研究領域 (4G Wireless & Cloud Computing)

 一 簡介 :

我的研究興趣是在無線通信系統及網路,兼重無線傳輸技術(Physical Layer) 及網路技術 (Network Performance Analysis) 的研究。 終極目標是希望從實體層和網路層,對無線通信系統做Cross-layer 的最佳化設計。本人專長之研究領域是在無線網路中之跨階 層適應性通訊規約設計(Cross-layer Adaptive Protocol Design)與無線資源管理(Radio Resource Management)技術、細胞架構設計(Cellular Architecture)

目前累積的研究成果,共有51篇Journal Papers和4篇Book Chapters,和上百篇國際會議文章,擁有美國專利8篇和國內專利2篇。個人獲得中國電機工程學會2009年傑出電機工程教授獎, 以及1997 IEEE VTS Jack Neubauer Memorial Award的最佳論文獎。

本人從2000回國至今,我訓練的博士生及曾在本人實驗室ㄧ起工作的博士後研究員,共有四位在國立大學擔任教授,包括劉傳銘副教授(國立台北科技大學)、張志文助理教授(國立成功大學),劉維正助理教授(國立中正大學)、和黃建華助理教授(國立暨南大學)。
另外,本人非常注重學生的論文品質,很多學生都因此得到碩博士的論文獎。

二 目前研究方向

目前主要研究方向是在探討 第四代無線通信系統(4G Wireless System) 的設計及性能分析以及雲端運算(Cloud Computing)。

所謂第四代無線通信系統
是從三方面來達到下列目標:
  • 從傳輸速率來說,對於移動速度較慢的用戶,4G Wireless System 要在廣闊的區域內能提供至少 100 Mbps 的服務。對於移動速度較快的用戶,如高速鐵路,4G Wireless System 要能提供至少 20 Mbps 的服務。比起第三代無線通信系統 2 Mbs for stationary users 這將是50 倍的效能提升。
  • 從網路Access  Architecture 來說,第四代無線通信系統將是一個整合汽車行動通信系統 (Cellular Mobile Network) 和無線區域網路(Wireless LAN) 和個人區域網路 (Personal Wireless LAN)和隨意 網路(Ad Hoc Network)的異質性網路。
  • 從網路Core Architecture來說,第四代無線通信系統將以Internet Protocol (IP) 封包服務 (Packet Services) 為主。不同於第二代行動通信系統以Circuit-Switched System為主,第三代行動通信系統混合Circuit-Switched System 和 Packet-Switched System, 第四代無線通信系統將純粹以Packet-Switched System。

雲端運算最簡單的意涵,就是將運算能力當作一種服務,就像家中的自來水、電力、通訊一樣,企業或個人可 以透過網路取得。使用者的資料,是放在網路的『雲』上面,而不用儲存在個人電腦上,使用者可以在任何有網路的地方使用雲端服務。『雲』代表了規模龐大的運 算能力,是經由建造雲端服務大型機房,提供各種軟體應用,讓用戶隨時使用最新應用軟體並享用媲美超級電腦的運算能力,使用者不須煩惱伺服器的位置或資料的 所在,就像是天上的雲一般,隨處皆抬頭可見。雲端運算有三個主要核心技術,包括的隨時可用雲計算平台(Cloud)、人性化的雲端裝置(Client devices)、和無所不在的通訊連結(Ubiquitous Connectivity)。這三個技術又有ㄧ個共同目標,就是提供創新的雲端服務(Cloud Applications),改善人類的生活方式。

所謂雲端運算,其基本研究精神就是On-Demand Resource Provisioning。目前Resource可以分成三類:1) Computing; 2) Storage; 3) Communications。 目前大多數Cloud Computing的研究重點放在Computing 和 Storage上,本實驗室則注重在Mobile Communications 在雲端運算應用的創新設計。

目前本實驗室的研究課題可以大致分成下列方向:

  • Broadband Green Radio 
    • Scheduling for Multiuser MIMO Systems
    • Network MIMO
    • Hierarchical Cognitive Raido
    • Multi-hop Cognitive Radio
    • High-Capacity Femto-Cell
  • Pratical Wireless System Testbeds
    • 4G TD/LTE Systems
    • 4G WiMaX
    • RF/PHY/MAC Cross-Design for 60 GHz  WPAN
  • Cloud Computing
    • Personal Cloud Services
    • Distributed Low-Cost Selling Systems for Smart Towns
    • On-demand Resource Provisioing for Cloud Storage Systems
    • Access Vitrualization for  Heterogeneous Wireless Systems
三 研究課題

