演算技術，在接收端訊號對訊號拍頻干擾（signal-to-signal beating interference, SSBI）可以被抵消掉，如此可以減緩以往為了隔離訊號對訊號拍頻干擾而帶來的頻譜間隔（frequency gap）需求，並且節省一半的電訊號頻寬，故具有極高的頻譜效益。我們推導了虛擬單邊帶正交分頻多工的理論模型，並且針對接收端反覆獲取的訊號處理過程進行詳細的分析。模擬的結果指出，相較於之前強度調變模式的單邊帶正交分頻多工（SSB-OFDM），在我們提出的架構中，具有將近2 dB的光訊雜比（optical SNR, OSNR）增益以及較強的色調色散（chromatic dispersion, CD）容忍力。在實驗方面，我們與美國南加州大學Alan Willner教授所帶領的光通訊實驗室（OCLAB）合作研究。在本次的實驗中，我們成功地將10 Gbps的4-QAM虛擬單邊帶正交分頻多工訊號，不經過色散補償，在標準化單模態光纖（standard SMF, SSMF）裡傳送340公里。其實驗架構與結果如圖4所示。我們發現經過傳輸的訊號幾乎沒有犧牲任何訊號的品質。此實驗結果顯示，與以往的技術比較，我們這樣的方式可以在光訊雜比的表現上獲得5 dB的改善。
圖3：(a)先前強度調變模式的單邊帶正交分頻多工、(b)提出的虛擬單邊帶正交分頻多工和(c)虛擬單邊帶正交分頻多工中反覆估計與消除的技術
圖4：(a)實驗架構與(b)虛擬單邊帶正交分頻多工的實驗結果
N×N (N = 16)負載平衡交換核心的架構如圖5所示。以框架為基礎的封包透過負載平衡交換卡傳輸而且儲存於線卡的虛擬輸出佇列（VOQ）。負載平衡卡將封包轉換成均勻分佈的流量。第二個交換卡根據對稱交換配對將封包送到目的地輸出埠。為了避免封包輸出時的順序紊亂，封包在虛擬輸出佇列的位置被反饋到輸入埠。封包的來回傳輸時間（包含了負載平衡卡，虛擬輸佇列以及交換卡的傳輸延遲）必須要低於一個框架時間。
在這個工作中，我們已針對以回授為基礎的4×4負載平衡交換核心開發了一個低傳輸延遲，低功率以及有效面積利用率的架構和電路。相較於傳統配對演算法N×N交換機所需O(N3)的硬體複雜度，在這個交換機設計，只有使用到兩個D型正反器（DFFs）以實現訊框產生器。在負載平衡交換機中使用對稱式交換配對，線卡和交換機之間可建立一條提供封包維持順序的回饋路徑。回饋路徑上的延遲時間需要低於一個框架時間以利封包組成正確的順序。從架構設計觀點，我們建議不要使用SERDES而是直接從高速領域去設計交換積體電路以降低延遲。從電路設計的觀點，電流型邏輯（CML）輸出緩衝器導入PMOS主動負載以及主動後端終端。CML-DFF堆疊電流源以及對稱拓撲被採用以提昇交換速度。從實作的結果來看，這個工作全部的傳輸延遲從29.5ns降低至僅僅0.8ns，佔用矽面積的80%以及消耗功率的80%。交換機的流量高達32Gbps（或8Gbps/頻道）。
圖5：由4×4交換積體電路所建構的16×16交換核心
圖6：低傳輸延遲的4×4交換核心積體電路及其量測結果 (a)裸晶照、(b)交換模組以及(c)量測結果
經過數年的辛苦工作，我們已在先進電信運算架構機櫃中完成了一個負載平衡布可夫馮紐曼交換機的原型，如圖8所示。採用了雙星背板架構，我們的先進電信運算架構機構從每個遠端線卡槽提供了兩路10-Gbps SERDES連線分別到中央的兩個交換槽。我們也設計了一個可以程式化為線卡或是交換核心的18層印刷電路板硬體平台，如圖7所示，以實現一個8個結點的負載平衡布可夫馮紐曼交換機。符合先進電信運算架構的規格，我們的印刷電路板使用廣泛應用於電信企業中的48伏特直流電源。除此之外，我們的印刷電路板設計支援當交換機在運轉時允許將線卡插入先進電信運算機櫃並自動從快閃記憶體載入程式的熱插拔能力。
圖7：我們的先進電信運算架構機櫃線卡實作（前視和背視）以及18層印刷電路板
