應急蜂巢式行動通訊網路之分散式資料庫設計 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 應急蜂巢式行動通訊網路之. ‧. 分散式資料庫設計. sit. y. Nat. Design of Distributed Database. er. io. n. al for Contingency Cellular Network iv Ch. n U engchi. 研究生：張宜蘋指導教授：連耀南. 中華民國一百零三年十二月 December 2014.

(2) 應急蜂巢式行動通訊網路之分散式資料庫設計 Design of Distributed Database for Contingency Cellular Network. 研究生：張宜蘋. Student：I-Ping Chang. 指導教授：連耀南. Advisor：Yao-Nan Lien. 立. 政治大. 國立政治大學. ‧ 國. 碩士論文. 學. 資訊科學系. ‧ y. sit. Nat. A Thesis. er. io. submitted to Department of Computer Science National Chengchi University a. n. iv l C n in partial fulfillment Requirements h e n gofcthe hi U for the degree of Master in Computer Science. 中華民國一百零三年十二月 December 2014.

(3) 應急蜂巢式行動通訊網路之分散式資料庫設計摘要. 歷年發生的大型天然災害中，行動通訊系統常常會因為道路、橋樑、電力的損毀而導致嚴重癱瘓，進而影響災後救援工作的進行，行動通訊系統其實是不可靠且極為脆弱的。為使災區能夠快速地恢復通訊，本研究提出一種應急通訊系統，利用無線通訊，將這些無連線能力的基地台連接起來，並利用存活可連至核心通訊網路的基地台，建構成. 政治大. 為一個臨時性的通訊系統，稱為應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network，. 立. CCN)，供使用者在災區內進行通訊。由於資料庫的可靠度在行動通訊網路中具有舉足. ‧ 國. 學. 輕重之地位，本論文旨在利用分散式架構提高 CCN 網路資料庫的可靠度，進而提高系統可靠度。我們先分析資料表的特性，並依據各資料表的特性以及資源之多寡，設計相. ‧. 應的分散式架構。. sit. y. Nat. 我們利用樹狀拓樸的簡單特性，提出三種分散式架構：(1)用於群組資料表的階層備. io. er. 援式架構、(2)用於 HLR 資料表的階層備援式架構，以及(3)用於 HLR 資料表的鄰近階層備援式架構。這三種架構都利用了樹狀拓樸的簡單特性，大幅簡化了資料庫的查詢及. n. al. Ch. i n U. v. 更新程序。我們以可用度及平均總成本，以評估各架構在不同的情形下之最合適架構，. engchi. 並觀察在各架構下，其系統可用度與平均總成本之間的關係，由結果可知，在群組資料表儲存架構中，若追求高系統可用度，可選擇高儲存密度之架構，反之，若追求較低的成本，可選擇低儲存密度之架構。而在 HLR 資料表儲存架構中，階層備援式的系統可用度與平均總成本比鄰近階層備援式來得高，表示階層備援式耗費較多成本，但可用度也較高，故在建置時可依實際情況來選擇合適的架構儲存。最後，為驗證分散式資料庫架構之可行性，我們利用數部筆記型電腦及 Android 平台手機來建置階層備援式及鄰近階層備援式架構，並測量在此二種架構下於通話建立時所耗費的時間，從模擬結果可知，此二種架構皆可快速建置並可立即通訊，惟鄰近階層備援式所耗費的通話建立時間略長，但仍在可容許範圍之內。 i.

(4) Design of Distributed Database for Contingency Cellular Network Abstract When stricken by a catastrophic natural disaster, the efficiency of disaster response operation is very critical to life saving. The efficiency of disaster response operation is greatly depending on communication systems. However, they were usually not dependable, including cellular networks, and often crashed due to power outage and backhaul link breakage. The. 政治大. failure of communication systems caused a big coordination problem to many disaster. 立. response operations. This thesis proposes a Contingency Cellular Network (CCN) by. ‧ 國. 學. connecting isolated base stations to survival base stations using long-range wireless links to recover part of cellular network functionality. People can use their own cell phones for. ‧. emergency communication in the disaster areas. CCN will be able to support a large number. y. Nat. n. al. er. io. lives.. sit. of disaster responders with limited resources in the early hours of disasters, thus to save many. i n U. v. Because the reliability of database plays a very important role in the CCN, this thesis. Ch. engchi. proposes a distributed database architecture to improve the reliability of database so as the reliability of CCN. We take advantage of the simplicity of CCN tree topology to design three distributed. database. architectures:. (1). Hierarchical. Redundancy. Architecture. for. “Group_Member ” table, (2) Hierarchical Redundancy Architecture for “HLR” table, and (3) Hierarchical Neighboring Redundancy Architecture for “HLR” table. The tree topology greatly simplified the query and update procedures. We use availability and average total cost to analytically evaluate all three architectures trying to identify the most appropriate architecture under different circumstances. Based on our evaluation results, CCN operators can choose the most appropriate architecture according to their realistic circumstances. ii.

(5) Finally, in order to verify the feasibility of the proposed architectures, we implemented a simplified prototype using several laptops and Android mobile phones. The Hierarchical Redundancy Architecture and the Neighboring Redundancy Architecture were implemented. The results show that both architectures can be functional with reasonable performance except that Hierarchical Neighboring Redundancy Architecture may take longer time, but in a tolerable range, to setup a call.. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. iii. i n U. v.

