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第二章、 相關研究
2.1、第三代行動通訊架構
第三代行動通訊簡稱 3G (3rd-generation)，是指高速數據傳輸的蜂巢式行動通訊技術。
3G 技術能同時傳送聲音(通話)及數據(電子郵件、即時通訊等)。如圖 2.1，其中，UTRAN 用於處理所有與 Radio 相關的功能，而 CN 則處理行動通訊系統內的所有語音呼叫和資 料傳輸與內外網路間的交換與繞送。
圖 2.1、System Architecture of 3GPP Release 99 2.1.1、 通用行動通訊系統陸地無線接入網 (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 介面相連，每一個 RNC 透過 Iu-PS 介面與一個 SGSN 相連，並透過 Iu-CS 介面與一個 MSC 相連。
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
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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以及無線連結維護，
意即 RNC 控制管轄範圍內所有 Node B 的無線電資源，包括無線電頻道的指配、
回收與管理，作為 Service access point 提供服務給 Core Network。以台灣而言，
一台 RNC 大約控制 50~300 座基地台。
Node B：即是基地台(Base station)，配備收發天線及無線電頻道，提供無線電 通道資源，通過 Iub 介面和 RNC 互連，主要處理與 UE (User Equipment)間 Uu 介面實體層協議。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[29]。
2.1.2、 核心網路 (Core Network)
核心網路(Core Network)分為 CS-CN (Circuit Switched Core Network)和 PS-CN (Packet Switched Core Network)，由 CS 交換機、PS 路由器、資料庫及長途幹線組成，
主要設備存放於電信機房中，包含了 HLR、MSC/VLR、GMSC、SGSN、GGSN 五個部 分：
HLR (Home Location Register)：本籍位置記錄器，是一永久性用戶資料庫，
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、
是否開機等)。行動業者所有客戶的 Service profile 都儲存於 HLR，直到客戶退 租為止。HLR 並記錄各用戶所在位置的 VLR，提供位置查詢之服務。
MSC (Mobile Switching Center)：行動電話交換機，負責所管轄服務區內行動 客戶的移動管理及呼叫處理。
VLR (Visitor Location Register)：訪客位置記錄器，通常每個 MSC 都有自己 專屬的 VLR，以記錄當時正漫遊在其服務區內的行動客戶相關資料，如客戶目 前所在位置區、Service profile…等。
GMSC (Gateway MSC)：閘口行動電話交換機，提供 CS domain 連接到外界
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PSTN (Public Switched Telephone Network)或其他 PLMN (Public Land Mobile Network)的交換機。
SGSN (Serving GPRS Support Node)：負責數據封包的 Mobility management、
路由轉發、會話管理、邏輯鏈結管理、加密和輸出等功能。
GGSN (Gateway GPRS Support Node)：提供 PS domain 連接到外界網路的交 換機。
2.2、第四代行動通訊架構
LTE(Long Term Evolution)為 3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）發展第 四代行動通訊(4G)之過渡版本，俗稱 3.9G， LTE-Advanced 則為符合國際標準的一種第 四代行動通訊(4G)規格，以提供使用者高速資料傳輸速率、提高系統容量和覆蓋範圍並 降低營運成本。與 GSM、WCDMA 相較，主要有以下差異：
使用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[61]
使用 MIMO(Multiple-Input Multiple Output)
核心網路架構之改變(System Architecture Evolution; SAE)[62]
如圖 2.2，LTE 系統可分為無線接取網路之 e-UTRAN(evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network)以及 SAE 架構之主要核心 EPC(Evolved Packet Core)。
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圖 2.2、System Architecture of LTE
