子計畫一: 前瞻網路技術與雲端運算

計畫主持人：許健平 教授

隨著資、通訊技術的長足進步，網路服務被期望能支援各種有線、無線異質存取技術，並將之整合至Internet骨幹網路，以提供固定或行動使用者各式各樣的應用。子計畫二主要著重於探討無線感測網路、車載資通訊網路以及行動通訊網路之技術，並研究如何運用網路技術於雲端計算(Cloud Computing)中，包含物聯網(Internet of Things)及網宇實境(Cyber Physical System)等應用。子計畫二的研究主題包括：無線感測網路技術與應用、車載資通訊網路技術與應用、行動通訊網路技術與應用以及雲端計算技術與應用，如圖一所示，其主要研究方向個別分述如下：

圖一：子計畫一各研究議題之互動與整合

1. 無線感測網路技術與應用

由於微機電與感測技術的快速發展，多樣化的感知功能(諸如溫度、濕度、壓力、超音波、紅外線、風力、加速度、移動方向、二氧化碳等)已可嵌入於無線感測節點中。在近年來，無線感測網路的應用已漸漸普及，軍事、醫療照護、環境監控、建築與橋樑監控等均為其應用領域。就研究面而言，無線感測網路的佈建、重佈建、網路自我空洞及斷路診療、自我修復、具電量平衡的資料收集、查詢、資料整合等熱門議題，搭配眾多參數的變化，諸如 Sensors是否具有移動性、感測範圍與通訊範圍的動態調整、點覆蓋(Target Coverage)、線覆蓋(Barrier Coverage)、面覆蓋(Area Coverage)、無線傳輸模式(陸地上的光波或水下的聲波)、省電醒睡機制的安排、感知能力的延伸如視覺感測網路(Visual Camera Sensor Networks)、方向性感測等感知能力，均使無線感測網路在未來的研究議題豐富而多樣化。以下為可能之研究方向：

• (1) 資訊經紀系統：在資訊經紀系統中，生產者將其本身或取得的資訊 (譬如本身座標，取得的溫度、濕度等資訊) 儲存在多個經紀人中，使得消費者可從距離較近的生產者經紀人迅速取得生產者的資訊。由於感測器節點通常不具有實際座標，所以建立有效率的資訊經紀系統在無線感測器網路是一大挑戰，近來也是無線感測器網路令人注目的研究題材。
• (2) 有效率的資料聚合方法：在無線感測器網路中，取得的資訊 (譬如溫度、濕度等) 通常具有時間或空間的相關性，如何利用取得資訊時間或空間的相關性選擇資料傳送路徑來聚合資料，減少傳送取得資訊的功率損耗，也是重要的研究題材。
• (3) 水面下的無線感測器網路：由於傳輸訊號方式不同，所以水面下無線感測器具有低傳輸成功率，長傳輸延遲，及低移動速率等特性，使得水面下的無線感測器網路的各種研究題材 (包括繞徑協定及資訊經紀系統等) 都成為一大挑戰。由於水面下無線感測器日益蓬勃的應用，水面下的無線感測器網路已成近日熱門的研究題材。
• (4) 無線感測暨行動器網路：無線感測暨行動器網路是由無線感測器及可移動功能強大的行動器 (譬如攜帶滅火器的無人操作直昇機及攜帶充電裝置的自動車等) 所組成。行動器透過收集無線感測器取得的資訊來決定行動，完成任務，由於日常生活的廣泛應用，無線感測暨行動器網路已日漸成為無線感測器網路領域最熱門的話題之一。
2. 車載資通訊網路技術與應用

在車載資通訊網路方面，鑒於車載資通訊(Telematics)的重要性，近年來，美歐日各國特別分配一段專用頻譜給車載系統使用，此項通訊技術被稱為專用短距離通訊(Dedicated Short Range Communication, DSRC)，各國產、官、學界均投入相當的資源。目前的車載資通訊網路，技術面的發展趨勢，著重於車輛與車輛之間、甚至車輛與路邊設備(RSU)、道路基礎建設(Infrastructure)之間的相互連結。應用面的發展趨勢，著重於考量應用層面人、路、車的管理策略，以增進運輸系統的安全、效率與舒適為主要目的。其可能之研究方向如下：