(6) 誌謝辭本論文能得以順利完成，首先要感謝連耀南教授的教導，在撰寫論文期間，老師總是不辭辛勞、不厭其煩地指導，讓我能有獨立思考的能力。此外，老師對於研究工作的熱忱，更是我學習的榜樣，也讓我深刻地體會到，在研究過程當中，要秉持「實事求是、追根究柢」的精神，惟有不斷地鑽研，才能完成一篇有價值的論文，而我必將這份精神實際運用在工作上，以提升自己的技術能力。. 立. 政治大. 在研究所就讀的這段期間，感謝政大資科系所有授課老師的教導及同學們的協助，. ‧ 國. 學. 讓我在工作之餘，能加強自己的專業知識，雖然忙碌，但也覺得很充實。感謝學校實驗室的學長姐-智賢、惠晴及學弟妹-采衣、冠傑、耿誠、郁翔，公司同事-慧菁、信捷、瑋. ‧. 鈴，因為有你們的協助及鼓勵，我才能順利完成此篇論文。感謝陳耀宗教授、蔡志宏教. Nat. sit. n. al. er. io. 能更加完整。. y. 授、雷欽隆教授及張宏慶副教授在口試期間給予我許多的建議及指導，讓本篇論文內容. Ch. engchi. i n U. v. 另外，要感謝我的家人，有你們在背後不斷的鼓勵、支持我，當我遭遇瓶頸時，也能夠一一克服，也因為有你們的體諒，讓我無後顧之憂地完成研究所學業，謝謝你們。. 最後，僅以此論文獻給我敬愛的家人、師長及朋友。張宜蘋謹誌於政治大學資訊科學研究所 2014.12. iv.

(7) 目錄摘要 ............................................................................................................................................. i Abstract ....................................................................................................................................... ii 誌謝辭 ....................................................................................................................................... iv 目錄 ............................................................................................................................................ v 圖目錄 .....................................................................................................................................viii 表目錄 ....................................................................................................................................... xi 第一章、簡介 ............................................................................................................................ 1 1.1、災區應急通訊系統需求分析 ................................................................................... 3 1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰 ................................................ 3 1.1.2、固網與行動通訊系統癱瘓原因 .................................................................... 4 1.1.3、通訊設備修復困難 ........................................................................................ 5 1.1.4、大型災害的救災時效 .................................................................................... 6 1.1.5、應急通訊網建置之挑戰與需求 .................................................................... 6 1.1.6、應急通訊網效能指標 .................................................................................... 9 1.2、應急通訊網路簡介 ................................................................................................. 10 1.3、CCN 網路可靠度提升 ............................................................................................ 11 1.4、分散式資料庫概述 ................................................................................................. 12 1.5、論文架構 ................................................................................................................. 13 第二章、相關研究 .................................................................................................................. 14 2.1、第三代行動通訊架構 ............................................................................................. 14 2.1.1、通用行動通訊系統陸地無線接入網 (UTRAN) ........................................ 14 2.1.2、核心網路 (Core Network) ........................................................................... 15 2.2、第四代行動通訊架構 ............................................................................................. 16 2.2.1、e-UTRAN ..................................................................................................... 17 2.2.2、EPC ............................................................................................................... 17 2.2.3、LTE 之公眾安全通訊系統發展 .................................................................. 18 2.3、應急通訊系統種類 ................................................................................................. 19 2.3.1、應急通訊系統相關研究 .............................................................................. 20 2.4、分散式資料庫邏輯架構 ......................................................................................... 23 2.4.1、資料分割透通性(Fragmentation Transpartency)......................................... 23 2.4.2、資料重覆透通性(Replication Transpartency) ............................................. 24 第三章、應急蜂巢式行動通訊網路 (CCN) ......................................................................... 26. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. v. i n U. v.

(8) 3.1、系統架構 ................................................................................................................. 27 3.1.1、CCN 連網方式 ............................................................................................. 28 3.1.2、系統元件 ...................................................................................................... 29 3.2、通訊模式 ................................................................................................................. 31 3.2.1、災區通訊型態分類 ...................................................................................... 31 3.2.2、CCN 通訊模式 ............................................................................................. 32 3.3、CCN 功能架構(Functional Architecture) ............................................................... 34 3.4、CCN 服務流程 ........................................................................................................ 36 3.5、建置與運轉流程 ..................................................................................................... 39 第四章、CCN 分散式架構群組通訊設計 ............................................................................. 40 4.1、CCN 分散式架構群組通訊註冊程序 .................................................................... 40 4.2、CCN 分散式架構查詢受話端程序 ........................................................................ 41 4.3、CCN 分散式架構通話程序 .................................................................................... 42 4.4、各元件服務群組通訊流程 ..................................................................................... 45 4.4.1、通話建立流程 .............................................................................................. 45 4.5、呼叫處理程序之有限狀態機 ................................................................................. 46 第五章、CCN 分散式資料庫架構設計 ................................................................................. 54 5.1、CCN 資料庫建置需求 ............................................................................................ 54 5.2、CCN 資料庫設計 .................................................................................................... 55 5.2.1、資料表設計 .................................................................................................. 56 5.3、CCN 分散式資料庫建置架構 ................................................................................ 58 5.3.1、Group_Member 資料表儲存架構 ............................................................... 59 5.3.2、HLR 資料表儲存架構 ................................................................................. 61 5.4、查詢及更新資料演算法 ......................................................................................... 64 5.4.1、Group_Member 資料表查詢及更新資料演算法 ....................................... 64 5.4.2、HLR 資料表查詢及更新資料演算法 ......................................................... 66 第六章、CCN 分散式資料庫效能評估 ................................................................................. 73 6.1、可靠度評估 ............................................................................................................. 73 6.1.1、Group_Member 資料表儲存架構 ............................................................... 73 6.1.2、HLR 資料表儲存架構 ................................................................................. 74 6.2、效能評估 ................................................................................................................. 74 6.2.1、Group_Member 資料表儲存架構 ............................................................... 76 6.2.2、HLR 資料表儲存架構 ................................................................................. 81 6.3、各儲存架構之系統可用度與平均總成本之關係 ................................................. 96 6.3.1、Group_Member 資料表儲存架構 ............................................................... 96. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vi. i n U. v.

