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第一章、 簡介
近年來，全球天災頻傳，極端氣候、大型地震…等，造成大範圍災害，其規模一次 比一次嚴重，如表 1.1 就是近幾年較著名的天然災害統計[9][24][32]，以最近 2011 年 3 月 11 日發生的日本東北地震為例，在經歷芮氏 9.0 規模地震之後，緊接著 23 公尺高 的海嘯及令全世界恐慌的核災，所造成的三種複合式重大災害，令多次參與災區救援的 救災人員也為之驚訝，而台灣處於環太平洋地震帶以及西太平洋颱風路徑上，四面環海、
地形差異大，頻繁的地震、颱風、土石流和水災…等天然災害，更對台灣造成嚴重的損 害，所有這些損害當中，對人們影響最大的即是基礎設施的毀損，尤其是通訊系統的癱 瘓影響救災效率甚鉅。本論文旨在提出一個簡單有效的應急通訊系統提供緊急通訊使 用。
目前無線通訊已完全融入一般大眾的生活與工作之中，無線通訊系統的成熟，為使 用者帶來極大的便利性，但當大規模的地震或強烈颱風等重大天然災害發生時，通訊系 統卻常常隨著電力與交通系統的損毀而癱瘓，電力與基地台 Backhaul 線路成為行動通訊 網路的弱點。由歷年大型災變中，多數災區內之行動通訊系統全面中斷，即可印證行動 通訊系統其實是極為脆弱。由於受到諸多外在因素的牽連，建造強固的基地台與交換機 房仍是無濟於事，無法保證通訊系統可用度。國家通訊傳播委員會雖然在各地建置具有 衛星通訊能力的強固基地台，但因成本高昂之故，數量遠遠不足，僅能作為官方救災指 揮之用，對於廣大地區的受災與救災人員而言，只是杯水車薪。
表 1.1、近年大型天然災害傷亡損失記錄
Country Event Date Scale Damage
Taiwan 921 Chi-ChiEarthquake 1999/09/21 7.3 Richter Scale
Dead ：2,415 Injured：11,306 USA Katrina Hurricane 2005/08/23 Category 5
SSHS Dead ：1,836
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China Sichuan Earthquake 2008/05/12 8.0 RichterScale
Dead：69,227 Injured：374,176 Italy L'Aquila
Earthquake 2009/04/06 6.3 Richter Scale
Dead ：297 Injured：1,500 Taiwan 88 Flood 2009/08/08
> 2500 mm Rainfall within 2 days
Dead ：681 Injured：33 Haiti Haiti Port-au-Prince
Earthquake 2010/01/12 7.0 Richter Scale
Dead ：316,000 Injured：300,000 Chile 2010 Chile
Earthquake 2010/02/27 8.8 Richter
Scale Dead ：800 China Yushu Earthquake 2010/04/14 7.1 Richter
Scale
Dead ：2,698 Injured：12,135 NZ 2011 Christchurch
Earthquake 2011/02/22 6.3 Richter Scale
Dead ：185 Injured：2,000 Japan
2011 Tokyo Earthquake and Tsunami
2011/03/11 9.0 Richter Scale
Dead ：16,079 Missing：3,499 Turkey 2011 Van
Earthquake 2011/10/23 7.3 Richter Scale
Dead ：644 Injured：4,412 USA Hurricane Sandy 2012/10/29 Category 3
SSHS
Dead：117
> $71 billion USD loss Iran
2013 Sistan and Baluchestan earthquake
2013/4/16 7.8 Richter Scale
Dead ：35 Injured：117 China 2013 Lushan
Earthquake 2013/4/20 7.0 Richter Scale
Dead ：213 Injured：11,460 China 2013 Wenping
Earthquake 2014/8/4 6.2 Richter
Scale Dead ：729 Nepal 2015 Lamjung
Earthquake 2015/4/25 7.8 Richter Scale
Dead ：7673 Injured：17,200 up to 2015/5/8
