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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 就是近幾年較著名的天然災害統計[6,19,26]，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。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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有效運作的通訊系統是災情傳遞、資源調度以及互助協調是否順利的關鍵因素，災 民的存活率會隨著時間的推移快速下降，這也是所謂的救援黃金 72 小時，受困的災民 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。CCN 網路建構完成後，孤立台與連網台之間藉由無線電 彼此互連，而孤立台即可藉由輾轉的互連透過連網台與後端核心網路互連。而每一個連 網台所具備的連外頻寬資源只足夠提供給一個基地台使用，卻需與多個孤立台分享，因 此頻寬分配成為一個重要的研究議題。此外，每個基地台所獲配到的連外頻寬資源遠小 於各基地台所擁有的無線電頻道，因此無線電頻道必有閒置。本篇論文提出一套頻寬分 配的方法期望盡量利用這些閒置的無線電頻寬資源，提供給災民或救災人員於 CCN 內 部使用。由於 CCN 的鄰台間無線電鏈結的頻寬有限，大量的話務將造成通訊系統壅塞，
影響重要訊息之傳遞，且災區各個地方需求與受災情況不盡相同。因此 CCN 頻寬資源 必須根據各需求與需求緊急程度進行規劃，將寶貴的 CCN 頻寬資源審慎地配置給各地 災區，以充分發揮頻寬效益傳遞重要資訊。網路拓樸的規劃是本研究團隊的另一研究主 題，而本文旨在探討如何在 CCN 網路拓樸已決定的情況下，且連外頻寬確定之下，進 行 CCN 跨基地台頻寬分配以達到最大的救災效益。
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Chi-Chi, Taiwan
Earthquake
09/21/1999 7.3 Richer Scale Dead：2,415 Injured：11,306Katrina Hurricane
08/23/2005 Category 3 Dead：1,836 at leastSiChuan, China
Earthquake
05/12/2008 7.9 Richer Scale Dead：69,227 Injured：374,176L'Aquila, Italy
Earthquake
04/06/2009 6.3 Richer Scale Dead：more than 150 Injured：1,50088 Flood, Taiwan
08/08/2009> 2500 mm Rainfall within 2 days triggered by Typhoon Morakot
Dead：more than 475
Port-au-Prince, Haiti
Earthquake
01/13/2010 7.0 Richter Scale Dead：more than 230,000 Affected：3 millionsChile Earthquake
02/27/2010 8.8 Richer Scale Dead：more than 800QingHai, China
Earthquake
04/14/2010 7.1 Richer Scale Dead：more than 1,706 Injured：12,135Christchurch, New
Zealand Earthquake
02/22/2011 6.3 Richer ScaleDead：145
more than 100 injured and missing
Japan
03/11/2011 9.0 Richer Scale Dead：16,079 Missing：3,499Turkey Earthquake
10/23/2011 7.3 Richer Scale Dead：more than 272Injured：more than 1,300
U.S Hurricane Sandy
10/29/2012 Category 1-2 Dead：12450 billion U.S dollars loss
Sistan and
Baluchestan, Iran Earthquake
4/16/2013 7.8 Richter Scale Dead：35 Injured：117
Lushan, China
Earthquake
4/20/2013 7.0 Richter Scale Dead：213 Injured：11,460‧ 國
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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[7,12,18,19]。
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
看似高大且堅固的建築物在地震襲擊時應聲倒下，有許多民眾因來不及逃生而被困 在瓦礫堆下，等待救援。而受困於災難現場的人員，必須在 72 小時內搶救出來，
否則生還機會極為微弱。因此災難發生之初，最重要之救難工作乃在集中所有救難 資源搶救受困人員，這段時間稱為「黃金 72 小時」。
通訊網路幾乎全面癱瘓
包括固網、行動電話在內的通訊聯絡網路幾乎全面癱瘓。倖存的通訊網路也因塞滿 大量的關懷電話，無法供救災使用。
災區的交通全面癱瘓，外援進入緩不濟急
道路橋樑柔腸寸斷，甚至被大量志願救災車輛塞爆道路。在莫拉克颱風後，受惡劣 天候影響，直昇機亦難以接近災區。而 2010 年海地地震中，太子港機場雖逃過一 劫，但因機場無法提供返航油料因而飛機無法降落。總而言之，災變初期，尤其是 黃金 72 小時之內，主要依賴在地的人力物力投入救援，無法太過依賴外界支援。
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圖 1、通訊線路與設備於災害中受損
專業救災人員嚴重不足
有組織有訓練的專業救災人員之數量遠遠不足，尤其是災變初期交通系統癱瘓，災 區外及國際的專業救難團隊需克服交通阻隔方能進入災區，因此災變初期必須動員 大量的在地志願人員投入救難救災。
行政系統癱瘓
各級行政系統可能癱瘓，導致既有通聯組織亦隨之癱瘓，例如八八水災中，小林村 長就不幸罹難，2004 年七二水災中，台中縣和平鄉松鶴派出所為土石流淹沒，完全 與外界失聯達數天之久。2010 年海地地震中，政府大樓癱塌，所有部長全部失聯，
僅有一個光桿的海地總統獨撐大局，所有行政系統形同癱瘓。
物資不易協調分配，資源嚴重錯置
因通聯系統癱瘓，災情資訊收集不易，在災情資訊紊亂不全的情況下，難以對救災 物資作有效且適當的分配，即使分配得宜，如何送達又是另外一個問題。救災物資 的錯置，尤其是醫療用品，使得很多亟待救助的受難者無法即時得到所需資源而喪 生(例如：海地地震中，就發覺極度缺乏處理外傷必須的抗生素)。
救災人員彼此溝通困難，不易協調
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有組織有訓練的專業救災人員之數量遠遠不足，尤其是災變初期，必須動員大量的 在地志願人員投入救難救災。而這些志願人員幾乎沒有通訊聯絡工具可協助彼此之 間的協調連絡，致使救災效率極低。更有甚者，救災工作因溝通不良而彼此干擾，
例如當一個救難團隊在使用高靈敏麥克風探測倒塌建物是否有倖存者時，建物他側 卻在乒乒乓乓的進行挖掘工作，而呼嘯而過的救護車聲音也是驚天動地的。
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[40]，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。
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(a) (b) (c) 圖 2、行動通訊網路受損主要原因
(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 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
(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 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