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第三章、 應急蜂巢式行動通訊網路 (CCN)
應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network，CCN)，以下簡稱 CCN 網 路。CCN 網路的建置目的是在大型災害發生後的交通及通訊尚未修復之緊急黃金 72 小 時救援時期，提供即刻臨時性的通訊。CCN 網路建置於原 2G、3G 蜂巢式行動通訊網路 之上，係利用在災害中服務中斷但結構完好的行動通訊網路基地台，藉由臨時供應的電 力，恢復其運轉，並藉由無線通訊設備[24]連接鄰近的基地台，再藉由點對點(Hop-by-hop) 方式遞送訊號至有對外連線能力之基地台或通訊節點(如衛星通訊裝置、移動基地台等)，
形成一臨時性的通訊網路，使災區人員能藉由 CCN 網路利用手機進行通訊，降低災區 的通訊阻礙，進而提升救災效率。由於蜂巢式行動通訊網路的基地台分佈拓樸，在建置 時期即經過完善的設計，不但設置的地理位置經過測量規劃，而且多設置於高處，訊號 良好、無 Line-of-sight 問題，故在緊急時期，若可直接使用蜂巢式行動通訊網路的基地 台，則不須花費額外的人力及時間選擇 CCN 網路的無線電站台架設地點，可以快速佈 建。另外，建置 CCN 網路所需的額外設備(應急修復包)具有可事前儲備、輕量等優點，
當災害來臨時，可直接由災區內部供應或由直升機空投取得，使得系統建置更為容易。
圖 3.1 所示，CCN 利用無線通訊設備連結斷訊的基地台群，並將訊號遞送至具備 與後端核心網路通訊能力之基地台，藉此使斷訊基地台回復通訊。
圖 3.1、CCN 網路架構
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CCN 可行性分析：
我們利用原有基地台建構應急通訊系統的方式具有下列幾項優勢：
一般民眾逃難時，多半攜帶手機，如能救活基地台，讓受困與救災人員立 即恢復通訊能力，效益極大。
重覆使用原有行動通訊基地台，大幅降低成本且涵蓋範圍廣。
這些基地台都已在災區內，不會因為交通因素導致設備因道路、橋梁的中 斷無法進入災區，延誤建構應急通訊系統的時間。
額外設備(應急修復包)重量極輕，可以用直升機空運或空投。
基地台的拓樸，多半經過精心設計，地點絕佳，不需耗時費力選擇無線電 基站地點。
基地台之間距離不遠，且都在高處，不虞視線受阻，容易用簡單的無線電 設備互連。
手機普及率非常高，使用者可直接用既有手機不需改裝即可通訊，且使用 者不需訓練，只要會使用原有手機即可使用(但通訊功能僅限於救災使 用)。
3.1、系統架構
我們先前的研究[23][24][51]發覺大部分斷訊基地台之結構完整，但因停斷電或後端 線路毀損使其無法提供正常服務。因此提出利用空投或直昇機等方式提供應急修復包 (Contingency Recovery Package，CRP，可儲備於國家防救災中心或行動電話公司)，修 復包內含發電機、燃油、無線通訊…等設備，藉由這些基本設備，使基地台能維持基本 運轉，基地台再利用無線通訊設備以跳接方式互連，回復與核心網路之間的連線，使其 能連上後端核心網路，恢復部分通訊功能。應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network)架構如圖 3.1 所示。
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我們將基地台依其對外通訊的連線能力，定義如下：
連網台(Survival base station)：與後端核心網路正常通訊，傳遞資料並持續提 供服務之基地台，稱為連網台，如圖 3.2。連網台的構成要件為其基地台本身 完好或配有衛星等通訊設備，使其具有與後端核心網路通訊之能力。
(A) 連網台 (B) 孤立台
圖 3.2、連網台與孤立台 孤立台(Isolated base station)：無法與後端核心網路通訊，造成通訊服務提供 中斷，但基地台設備本身並無毀損之基地台，稱為孤立台，如圖 3.2。其形成 孤立的最可能原因為電力中斷、實體對外線路損毀所導致。
3.1.1、 CCN 連網方式
當兩基地台彼此相鄰，可用無線通訊方式連線互相交換資料時，這兩基地台互為彼 此的鄰台。
圖 3.3、CCN 基地台間之連線
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CCN 網路即是在孤立台上佈建簡易的輔助設備「應急修復包(CRP)」，使孤立台利 用鄰台連結到連網台，由於連網台的功能沒有受損，即可透過連網台連線到後端核心網 路。基地台必須與後端系統建立連線才可交換信令(Signaling)與資料(Data)提供電信服務，
如圖 3.3 所示。CCN 將利用各種無線連線方式[33]與鄰台相連，鄰台之間將會不斷相連 擴展，形成一個全新的網路。CCN 通訊模式如圖 3.4。
轉送拓樸 ( Forwarding Topology )：
為了簡單起見，CCN 採用樹狀轉送拓樸，其根節點為連網台，其餘節點為孤 立台。由於一個 CCN 網路對外的頻寬極為有限，如果災區有多個連網台或災 區範圍太大，可將災區切割成多個 CCN 網路拓樸，除保障通訊品質外，也避 免當災區面積太大，話務須經多次轉送浪費太多頻道資源，建議每個 CCN 網 路的轉送拓樸深度控制在 3~5 hop 之內。
圖 3.4、孤立台藉 CCN 連線連上核心網路 3.1.2、 系統元件
CCN 之建構需要在各孤立台附加額外設備，所需的元件為發電機、燃油、無線通 訊設備，部分則需衛星通訊設備。平時包裝成「應急修復包(Contingency Recovery
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Package)」，如圖 3.5，儲存於國家救災單位，於災害發生時運送至災區建構 CCN。相關 元件介紹如下：
