應急蜂巢式行動通訊網路的頻寬分配 - 政大學術集成

全文

(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的頻寬分配. n. al. er. io. sit. y. Nat. Bandwidth Allocation for Contingency Cellular Network. Ch. engchi. i Un. v. 研究生：吳雲鼎指導教授：連耀南. 中華民國一百零一年四月 April 2012.

(2) 應急蜂巢式行動通訊網路的頻寬分配 Bandwidth Allocation for Contingency Cellular Network. 研究生：吳雲鼎. Student：Yun-Ting Wu. 指導教授：連耀南. Advisor：Yao-Nan Lien. 立. 國立政治大學資訊科學系政治碩士論文. 大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. A Thesis submitted to Department of Computer Science National Chengchi University in partialafulfillment of the Requirements iv l C forhthe degree ofU n engchi Master in Computer Science. 中華民國一百零一年四月 April 2012.

(3) 應急蜂巢式行動通訊網路的頻寬分配摘要大型天然災害會癱瘓通訊系統，嚴重影響到救災效率，本論文旨在快速進行可用連外頻寬分配，供應急通訊系統使用。無線通訊技術的成熟，為使用者帶來極大的便利性，但當發生大規模的地震或強烈颱風等重大天然災害時，通訊系統卻常常因架構等因素，隨著電力與交通系統的損毀而癱瘓。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，而. 政治大. 有效運作的通訊系統卻是災情傳遞、資源調度以及互助協調是否順利的關鍵因. 立. 素。. ‧ 國. 學. 本篇論文所探討的應急通訊系統是利用倖存的連通基地台和斷訊卻沒有損毀的基地台，以無線電連接起來建構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，CCN)。由於 CCN 的連外頻寬有限，. Nat. sit. y. 大量話務將造成通訊系統壅塞，影響重要訊息傳遞，且災區各個地方受災情況不. n. al. er. io. 盡相同，使得 CCN 的頻寬資源需視各地災情緊急程度與需求進行規劃配置，以. i Un. v. 充分發揮頻寬效益傳遞重要資訊。本論文主要在探討如何在 CCN 網路拓樸已決. Ch. engchi. 定的情況下進行頻寬分配，以達到最大的救災效益。因此我們提出一適合 CCN 樹狀結構的頻寬分配優化模型，以追求救災效益的最大化，這個模型可供使用者 (救災指揮單位)系統化的解決 CCN 頻寬分配問題。本論文所提出的頻寬分配模型包含 CCN 樹狀拓樸、基地台數目、可用之連外頻寬資源限制、各基地台 Backhaul 頻寬限制、基本頻寬需求限制、差異化之通訊品質通道和效益遞減函數。我們證明此模型是 NP-Hard 問題，並提出一個考慮各基地台的災情緊急程度以及通訊品質需求差異而進行快速頻寬分配的演算法，此演算法透過計算頻寬分配總救災效益決定優劣。經實驗，可快速得出接近最佳解的頻寬分配結果。 i.

(4) Bandwidth Allocation for Contingency Cellular Network Abstract When stricken by a large-scale disaster, the efficiency of disaster response operation is very critical to life saving. We propose to build a contingency cellular network to support emergency communication in large scale natural disasters by connecting disconnected base stations. This thesis addresses the bandwidth allocation problem. The advance of mobile communication technologies has brought great convenience to. 政治大 emergency. However, cellular 立networks were usually crashed in earthquake, typhoons users. Cellular phone becomes the first communication tool most people would use in. ‧ 國. 學. or other natural disasters due to power outage or backhaul breakage. Unfortunately, the efficiency of communication system is a critical factor to the success of disaster. ‧. response operation such as resource allocation as well as coordination of rescue and. Nat. sit. y. relief operations. We designed a contingency cellular network (CCN) by connecting. n. al. er. io. physically intact but service-disrupted base stations together with wireless links. As. i Un. v. the bandwidth resource in CCN is limited, a smart bandwidth allocation to facilitate. Ch. engchi. prioritized bandwidth sharing will maximize the contribution of CCN to the disaster response operation. We model the CCN Bandwidth Allocation Problem into a Nested 0-1 Knapsack Problem aiming to maximize disaster operation efficiency. The problem is proven to be NP Hard. We also design an efficient heuristic algorithm to solve the problem when it is needed in urgent.. ii.