2.2.1、 e-UTRAN
e-UTRAN 由 eNodeB 組成，eNodeB 之功能如同在 UMTS 架構中 NodeB 加上 RNC，
這樣架構的簡化將可降低無線電介面之延遲時間。
eNodeB 間以 X2 介面互相連接，支援資料以及信令之傳輸。
eNodeB 與核心網路則以 S1 介面相連；其中，Control Plane 之信令傳輸透過 S1-MME 介面和 MME(Mobility Management Entity)相連；User Plane 之則透過 S1-U 與 SGW(Serving Gateway)進行資料傳輸。
2.2.2、 EPC
EPC 由 MME, SGW, PGW 所組成[63][64]，相較於 UMTS 之核心網路，EPC 架構 相對扁平，且為 All-IP 之核心網路，並可與不同接取網路系統互運(LTE, UMTS, GSM, WLAN, WiMAX 等)。
MME(Mobility Management Entity)：MME 為 LTE 接取網路中主要之控制元
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件 ，為 用 戶 端進 行 安 全性相 關 之 認 證、 授 權、 計費功 能；提 供 Mobility Management，包含 eNodeB 間之 handover 以及 Idle-Mode 用戶之呼叫以及追蹤 等；建立、修改或拆除用來承載用戶數據封包之 EPS Bearer。另外 MME 也可 透過 S3 介面與 GSM/UMTS 之 SGSN 進行 Control Plane 之移動管理。
SGW(Serving Gateway)：SGW 負責用戶資料封包之繞送及轉發，透過 S4 介 面與 GSM/UMTS 之 SGSN 進行 User Plane 之資料交換，並以 S5/S8 介面與相 同營運商/不同營運商之 PGW 連接。
PGW(Packet Data Network Gateway; PDN Gateway)：PGW 為 LTE 網路之出 口，透過 SGi 介面通往外部數據網路。PGW 可執行系統面之政策定義、封包 過濾、計費、封包篩選以及合法監聽等。
2.2.3、 LTE 之公眾安全通訊系統發展
隨著日益鉅增的應急通訊系統需求，美國方面極欲將原本有限規模之公眾安全通 訊 系 統 (Public Safety Communications) 如 TETRA 及 P25 ， 導 入 並 應 用 在 LTE/LTE-Advanced 上。美國國家公眾安全通訊委員會 (The National Public Safety Telecommunications Council ，NPSTC)已在 2009 年決定將 LTE 作為國家公眾安全通訊 系統的網路，並保留了 LTE 中的 700MHz band 來使用，目前各項標準仍由 3GPP(The 3rd Generation Partnership Project）制定中，而在 2014 年的 Release 12 草案中，已討論了鄰 近服務(Proximity Services , ProSE)及群組通訊系統(Group Communication System, GCSE_LTE)等主要內容。
鄰近服務(Proximity Services)
在鄰近的行動裝置間進行類似 P2P 的通訊，又稱作 Device-to-Device(D2D)通訊，
可增加頻譜的利用度與整體輸出，並節省行動裝置的電源。
D2D 通訊為兩個鄰近的 UE device 不透過 eNB 或核心網路，而係使用 LTE 空
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中介面來建立直接連線。
群組通訊系統(Group Communication System)
提供一對一或一對多的群組通訊服務，可傳送文字、影音等多樣媒體種類，並 有複合同時群組、優先權控制、先佔權(Preemption)及群組成員事件提醒等功 能。
由於 LTE ProSE 及 GCSE_LTE 標準仍在制定中，且目前的 UE 設備尚未支援 ProSE 及 GCSE_LTE，亦無應用實例，故 ProSE 及 GCSE_LTE 未納入 CCN 網路之研究範圍，
待相關技術成熟後，如能將其導入，對於頻寬資源極為寶貴的 CCN 網路來說，無疑是 一大助益。
2.3、應急通訊系統種類
應急通訊系統使用時機
在災害初期，原有通訊系統常因受損而癱瘓，但災害初期是搶救受困人員的最 佳時機，因其存活率隨著時間之推移，而快速下降，於災害初期盡速建置一個 應急通訊系統提供倖存者及救災人員所需的通訊服務，電信公司將會逐步修復 原有的行動通訊系統，而應急通訊系統的作用也會慢慢下降直到所有基地台修 復完成，如圖 2.3 所示。
圖 2.3、應急通訊系統使用時機
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種類約有以下幾種：專用高抗災通信平臺、無線對講機 (Walkie-Talkie)、業餘無線電 (Amateur radio)、行動衛星通訊 (Satellite mobile phone)、專業用集群通訊系統 (Trunking radio)、移動基地台(Cell on wheels)及行動隨意式網路 (MANET)，而表 2.1 是以應急通 訊系統八項評斷指標進行優劣分析。表 2.1、應急通訊系統比較
2.3.1、 應急通訊系統相關研究