茲就MU-MIMO無線系統T3G 和 3.5 G 汽車行動無線網路之跨層設計無線區域網路及感測網路之跨層設計感知無線電的規約設計超寬頻無線電系統(Ultra-Wide Band, UWB) 等五方面說明本人之近年的研究成果

 

I.  MIMO多用戶廣播系統 (Multiuser MIMO Broadcasting System)︰

    Multiple Input Multiple Output (MIMO)之技術已經是眾所周知提高無線通訊系統容量的關鍵技術,下一個重點是如何利用MIMO技術同時服務多個用戶,也就是所謂MIMO Broadcasting System的設計問題。從宏觀的角度來看,在傳統的Bandwidth、Power、Receiver Complexity等自由度(degree of freedom)之外,MIMO技術提供通訊系統設計上另一個自由度,也就是空間(space)。然而除了Bandwidth、Power、 Receiver Complexity和Space之外,是不是還存在另一個自由度呢? 最近的研究中發現,用戶(user)本身就可以提供另外一種自由度,也就是說從多用戶網路的觀點,許多用戶之間可以透過彼此的合作,來達到提高無線系統性 能的目標。無線資源管理技術中的排程技術(Scheduling)就提供這種Multi-user Diversity的自由度。然而如何結合Scheduling和MIMO技術確是困難的問題。我在最近幾年裡的研究裡,首先從資訊理論的方向,延伸 Single user MIMO Shannon Channel Capacity至Multiuser MIMO Diversity System的環境,然後研究Multiuser MIMO Spatial Multiplexing System的Coverage和Capacity之性能。基本上我們的研究成果建議Scheduling和MIMO系統的結合,應該要往結合 Scheduling和MIMO Spatial Multiplexing的方向走,而不是目前文獻上常見到的Scheduling 和MIMO Diversity系統的結合。最近我們也發現Scheduling 可以用來簡化 MIMO 接收器的複雜度。這方面的研究成果頗受各界重視,曾在美國Caltech、University of Florida、香港大學、香港科技大學和台灣各大學受邀演講,並於今年獲邀至IEEE Vehicular Technology Society 最重要的IEEE Vehicular Technology Conference分別於五月在Dublin, Ireland 和九月在Baltimore, USA給予Tutorial課程,也獲得IEEE Communication Society在Athens, Greece舉辦之Personal Indoor Mobile Radio Communication (PIMRC)與其他國際知名學者一同講授Multiuser MIMO 技術的發展,相當程度提高國際對台灣無線通訊在此領域發展之知名度。相關發表的文獻請見 [1-4]:

  1. Chiung-Jang Chen and Li-Chun Wang,"A Unified Capacity Analysis for Wireless Systems with Joint Antenna and Multiuser Diversity in Nakagami Fading Channels," IEEE Trans. on Communications, vol. 54, No. 3,  pp. 469~478, Mar. 2006.
  2. Chiung-Jang Chen and Li-Chun Wang, "Enhancing Coverage and Capacity for Multiuser MIMO Systems by Utilizing Scheduling," IEEE Trans. on Wireless Communications, Vol. 5, No. 5, pp. 1148-1157, May, 2006.
  3. Chiung-Jang Chen and Li-Chun Wang, "Impacts of Radio Channel Characteristics, Heterogeneous Traffic Intensity and Near-Far Effect on Rate Adaptive Scheduling Algorithms," IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 55, No. 5, pp. 1544~1554, Sep. 2006
  4. Chiung-Jang Chen and Li-Chun Wang, “Performance analysis of multiuser MIMO systems with poor-channel avoidance  zero-forcing receivers by scheduling,” IEEE Journal of Selected Area in Communication, Vol. 25, No. 7, pp.1435~pp.1445, Sep. 2007  (EI, SCI).