(5) 誌謝辭終於到了誌謝辭的時刻，走走停停的研究生生涯終於邁入尾聲，看著論文回想這段時期，很辛苦卻也很踏實，在進入職場多年後，能夠重回校園學習，實在是難得的經驗。這本論文的完成，首先要感謝的是指導老師連耀南教授。老師實事求是且觀察入微的精闢見解與嚴謹的治學態度，讓我不但在學術研究上學習到應有的思考方式，也在相關工作領域上獲益良多。此外也要感謝台灣大學蔡志宏教授、交通大學陳耀宗教授、政治大學姜國輝教授及中央大學胡誌麟教授在口試時的指導與. 治政建議，讓這本論文更臻完整，在此獻上由衷的感激。大立感謝智賢學長在公忙之餘犧牲午餐時間以及陪伴小朋友的時間與我研討並 ‧ 國. 學. 提供許多寶貴建議。感謝實驗室的學弟妹們，彥嵩、筱慈、冠傑、郁翔、耿誠、. sit. y. Nat. 冠傑、郁翔在口試過程給予的大力幫忙。. ‧. 采衣、文晟、期淳、惠晴，謝謝你們在研究過程中提出各種看法與協助，也謝謝. io. er. 感謝系上老師在研究所這段期間的授課，讓我收穫許多新知及見聞，也感謝系上助教群給予各項行政作業的諮詢與支援，讓我省下許多寶貴的時間。. al. n. iv n C 兼顧工作與求學的過程是艱辛的，要感謝父母親對我的養育與關懷，也要特 hengchi U. 別感謝愛妻芳如，在我碩士進修期間對家庭的付出與照顧，使我能全心全意的投入工作與學業，謹以此論文獻給她，並致上我最誠摯的謝意與感激。吳雲鼎謹誌於政治大學資訊科學研究所 April 2012. iii.

(6) 目錄第一章、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 ..................................................... 6 1.1.3、通訊設備修復困難 ........................................................................ 7 1.1.4、應急通訊網建置之挑戰與需求 ..................................................... 8 1.1.5、災區通訊需求分類 ...................................................................... 10 1.1.6、應急通訊網頻寬資源使用需求 ................................................... 11 1.2、應急通訊網路簡介................................................................................. 12 1.3、論文架構 ................................................................................................ 13 第二章、相關研究 ................................................................................................. 14. 政治大. 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) ......................... 15 2.1.2、核心網路 (Core Network) ........................................................... 15 2.1.3、3G 網路通訊協定 ....................................................................... 16 2.2、應急通訊系統種類................................................................................. 17. 立. ‧ 國. 學. ‧. 2.2.1、專用高抗災通信平臺 .................................................................. 17 2.2.2、無線對講機 (Walkie-Talkie) ....................................................... 18 2.2.3、業餘無線電 (Amateur radio) ....................................................... 18 2.2.4、行動衛星通訊.............................................................................. 19 2.2.5、專業用集群通訊系統 (Trunking radio) ....................................... 20. er. io. sit. y. Nat. al. v. n. 2.2.6、移動基地台 (Cell on wheels) ...................................................... 22 2.2.7、行動隨意式網路 (MANET) ........................................................ 22 2.2.8、過去應急通訊系統相關研究....................................................... 24 2.2.9、應急通訊系統綜合比較 .............................................................. 26 第三章、應急蜂巢式行動通訊網路 (CCN).......................................................... 28. Ch. engchi. i Un. 3.1、系統架構 ................................................................................................ 28 3.2、系統使用時機 ........................................................................................ 30 3.3、可行性分析 ............................................................................................ 30 3.4、轉送拓樸 (Forwarding tree) ................................................................... 31 3.5、通訊模式 ................................................................................................ 31 3.6、系統元件 ................................................................................................ 34 3.7、建置與運轉流程 .................................................................................... 35 3.8、重要研究議題 ........................................................................................ 37 第四章、CCN 頻寬分配 ........................................................................................ 40 4.1、設計理念與目標 .................................................................................... 40 iv.

