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第二章、相關研究
2.1、第三代行動通訊架構
第三代行動通訊架構簡稱 3G（3rd-generation），是指高速數據傳輸的蜂巢行動通 訊技術。3G 技術能夠同時傳送聲音(通話)及數據(電子郵件、即時通訊等)。代表 特徵是提供高速數據服務。相對於第一代類比式行動電話系統(1G)與第二代只具 有通話和一些諸如時間、日期等固定格式數據的手機通訊技術規格的 GSM、
CDMA 等數位調變式手機 (2G)，3G 手機是將無線通訊與 Internet 等多媒體傳輸 結合的新一代行動通訊系統。主要由 UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)與 CN(Core Network)兩部分組成[29]，如圖 6。
圖 6、新世代行動通訊系統
2.1.1、通用移動通訊系統無線接入網 (UTRAN)
UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network) 由多個 RNS (Radio Network Sub-system)所組成，每個 RNS 包括一個 RNC 與其數個相連的 Node B，RNC 與 Node B 之間使用 Iub interface 相連，每一個 RNC 透過 Iu-PS interface 與一個 SGSN 之間相連，並透過 Iu-CS interface 與一個 MSC 相連。
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◦ RNC(Radio Network Controller)：無線網路控制器是 3G 網路的一個關鍵部 分。它提供 Mobility Management、呼叫處理、鏈接管理和切換機制，具體 工作為管理用於傳輸用戶數據的無線接入、管理和優化無線網路資源和無線 連結維護，RNC 擁有和控制管轄範圍內所有 Node B 的無線電資源，作為 service access point 提供服務給 Core Network，為連到 Core Network 之前的 最後部分，以台灣而言一台 RNC 大約控制 50~300 台 Base Station。
◦ Node B：即是 Base Station，負責 WCDMA 系統的無線收發，通過 Iub 接口 和 RNC 互連，主要處理 Uu 接口物理層協議。功能有展頻、調變、通道訊 號編碼及通道訊號解碼，還包括基頻信號和射頻信號的相互轉換等功能。
2.1.2、核心網路 (Core Network)
CN 由 CS 交換機、PS 路由器、資料庫及長途幹線組成，主要設備存放於機房中，
包含了 MSC/VLR、GMSC、HLR、SGSN、GGSN 五個部分:
◦ HLR(Home Location Register)：是一種用戶資料庫，保存用戶的基本資料，
如 SIM 的卡號、手機號碼和用戶狀況，例如當前的位置、是否已經關機等。
◦ VLR(Visitor Location Register)：保存用戶的狀態資料。
◦ MSC(Mobile Switching Center)：負責路由的語音通話和短信，以及其他服務 (如電話會議，傳真和電路交換數據)。
◦ SGSN(Serving GPRS Support Node)：負責數據包的 Mobility Management、
路由轉發、會話管理、邏輯鏈結管理、加密和輸出等功能。
◦ GMSC(Gateway MSC)：提供 CS domain 連接到外界網路的交換機。
◦ GGSN (Gateway GPRS Support Node)：提供 PS domain 連接到外界網路的交 換機。
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2.1.3、3G 網路通訊協定
Before 3GPP release 5：在 3GPP Release 5[29]之前的 3G 架構下，用戶手機本身
會具備自己的 IP 位置，透過 Node B 連線到 RNC 後，RNC 會用自己的 IP 將用 戶的封包封裝起來，並且與 SGSN 透過 Iu-ps 協定連線，然後 SGSN 會再用 Gn/Gp 協定與 GGSN 連線，中間其實就是 Tunnel，一直到 GGSN 以後，才會將原本用 戶手機的封包解封裝後送到 Internet，如圖 7。
圖 7、3GPP Release 5 架構