圖 3.5、CCN 應急修復包(CRP)
Power Module：讓基地台持續運轉的小型輕便發電機及燃油。
Inter-Cell Communication Module (ICC Module)：無線通訊能力(例如：
WiMAX、Wi-Fi)模組。
Emulated Controller Module (EC Module)：負責處理、運算、轉送資料，為 CRP 的核心運算元件，控制包含資料轉送路徑、基地台頻寬分配控制、通話允 入控制等，並提供虛擬鏈結讓基地台與後端連線，也須提供虛擬 BSC 功能提 供網內互打服務[29]，並藉由此模組與既有的行動通訊網路介接，交換控制信 令與音訊。
Satellite Communications Module (Optional)：衛星通訊設備，如果災區內沒有 連網台，則須利用衛星通訊設備架設至少一個連網台。由於衛星通訊設備價格 昂貴，無法普及所有基地台，只能用於少數基地台。
CCN 孤立台恢復連線方式：如圖 3.6 所示。手機信號透過孤立台 EC Module 處理並經 ICC Module 轉送至鄰台。此時孤立台資料便可透過鄰台，以多重跳 接的方式，連上後端核心網路。
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圖 3.6、孤立台恢復連線方式
3.2、通訊模式
3.2.1、 災區通訊型態分類
我們將災區通訊依通話功能大概分為四類，分別為急難救助、災情回報、救災相關 和互道平安。詳細分類如表 3.1 所示。
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模式必須佔用寶貴的連外資源，因為此類通訊必須經過交換機進行交換，必須 使用原有之 HLR/VLR 等資料庫，所佔用的 CCN 資源非常可觀。必須配備具 有差異化優先等級的允入控制，方能有效運用寶貴的資源。
無線對講機模式(Walkie-Talkie Mode)
在正常運轉下，基地台都可以擁有上百個無線電頻道供使用者使用，而 CCN 內 的基地台所獲配的連外頻寬通常將遠低於所獲配的無線電頻道，造成無線電頻 道之閒置。我們設計的無線對講機模式利用閒置的頻道讓 CCN 服務範圍內的 手機在同一基地台涵蓋範圍內進行廣播通話(一對多)，而不必使用連外頻寬。
群組通訊模式(Agency Mode)
災區中，大量的救災通訊都具備幾個共同特色：
彼此不知電話號碼，也沒有時間記憶或記錄對方號碼
大部分的通訊是對特定角色，而非特定個人
緊急程度較高，且各有不同
由於以上的特點，我們規劃了群組通訊模式，遵循以下數個原則：
群組通訊模式內不同的群組各自負責不同的任務，這些不同的群組稱為 agency group
每一個群組，指定一個代表號，各群組有優先順序，代表號則於災區廣為 宣傳
每一個群組的成員註冊其電話號碼及所屬群體
呼叫某一群組時，該群組所有成員的手機都會接到來電訊號
受話群組的任一個成員可以承接呼叫
註冊成員的電話號碼，將記錄於 CCN 資料庫中，CCN 的管理者可根據各個群 體的優先次序進行允入控制，此外，在允入一般模式的電話時，也可根據這個 資料庫決定各個電話號碼的優先度。群組通訊模式利用閒置的頻道讓 CCN 服
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務範圍內的手機可與 CCN 內任何受話群體內的任一個成員通話(非廣播通話)，
無論呼叫者和受話者是否在同一基地台的涵蓋範圍之下。呼叫某一群體時，該 群體所有成員的手機都會接到來電訊號，受話群組的任一成員可以承接呼叫，
當群組內任一成員承接呼叫後，呼叫者即可和該成員進行通話，而此時群組內 其他成員的手機的來電訊號即會消失(一對一)。
3.3、CCN 功能架構(Functional Architecture)
圖 3.7、CCN 功能架構
系統架構如圖 3.7 所示，EC Module 內各元件的功能詳述如下：
服務流程控制器(Service Process Controller)：服務流程控制器和相關的功能元 件相互合作，提供使用者服務。
用戶個人資料(User Profile)：記錄一些用戶資訊，例如手機號碼、IMSI、agency group、service level agreement (SLA) 等。
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服務定義(Service Definition)：定義 CCN 通訊模式提供服務的流程及其功能。
通訊模式可以被新增或修改藉由新增或修改它的服務定義。
虛擬 BSC(Base Station Controller Emulator,BSC-E)：處理基地台之間的通訊 協定和將信號及資料轉換到 VoIP 封包之中。
服務中心(Service Center)：由於 CCN 擁有三種不同的通訊模式。服務中心會 視來電請求為何種通訊模式，提供相對應功能以滿足使用者的需求。
用戶資訊中心(User Info Center)：負責管理用戶的身份。用戶資訊中心將使用 者分成兩類，一種是擁有用戶資訊的 agency group 成員以及沒有用戶資訊的匿 名使用者。當匿名使用者連接到 CCN 時，用戶資訊中心會預設他的 agency group 及 SLV 並且將這些用戶資訊記錄下來。
QoS 管理員(QoS manager)：負責決定通話品質。根據通話的迫切性給予不同 的頻寬，期望能在不影響救災效率的前提之下，盡可能的提供更多的通話服 務。
行動管理員(Mobility Manager)：負責找出受話者的位置。
網路流程控制器(Network Process Controller)：網路服務流程控制器和相關的 功能元件共同合作提供服務。
網路資料(Network Data)：記錄網路狀態資訊，例如網路拓樸、頻寬分配的狀 況以及頻寬的利用率等。
網路資料(Network Data)：記錄網路狀態資訊，例如網路拓樸、頻寬分配的狀 況以及頻寬的利用率等。