(7) 4.1.1、CCN 頻寬使用需求分析 ............................................................. 41 4.1.2、環境假設 ..................................................................................... 41 4.1.3、設計考量與目標 .......................................................................... 42 4.2、問題定義 ................................................................................................ 43 4.2.1、救災效益定義.............................................................................. 43 4.2.2、CCN 頻寬分配問題描述 ............................................................. 44 4.3、計算複雜度分析 .................................................................................... 46 4.3.1、0-1 Knapsack Problem (0-1 KP) ................................................... 46 4.3.2、CCN Bandwidth Allocation Problem (CCN-BA) .......................... 47 4.3.3、CCN-BA 計算複雜度 .................................................................. 47 4.4、啟發式頻寬分配演算法 ......................................................................... 48 4.4.1、演算法設計.................................................................................. 48 4.4.2、BAG 演算法 ................................................................................ 50. 政治大. 4.4.3、BAG 演算法範例 ........................................................................ 52 第五章、效能評估 ................................................................................................. 60 5.1、實驗設計 ................................................................................................ 60 5.1.1、實驗環境 ..................................................................................... 60 5.1.2、評估指標 ..................................................................................... 61. 立. ‧ 國. 學. ‧. 5.2、救災效益函數 ........................................................................................ 61 5.3、實驗參數 ................................................................................................ 61 5.4、實驗結果 ................................................................................................ 62 5.4.1、實驗一 ......................................................................................... 62 5.4.2、實驗二 ......................................................................................... 66. er. io. sit. y. Nat. al. v. n. 5.4.3、實驗三 ......................................................................................... 70 5.5、實驗總結 ................................................................................................ 72 第六章、結論與未來展望方向.............................................................................. 77 參考文獻……………………………………………………………………………79. Ch. engchi. v. i Un.

(8) 圖目錄圖 1、獲救時間與存活率統計 ................................................................................. 3 圖 2、固網與行動通訊系統癱瘓 ............................................................................. 4 圖 3、行動通訊網路受損主要原因 ......................................................................... 6 圖 4、CCN 網路..................................................................................................... 13 圖 5、System Architecture of 3GPP Release 99 ...................................................... 14 圖 6、3GPP Release 5 架構 ................................................................................... 16 圖 7、3GPP Release 7 架構 ................................................................................... 17 圖 8、CCN 網路架構圖 ......................................................................................... 29 圖 9、CCN 使用時機 ............................................................................................. 30 圖 10、孤立台恢復連線方式................................................................................. 35 圖 11、CCN-BA 巢狀背包問題 ............................................................................. 47 圖 12、BAG 演算法流程 ....................................................................................... 49. 政治大圖 14、範例-CCN traffic relay 及頻寬限制 ........................................................... 51 立圖 15、範例-CCN 各鏈結之可用頻寬 ................................................................... 53 圖 13、範例-CCN 樹狀轉送拓樸 .......................................................................... 50. ‧ 國. 學. 圖 16、範例-時間點一之候選節點........................................................................ 54 圖 17、範例-時間點一頻寬分配後樹狀轉送拓樸剩餘頻寬 ................................. 55. ‧. 圖 18、範例-時間點二之候選節點........................................................................ 55 圖 19、範例-時間點二頻寬分配後樹狀轉送拓樸剩餘頻寬 ................................. 56 圖 20、範例-時間點三之候選節點........................................................................ 57 圖 21、範例-時間點三頻寬分配後樹狀轉送拓樸剩餘頻寬 ................................. 57 圖 22、範例-時間點四之候選節點........................................................................ 58. n. er. io. sit. y. Nat. al. v. 圖 23、範例-時間點四頻寬分配後樹狀轉送拓樸剩餘頻寬 ................................. 59 圖 24、範例-時間點五之候選節點........................................................................ 59 圖 25、實驗一基地台數量與效能之關係-平均誤差 ............................................. 65 圖 26、實驗一基地台數量與效能之關係-平均最佳解達成率 ............................. 65. Ch. engchi. i Un. 圖 27、實驗二基地台數量與效能之關係-平均誤差 ............................................. 69 圖 28、實驗二基地台數量與效能之關係-平均最佳解達成率 ............................. 69 圖 29、大規模系統下 BAG 演算法效能-準誤差(100 個基地台) ......................... 71 圖 30、大規模系統下 BAG 演算法效能-準最佳解達成率(100 個基地台) .......... 71 圖 31、基地台數量與效能之綜合評估-平均誤差................................................. 73 圖 32、基地台數量與效能之綜合評估-平均最佳解達成率 ................................. 74 圖 33、BAG 演算法效能比較(6 個基地台) .......................................................... 74 圖 34、BAG 演算法效能比較(7 個基地台) .......................................................... 75 圖 35、BAG 演算法效能比較(8 個基地台) .......................................................... 75 圖 36、BAG 演算法效能比較(9 個基地台) .......................................................... 76 圖 37、BAG 演算法效能比較(10 個基地台) ........................................................ 76 vi.