(9) 6.3.2、HLR 資料表儲存架構 ................................................................................. 99 6.4、結論 ....................................................................................................................... 106 第七章、CCN 分散式架構系統模擬及效能分析 ............................................................... 108 7.1、系統模擬目的 ....................................................................................................... 108 7.2、系統模擬環境 ....................................................................................................... 108 7.3、實驗設備 ............................................................................................................... 111 7.4、實驗項目及效能分析 ........................................................................................... 112 第八章、結論與未來研究方向 ............................................................................................ 120 參考文獻 ................................................................................................................................ 122. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vii. i n U. v.

(10) 圖目錄 1.1、通訊線路於災害中受損 ............................................................................................. 3 1.2、行動通訊網路受損主要原因 ..................................................................................... 5 1.3、獲救時間與存活率之關係 ......................................................................................... 6 1.4、CCN 網路 .................................................................................................................. 11 1.5、CCN 網路分散式架構示意圖 .................................................................................. 11 1.6、分散式資料庫示意圖 ............................................................................................... 12 2.1、System Architecture of 3GPP Release 99 .................................................................. 14 2.2、System Architecture of LTE ...................................................................................... 17 2.3、應急通訊系統使用時機 ........................................................................................... 19 3.1、CCN 網路架構 .......................................................................................................... 26 3.2、連網台與孤立台 ....................................................................................................... 28 3.3、CCN 基地台間之連線 .............................................................................................. 28 3.4、孤立台藉 CCN 連線連上核心網路 ......................................................................... 29 3.5、CCN 應急修復包(CRP) ............................................................................................ 30 3.6、孤立台恢復連線方式 ............................................................................................... 31 3.7、CCN 功能架構 .......................................................................................................... 34 3.8、一般通話模式通話建立流程 ................................................................................... 36 3.9、無線電對講機模式通話建立流程 ........................................................................... 38 3.10、群組通訊模式通話建立流程 ................................................................................. 39 4.1、註冊程序 ................................................................................................................... 41 4.2、CCN 通話程序示意圖 .............................................................................................. 42 4.3、CCN 通話程序 .......................................................................................................... 44 4.4、通話建立循序圖 ....................................................................................................... 46 4.5、Originating Side of Call Processing Finite State Machine ........................................ 49 4.6、Terminating Side of Call Processing Finite State Machine ....................................... 52 5.1、CCN 網路之 DB ....................................................................................................... 55 5.2、實體關係模型 ........................................................................................................... 56 5.3、資料表設計 ............................................................................................................... 57 5.4、CCN 拓樸範例 .......................................................................................................... 59 5.5、Group_Member-階層備援式架構範例 .................................................................... 60 5.6、Group_Member 階層備援式架構-隔一階儲存 ....................................................... 60 5.7、Group_Member 階層備援式架構-隔二階儲存 ....................................................... 61. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. Ch. engchi. viii. i n U. v.

(11) 5.8、Group_Member 階層備援式架構-隔三階儲存 ....................................................... 61 5.9、home user 與 visitor 在同一 cell 數量比較.............................................................. 62 5.10、HLR-階層備援式架構範例 .................................................................................... 63 5.11、HLR-鄰近階層備援式架構範例 ............................................................................ 64 5.12、Group_Member 查詢資料示意圖 .......................................................................... 65 5.13、Group_Member-階層備援式架構查詢資料 pseudo code ..................................... 65 5.14、Group_Member 更新資料示意圖 .......................................................................... 66 5.15、Group_Member-階層備援式架構更新資料 pseudo code ..................................... 66 5.16、HLR-階層備援式架構查詢資料示意圖 ................................................................ 67 5.17、HLR-鄰近階層備援式架構查詢資料示意圖 ........................................................ 67 5.18、HLR-階層備援式架構更新資料示意圖 ................................................................ 68 5.19、HLR-鄰近階層備援式架構更新資料示意圖 ........................................................ 68 5.20、HLR-階層備援式架構查詢資料 pseudo code ....................................................... 69 5.21、HLR-鄰近階層備援式架構查詢資料 pseudo code ............................................... 70 5.22、HLR-階層備援式架構更新資料 pseudo code ....................................................... 71 5.23、HLR-鄰近階層備援式架構更新資料 pseudo code ............................................... 72 6.1、link weight ................................................................................................................. 75 6.2、Group_Member 階層備援式架構-隔一階儲存範例 ............................................... 76 6.3、Group_Member -R1=0.33，R2/R1 與平均總成本之間的變化 ................................ 79 6.4、Group_Member -R1=0.11，R2/R1 與平均總成本之間的變化 ............................... 80 6.5、Group_Member -R1=0.77，R2/R1 與平均總成本之間的變化 ................................ 80 6.6、Group_Member -R1=0.99，R2/R1 與平均總成本之間的變化 ................................ 81 6.7、HLR-R2=0.005，R1/R2 與平均總成本之間的變化 ................................................. 94 6.8、HLR-R2=0.002，R1/R2 與平均總成本之間的變化 ................................................. 95 6.9、HLR-R2=0.008，R1/R2 與平均總成本之間的變化 ................................................. 95 6.10、HLR-R2=0.01，R1/R2 與平均總成本之間的變化 ................................................. 96 6.11、Group_Member 儲存架構之可用度與平均總成本之關係-1 ............................... 97 6.12、Group_Member 儲存架構之可用度與平均總成本之關係-2 ............................... 98 6.13、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(no locality)-1 ........................... 100 6.14、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(no locality)-2 ........................... 101 6.15、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(Locality Ratio 5:5)-1 ............... 102 6.16、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(Locality Ratio 5:5)-2 ............... 103 6.17、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(Locality Ratio 6:4)-1 ............... 103 6.18、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(Locality Ratio 6:4)-2 ............... 104 6.19、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(Locality Ratio 7:3)-1 ............... 105. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. Ch. engchi. ix. i n U. v.