3GPP R5 to R7：新的 3GPP R5 到 R7 版本[29]，精簡了網路的架構，首先是 HSDPA
移除了 Drift RNC 元件，並且將 Drift RNC 的功能移到 Node B 上面，再來是修改 SGSN，讓 RNC 可以直接與 GGSN 使用 Tunnel 連線，如圖 8，在 HSPA+的版本，
又將 RNC 的部分功能移到 Node B 上面。
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圖 8、3GPP Release 7 架構
2.2、緊急通訊系統種類
2.2.1、無線對講機 (Walkie-Talkie)
一種手持的雙向無線電收發器，其原理很像 2.2.2 節所介紹之 Amateur Radio，使 用免執照的 ISM 頻道，同時間只有一位使用者可以廣播語音訊息(半雙工)[17]。
優點：
◦ 不需佈建任何線路即可使用
◦ 體積小重量輕，可隨身攜帶
◦ 電池充電後可長時間使用
◦ 只要頻率相同，電波所及範圍內即使不知道對方身份地點即可通訊
缺點：
◦ 在世界很多地方普及率低 (例如：台灣)
◦ 沒受過訓練很難直接使用(緊急時無經驗之使用者必頇在短時間內讀懂說明 書自行學習使用)
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◦ 沒有優先分級能力
2.2.2、業餘無線電 (Amateur Radio)
類似於廣播電台，差別只在於電波所及的範圍較小，原理為通過無線電進行訊號 傳輸，早期使用長波段，因為長波段能量損失小且能繞過障礙物，但由於長波的 天線設備龐大、昂貴、通訊量小，後期使用能藉電離層反射的短波，使得無線電 設備價錢大幅降低，一般使用者也有能力使用，因此短波成為業餘愛好者的使用 主流，將 Amateur Radio 當作緊急通訊系統會具有的優點為：電波所及範圍內即 使不知道對方身份地點亦可大範圍廣播通訊，適合做訊息發佈功能，缺點為普及 率和移動性非常低，且使用上困難，沒受過訓練很難直接使用，緊急時架設的架 站很難找到操作者[13]。
2.2.3、行動衛星通訊
行動衛星通訊系統是由通訊衛星和通訊地面站兩部分所構成。行動衛星通訊是指 利用人造衛星作為中繼站轉發無線電訊號，在兩個或多個使用者之間進行數據傳 輸。在此系統中，通訊衛星只是一個掛在空中的通訊中繼站。由於高度關係它視 野開闊，只要在覆蓋範圍內，不論距離遠近都可以通訊，通過它轉發和反射電報、
電視、廣播和數據等無線信號[16,30]。
衛星通訊系統可以由衛星所在高度分為同步衛星(Geostationary, GEO)、中軌 道衛星(Medium Earth orbit, MEO)和低軌道衛星(Low Earth orbit, LEO)。同步衛星 所在高度為三萬五千七百多公里，中軌道衛星所在高度為一萬至兩萬公里，低軌 道衛星所在高度為七百五至兩千公里之間。高軌道的同步衛星因高度太高傳至地 面的訊號太微弱，導致接收設備造價高昂，體積龐大(常見的碟型天線之直徑至 少數英呎)，且延遲時間太長不適合作為語音通訊使用，更不適合作為行動衛星
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通訊之用。目前常用於行動衛星通訊系統的為中低軌道衛星，中地球軌道(MEO:
Medium-Earth Orbit)距地 5000~15000km，美國的奧德塞計劃(Odyssey)即是使用 中軌道衛星；低地球軌道(LEO: Low-Earth Orbit)距地 500~1500km 的高度，
Motorola 主導的銥計劃(Iridium)是使用低地球軌道衛星之計劃。
行動衛星通訊優點有：覆蓋面廣、通訊距離遠、不受地理條件限制、通訊頻 帶寬、傳輸容量大、建構靈活、易於實現多點通訊、具有優良的廣播特性、性能 穩定可靠、傳輸距離遠等優點。缺點有：通訊時間延遲較長、容易受外部條件影 響、價格高昂、普及率低。
2.2.4、集群通訊系統 (Trunking radio)
由早期的專用無線電調度系統逐漸發展形成的，系統中每一個無線設備都會透過 一個或多個中繼站來把訊息發散出去，這種通訊系統主要用於對戶外作業的移動 用戶提供調度與指揮控制等服務，具有普通無線電通訊的語音、數據等功能外，
還具備群組呼叫、優先分級、快速接續等能力[31]，作法是由中央控制器集中控 制和管理系統中的每一個頻段，以動態方式迅速的把空閒頻段分配出去，用戶群 會呈現樹狀結構，常用於指揮調度通訊，缺點為必頇事先建構，以下介紹美規的 Project 25[1]以及歐規的 TETRA[2]應急通訊系統，兩者皆採用 TDMA 時分技術。