(9) 表目錄表 1、大型天然災害傷亡損失記錄 ......................................................................... 2 表 2、災區通訊需求分類 ...................................................................................... 10 表 3、應急通訊系統比較 ...................................................................................... 27 表 4、範例-CCN-BA 候選配置 ............................................................................. 50 表 5、範例-CCN-BA 候選配置集合表更新 .......................................................... 52 表 6、範例-[v5, 5k]救災效益遞減變化 .................................................................. 52 表 7、範例-CCN 可用頻寬 .................................................................................... 52 表 8、範例-CCN 初始救災效益 ............................................................................ 53 表 9、範例-CCN 每單位頻寬初始救災效益 ......................................................... 53 表 10、範例-基本 Channel 需求 ............................................................................ 54 表 11、範例-時間點一頻寬分配情形 .................................................................... 54. 政治大. 表 12、範例-時間點一頻寬分配後救災效益 ........................................................ 55 表 13、範例-時間點二頻寬分配情形 .................................................................... 56 表 14、範例-時間點二頻寬分配後救災效益 ........................................................ 56 表 15、範例-時間點三頻寬分配情形 .................................................................... 57 表 16、範例-時間點三頻寬分配後救災效益 ........................................................ 57. 立. ‧ 國. 學. ‧. 表 17、範例-時間點四頻寬分配情形 .................................................................... 58 表 18、範例-時間點四頻寬分配後救災效益 ........................................................ 58 表 19、範例-時間點五頻寬分配情形 .................................................................... 59 表 20、測試案例參數 ............................................................................................ 61 表 21、實驗一結果-演算法誤差(6 個基地台)....................................................... 62. er. io. sit. y. Nat. al. v. n. 表 22、實驗一結果-演算法誤差(7 個基地台)....................................................... 63 表 23、實驗一結果-演算法誤差(8 個基地台)....................................................... 63 表 24、實驗一結果-演算法誤差(9 個基地台)....................................................... 64 表 25、實驗一結果-演算法誤差(10 個基地台) ..................................................... 64 表 26、實驗二結果-演算法誤差(6 個基地台)....................................................... 66. Ch. engchi. i Un. 表 27、實驗二結果-演算法誤差(7 個基地台)....................................................... 67 表 28、實驗二結果-演算法誤差(8 個基地台)....................................................... 67 表 29、實驗二結果-演算法誤差(9 個基地台)....................................................... 68 表 30、實驗二結果-演算法誤差(10 個基地台) ..................................................... 68 表 31、大規模系統下 BAG 演算法準誤差(100 個基地台) .................................. 70 表 32、綜合效能評估-平均誤差 ........................................................................... 72 表 33、綜合效能評估-平均最佳解達成率 ............................................................ 72 表 34、綜合效能評估-最佳解個數........................................................................ 73. vii.

(10) 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[8,16,21]，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. 政治大. 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. 立. 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. ‧ 國. 學. 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。. y. Nat. sit. 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. n. al. er. io. 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. Ch. i Un. v. 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. engchi. 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。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 1.

(11) 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. 治政個暫時性的網路，稱為應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network，大立 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 ‧ 國. 學. 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。由於 CCN 的連. ‧. 外頻寬有限，大量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. sit. y. Nat. 地方受災情況不盡相同，因此必須根據各地災情緊急程度與需求，將寶貴的 CCN. io. er. 頻寬資源審慎地配置給各地災區。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，進行 CCN 頻寬分配以. n. al. 達到最大的救災效益。. Ch. engchi. i Un. v. 表 1、大型天然災害傷亡損失記錄事件. 日期. 規模. 傷亡人數統計. Chi-Chi, Taiwan Earthquake. 09/21/1999. 7.3 Richer Scale. Dead：2,415 Injured：11,306. Katrina Hurricane. 08/23/2005. Category 3. Dead：1,836 at least. SiChuan, China Earthquake. 05/12/2008. 7.9 Richer Scale. Dead：69,227 Injured：374,176. L'Aquila, Italy Earthquake. 04/06/2009. 6.3 Richer Scale. Dead：more than 150 Injured：1,500. 08/08/2009. > 2500 mm Rainfall within 2 days triggered. 88 Flood, Taiwan. by Typhoon Morakot 2. Dead：more than 475.

(12) Port-au-Prince, Haiti Earthquake. 01/13/2010. 7.0 Richter Scale. Dead：more than 230,000 Affected：3 millions. Chile Earthquake. 02/27/2010. 8.8 Richer Scale. Dead：more than 800. QingHai, China Earthquake. 04/14/2010. 7.1 Richer Scale. Dead：more than 1,706 Injured：12,135. Japan. 03/11/2011. 9.0 Richer Scale. Dead：16,079 Missing：3,499. 10/23/2011. 7.3 Richer Scale. Turkey Earthquake. Dead：more than 272 Injured：more than 1,300. 1.1、災區應急通訊系統需求分析. 政治大人員之求救、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. ‧ 國. 學. 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. ‧. [7,10,15,16]。. Nat. 建築物倒塌，人員受困，亟待救援. n. al. Ch. sit er. io. i Un. v. 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. engchi. 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」。. Survival(%). . y. 1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰. 100 0 0-24HR. 25-48HR. 49-72HR. 圖 1、獲救時間與存活率統計 3.