(12) 6.20、HLR 儲存架構之可用度與平均總成本之關係(Locality Ratio 7:3)-2 ............... 106 7.1、系統模擬環境架構圖 ............................................................................................. 109 7.2、系統模擬環境樹狀拓樸示意圖 ............................................................................. 110 7.3、實驗一模擬架構圖 ................................................................................................. 112 7.4、實驗一發話端在 node A 的 call setup time ........................................................... 114 7.5、實驗一發話端在 node B 的 call setup time ........................................................... 114 7.6、實驗一發話端在 node C 的 call setup time ........................................................... 115 7.7、實驗一發話端在 node D 的 call setup time ........................................................... 115 7.8、實驗二模擬架構圖 ................................................................................................. 116 7.9、實驗二發話端在 node A 的 call setup time ........................................................... 117 7.10、實驗二發話端在 node B 的 call setup time ......................................................... 118 7.11、實驗二發話端在 node C 的 call setup time.......................................................... 118 7.12、實驗二發話端在 node D 的 call setup time ......................................................... 119. 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. Ch. engchi. x. i n U. v.

(13) 表目錄 1.1、近年大型天然災害傷亡損失記錄 ............................................................................. 1 1.2、應急通訊網建置需求 ................................................................................................. 7 2.1、應急通訊系統比較 ................................................................................................... 20 2.2、各種資料分割類型之比較 ....................................................................................... 24 2.3、各種資料配置方式之比較表 ................................................................................... 25 3.1、災區通訊需求分類 ................................................................................................... 32 4.1、Originating Site 系統狀態轉變表............................................................................. 50 4.2、Terminating Site 系統狀態轉變表 ........................................................................... 53 5.1、CCN 網路建置需求 .................................................................................................. 54 5.2、CCN 資料庫及交易資料庫需求比較表 .................................................................. 54 5.3、Group_Member 資料表及 HLR 資料表之特性 ...................................................... 58 6.1、群組成員至儲存 Group_Member node 之 query cost ............................................. 77 6.2、群組成員至儲存 Group_Member node 之 update cost ........................................... 78 6.3、Group_Member-R1 值 .............................................................................................. 78 6.4、Group_Member-R2 值 ............................................................................................... 78 6.5、Group_Member -R2/R1 與平均總成本之計算結果 ................................................. 79 6.6、各 node 間的 Locality Ratio(5:5).............................................................................. 81 6.7、各 node 間的 Locality Ratio(6:4).............................................................................. 82 6.8、各 node 間的 Locality Ratio(7:3).............................................................................. 83 6.9、HLR 階層備援式 storage cost .................................................................................. 84 6.10、HLR 階層備援式架構原始 query cost................................................................... 85 6.11、HLR 階層備援式架構 query cost(Locality Ratio 5:5) ........................................... 85 6.12、HLR 階層備援式架構 query cost(Locality Ratio 6:4) ........................................... 86 6.13、HLR 階層備援式架構 query cost(Locality Ratio 7:3) ........................................... 86 6.14、HLR 階層備援式架構原始 update cost ................................................................. 87 6.15、HLR 階層備援式架構 update cost(Locality Ratio 5:5) ......................................... 88 6.16、HLR 階層備援式架構 update cost(Locality Ratio 6:4) ......................................... 88 6.17、HLR 階層備援式架構 update cost(Locality Ratio7:3) .......................................... 89 6.18、HLR 鄰近階層備援式 storage cost ........................................................................ 90 6.19、HLR 鄰近階層備援式架構原始 query cost ........................................................... 91 6.20、HLR 鄰近階層備援式架構 query cost(Locality Ratio 5:5) ................................... 91. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表. Ch. engchi. xi. i n U. v.

(14) 6.21、HLR 鄰近階層備援式 query cost(Locality Ratio 6:4) ........................................... 92 6.22、HLR 鄰近階層備援式 query cost(Locality Ratio 7:3) ........................................... 92 6.23、HLR-R1 值 ............................................................................................................... 93 6.24、HLR-R2 值 ............................................................................................................... 93 6.25、HLR 各架構 R1/R2 與平均總成本之計算結果 ..................................................... 94 6.26、Group_Member 儲存架構-相關參數設定 ............................................................. 96 6.27、HLR 儲存架構-相關參數設定 ............................................................................... 99 7.1、CCN 系統元件與模擬設備對映表 ........................................................................ 110 7.2、系統開發軟硬體規格及需求 ................................................................................. 111 7.3、實驗一發話端 call setup time ................................................................................. 113 7.4、實驗一受話端 call setup time ................................................................................. 113 7.5、實驗二發話端 call setup time ................................................................................. 116 7.6、實驗二受話端 call setup time ................................................................................. 117. 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 表表表表表表表表表表表表表. Ch. engchi. xii. i n U. v.

(15) 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、. 政治大. 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. 立. 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. ‧ 國. 學. 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. Nat. sit. y. 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. n. al. er. io. 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. i n U. v. 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. Ch. engchi. 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 Taiwan USA. Event. Date. Scale. 921 Chi-Chi Earthquake. 1999/09/21. 7.3 Richter Scale. Katrina Hurricane. 2005/08/23. Category 5 SSHS. 1. Damage Dead ：2,415 Injured：11,306 Dead ：1,836.

(16) Country. Event. Date. China. Sichuan Earthquake. 2008/05/12. 8.0 Richter Scale. Damage Dead：69,227 Injured：374,176. Italy. L'Aquila Earthquake. 2009/04/06. 6.3 Richter Scale. Dead ：297 Injured：1,500. 88 Flood. 2009/08/08. Haiti. Haiti Port-au-Prince Earthquake. 2010/01/12. Chile. 2010 Chile Earthquake. 2010/02/27. China. Yushu Earthquake. NZ. Richter 政治8.8 Scale 大. 6.3 Richter Scale. Japan. 2011 Tokyo Earthquake and Tsunami. 2011/03/11. 9.0 Richter Scale. Turkey. 2011 Van Earthquake. 2011/10/23. 7.3 Richter Scale. Nat. io. n. al. i n U. Dead ：185 Injured：2,000 Dead ：16,079 Missing：3,499. er. 2011/02/22. ‧ 國. 2011 Christchurch Earthquake. Dead ：2,698 Injured：12,135. ‧. 7.1 Richter Scale. 學. 2010/04/14. Dead ：800. y. 立. > 2500 mm Dead ：681 Rainfall within 2 Injured：33 days Dead ：316,000 7.0 Richter Injured：300,000 Scale. sit. Taiwan. Scale. v. Dead ：644 Injured：4,412 Dead：117. 2012/10/29. Category 3 SSHS. 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. USA. Hurricane Sandy. Iran. Ch. engchi. 2. > $71 billion USD loss. Dead ：7673 Injured：17,200 up to 2015/5/8.