圖8：我們在先進電信運算架構機櫃中的負載平衡布可夫馮紐曼交換機原型
- 世界上第一顆STTC Coded MISO解碼器。
- 低複雜度時空編碼(Space-Time-Trellis-Coded)之多輸入多輸出(MIMO)解碼演算法與MISO解碼器。
- 晶片圖：
- 架構方塊圖：
- 世界上功率使用效率最高之超低功率快速傅立葉轉換器。
- 晶片圖：
- 效能圖：
應用於超高畫質電視傳輸之多天線正交分頻多工之寬頻視訊傳輸系統：
- 超高畫質數位電視傳輸系統平台。
- 獲得國家系統晶片計畫成果績優獎。
- 系統圖：
- 效能圖：
- 多使用者MIMO WiMAX基頻收發機系統晶片設計及實作:
- 符合IEEE802.16e-2005MIMO系統參數之上傳發收機
- 適合各種傳輸模式(SISO/MIMO)及子載波編排方式(subcarrier allocation)使用
- 系統效能為目前所有解決方案中最佳
- 200k gate count硬體節省(約45%晶片面積節省)
- 低功耗(2.3Mbps/mW)以及高資料吞吐量(60Mbps)
- 成果:
- 2009 DAC/ISSCC 設計競賽優勝
- 鳳凰盃IC設計競賽優等獎
- 技轉工研院晶片中心
- 晶片圖：
- 系統圖：
- 閉迴路MIMO收發基系統設計及實作:
- 結合GMD演算法及Antenna selection以提高系統收發效能, 較ML好1.5 dB, 較V-BLAST好6 dB以上效能.
- 較傳統 Antenna selection實現簡化50%以上複雜度
- 將feedback訊息量減至極低(4x4天線組態下, 可由原先80 bit 減為7 bit)
- 提供一高可靠度低複雜度QR偵測器
- 實作之FPGA電路可操作在最高頻率50 MHz下提供120 Mbps 之資料傳輸率
- 2010 ASP-DAC university design contest winner
- 方塊圖：
- 系統圖：
- 其他無線前端晶片實作:
- 影像編碼器解(H.264):
- 晶片無線測試:
過去的這幾年，清華大學已經研發出了能支援最高解析度的H.264 影像解碼器，我們的解碼器能處理解析度3840x2160的影像，是一般常見的HDTV影像的四倍大。此外，清華大學所研發出的H.264 影像編碼器是所有已知的編碼器中最省功耗的。因為這些優點，我們的H.264編解碼器除了已經技術轉移給業界的公司外，還被整合到北京大學所設計的筆記型電腦中。我們可以使用這些筆記型電腦，來實際展示如何使用清華大學開發的H.264編解碼器進行視訊通訊。
后羿 (HOY) 晶片無線測試計畫為前瞻性全新的技術，首創透用無線通訊協定來進行晶片測試，為現代IC產業提供一種多功能與超低成本的測試方法。集結電機資工兩系十多位教授以及二百多位研究生，在專屬實驗室中投入積體電路之技術研發，並積極推廣研發成果，培育高級設計人才。晶片無線測試平台透過『低成本的無線通訊』與『前瞻的嵌入式輔助測試電路』的結合，不但可以支援晶圓測試、封裝後的晶片測試與良率修補、甚至於可以協助電路板上的晶片診斷，足以取代原本造價動輒幾千萬元，甚至是上億元的昂貴測試機台。除了原有的技術團隊已經衍生新創公司進入商業化的階段之外，此平台的研發更帶來創新的研究課題。目前已取得的關鍵專利有15件，其中主要專利並榮獲2009年國家發明獎銀牌獎，所完成之無線測試系統雛形更獲得2010旺宏金矽獎應用組評審團銀獎。計畫執行四年期間約發表百餘篇學術著作，完成5件技術移轉案。並透過積體電路設計技術研發中心 (DTC) 與工業界以及國內外先進之研究機構 (ITRI, CIC, UCLA, UCSB 等國際一流的研發機構) 交流合作。其研發之技術團隊更衍生新創公司，將學術研究成果落實於產業界，預期帶動產業學術之間的正向循環發展。