(13) 圖 1 為受困者之獲救時間與存活率關係之統計。災後 0~24 小時內獲救之存活率約 90%；25~48 小時內約 50%；49~72 小時內約 20%。超過 72 小時獲救而能倖存的機率就更低了。 . 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，. 政治大. 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. 立. 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，. ‧ 國. 學. 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。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2、固網與行動通訊系統癱瘓 . 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。 4.

(14) . 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. 治政題。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大立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 ‧ 國. 學. 的抗生素)。. 救災人員彼此溝通困難，不易協調. ‧. . sit. y. Nat. 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. io. er. 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，使效率極低。更有甚者，救災工作因溝通不良. al. n. iv n C 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 hengchi U. 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。. 5.

(15) 1.1.2、固網與行動通訊系統癱瘓原因行動電話使用無線電通訊，在一般人之普遍認知中，它抗災應付緊急情況的能力應該是相當高，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，無線的部分只存在於終端使用者(手機)到基地台那一段，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。. 立. 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[34]，. 學. ‧ 國. . 政治大. 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. 基地台連接基地台控制器(Base Station Controller)或行動交換機(Mobile. sit. y. Nat. . ‧. 務)。. io. n. al. er. Switching Center)的後端固定網路線路(Backhaul)損毀。. (a). Ch. engchi. i Un. v. (b). (c). 圖 3、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 2 所示。而行動通訊系統也常隨之中斷，如圖 3 所示，(a)是行動通訊系統的基本架構，基地台後端 6.

(16) 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。以莫拉克風災/八八水災為例，基地台多建在高處可避免被洪水淹沒，但道路柔腸寸斷，二十餘座大型橋樑遭洪水沖毀，而隨著道路及橋樑鋪設的通訊線路也隨之柔腸寸斷，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。. 治政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，大立無奈因地形阻隔，交通不便，效率極差，甚至同在一棟倒塌大樓之各團隊都無法 ‧. ‧ 國. 學. 面對面溝通。. 1.1.3、通訊設備修復困難. sit. y. Nat. io. er. 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. al. n. iv n C 座在兩天之後仍無法恢復運轉。換言之，在關鍵的黃金 h e n g c h i U 72 小時內，大量的行動. 電話將陷於癱瘓，無法及時修復。再觀察近年來各處天然災害的搶救效率，即使如美國、日本這種先進國家也無法在黃金 72 小時內修復大部分的電力及通訊系統。且不談卡翠納颱風摧毀新奧爾良讓美國的緊急救災機關 FEMA (Federal Emergency Management Agency)備受責難，就連 2011 年一個輕度熱帶氣旋橫掃美東就讓數百萬戶居民斷水斷電數星期之久。2011 年的日本地震更讓世人大吃一驚，因地震頻仍而對地震之準備號稱世界之最的日本，竟然不堪一擊。世人在面對大型天然災害時，其實仍然是脆弱不堪的，通訊設備因為受制於橋樑道路的脆弱，不但容易受損，也不容易快速修復。. 7.

(17) 1.1.4、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： I. 建置需求 (1) 系統元件必須取得容易：系統元件(例如長距離 Wi-Fi 設備)須可就地取材或運送容易。災區內的道路系統可能已經癱瘓，使得物資只能倚賴空中運輸，大型設備例如裝在車上可以機動移到任何地點快速架設的移動基地台，不便利用空中運輸送至災區，且數量有限，無法廣泛使用。. 治政 (2) 建置難度低：災區現場兵荒馬亂，難保有充足的專業人員來建置應急通大立訊網路。因此，建置的難度越低越好。要求系統元件取得容易和建置難 ‧ 國. 學. 度低的主要目的是希望可以提高建置應急通訊網的成功率。建置成功率. ‧. 越高，越能廣泛使用於災區。. sit. y. Nat. (3) 建置速度快：為把握救災的時效性，應急通訊網建置速度越快越好，隨. io. er. 著時間拉長，傷亡率會快速增加，而且行動通訊營運商也逐漸修復其通訊網路，應急通訊系統會隨著時間而逐漸被取代，若建置時間緩慢則無. n. al. 建置之必要。. Ch. engchi. i Un. v. II. 運轉需求 (1) 使用端設備數量多、成本低：客製化的無線電話機，因小量生產，其成本較大量生產的通用話機高昂，一個應急通訊系統若須有特定的話機才可使用，常因成本及分配之故，很難在短時間讓大量志願救災人員人手一機，這會讓應急通訊系統的服務能量大打折扣。手機已經是最普遍的隨身物品之一，如果可以不需改裝手機即能投入使用，所有斷訊的手機將可立即投入救災使用。 (2) 易於使用，不需特別訓練：在緊急狀態下無法從容的提供使用訓練，因. 8.