(17) 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。. 政治大. 1.1、災區應急通訊系統需求分析. 立. 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. ‧ 國. 學. 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. Nat. 1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰. n. al. Ch. . 建築物倒塌，人員受困，亟待救援. . 通訊網路幾乎全面癱瘓. engchi. er. io. sit. y. [8][9][16][23][24][28][30][37]。. i n U. v. 圖 1.1、通訊線路於災害中受損 3.

(18) . 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. 治政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大立定通訊網路，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 ‧ 國. 學. 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，. y. Nat. io. 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. n. al. er. . sit. 而停止運轉。. Ch. i n U. v. 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)。 . engchi. 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。. 4.

(19) (A) 行動通訊網路架構. 立. 政治大. ‧ 國. 學. (B) 固網隨橋斷而斷. ‧ sit. y. Nat. (C) 行動通訊因後端連線. io. n. al. er. 中斷而癱瘓. Ch. engchi. i n U. v. 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。 5.

(20) 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。. 立. 政治大. y. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. Nat. 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 a. n. iv l C n 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 hengchi U. 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。. 6.

(21) 表 1.2、應急通訊網建置需求  . User friendly Sufficient amount of terminals. Usability.    . Task original communication services Adequate quality of service Long standing time of terminals Mobility.  . Low development cost Easy acquisition of equipment. Capacity.  . Sufficient number of concurrency users Resist the burst of call request. Sustainability.  . Reliability Fast recovery. Nat. . Self-adjustment. . OAM functions. io. n. al. y. er. Adaptability. ‧. ‧ 國. 立. 政治大  Construct rapidly and easily. sit. Practicability. 學. 7-ability. Popularity. Operability. Ch. engchi. i n U. v. I. 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.

(22) 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. 政治大. 需求遠高於一般的通訊服務。. 立. 適當的通訊品質服務(Adequate Quality of Service)：救災工作常陷於兵荒. 學. ‧ 國. . 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. Nat. sit. y. 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. n. al. er. io. 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。 . Ch. engchi. i n U. v. 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.

(23) 4.. . 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). 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. 政治大. 的非救災相關通訊要求造成網路擁塞。. 立. 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，. 學. ‧ 國. 5.. 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. ‧. 因素：. Nat. y. 可靠性 (Reliability)：在資源許可之下，盡可能提高系統的可靠性，避免. sit. . al. n. . er. io. 頻繁的中斷。. i n U. v. 快速恢復(Fast Recovery)：應急通訊網路未必有超高的可靠度，在服務中. Ch. engchi. 斷後，應能輕易及快速的修復完成並且持續提供服務。 6.. 可調性(Adaptability)：災區中受災情況往往變化莫測，應急通訊系統應具備可調整的能力，在有限的資源下，盡力提供災區通訊服務，避免通訊資源的不當配置影響救災效率。. 7.. 維運性(Operability):運轉、營運、管理和維護功能稱為 OAM 功能。. 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. 9.

(24) . 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. . 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. 立. 1.2、應急通訊網路簡介. 政治大. ‧ 國. 學. 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)、移動式基地台等。而近年來有許多研究. ‧. 倡議使用 MANET (Mobile Ad Hoc Network) [4][11][38]建構應急通訊系統。. Nat. sit. y. 需額外設備的應急通訊系統，在災害發生後往往因為道路支離破碎不能直接進入災. n. al. er. io. 區，即使進入了也只有少數人可以使用，無法普及到一般災民，因此我們提出了兩種方. i n U. v. 法解決此問題，第一種為利用 MANET 應急通訊系統，稱為 P2PNet，在大型天然災害. Ch. engchi. 發生之初期，可迅速的讓受災人員與救難人員以自有的電腦設備建構簡單的 MANET 模擬 Walkie-Talkie 進行短距離群組通訊，其主要系統優勢為：筆電等設備可就地取材，只需具備基礎電腦知識即可架設使用。第二種是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，建立一個臨時網路，供災區的手機用戶使用，其優勢為大量的手機用戶可立即投入救災使用，如圖 1.4，本論文即是在此基礎(CCN) 上進行研究。. 10.

(25) 政治大. 學. ‧ 國. 立. 圖 1.4、CCN 網路. ‧. 1.3、CCN 網路可靠度提升. y. Nat. io. sit. CCN 網路是由數個元件所組成，每個元件各司其職，若有任一元件發生障礙時，. n. al. er. 即可能會無法通訊，延誤救災時機，故，為提升其可靠度，我們檢視 CCN 網路的幾個. Ch. i n U. v. 關鍵性元件，其中，當 link 斷線、DB 軟硬體發生障礙、或連網台無法連線時，皆會造. engchi. 成系統無法運作，本研究將針對 DB 備援設計數種分散式架構，以提升 CCN 網路的可靠度。. 圖 1.5、CCN 網路分散式架構示意圖 11.

