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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)，主要由 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)與 CN (Core Network)兩部分組成[44]，架構如圖 5 所示。
圖 5、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)： 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
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路資源以及無線連結維護，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。
Node B：即基地台(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。
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 用戶的基本資料和用戶狀況(例如當前的位置、是否開機等)。
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 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。
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2.2、第四代行動通訊架構
2.2.1、 長程演進技術(Long Term Evolution; LTE)
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，與 GSM、WCDMA 相較，主要有以下差異：
使用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
使用 MIMO(Multiple-Input Multiple Output)
核心網路架構之改變(System Architecture Evolution; SAE)
如圖 6 所示，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)。
圖 6、LTE System Architecture
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
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過 S1-U 與 SGW(Serving Gateway)進行資料傳輸。
EPC
EPC 由 MME, SGW, PGW 所組成，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
MME 為 LTE 接取網路中主要之控制元件，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
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。
2.3、應急通訊系統種類
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可 在此時提供倖存者及救災人員所需的通訊服務，而電信公司將會逐步修復原有的行動 通訊系統，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 7 所示。
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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 [28]：本篇主要探討災害發生後，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，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 [8]：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 [5]：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[6]：
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
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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 [2]：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 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，即可以架設短距離的 Ad hoc 網路供通訊使用。
Taiwan Earthquake Event Report, Risk Management Solutions [32]：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 [27]：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 [42]：
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。
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Construction of Wireless Network for Information Communication for a Disaster-affected Island [21]：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。研究團隊將無 線發射器與大範圍指向性天線架設在船隻上，利用海上的船隻當作訊號傳送的中 繼節點，將大陸本島的網路訊號透過無線傳輸的方式傳送到相鄰的小島上，藉此 恢復陸地與小島的通訊。
Network Topology Planning for Contingency Cellular Network[17]：本篇主要探討災 害發生後，災區通訊網路基礎設施常因災害遭受嚴重損毀，無法正常運作，在缺 乏通訊系統的支援下，大大提高救援的困難度。作者提出一個可快速恢復特定區 域通訊服務的網路，並為其設計通訊的拓樸結構，不但將通訊品質納入考量，還 考慮拓樸結構中的流量負載，以避免建立通訊流量過度集中及訊號衰減過大的拓 樸。文末，提供數個演算法，用以建立應急蜂巢式行動網路拓樸。
Cross Network Topology Design for Contingency Cellular Network[37]：本篇主要探 討災害發生後，災區在缺乏通訊系統的支援下，作者提出一個可快速恢復特定區 域通訊服務的網路，連接不同電信業者倖存的基地台，建立應急蜂巢式行動網路 的跨網路拓樸，並提供數個快速的啟發式演算法，可在緊急時快速地建立應急蜂 巢式行動網路的跨網路拓樸。
2.4、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
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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。
D2D 最大的特色是毋須利用基地臺即可進行相鄰通訊，在緊急狀況發生時，使用者可 在有效通訊距離內與鄰近的使用者互相通訊。但 D2D 目前尚未訂出標準規格，仍是處
D2D 最大的特色是毋須利用基地臺即可進行相鄰通訊，在緊急狀況發生時，使用者可 在有效通訊距離內與鄰近的使用者互相通訊。但 D2D 目前尚未訂出標準規格，仍是處