Autonomous Networked Robots for the Establishment of Wireless Communication in Uncertain Emergency Response Scenarios [38]：本篇主要探討災害發生後，如 何利用自主機器人在災區內建立 Wireless ad hoc network，使受困的災民能和外 界通訊。作者將事先預估的人群分布資訊搭配分散式演算法運行於機器人上，
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並藉由最小生成樹(Minimum spanning tree)演算法來改進服務範圍重疊之缺點，
當機器人之數量較少時使用第一種演算法較為合適，若該區的頻寬需求較大時，
則使用第二種演算法較為合適。
Autonomous Community Construction Technology for Timely Transmitting Emergency Information [41]：本篇主要探討 Wireless sensor network 在災害發生 時的相關應用，目前 Wireless sensor network 已被廣泛應用於應急管理體系
（EMS）。由於一般即時發送緊急訊息的系統均使用集中式的管理，並不適合 救 災 情 況 會 隨 時 變 動 的 災 區 使 用 ， 因 此 ， 作 者 提 出 利 用 Autonomous Decentralized System (ADS)的方式在災區傳送即時訊息，稱為 Autonomous Community Construction Technology。最後經由模擬可知，作者所提出的方法 非常適合在災區傳送即時訊息。
An Integrated Communication-Computing Solution in Emergency Management [6]：
本篇作者在多年來致力於緊急情況和危機管理系統之研究，在本文中，作者藉 由 Multiple Parallel 的 模 型 來 整 合 網 路 層 (Network layer) 和 網 路 應 用 層 (Application layer)，在不同層的節點可以依據其他節點所給予的資訊來選擇最 適當的網路，作者期望能在災害發生時，建立一個較穩定的異質通訊網路 (Heterogeneous meshed communication system)。
Computational Public Safety in Emergency Management Communications [33]：本 篇主要探討應急管理系統中的各種不同類型之網路，作者討論了各種無線網路 的通訊方案，並分析其使用的可行性。例如，傳播延遲，封包傳遞率和傳輸率。
針對 WiMAX、Xbee、藍芽和 Wi-Fi 等環境進行測試，作者發現 Wi-Fi 是目前 應急管理最適合的網路環境，其網路的傳輸速率和涵蓋範圍都優於其他環境。
Ad Hoc Communications for Emergency Conditions [11]：本篇主要探討在災區的 通訊方式，作者提出利用智慧型手機作為節點，並透過 Wi-Fi 的方式建立成
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Ad hoc 網路進行通訊。整體架構包括廣播和路由協議，其主要的方式為，將訊 號向間隔 120 度角的節點進行廣播並建立起網路拓樸，在緊急情況之下，即可 架設短距離的 Ad hoc 網路供通訊使用。
Taiwan Earthquake Event Report, Risk Management Solutions [9]：本篇主要探討 在 1999 年 9 月 21 日發生於台灣的一個大地震，集集(chi-chi)大地震，作者將 此次地震所造成的相關災害透過照片和圖表等數據來說明，其中包括許多交通 建設的損壞、房屋倒塌、電力系統中斷和基礎設施損毀…等，並於本文各章節 中探究其原因，提出適當的建議，以供相關單位可針對目前缺失的部分進行補 強，減少人員的傷亡和財務的損失。
Improving Disaster Management [39]：本篇主要探討在災區的訊息傳遞方式，作 者認為有效的訊息傳遞在災害發生時是非常重要的，無論是災情的傳遞或是受 困的災民都急需訊息傳遞的需求。因此，學者們制定了一套災害管理系統，利 用手機當作節點來傳遞訊息，如此一來，當災害發生時，即可迅速的將訊息透 過節點和節點之間的 relay 傳送至目的地。
A Disaster Information System by Ballooned Wireless Ad Hoc Network [36]：本篇 主要在探討如何在通訊網路全面中斷的情況下，建構一個可以使用的網路環境。
作者將無線傳輸設備綁在多個氫氣球上，在距離地面約 40m~80m 的空中建立 起 Ad hoc 網路，恢復某一特定地區的網路。作者於某一校園進行實際測試，
並透過一中央伺服器(WIDIS)將該區的資訊與外界相連。
Construction of Wireless Network for Information Communication for a Disaster-affected Island [40]：本篇作者主要探討災害發生後，海底線路損毀，
造成大陸本島與其相鄰小島之間的通訊中斷，並提出相關的應對方法。研究團
造成大陸本島與其相鄰小島之間的通訊中斷，並提出相關的應對方法。研究團