(26) 1.4、分散式資料庫概述根據 M. Tamer Özsu 及 Patrick Valduriez 所定義的分散式資料庫是：「由分佈在一個計算機網路中的多個、邏輯上有相互關聯的資料庫集合組成。使用者可透過網路來查詢、更新及維護。而分散式資料庫管理系統(distributed DDMS)是讓分佈在各地的 user 管理及控制分散式資料庫。」[57] 分散式資料庫需具有「資料分散透通性」及「無單點障礙」之要求，意指使用者在操作資料庫時，感覺不到資料是分散儲存，就像在使用集中式資料庫一樣，此外，當其. 治政中一個資料庫發生障礙，不會影響整個系統的運作。大立. ‧. ‧ 國. 學 er. io. sit. y. Nat. n. a l 圖 1.6、分散式資料庫示意圖 v i n Ch U 分散式資料庫系統的優點 e n g c h i. . 將資料庫分別儲存在不同區域的 Server，有以下優點[58][60]：. . . 增加可靠度(reliability)及可用性(availability). . 減少網路流量、提高處理速度. . 允許資料共享及區域自主性. . 可漸進式擴充. . 依區域分別儲存資料，能反應實際的組織、架構. 分散式資料庫系統的缺點[58] 反之，分散式資料庫亦有缺點： 12.

(27) . 提高資料管理複雜度. . 成本提高. . 資料保密性及安全性易受威脅. 1.5、論文架構本文共分成八章，第二章介紹現行的 3G 行動網路架構、4G 行動網路架構、目前常見的應急通訊系統及分散式資料庫的邏輯架構。第三章說明如何用現行的 3G 行動通訊. 政治大. 網路來建構一個應急通訊系統及 CCN 網路元件與通訊模式介紹。第四章提出 CCN 分散. 立. 式群組通訊設計。第五章為本論文提出之 CCN 網路分散式資料庫架構。第六章則藉由. ‧ 國. 學. 可靠度及成本二個項目來評估本論文提出之分散式架構。第七章為模擬 CCN 分散式資料庫架構之可行性並測量架構之效能。第八章則為結論與未來發展方向。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 13. i n U. v.

(28) 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 技術能同時傳送聲音(通話)及數據(電子郵件、即時通訊等)。如圖 2.1，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。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 2.1、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)：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 14.

(29) 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. 政治大. 包括基頻信號和射頻信號的相互轉換等功能[29]。. 立. 2.1.2、核心網路 (Core Network). ‧ 國. 學. 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. sit. io. HLR (Home Location Register)：本籍位置記錄器，是一永久性用戶資料庫，. n. al. er. . y. Nat. 分：. Ch. i n U. v. 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、. engchi. 是否開機等)。行動業者所有客戶的 Service profile 都儲存於 HLR，直到客戶退租為止。HLR 並記錄各用戶所在位置的 VLR，提供位置查詢之服務。 . 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. 15.

(30) 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。. 2.2、第四代行動通訊架構. 立. 政治大. LTE(Long Term Evolution)為 3GPP（The 3rd Generation Partnership Project）發展第. ‧ 國. 學. 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，以提供使用者高速資料傳輸速率、提高系統容量和覆蓋範圍並. ‧. 降低營運成本。與 GSM、WCDMA 相較，主要有以下差異：. Nat. . 使用 MIMO(Multiple-Input Multiple Output). . 核心網路架構之改變(System Architecture Evolution; SAE)[62]. Ch. engchi. er. n. al. sit. y. 使用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[61]. io. . i n U. v. 如圖 2.2，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)。. 16.

(31) 立. 政治大. ‧ 國. 學圖 2.2、System Architecture of LTE. ‧. 2.2.1、 e-UTRAN. y. Nat. 這樣架構的簡化將可降低無線電介面之延遲時間。. n. al. Ch. er. io. sit. e-UTRAN 由 eNodeB 組成，eNodeB 之功能如同在 UMTS 架構中 NodeB 加上 RNC，. i n U. v. . 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. engchi. S1-MME 介面和 MME(Mobility Management Entity)相連；User Plane 之則透過 S1-U 與 SGW(Serving Gateway)進行資料傳輸。. 2.2.2、 EPC EPC 由 MME, SGW, PGW 所組成[63][64]，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(Mobility Management Entity)：MME 為 LTE 接取網路中主要之控制元 17.

(32) 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(Serving Gateway)：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。. . 政治大. PGW(Packet Data Network Gateway; PDN Gateway)：PGW 為 LTE 網路之出. 立. 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. ‧ 國. 學. 過濾、計費、封包篩選以及合法監聽等。. ‧. 2.2.3、 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. y. Nat. io. sit. 訊系統 (Public Safety Communications) 如 TETRA 及 P25 ，導入並應用在. n. al. er. LTE/LTE-Advanced 上。美國國家公眾安全通訊委員會(The National Public Safety. Ch. i n U. v. Telecommunications Council ，NPSTC)已在 2009 年決定將 LTE 作為國家公眾安全通訊. engchi. 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 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 18.

(33) 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。. 由於 LTE ProSE 及 GCSE_LTE 標準仍在制定中，且目前的 UE 設備尚未支援 ProSE. 政治大待相關技術成熟後，如能將其導入，對於頻寬資源極為寶貴的 CCN 網路來說，無疑是立. 及 GCSE_LTE，亦無應用實例，故 ProSE 及 GCSE_LTE 未納入 CCN 網路之研究範圍，. ‧ 國. 學. 一大助益。. 應急通訊系統使用時機. sit. y. Nat. 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. io. er. . ‧. 2.3、應急通訊系統種類. al. 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. n. v i n Ch 應急通訊系統提供倖存者及救災人員所需的通訊服務，電信公司將會逐步修復 engchi U 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 2.3 所示。. 圖 2.3、應急通訊系統使用時機 19.