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應急通訊系統有很多種方法可以建構，本篇論文所探討的應急通訊系統是利用原有 行動通訊系統中倖存的連通基地台以及斷訊卻沒有損毀的基地台建構一個暫時性的網 路，稱為應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network，CCN)，此種應急通訊 系統的主體為兩種基地台：完好維持正常功能可對外連線的稱為連網台，功能完整但無 法對外進行正常連線的稱孤立台。本研究旨在規劃建置 CCN 網路資料庫備援架構，以 提升其可靠度。
1.1、災區應急通訊系統需求分析
在災害發生時普遍大眾最需要的服務之一是「通訊」(包括災情傳遞、受困人員之 求救、救災人員聯繫協調…等)，但在大型天然災害下通訊系統卻非常脆弱，現有很多 應急通訊系統尚有很大的改進空間。本節試從 921 地震與歷年來的大型天災中歸納出一 些 救 災 行 動 面 臨 的 挑 戰 經 驗 ， 以 供 應 急 通 訊 系 統 設 計 之 參 考 [8][9][16][23][24][28][30][37]。
1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰
建築物倒塌，人員受困，亟待救援
通訊網路幾乎全面癱瘓
圖 1.1、通訊線路於災害中受損
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災區的交通全面癱瘓，外援進入緩不濟急
專業救災人員嚴重不足
行政指揮系統失靈
物資不易協調分配，資源嚴重錯置
救災人員彼此溝通困難，不易協調
1.1.2、固網與行動通訊系統癱瘓原因
行動電話藉由無線電互相通訊，在一般人之普遍認知中，它不受天災的影響，在災 害來臨時可作為緊急通訊之用。但事實上卻非如此，商用行動通訊系統其實必須仰賴固 定通訊網路，其基地台之後端大多利用固網幹線連上核心網路，無線的鏈結只存在於終 端使用者(手機)與基地台之間，而從基地台到後端機房仍然是利用固網線路連接。我們 歸納出影響行動電話可用度的主要因素如下：
各種機房或因電力中斷且備用發電機因油料告罄，或因冷卻系統遭強震摧毀，
而停止運轉。
基地台遭強震摧毀或因電力中斷而癱瘓(備用電源僅能支持四至五小時[54]，而 八八水災中 3300 座斷訊的基地台中，約 70%是因為電力中斷而中斷服務)。
基 地 台 連 接 基 地 台 控 制 器 (Base Station Controller) 或 行 動 交 換 機 (Mobile Switching Center)的後端固定網路線路(Backhaul)損毀。
大部分的電力線路與固網線路為了架設與維修方便，經常是沿著道路橋樑鋪設。而 道路橋樑的損毀必將導致電力與通訊線路中斷，而行動通訊系統也常隨之中斷，如圖 1.1 所示，電力與基地台 Backhaul 線路成為行動通訊網路的弱點，如圖 1.2 所示。
由歷年大型災變中多數災區內之行動通訊系統全面中斷，即可印證行動通訊系統其 實是極為脆弱，由於受到諸多外在因素的連累，建造強固的基地台與交換機房仍是無濟 於事，無法大幅提升系統可用度。
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(A) 行動通訊網路架構
(B) 固網隨橋斷而斷
(C) 行動通訊因後端連線 中斷而癱瘓
圖 1.2、行動通訊網路受損主要原因 1.1.3、通訊設備修復困難
在災害中，由於交通系統癱瘓，大型修復機具無法進入災區，進行第一時間的搶修，
加上技術人力不足，所需資材調度不及等諸多因素，搶修實際毀損的基地台通訊設備，
並使災區通訊全面恢復，向來是一項艱鉅的任務。以 921 地震為例，中華電信耗費 15 天，才搶通災區電信網路。在八八水災中，斷訊基地台總數達 3300 餘座，中華電信斷 訊基地台達 1800 座，其中 550 座在兩天之後仍無法恢復運轉。換言之，在關鍵的黃金 72 小時內，大量的行動電話將陷於癱瘓，無法及時修復。
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1.1.4、大型災害的救災時效
「黃金 72 小時搶救時間(Golden 72 Hours)」，指的是在災難發生後，搶救倖存生命 的關鍵救難時機。災後受困的人員會因外傷、失溫及缺乏食物飲水等因素，使得存活機 率隨著時間流逝而急速下降。根據統計，在災後 24 小時內獲救的存活率可高達 90%；
在災後 25~36 小時間獲救，存活率銳減為 50%~60%；在災後 36~72 小時間獲救，存活 率僅剩 20%~30%；在超過 72 小時後獲救，存活率則剩下 5%~10%，受困人員能倖存的 機率就極低了，如圖 1.3 所示。
圖 1.3、獲救時間與存活率之關係 1.1.5、應急通訊網建置之挑戰與需求
由於時間與資源之限制，災區應急通訊網的建置面對了許多挑戰與特殊需求。在嚴 格的時間限制和極端的環境條件之下，應急通訊系統的建置與一般的通訊系統完全不 同。
在嚴格的時間限制和極端的環境條件之下，建置應急通訊系統的需求可歸納成七個 面向如表 1.2 所示。普及性和可用性是終端使用者需求。而實際可行性、負載能力、持 續性、可調性和維運性則是用來滿足網路管理者的需求。