(18) 此最好是未經訓練就可使用。要求話機容易取得和易於使用的主要目的是為了降低使用應急通訊網的門檻，讓有需要的人員可以輕易使用。舉例而言，我們可以設計讓使用者撥一個特定號碼(例如 118)，即可將手機變成無線對講機，讓位於基地台涵蓋範圍內的手機同時收話。 (3) 具備允入控制機制，可抵擋瞬增的話務量：災區話務量常會有瞬增的特性。應急通訊網因為是臨時搭建，系統能容納的通話數遠不如一般的公眾網路，更容易因這些瞬增的話務量導致整個系統癱瘓。因此，應急通訊網需具備允入控制，當系統負載過高時，須能拒絕新的通話請求。 (4) 具救災緊急通話先行之功能：如表 2 災區通訊需求分類，不同的通話功. 治政能有著不同的急迫性。應急通訊網須有緊急通話先行的功能，急迫性高大立的通話可優先使用。如此，可以避免整個應急通訊網被急迫性較低的互 ‧ 國. 學. 道平安通話佔滿，使得急迫性較高的急難救助通話卻無法通話。. ‧. (5) 具行動能力：執行救災任務需要來回走動，應急通訊網須提供行動力，. er. io. sit. y. Nat. 讓救災人員可在行動中使用。. 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：. al. II.. 建置難易度：將此應急通訊系統建置起來的困難度. III.. 進入災區難易度：將應急通訊系統運送進入災區的難易度. IV.. 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. V.. 終端設備操作難易度：災區人員操作此通訊設備的難易度. VI.. 終端設備可移動性：災區人員攜帶通訊設備移動的能力. n. I.. iv n C 使用成本：廣泛使用此應急通訊系統的成本 hengchi U. VII. 通訊品質：利用此應急通訊系統的通訊品質 VIII. 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. 9.

(19) 1.1.5、災區通訊需求分類我們將災區通訊依通話功能大概分為四類，分別為急難救助、災情回報、救災相關和互道平安。詳細分類如表 2 所示。依急迫性由高而低排序，依序為急難救助、災情回報、救災相關和互道平安。「通話分類」欄位中的數字代表該通話類別的急迫性，數字越小急迫性越高。表 2、災區通訊需求分類通話. 分類. 功能. 1. 急難救助. 治政災區(外)民眾大. →. 緊急救難人員. 受困民眾對外求援之用. 緊急救難中心. 受困人員. ↔. 緊急救難中心. 災區居民. ↔. 緊急救難中心. 各地災情狀況之回報、傳達. 緊急救難人員. ↔. 緊急救難中心. ‧. 回報. 立. 受困人員. y. Nat. 救災資源分配、指揮調度、救災人. A. n. al. 3. 緊急醫療救護及協助. er. io. sit. 員追蹤以及二次災害之預警等. 緊急救難人員. 救災相關. 說明. 學. 2. 災情. 發/受話端. ‧ 國. 通話. ↔. 緊急救難中心. 緊急救難人員. C↔h. 緊急救難中心. →. n engchi U 受困民眾/災區居民. 災區(外)民眾. →. 緊急救難中心. 緊急救難人員. B. 醫療設備、器材、人員之調度. C. 緊急救難機具及設備調度. D. 二次災難預警廣播. E. 受災民眾協尋作業. iv. 救援物資之協調、調度、補 F. 4. 互道平安. 受困民眾/居民. ↔. 災區居民. 受困民眾/居民. ↔. 災區外民眾. 緊急救難人員. ↔. 緊急救難中心. 緊急救難人員. ↔. 緊急救難人員親屬. 10. 給、發放. G. 緊急救難人員調度、狀況回報. H. 後續就醫治療及照護. 脫困人員報平安、災區外人員詢問災區內民眾狀況.