(34) 我們以 1.1.5 所歸納的需求，檢視分析現有應急通訊系統的適用性。應急通訊系統種類約有以下幾種：專用高抗災通信平臺、無線對講機 (Walkie-Talkie)、業餘無線電 (Amateur radio)、行動衛星通訊 (Satellite mobile phone)、專業用集群通訊系統 (Trunking radio)、移動基地台(Cell on wheels)及行動隨意式網路 (MANET)，而表 2.1 是以應急通訊系統八項評斷指標進行優劣分析。表 2.1、應急通訊系統比較設備取得. 終端設備. 終端設備操. 終端設備. 通訊. 運轉難. 成本. 易度. 難易度. 普及率. 作難易度. 移動性. 品質. 易度. 高. 不需建構. 易. 低. 易. 低. 高. 中. 高. 中. 無. Talkie. 中. radio. 高. 移動式基地台. 高. 既存. 簡單. al. n. (量少). 士架構. io. 集群通訊系統. 極高. 需專業人. Nat. 行動衛星通訊. 簡單. (量少) MANET CCN 應急通訊系統. 低. 低. 易. 需專業安裝設定中. 視地區而定. 需簡單學習. 易. 低. ‧. Amateur. 不需建構. 需專業執照. 低. 中. 無. 易. 低. 易. y. 低. 高. 中. 無. 低. 需簡單學習. 高. 高. 中. 高. 高. 中. sit. Walkie-. 難(需道路運送). Ch. 難(需道路. e n g c 高h i. 運送). 就地取材重量輕可空運. er. 立. 政治大. ‧ 國. 通信平臺. 建構難. 學. 專用高抗災. 使用. iv n U 易. 中. 易. 中. 低. 中. 高. 易. 高. 高. 中. 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 [38]：本篇主要探討災害發生後，如何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， 20.

(35) 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 [41]：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. 政治大. 救災情況會隨時變動的災區使用，因此，作者提出利用 Autonomous. 立. Decentralized System (ADS)的方式在災區傳送即時訊息，稱為 Autonomous. ‧ 國. 學. 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 [6]：. Nat. sit. y. 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. n. al. er. io. 由 Multiple Parallel 的模型來整合網路層 (Network layer) 和網路應用層. i n U. v. (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. Ch. engchi. 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 [33]：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 [11]：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 21.

(36) 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，即可架設短距離的 Ad hoc 網路供通訊使用。 . Taiwan Earthquake Event Report, Risk Management Solutions [9]：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. 政治大. 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. 立. 強，減少人員的傷亡和財務的損失。. ‧ 國. 學. . Improving Disaster Management [39]：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. Nat. al. n. . er. io. 過節點和節點之間的 relay 傳送至目的地。. sit. y. 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. i n U. v. A Disaster Information System by Ballooned Wireless Ad Hoc Network [36]：本篇. Ch. engchi. 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。 . Construction of Wireless Network for Information Communication for a Disaster-affected Island [40]：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 22.

(37) 島上，藉此恢復陸地與小島的通訊。 . Network Topology Planning for Contingency Cellular Network [14]：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。. 2.4、分散式資料庫邏輯架構. 立. 政治大. 依 1.4 節所述，分散式資料庫需具有「資料分散透通性」之要求──使用者在操作. ‧ 國. 學. 資料庫時，感覺不到資料是分散儲存，為達成此要求，分散式資料庫需有資料分割及資. ‧. 料重覆之透通性，說明如下：. sit. y. Nat. 2.4.1、資料分割透通性(Fragmentation Transpartency). io. er. 資料分割透通性是指，邏輯上一個資料表是被分割成許多片斷(Fragmentation)，再. al. 將這些片斷分散儲存在不同區域的資料庫中，但使用者不需考慮資料庫中的資料是否已. n. v i n Ch 被分割儲存，只要針對所需的資料表與屬性下達查詢即可。 engchi U. 在分散式資料庫系統中，資料分割(Data Fragmentation)的方式又分為水平分割及垂直分割，分述如下[60]。 . 水平分割(Horizontal Fragmentation) 以關聯式資料表的值組(列)為分割單位，分成較小的關聯表稱為水平分割。. . 垂直分割(Vertical Fragmentation) 以關聯式資料表的屬性(行)為分割單位，分成較小的關聯表稱為垂直分割。. 23.

(38) 表 2.2、各種資料分割類型之比較資料分割類型. 優點. 缺點. 水平分割. 1. 可減少資料庫容量(index 數 1. 在查詢時需用 union 指令，提高量)，提高查詢效能查詢複雜度 2. 可依不同的區域劃分，僅管理該區域內部的資料. 垂直分割. 1. 可減少資料表屬性數量，減少 1. 在查詢時需注意保留關聯表的 I/O 次數主鍵，否則會造成還原後的資料失真，提高查詢複雜度 2. 資料不易佈署. 政治大 2.4.2、資料重覆透通性(Replication Transpartency) 立. 為了效能考量，資料會重覆儲存在不同 Server 上，使用者只要針對所需的資料表與. ‧ 國. 學. 屬性下達查詢即可，資料重覆主要是在提高資料庫系統的可用性(Availability)，將資料. y. sit. 完全複製(Complete Replication). io. er. . Nat. 一般而言，分散式資料庫資料配置的方式有二類[60]：. ‧. 從原始資料庫複製到另一個複製的資料庫，以達到資料庫資料的一致性[60]。. 在每個區域都複製一個完整的資料庫，通常使用在要求高可用性的系統。但缺. al. n. v i n Ch 點是，小部份的資料更改，都需啟動同步更新，而在同步更新時會浪費軟、硬 engchi U 體及網路資源。 . 部份複製(Partial Replication) 將資料依其需求，複製部份資料片斷(Fragmentation)至複製的資料庫，此方式較具彈性，故常被使用。. 24.

(39) 表 2.3、各種資料配置方式之比較表資料配置方式. 優點. 缺點. 完全複製. 1. 提高資料庫的可用性 2. 易實現資料完全備援 3. 提高查詢效能. 1. 需定期、定時做資料同步更新 2. 易耗費網路頻寬資源. 部份複製. 1. 可降低網路流量 2. 減少資料重覆. 1. 僅能實現資料部份備援 2. 需定期、定時做資料同步更新. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 25. i n U. v.