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表 1.2、應急通訊網建置需求
7- a b ili ty
Popularity
User friendly Sufficient amount of terminals
Usability
Task original communication services
Adequate quality of service
Long standing time of terminals
Mobility
Practicability
Low development cost
Easy acquisition of equipment
Construct rapidly and easily
Capacity
Sufficient number of concurrency users Resist the burst of call request
Sustainability
Reliability Fast recovery
Adaptability
Self-adjustmentOperability
OAM functionsI. 終端使用者需求
1. 普及性(Popularity)：由於缺少終端設備，許多常見的應急通訊系統，例如衛
星通訊系統，群集無線電系統和業餘無線電系統只能用在特殊的小群組。大多 數的受災者和志願救災團隊通常無法利用這些通訊系統進行通話。使用者在使 用群集無線電系統和業餘無線電系統時，需要經過特殊訓練才能使用，群集無 線電系統和業餘無線電系統的普遍性是有限的。易於使用的終端設備的普及性 成為一個應急通訊系統的重要需求。其要件有二：(a)易於使用。(b)可方便及 低價的普及於災區使用者。7
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2. 可用性(Usability)：由於在災區的極端條件之下，應急通訊系統必須妥善處理
所有使用者的各種通訊需求，為了滿足可用性，應急通訊系統應該提供任務導 向的通訊服務，並且可以支援移動性的通訊服務和擁有良好的通訊品質。此外，終端設備的待機時間最好能長於一天，避免頻繁的充電需求。
任務導向的通訊服務(Task Oriented Communication Services)：包含了傳 統 電 話 服 務 模 式 (POTS) ， 對 講 機 模 式 (Walkie-Talkie) 和 群 組 通 訊 模 式 (Agency)的服務。在救災任務中，對於對講機通訊模式及群組通訊模式的 需求遠高於一般的通訊服務。
適當的通訊品質服務(Adequate Quality of Service)：救災工作常陷於兵荒 馬亂，吵雜無比的環境中，良好的通訊品質可減少通訊連絡的失誤，降低 救災任務忙中有錯的機會，以提升救災的效率。
長效的終端設備(Long Standing Time of Terminals)：災區中的電力供應常 常中斷，縱使有應急的發電設備，也是小規模居多。而隨身攜帶充電器的 使用者為數不多，因而在災區中為終端設備充電極為不易，終端設備待機 時間的長短變成為一項重要需求。
移動性(Mobility)：災區中的使用者，一則多在戶外，二則常需移動，因 此終端設備必須具備高度移動性。為了支援移動性，應急通訊系統使用無 線網路將優於有線網路。
II. 網路管理者需求
3. 實際可行性(Practicability)：實際可行性是應急通訊系統中的最基本也最首要
的需求。首先要考慮的是建置與操作應急通訊網路的可行性。需要符合以下三 大特點：低開發及建置成本，建構速度快，設備容易取得（註：重型設備可能 因道路中斷或地形阻隔而無法運入災區）。8
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低開發成本(Low Development Cost)
易於獲取網路設備(Easy Acquisition of Equipment)
建構速度快速(Easy and Rapid Construction)
4. 負載能力(Capacity)：災區內的通訊需求量與實際承載能力可能存有極大差異，
必須有適當的允入控制機制。應急通訊網路能負荷的通話量遠較正常時期之公 眾網路小，難以容納如此大量的通話量，再者應急通訊網路不應支援與救災無 關的通話。因此，應急通訊網路應具備選擇性拒絕服務請求的能力，以免爆量 的非救災相關通訊要求造成網路擁塞。
5.
持續性(Sustainability)：既有的通訊網路之搶修通常需時數天至數星期之久，以 921 地震為例，中華電信耗費 15 天，才全面恢復電信網路，因此應急通訊 網路在一般的公眾網路恢復之前應穩定的運轉一段時間。以下是兩個主要性能
以 921 地震為例，中華電信耗費 15 天，才全面恢復電信網路，因此應急通訊 網路在一般的公眾網路恢復之前應穩定的運轉一段時間。以下是兩個主要性能