(20) 1.1.6、應急通訊網頻寬資源使用需求交通部電信總局於「九二一震災災後重建電信問答手冊」提到：意外災害發生時災區電話常常無法撥通。除通訊系統受創等原因外，由於現今傳播媒體均能迅速將災難訊息快速揭示，通往災區表示關懷慰問之電話蜂擁而至，使得話務量異常暴增、壅塞，甚至導致電信交換機自動關閉(即當機)，民眾無法撥通電話。相同的，災區應急通訊系統啟用後，一樣將面臨頻寬資源有限以及瞬間大量話務湧入、壅塞的現象，再加上各地災情嚴重程度不同、緊急程度不同、使用者需求不同等因素，可能造成應急通訊系統運作不穩定、慰問關懷電話排擠救災. 治政訊息傳遞以及頻寬使用效益不彰等問題，故應急通訊系統頻寬資源之運用必須兼大立顧以下需求： ‧ 國. 學. I.. 系統穩定運作. ‧. 由於應急通訊系統是臨時搭建，系統能容納的通話數遠不如一般的公眾. sit. y. Nat. 網路，面對災區這些瞬增的話務量，可能導致整個系統癱瘓。因此，應急通. io. er. 訊系統需進行頻寬分配並據以實施允入控制，當系統負載過高時，需能拒絕新的通話請求，確保應急通訊系統穩定運作，不受瞬間大量話務影響。. n. al. II.. Ch 確保重要話務清晰傳遞. engchi. i Un. v. 應急通訊系統頻寬資源有限，在開放頻寬資源競爭的情況下，可能使重要訊息因競爭不到資源而無法傳遞，影響救災。因此，應急通訊系統需要提供急難救助、災情通報等重要話務傳遞通道，並保障資源可用性與通話品質，確保重要話務清晰傳遞。 III. 最大化頻寬資源使用效益災區緊急救災通報與一般民眾慰問關懷話務均佔用應急通訊系統相同之頻寬資源，於無形中降低了頻寬資源使用效益，藉由話務分級與差異化通訊品質，可在滿足不同話務需求的同時，有效提升可用通道量。有鑒於各地. 11.

(21) 區災情嚴重程度不同、緊急程度不同，將整體可用通道依救災需求調度，充份利用每一份資源，最大化整體頻寬資源使用效益。. 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)、移動式基地台等。而近年來有許多研究倡議使用 MANET (Mobile Ad Hoc Network) [4,6,25]建構應急通訊系統。這些系統或多或少存在一些缺陷，例如：行動衛星通訊是利用人造衛星作為中繼站轉發無線電信號，在使用者之間進. 治政行的通訊，可不受任何環境限制也不受天災之影響，但它的缺點很明顯在於價格大立太高因而普及率低，一般人不會持有此種設備。 ‧ 國. 學. 集群通訊系統具有充沛的調度功能(群組呼叫、優先分級、快速接續…等)，. sit. y. Nat. 因係專用設備，價格昂貴無法供應大量的終端設備。. ‧. 通常為軍、警及專業救難隊等專業單位所擁有，需要專業團隊臨時建構才可使用，. io. er. 移動式基地台為國內最常見的應急通訊系統，常被當成是現場緊急通訊的首選方式，但因造價昂貴而數量稀少。. al. n. iv n C Amateur radio 則是俗稱的業餘無線電，只要頻率相同，電波所及範圍內即使 hengchi U. 不知道對方身分也可通訊，具有很好的廣播功能，缺點為數量稀少。 MANET 則是具有多跳、自組織、自癒的寬頻無線網路，並不需要有線基礎設施支持，在 MANET 網路中所有節點可隨時加入或離開，只需任意與其中一個節點相連即可，建構快速但穩定度低，也不及行動電話之普及與方便。 Walkie-Talkie 則與上述所提幾種應急通訊系統不一樣，其優點眾多，包括體積小、重量輕、可供長時間使用、不需事先佈建…等，但也有著現實的問題，在很多國家除專業救難隊以外，幾乎沒有普遍擁有。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. 12.

(22) 進入災區，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 4，本論文即是在此基礎(CCN)上進行研究。. 政治大. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. C圖h 4、CCN 網路 U n i engchi. v. 1.3、論文架構本文共分成六章，第二章介紹現行的 3G 行動網路架構和目前常見的應急通訊系統。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頻寬分配方法，對於此應急通訊系統的連外頻寬資源分配問題，提出合適之模型與演算法。第五章則藉由實驗數據驗證我們的方法可行性。第六章則為結論與未來發展。. 13.

(23) 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. 政治大. 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). 立. 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、. ‧ 國. 學. 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[28]，如圖 5，其中，UTRAN 用於處理所有與. y. Nat. sit. 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. n. al. er. io. 內外網路間的交換與繞送。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 5、System Architecture of 3GPP Release 99. 14.