II.  3G 和 3.5 G 汽車行動無線網路之跨層設計:
   
     無線網路的Cross-Layer 設計是最近相當熱門的課題。首先,針對High Speed Downlink Packet Access(HSDPA)系統,率先針對提出Stall Avoidance機制,加入Physical Layer之資訊以改善Medium Access Control (MAC) Layer中 Hybrid Automatic ReQuest for remission (HARQ)的性能。這問題曾經由華碩Asus Inc. 在3GPP規範制定會議奡ㄔXTechnical Contribution,引起包括Qualcomm Inc.等國際通訊大廠的廣泛重視。另外,Muti-carrier CDMA (MC/CDMA) 系統是繼CDMA和OFDMA系統之後很有希望的無線進接技術,我們率先提出Interference Avoidance的Code Assignment的方法能夠結合PHY layer和RRM layer的資訊一併解決Code Blocking 和實體層中用戶間相互干擾的問題。 相關發表的文獻請見[5-9]。

  1. Li-Chun Wang, Chih-Wen Chang, and Chung-Ju Chang, “On the Performance of Indicator-based Stall Avoidance for High-Speed Downlink Packet Access Systems,”  IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 55, No. 2, pp. 691-703, March 2006
  2. Li-Chun Wang and Chih-Wen Chang, “Gap Processing Time Analysis for Stall Avoidance Mechanisms for High Speed Downlink Packet Access with Parallel HARQ Schemes,” IEEE Trans. on Mobile Computing, Vol. 5, No. 11, pp. 1591 -1605, Nov. 2006 (SCI,EI)
  3. Li-Chun Wang and Chih-Wen Chang, “On the Performance of Multicarrier DS-CDMA with Imperfect Power Control and Variable Spreading Factors,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Special issue on Advances in Multicarrier CDMA, Vol. 24, No. 6, pp. 1154-1166, June 2006.
  4. Li-Chun Wang, Chih-Wen Chang, and Howard C. Huang, “An Interference Avoidance Code Assignment Strategy for Multi-Rate MC-DS-CDMA with Time- and Frequency-Domain Spreading,” IEEE Trans. on Wireless Communications, Vol. 6, No. 7, pp. 2508-2518, July 2007 (EI, SCI)
  5. Chih-Wen Chang and Li-Chun Wang, “Effects of Subcarrier Power Allocation on an Interference Avoidance Code Assignment Strategy for Multi-Rate MC-DS-CDMA Systems,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, 2007 (in print) ( SCI, EI)


III.  無線區域網路及感測網路之跨層設計;

    針對無線區域網路使用的Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) MAC通訊協定,成功研究出目前CSMA/CA MAC通訊協定如何利用Physical Layer之資訊及技術在不增加通訊協定複雜度的前提下,提高系統容量。同時也針對感測網路(Sensor Networks) 如何設計最佳的聚集組合 (Cluster Members),提出創新的跨層優化演算法。相關發表的文獻請見[10-14]。

  1. Li-Chun Wang, Jane-Hwa Huang, Anderson Chen, and Chung-Ju Chang, “Cross-Layer Analysis of Joint Rate and Power Adaptation in Nakagami Fading Channels With Multiple-User Contention,” Wireless Personal Communications (Springer), Vol. 51, pp. 379~397, 2009. (SCI, EI).
  2. Li-Chun Wang, Wei-Cheng Liu, Anderson Chen, and Kuang-Nan Yen, “Joint Rate and Power Adaptation for Wireless Local Area Networks in Generalized Nakagami Fading Channels,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 58, No. 3, pp. 1375-1386, March, 2009.
  3. Li-Chun Wang, Chung-Wei Wang and Chuan-Ming Liu, “Optimal Number of Clusters in Dense Wireless Sensor Networks: A Cross-Layer Approach,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 58, No. 2, pp. 966~976, Feb. 2009. (SCI,EI)
  4. Li-Chun Wang, Anderson Chen and Shi-Yen Huang, “A cross-layer investigation for the throughput performance of CSMA/CA-based wireless local area networks with directional antennas and capture effect,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, Vol. 56, No. 5, pp. 2756-2766, Sep. 2007 (SCI, EI)
  5. Li-Chun Wang, “Link Adaptation for Carrier Sense Multiple Access Based Wireless Local Area Networks.” ADAPTATION TECHNIQUES IN WIRELESS MULTIMEDIA NETWORKS, (edited by Drs. Wei Li and Yang Xiao), to be published by Nova Science Publishers, 2006  ( ISBN: 1-59454-883-8)