• (1) 車載資通訊之訊息傳播機制：在車用安全服務方面，如交通事故訊息通報，通常需要即時將訊息廣播(Broadcast)給交通事故後方特定範圍內的車輛知悉；在行車便利服務方面，如群組車輛導引服務，通常則採用群播(Multicast)的方式在群組成員間傳遞訊息；而在資料在多點(Multi-hopping)往返行車裝置(OBU)和路邊裝置(RSU)、或是行車裝置和行車裝置之間，則是依賴繞徑(Routing)機制，然而目前車載網路仍然缺乏具體且可靠的訊息傳播機制。因此，通盤地考量車載網路之特性，提供各種車載資通訊服務適合的訊息傳播機制，包括廣播最佳化、叢集(Cluster)網路規劃、樹狀群播機制、引入合作式通訊(Cooperative Communication)的概念與技術、研發適用於動態拓樸及節點不均勻分布的繞徑技術等等，均是提昇網路訊息傳輸之可靠度及其傳輸效能的重要研究議題。
• (2) 車載資通訊之高效能媒體存取層技術：車載資通訊的多種應用，有著不同服務品質(QoS)的要求，要確保滿足各種的服務品質，需要由下到上每一層的支援。如何在媒體存取層(MAC Layer)，提供高效能的機會式中繼(Opportunistic Relaying)、網路編碼(Network Coding)、拓樸控制(Topology Control)、多通道通訊(Multi-Channel Communication)以及保證服務品質之排程演算法(Scheduling Algorithm)等，皆是重要的研究議題。
• (3) 車載資通訊之多媒體串流服務、行車安全與行車效率應用服務：車載資通訊的應用主要可區分為安全、效率、舒適三個領域，其中在「舒適」這個領域，重點是滿足服務品質之行動圖資及多媒體影音廣告整合服務系統，以提供乘客在行車期間，藉由車載隨意網路(VANET)、以及網路基礎建設，使用並滿足其視聽娛樂服務。行車安全與行車效率方面，如改善運輸效率降低交通擁擠、提高能源使用效率、降低環境衝擊、提高運輸機動性、減少交通事故，以及提昇行車安全等。為了達到上述標的，如何有效且快速地在車載網路中掌握各種即時資訊，行車路徑規劃與導航、交通流量偵測與管控、車隊追蹤與管理、交通障礙警示、車輛碰撞預警等機制，將是未來發展的趨勢。另外提供多媒體應用所需的服務品質、改善與提高多媒體資料傳送率、同儕式(P2P)多媒體串流服務、多媒體資料網路編碼、同儕式檔案搜尋與分享、保證服務品質之排程演算法、同儕式網路應用級群播、適用於異質無線網路之排程機制等，皆是重要的研究議題。
3. 行動通訊網路技術與應用

行動通訊網路的部分已根據ITU-R中IMT-Advanced技術的規範逐漸朝第四代(fourth generation, 4G)演進，我們預期新一代網路能夠以高效率和高度自動化配置的方式提供一些新型服務和使用者模式。而在4G的發展沿革中，以IEEE 802.16為基礎的WiMAX以及Third Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE)已被公認為最具主導力的兩個4G系統。WiMAX和LTE在設計上雖然有部分的不同，然而在很多概念、特徵和性能上其實是十分相似，比如說，兩個協定在實體層都是使用OFDMA為基礎結構，再結合Multi-Input Multi-Output (MIMO)的各種設定模式以及以時間/頻率排程為基礎的快速連結調整(fast link adaption)。此外，此二系統在媒介存取層也都支援multi-carrier之運作以及異質性網路單元如macrocells, femtocells和relay nodes。這些不同的支援在節點移動能力、頻道訊號干擾及流量管理等種種層面帶來了前所未有的挑戰。 其研究方向如下：