(40) 第三章、應急蜂巢式行動通訊網路 (CCN) 應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network，CCN)，以下簡稱 CCN 網路。CCN 網路的建置目的是在大型災害發生後的交通及通訊尚未修復之緊急黃金 72 小時救援時期，提供即刻臨時性的通訊。CCN 網路建置於原 2G、3G 蜂巢式行動通訊網路之上，係利用在災害中服務中斷但結構完好的行動通訊網路基地台，藉由臨時供應的電力，恢復其運轉，並藉由無線通訊設備[24]連接鄰近的基地台，再藉由點對點(Hop-by-hop). 政治大. 方式遞送訊號至有對外連線能力之基地台或通訊節點(如衛星通訊裝置、移動基地台等)，. 立. 形成一臨時性的通訊網路，使災區人員能藉由 CCN 網路利用手機進行通訊，降低災區. ‧ 國. 學. 的通訊阻礙，進而提升救災效率。由於蜂巢式行動通訊網路的基地台分佈拓樸，在建置時期即經過完善的設計，不但設置的地理位置經過測量規劃，而且多設置於高處，訊號. ‧. 良好、無 Line-of-sight 問題，故在緊急時期，若可直接使用蜂巢式行動通訊網路的基地. Nat. sit. y. 台，則不須花費額外的人力及時間選擇 CCN 網路的無線電站台架設地點，可以快速佈. n. al. er. io. 建。另外，建置 CCN 網路所需的額外設備(應急修復包)具有可事前儲備、輕量等優點，. i n U. v. 當災害來臨時，可直接由災區內部供應或由直升機空投取得，使得系統建置更為容易。. Ch. engchi. 圖 3.1 所示，CCN 利用無線通訊設備連結斷訊的基地台群，並將訊號遞送至具備與後端核心網路通訊能力之基地台，藉此使斷訊基地台回復通訊。. 圖 3.1、CCN 網路架構. 26.

(41) . CCN 可行性分析：我們利用原有基地台建構應急通訊系統的方式具有下列幾項優勢： . 一般民眾逃難時，多半攜帶手機，如能救活基地台，讓受困與救災人員立即恢復通訊能力，效益極大。. . 重覆使用原有行動通訊基地台，大幅降低成本且涵蓋範圍廣。. . 這些基地台都已在災區內，不會因為交通因素導致設備因道路、橋梁的中斷無法進入災區，延誤建構應急通訊系統的時間。. 政治大. . 額外設備(應急修復包)重量極輕，可以用直升機空運或空投。. . 基地台的拓樸，多半經過精心設計，地點絕佳，不需耗時費力選擇無線電. 立. ‧ 國. 學. 基站地點。 . 基地台之間距離不遠，且都在高處，不虞視線受阻，容易用簡單的無線電. ‧. 設備互連。. Nat. y. 手機普及率非常高，使用者可直接用既有手機不需改裝即可通訊，且使用. sit. . al. n. 用)。. er. io. 者不需訓練，只要會使用原有手機即可使用(但通訊功能僅限於救災使. Ch. engchi. i n U. v. 3.1、系統架構我們先前的研究[23][24][51]發覺大部分斷訊基地台之結構完整，但因停斷電或後端線路毀損使其無法提供正常服務。因此提出利用空投或直昇機等方式提供應急修復包 (Contingency Recovery Package，CRP，可儲備於國家防救災中心或行動電話公司)，修復包內含發電機、燃油、無線通訊…等設備，藉由這些基本設備，使基地台能維持基本運轉，基地台再利用無線通訊設備以跳接方式互連，回復與核心網路之間的連線，使其能連上後端核心網路，恢復部分通訊功能。應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network)架構如圖 3.1 所示。 27.

(42) 我們將基地台依其對外通訊的連線能力，定義如下： . 連網台(Survival base station)：與後端核心網路正常通訊，傳遞資料並持續提供服務之基地台，稱為連網台，如圖 3.2。連網台的構成要件為其基地台本身完好或配有衛星等通訊設備，使其具有與後端核心網路通訊之能力。. 學. ‧ 國. 立. 政治大. (A) 連網台. ‧. 孤立台(Isolated base station)：無法與後端核心網路通訊，造成通訊服務提供. sit. y. Nat. . 圖 3.2、連網台與孤立台. (B) 孤立台. io. al. er. 中斷，但基地台設備本身並無毀損之基地台，稱為孤立台，如圖 3.2。其形成. n. 孤立的最可能原因為電力中斷、實體對外線路損毀所導致。. 3.1.1、 CCN 連網方式. Ch. engchi. i n U. v. 當兩基地台彼此相鄰，可用無線通訊方式連線互相交換資料時，這兩基地台互為彼此的鄰台。. 圖 3.3、CCN 基地台間之連線 28.

(43) CCN 網路即是在孤立台上佈建簡易的輔助設備「應急修復包(CRP)」，使孤立台利用鄰台連結到連網台，由於連網台的功能沒有受損，即可透過連網台連線到後端核心網路。基地台必須與後端系統建立連線才可交換信令(Signaling)與資料(Data)提供電信服務，如圖 3.3 所示。CCN 將利用各種無線連線方式[33]與鄰台相連，鄰台之間將會不斷相連擴展，形成一個全新的網路。CCN 通訊模式如圖 3.4。 . 轉送拓樸 ( Forwarding Topology )：為了簡單起見，CCN 採用樹狀轉送拓樸，其根節點為連網台，其餘節點為孤. 政治大. 立台。由於一個 CCN 網路對外的頻寬極為有限，如果災區有多個連網台或災. 立. 區範圍太大，可將災區切割成多個 CCN 網路拓樸，除保障通訊品質外，也避. ‧ 國. 學. 免當災區面積太大，話務須經多次轉送浪費太多頻道資源，建議每個 CCN 網路的轉送拓樸深度控制在 3~5 hop 之內。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 3.4、孤立台藉 CCN 連線連上核心網路. 3.1.2、系統元件 CCN 之建構需要在各孤立台附加額外設備，所需的元件為發電機、燃油、無線通訊設備，部分則需衛星通訊設備。平時包裝成「應急修復包(Contingency Recovery. 29.