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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(1G)類比式行動電話系統與第二代(2G)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之 GSM、CDMA 等數位調變式手機，
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[34]，
如圖 5，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 5、System Architecture of 3GPP Release 99
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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。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‧ 國
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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。
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。
2.1.3、 3G 網路通訊協定
Before 3GPP release 5：在 3GPP Release 5 [34]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 連線，然後 SGSN 會再用 Gn/Gp 介面與 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除封裝送到 Internet，如圖 6。
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圖 6、3GPP Release 5 架構
3GPP R5 to R7：新的 3GPP R5 到 R7 版本[34]，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，再來是修改 SGSN，讓 RNC 可以直接與 GGSN 使用 Tunnel 連線，如圖 7，在 HSPA+的版本，又將 RNC 的部 分功能移到 Node B 上面。
圖 7、3GPP Release 7 架構
2.2、 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由於災害發生而無法使用，但災害初期是受困人員存活率 最高的時候，快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，隨著時間的推移，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 8 所示。
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圖 8、應急通訊系統使用時機
我們以 1.1.6 所歸納的效能指標，檢視分析現有應急通訊系統的適用性。
2.2.1、 專用高抗災通信平臺
高抗災通信平臺[41,42]為國家通訊傳播委員會於莫拉克風災後，協調地方政府與電 信業者共同出資，就偏鄉通訊設施進行改善，於高雄那瑪夏、茂林、桃源、六龜、杉林、
鳳山等 6 處，以「消防救災體系與行動通信系統結合」、「整合光纖、微波、衛星鏈路形 成多重中繼傳輸備援路由」及「加強電力備援系統」等設計理念完成之應急通訊平臺。
其佈建的方法為在災前預先佈建強固機房並於特定基地台佈建衛星、微波等無線通訊設 備，以確保政府救災體系緊急通訊順暢。
優點
災前即已佈建完成，災難發生時，馬上就可以使用
系統可靠性高
結合行動通信系統與消防救災體系
限制
由於成本過高，佈建數量極為有限，無法全面佈建，僅能佈建於少數具高潛在 危險的特定區域
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2.2.2、 無線對講機 (Walkie-Talkie)
無線對講機(俗稱 Walkie-Talkie)是一種手持的雙向無線電收發器，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) [18]。無線對講機不需佈建通 訊網路，只要雙方擁有無線對講機即可進行通話。
優點
不需佈建通訊網路即可使用
體積小、重量輕，可隨身攜帶
電池充電後可長時間使用
電波所及範圍內即使不知道對方身份、地點也可通訊
限制
在世界很多地方普及率低(例如：台灣在八八水災中，政府花了 7/14 天從廠商 借得 240/1052 支無線對講機，太少也太慢)
需要簡單學習才能使用(緊急時無經驗之使用者必須在短時間內讀懂說明書，
自行學習使用)，尤其是普及率低的地方
沒有優先分級能力
2.2.3、 業餘無線電 (Amateur radio)
業餘無線電[6,15]，俗稱火腿(Ham radio)，與無線對講機相似，但通訊的距離較遠。
其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。
優點
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不需佈建通訊網路即可使用
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
限制
普及率低，擁有業餘無線電設備的民眾非常稀少
使用困難，需要執照方能操作，但擁有執照的人員數量稀少(在八八水災中， 7 天之後第一座業餘無線電台才架設完成)
行動力低
2.2.4、 行動衛星通訊
1990 年代數個使用非同步衛星的行動衛星通訊系統被提出，例如 GSM 的衛星 版—Motorola 的銥計劃(Iridium)、IS-95 的衛星版—Qualcomm 的全球通(Globalstar)，主 要提供語音以及低速率資料傳輸服務[36]。
為 了 降 低 延 遲 時 間 ， 避 免 通 話 受 到 干 擾 ， 行 動 衛 星 通 訊 大 多 使 用 軌 道 高 度 10,000~20,000km 的中軌道衛星搭配 750~2,000km 的低軌道衛星通訊系統。衛星就像不 斷移動的基地台，一般而言，中軌道衛星繞行地球一周約為 6 個小時，而低軌道衛星繞 行地球一周則約為 100 分鐘。由於衛星高掛於太空中，不受地震等天災影響，在災害來 臨時，成為一個可靠的應急通訊系統，但因其使用頻段較高，易受惡劣天候影響。衛星 造價高昂且使用者數量稀少，導致通話費用極高。
銥計劃 (Iridium)：銥計劃[22,36]為包含 11 個衛星軌道平面，66 顆衛星的行動衛星 通訊系統。每顆衛星重 689 公斤，衛星間可以彼此通訊。運作於 2001 年 3 月，提供語 音、傳真、資料和 GPS (Global Positioning System)服務，採用分頻多工結合分時多工技 術及 QPSK 調變技術。
全球通 (Globalstar)：全球通開始營運於 2000 年春天，為一包含 6 個衛星軌道平面，
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48 顆衛星的行動衛星通訊系統。全球通每顆衛星重 450 公斤，衛星間彼此無法通訊。提 供語音、傳真、資料、GPS 和 paging 服務，使用分碼多工技術和 QPSK 調變技術。
優點
覆蓋面廣，通訊距離遠
不受地震等天災、地理條件影響限制
可隨身攜帶
易於實現多點通訊、具有優良的廣播特性
限制
價格高昂
普及率非常低
易受氣候影響
2.2.5、 專業用集群通訊系統 (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[37]。其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，例如美規的 Project 25[1]以及歐規的 TETRA[2]應急通訊系統。由於需專業人 員架設，一般未經訓練的民眾不會使用。因此，主要使用者為軍、警或專業救難團隊。
Project 25：APCO (Association of Public-safety Communications Officials-international)
於 1989 年推動的計劃(簡稱 P25)，制定了相關標準來提供服務以及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 具備支援類比/數位(analog/digital)之中繼集群模式，在小於 200 個使用者時或小規模
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地方政府受限於預算時才採用類比模式，否則通常採用數位中繼集群模式。
TETRA (Terrestrial Trunking Radio)：又稱 Trans-European Trunking Radio，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。
優點
通訊網路架設快
涵蓋範圍廣
可靠性高
限制
話機數量有限
需經專業訓練才會使用
適用於特定使用者，主要為軍、警或專業救難團隊
因體積、重量過大無法空投，如果交通系統癱瘓，不易運送至災區
2.2.6、 移動基地台 (Cell on wheels)
移動基地台實際上就是一個可移動的通訊系統，透過開到現場的車載平台，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，在大多數天然災害、突發事件和重大事件發生的情況下，應急通訊車通常是現場 應急通訊的首選方式之一，但專業設備需專人操作，且成本高昂無法大量佈署，導致接
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通手機數量有限，並且需要完好交通系統才能進入災區，在大型天然災害中所能負擔的
通手機數量有限，並且需要完好交通系統才能進入災區，在大型天然災害中所能負擔的