• (1) 具高效能及服務品質之合作式網路(Cooperative Networks)設計：新一代的行動通訊網路被期待能提供更高的資料傳輸率和更廣的訊號涵蓋範圍。然而，由於無線傳輸的一些不理想特性，有如易受干擾、信號遺失、遮蔽效應、訊息衰褪效應等，使得傳統無線網路的整體效能低落，無法達到應有的服務品質需求。近年來，隨著合作式網路的提出，使得這些問題逐漸能獲得改善。合作式通訊的主要概念在利用節點之間的合作傳送，達到空間的多樣性(diversity)，以改進無線傳輸的效能。利用合作伙伴或是特定中繼站的資料轉送，可以讓訊號避開不理想的傳播路徑並減少訊號衰減，可大幅改善行動用戶所接收到的訊號品質，最終網路系統將能達到提升傳輸速率、增加系統容量、延伸服務範圍等目的。然而，過去關於合作式通訊的研究多半著重在實體層傳輸技術的探討。在本計畫中，我們將探討此技術在媒介存取層之上將面臨的挑戰和待解決的問題，並利用跨層的網路技術，提升其系統效能。
• (2) 具服務品質之微小型基地台(Femtocell)網路設計：根據Visiongain的預測，未來第三代行動通訊網路的資料流量會有近70%發生於室內，此現象同時影響網路架構以及使用者設備的發展趨勢。微小型基地台網路可經濟且有效率地改善室內行動通訊品質的特性，使其成為廣受營運商喜愛的標準。於室內、居家通訊的概念下，未來行動裝置也將不限於手持裝置，還包括家用電器設備，如印表機、監視器等。此趨勢不僅會造成行動資料存取量大增，行動運算、資料分享、遠端控制，以及隨身工作環境等應用也將成為未來行動通訊的一環。為此，Local IP Access (LIPA)的網路架構與技術成為3GPP標準組織現正發展的重點。本計畫以微小型基地台網路架構為基礎，提出Telecom-based Universal LIPA方案。研究項目包括：Femtocell干擾管理、Femtocell存取控制、Femtocell/Macro cell換手管理、流量卸載、自組織網路、時間同步、多輸入輸出技術、急救電話、提供全域性LIPA認證，以及提供LIPA服務的連續性等。
• (3) 具服務品質之WiMAX/LTE群播(Multicast)技術：隨著第三代行動通訊網路廣泛地佈建、第四代行動通訊網路技術(包含WiMAX與LTE)之制訂，即時多媒體群播應用的需求與日俱增，如何有效率地支援此類高頻寬需求的應用成為一個非常困難的議題。根據本團隊於相關領域的研究成果顯示，一個具服務品質之群播技術應能允許multimedia servers將多媒體影片切割成多個layers分送至對應之基地台，讓基地台根據multicast groups中不同用戶當下的無線訊號品質，傳送不同的layer數至不同的用戶，動態地(opportunistically)滿足用戶的視訊需求。本計畫將探討WiMAX/LTE群播機制之核心技術，包含Layer-encoded Multimedia Server Design、Opportunistic Multicast Scheduling and Resource Allocation、Multi-BS Synchronization and Handoff，以及Sleep-mode Power Saving。
• (4) 異質網路整合：Irda、RFID、Bluetooth、Zigbee、IEEE 802.11、3G、WiMAX、LTE等不同應用範圍、市場定位的標準雖然可促進眾多網通產品的互通性，並提昇其無線通訊的效能，但標準與標準間的規範不同，已使得不同網通產品間的互通性產生溝通及整合上的困難。舉例而言，家電產品大量使用紅外線技術，卻難能與手機上所提供的WiFi及Bluetooth 互通，而感測網路所強調的Zigbee協定，亦難與家電產品整合。因此，如何發展互通性的技術(如跨網Gateway)，使硬體及驅動軟體的互通性能夠建立，並進而運用於雲端計算之『物聯網應用』與『感知雲端服務』等領域是另一個重要的研究議題。
4. 雲端計算技術與應用

如何發展互通性的技術(如跨網Gateway)，使硬體及驅動軟體的互通性能夠建立，並進而運用於雲端計算之『物聯網應用』、『感知雲端服務』及『網宇實境』等領域亦是另一個重要的研究議題。其研究方向如下：

• (1) 物聯網(Internet of Things)的應用：由於微機電技術進步，感測器的體積也隨之縮小，感測元件及RFID已可廣泛地嵌入於日常生活中的各種物件，使各種物件透過感知技術能將其狀態隨時收集與監控，透過網際網路成熟且寬廣的平台，將生活及物流應用中所的各種物件的位置、處理程序及狀態均能精準掌握，並作後續的追蹤與處理，儼然已形成一物聯網的監控與查詢系統。這樣的應用所面臨的物件嵌入技術、IP不足、大量資料整合、快速查詢、流程控制與回饋機制的建立等挑戰，均是未來急待克服的重要議題。
• (2) 感知雲端服務：雲端服務在近年來已漸漸受到企業的重視，不論是『雲』或『端』的機制建立均是目前熱烈討論的議題。如何將大量的感測資訊，透過一雲端平台有效的管理與整合，使資料的感知、傳輸、儲存、整理等技術能隱藏在『雲』中，並使『端』末的使用者透過便利的查詢與計費機制，有效且快速地在雲端服務中掌握各種即時感知資訊，將是感測在未來發展的新趨勢。
• (3) 網宇實境(Cyber Physical System)的應用：結合感測技術、無線通訊技術、嵌入式元件整合技術、即時計算及控制技術，將使實體世界與數位世界進行無間隙的融合，透過感測器將實體世界之狀態進行感應與數位化，並經由感測資訊的匯整、分析、運算及決策，即時地反應在後端的控制系統，儼然已成為無線感測網路最熱門的應用領域之一。諸如智慧生活及智慧電網在綠能的應用等均是近年來發展的趨勢。