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第一章、 簡介
近年來全球極端氣候頻傳，常隨之帶來大型風災、地震等，造成大範圍災害，其 規模一次比一次嚴重，如表 1 就是近幾年較著名的天然災害統計，以 2011 年 3 月 11 日發生的之本東北地震為例，在經歷芮氏 9.0 規模地震之後，緊接著 23 公尺高 的海嘯和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，而臺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，更對臺灣造成 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。本研究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，但當大規模的重大天然災害發生時，通訊系統卻常隨電力 與交通系統之損毀而癱瘓。以莫拉克風災/八八水災為例，許多基地台因建在高處免於 被洪水淹沒而結構未損，但沿著道路及橋樑鋪設的電力與通訊線路，卻隨道路橋樑坍 塌而損毀，造成行動通訊系統也隨之癱瘓，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。
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Taiwan 921 Chi-Chi Earthquake 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 China Sichuan Earthquake 2008/05/12 8.0 Richter
Scale
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
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災民在此段時間內會有較高的存活率。除去災難發生當下的求援，災後組織救援也是 通訊服務的另一個重點，災區內電力、瓦斯、食物、飲水、禦寒衣物、醫藥等維生系 統癱瘓下，倖存人員的維生也是救災的重要任務。因此盡速恢復通訊以輔助救災、求 援為刻不容緩的事情，越早恢復通訊就能救援越多災民，因此在災害來臨通訊中斷時，
快速的建構一個應急通訊系統供給災區內的災民與救災人員使用，成為一個關鍵性的 問題。
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和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。本文旨在探討 CCN 網路的多路徑拓樸規劃以 追求最大的救災效益，同時並考量網路通訊的負載與通訊品質。
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。
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
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圖 1、通訊線路於災害中受損
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
由於通訊聯絡不良，資訊缺乏，資訊無法交流等諸多因素，導致救難工作缺乏效率與 救難資源之嚴重錯置，因而喪失了很多可以救人一命的機會，許多生靈因資訊溝通不 良而喪失即時獲救之機會，令人扼腕。
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。從
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莫拉克風災(八八水災)及 921 集集大地震的經驗中，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，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。
(a) (b) (c) 圖 2、行動通訊網路受損主要原因
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，如圖 1 所示。而行動通訊系統也常隨之 中斷，如圖 2 所示，(a)是行動通訊系統的基本架構，基地台後端必須有固網連線 (Backhaul)連到控制器或交換機，(b)是 921 地震中受損的一座橋，我們可以看到很多 固網幹線隨著橋斷而斷掉，從(c)可以很清楚的看出即使基地台本身完好無缺，但因後 端連線斷掉，而被迫停止運轉。
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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在沒有行動通訊系統的支援下，救難工作只能靠原始的面對面方式進行溝通，無奈因 地形阻隔，交通不便，效率極差，甚至在一棟倒塌大樓兩側之團隊都無法面對面溝通，
因而互相干擾救災行動。
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。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。
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 3 所示。
圖 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
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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-adjustment
Operability OAM functions
1.1.6、 應急通訊網效能指標
分析以上應急通訊系統需求，我們可以歸納出八項評斷指標：
使用成本：廣泛使用此應急通訊系統的成本
建置難易度：將此應急通訊系統建置起來的困難度
設備取得難易度：將應急通訊系統運送進入災區的難易度
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終端設備普及率：災區人員具有此應急通訊系統通訊設備的程度
終端設備操作難易度：災區人員操作此通訊設備的難易度
終端設備可移動性：災區人員攜帶通訊設備移動的能力
通訊品質：利用此應急通訊系統的通訊品質
系統運轉難易度：應急通訊系統建置起來後維持運轉的難易度
1.2、應急通訊網路簡介
目前常見的應急通訊系統有無線對講機(Walkie-Talkie)、業餘無線電(Amateur radio)、行動衛星通訊、集群通訊系統(Trunking radio)、移動式基地台、MANET (Mobile Ad Hoc Network)等。如圖 4，我們先前的研究提出了應急蜂巢式行動通訊網路 (Contingency Cellular Network，CCN)，利用現有的行動通訊系統中未損毀但失去電力 或連網能力的基地台，以 Wi-Fi 等無線設備互相連線，採用 tree 結構之網路拓樸以建 立一個臨時網路，供災區的手機用戶使用。
一個好的網路拓樸規劃可以提高整個網路的效能、服務量和穩定度。為了確保整 體網路拓樸的穩定性，在規劃網路拓樸時，我們須要考慮到資源有限、控制流量負載、
減少通訊延遲等因素。此外，CCN 的網路拓樸還必須能符合災區對於可用度之高度需 求，本論文即是在此基礎(CCN)上進行研究，並且針對 tree 結構可用度較差的弱點來 改進 CCN。
圖 4、CCN 網路
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1.3、論文架構
本文共分成六章，第二章介紹現行 3G 與 4G 行動網路架構，和目前常見應急通訊系統。
第三章說明如何用現行的 3G 行動通訊網路來建構一個應急通訊系統。第四章介紹我 們提出之多路徑拓樸設計方法，並針對此應急通訊系統的多路徑拓樸設計的問題，提
第三章說明如何用現行的 3G 行動通訊網路來建構一個應急通訊系統。第四章介紹我 們提出之多路徑拓樸設計方法，並針對此應急通訊系統的多路徑拓樸設計的問題，提