 
IV. 感知無線電的規約設計:

      感知無線電是ㄧ項為未來提高頻譜使用效率的重要技術。然而目前感知無線電的頻譜偵測機制需要掃描很寬的頻譜,才能找到可用得頻段,目前的方法非常費時且耗 能,因此我們首先研發ㄧ種利用Location Awareness的資訊,決定感知無線電頻率同時傳輸(Concurrent Transmission)的可能性及相關技術,建立找到降低依賴頻譜偵測機制也能快速找到可用頻段的ㄧ種創新技術。 同時,我們也建立ㄧ個 Preemptive Resume Priority M/G/1  Queuing Network Model 來改善感知無線電頻譜管理技術的QoS,也就是提出以Total Service Time當作Performance Metric,而不是以傳統的Access Delay為Performance Metric,這些方法已經成功地應用在Spectrum Handoff 和Spectrum Decision 的問題上。相關成果發表於 [15-18]:

  1. Li-Chun Wang and Anderson Chen, “Effects of Location Awareness on Concurrent Transmissions for Cognitive Ad Hoc Networks Overlaying Infrastructure-Based Systems,” IEEE Trans. on Mobile Computing, Vol. 8, No. 5. pp. 577~589, May, 2009.
  2. Li-Chun Wang and Chung-Wei Wang, “Multi-User Spectrum Decision Schemes for Cognitive Radio Networks,”  IEEE PIMRC, Sep. 2009.
  3. Li-Chun Wang and Chung-Wei Wang, “Modeling and Analysis for Proactive-Sensing Spectrum Handoff in Cognitive Radio Networks,” IEEE ICC June 2009 (Journal version submitted to IEEE Trans. on Mobile Computing).
  4. Li-Chun Wang and Chung-Wei Wang, “Spectrum Handoff for Cognitive Radio Networks: Reactive-Sensing or Proactive-Sensing?” IEEE Performance, Computing and Communications Conference (IPCCC), pp. 343~348, Dec. 2008.
 

V. 超寬頻無線電系統(Ultra-Wide Band, UWB)

    超寬頻無線電系統利用極低的傳輸功率享用非常寬 的頻帶,來達到高容量的傳輸的目標,然而 UWB 系統的 Coverage   和 Implementation Complexity 是兩個重要的課題,初步的想法是利用多根天線的技術來解決這個問題,然而UWB 的通道模型具有Highly Frequency Selective Fading  Clustering  的效應,而 且多根天線的技術在Combining Narrow Band訊號 和UWB 訊號時有甚麼樣的差別,有很多Fundamental 的問題須要先澄清。目前學術界是有一股熱潮在研究MIMO UWB系 統,但是目前的MIMO Spatial Multiplexing Systems只適合在High Power Region運作,如何讓MIMO 系 統在Low Power UWB 系 統中運作,或者MIMO到底應該在UWB中 扮演什麼其他角色,應該要有更深入的探討。目前我在這方面的研究才剛開始,只有一篇IEEE Transactions on Wireless Communications paper, 主要是先建立考慮UWB 的通道模型中Highly Frequency Selective Fading  Clustering效 應的性能分析架構,並討論 Multiple Transmit or Receive Antennas 在這種 model下的效應 。相關發表的文獻如下:

  1. Li-Chun Wang, Wei-Cheng Liu, and Kuan-Jiin Shieh, "On the Performance of Using Multiple Transmit and Receive Antennas in Pulse Based Ultra-Wideband Systems," IEEE Trans. on Wireless Communications, Vol. 4, No. 6,  pp. 2738~2750,. Nov. 2005 (SCI/EI) 
  2. Li-Chun Wang and Wei-Cheng Liu, “BER Analysis in IEEE 802.15.3a UWB Channels,” to appear in IEEE Trans. on Wireless Communications, Apr. 2010.
  3. Wei-Chen Liu and LI-Chun Wang, “BER Analysis in A Generalized UWB Frequency Selective Fading Channel With Randomly Arriving Clusters and Rays,”IEEE International Conference on Communications, Glasgow, UK, June, 2007


四 研究計劃

目前本實驗室與 國科會、教育部大學頂尖卓越研究中心計畫工研院資通所、 聯發科、 中華電信研究所、環隆電氣 ,加拿大 Communications  Research Centre (CRC), Canada  都有研究合作案。相關的研究目前以涵蓋 4G Wireless 和 Cloud Computing 為主
研究的課題強調前瞻性與實用性。

歡迎有興趣加入本實驗室的同學或有意願合作的廠商及研究 單位,請與本人連繫 03 571 2121- ext 54511 lichun@cc.nctu.edu.tw 或計劃助理 林雅婷 小姐  03 571 2121 # 54611 yatin@mail.nctu.edu.tw