◦ Project 25 [1]：APCO(Association of Public-safety Communications Officials- international)於 1989 年推動的計劃(簡稱 P25)其制定了相關標準來提供服務 和各廠商互連相容能力(Multi-Vendor Interoperability) ，以求找到符合公共安 全與關鍵性任務需求之解決方案，P25 具備支援傳統/數位(Analog/Digital)與 中繼集群模式，在小於 200 個使用者時或小規模地方政府受限於預算時才採 用傳統模式，否則通常採用中繼集群模式。
◦ TETRA (Terrestrial Trunking Radio) [2]又稱 Trans-European Trunking Radio，
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為 專 業 移 動 無 線 電 (Professional Mobile Radio, PMR) 和 雙 向 收 發 器 (walkie-talkie）規範，類似於 P25 為專門設計用於公共安全與關鍵性任務需 求之無線電通訊規範，除了以公共安全(Public Safety)與關鍵性任務需求之解 決方案為考量設計外，也提供給鐵路運輸列車服務和捷運系統無線電通訊服 務等大眾交通系統。與 P25 不一樣地方為 TETRA 只提供數位式中繼集群模 式。
2.2.5、移動式基地台 (Cell on Wheels)
移動式基地台實際上就是一個可移動的通訊系統，通過開到緊急現場的車載平台，
搭建通訊網路，實際處理現場傳輸來的語音、影像、圖片等數據，實現現場各種 不同規格、不同頻段的通訊網路的交換，構成統一的應急指揮平台。
由於移動式基地台具有架設速度快、運用靈活、調度方便、自帶電源設備等 特點，因此，在大多數自然災害、突發事件和重大事件的發生的情況下，應急通 訊車通常是現場緊急通訊的首選方式之一，但專業設備需專人操作，成本高昂無 法大量佈署導致接通手機數量有限，並且需要完好交通系統才能進入災區，在大 型自然災害中所能負擔的通訊比例不大，並且因為交通可能斷絕，這些設備無法 在第一時間送進災區，延誤救災效率，目前中華電信在台灣北部有 18 台、中部 有 11 台、南部有 8 台移動式基地台[3]。
2.2.6、行動隨意式網路 (MANET)
Ad hoc 網路是一種沒有有線基礎設施支持的移動網路，由具有無線區域網路能 力的筆電或平板電腦構成，每個節點皆可移動，並由此些節點構成一個網路，在 Ad Hoc 網路中，當兩個移動設備在彼此的連線覆蓋範圍內時，它們可以直接通 訊，但是由於移動設備的通訊覆蓋範圍有限，如要兩個相距較遠的設備要進行通
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訊，需要通過它們之同共同的移動設備來轉發才能實現[5,26]。它有以下特點
◦ 無控制節點：所有節點皆可隨時加入或離開
◦ 容易組織：不需要固定網路設施支持，能在任何時間、地點快速建構
◦ 平衡性差：容易形成不平衡網路對個別節點有很高的負擔
我們先前的研究提出了一個利用志願救災人員的行動電腦建構隨意型網路 並運用 P2P 技術建構成緊急通訊系統的設計，稱為 P2PNet，可以在沒有連接 Internet、沒有伺服器的情況下支援緊急的通訊與資訊運用[17]。
P2Pnet 依照傳統網路分層的概念，在網路層與傳輸層之間加入一個名為「網 路服務層」的中介層，以完成 P2Pnet 所需功能。在實體層與網路層中，P2Pnet 將會詴圖利用所有可運用的資源，包含 WiMAX，Mesh Network 與 VANET 等，
機會網路(opportunistic network)的技術將會把各個獨立的 P2Pnet 整合成為一個互 通的網路，在此情況下，網路節點之間可以將封包廣播到其鄰近的節點，在短時 間內建立可用的通訊管道，以提供災區作為初期的緊急通訊之用。
2.2.7、過去應急通訊系統相關研究
◦ Autonomous Networked Robots for the Establishment of Wireless Communication in Uncertain Emergency Response Scenarios [26]：利用自主移 動機器人在災區和救難中心建構一個 wireless ad hoc network 達到通訊目的，
作者透過預測人群聚集的地方提出一個在每個機器人上運行的分散式演算
作者透過預測人群聚集的地方提出一個在每個機器人上運行的分散式演算