(24) 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. 治政線連結維護，意即 RNC 控制管轄範圍內所有大 Node B 的無線電資源，包括立無線電頻道的指配、回收與管理，作為 Service access point 提供服務給 Core ‧ 國. 學. 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. ‧. . sit. y. Nat. 電通道資源，通過 Iub 介面和 RNC 互連，主要處理與 UE (User Equipment). io. 還包括基頻信號和射頻信號的相互轉換等功能。. n. al. Ch. engchi 2.1.2、核心網路 (Core Network). er. 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，. i Un. v. 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、是否開機等)。行動業者所有客戶的 Service profile 都儲存於 HLR，直到. 15.

(25) 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。. . GGSN (Gateway GPRS Support Node)：提供 PS domain 連接到外界網路的交. ‧ 國. ‧. 換機。. 學. . 治政 SGSN (Serving GPRS Support Node)：負責數據封包的大 Mobility management、立路由轉發、會話管理、邏輯鏈結管理、加密和輸出等功能。. Nat. er. io. sit. y. 2.1.3、 3G 網路通訊協定. Before 3GPP release 5：在 3GPP Release 5 [28]之前的 3G 架構下，用戶手機. al. n. iv n C 本身會具備自己的 IP 位置，透過 RNC 後，RNC 會用自己的 IP hNode e n gB c連線到 hi U. 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。. 圖 6、3GPP Release 5 架構 16.

(26) 3GPP R5 to R7：新的 3GPP R5 到 R7 版本[28]，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。. 治政大圖 7、3GPP Release 7 架構立 ‧ 國. 學. 2.2、應急通訊系統種類. ‧. 我們以 1.1.4 所歸納的需求，檢視分析現有應急通訊系統的適用性。. y. Nat. er. io. sit. 2.2.1、專用高抗災通信平臺. al. iv n C hengchi U 府與電信業者共同出資 7,418 萬元，就偏鄉通訊設施進行改善，於高雄那瑪夏、 n. 高抗災通信平臺[35,36]為國家通訊傳播委員會於莫拉克風災後，協調地方政. 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 17.

(27)  . 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. 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) [15]。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。. 立. 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. ‧. y. sit. io. er. 限制. 學. . Nat. . 優點. ‧ 國. . 政治大. . 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. . 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. al. n. iv n C 從廠商借得 240/1052 支無線對講機，太少也太慢) hengchi U 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[8,12]，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. 18.

(28) 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 . 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. 學. ‧ 國. . 治政災中， 7 天之後第一座業餘無線電台才架設完成) 大立行動力低. 2.2.4、行動衛星通訊. ‧. y. Nat. 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. er. io. sit. 星版 —Motorola 的銥計劃 (Iridium) 、 IS-95 的衛星版 —Qualcomm 的全球通. al. (Globalstar)，主要提供語音以及低速率資料傳輸服務[30]。. n. iv n C 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 hengchi U. 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，雖然行動衛星通訊手持設備可以僅操作在衛星通訊模式，但因通話費用因素，一般皆為衛星/地面蜂巢式雙模手持設備，在地面蜂巢式行動通訊系統的服務範圍內，優先使用地面蜂巢式行動通訊系統，否則使用含蓋範圍廣的行動衛星通訊系統，. 19.

(29) 如銥計劃和全球通[14,30]。銥計劃 (Iridium)：銥計劃為包含 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，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。. 立. 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. y. sit er. al. n. 價格高昂. io. . ‧. 限制. 學. . Nat. . 優點. ‧ 國. . 政治大. . 普及率非常低. . 易受氣候影響. Ch. engchi. i Un. v. 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[31]。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，. 20.

(30) 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。. 治政 TETRA (Terrestrial Trunking Radio)：又稱 Trans-European Trunking Radio，大立為專業移動無線電(Professional Mobile Radio，PMR)和雙向收發器(Walkie-Talkie) ‧ 國. 學. 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. sit. y. Nat. 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. 優點. al. n. . io. . er. 一樣地方為 TETRA 只提供數位式中繼集群模式。. . 通訊網路架設快. . 涵蓋範圍廣. . 可靠性高. Ch. engchi. i Un. v. 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. 21.

(31) 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，導致接通手機數量有限，並且需要完好交通系統才能進入災區，在. 治政大型天然災害中所能負擔的通訊比例不大，並且因為交通可能斷絕，這些設備無大立法在第一時間送進災區，延誤救災效率，目前中華電信在台灣北部有 18 台、中 ‧ 國. 學. 部有 11 台、南部有 8 台移動式基地台，相較於數千座癱瘓的基地台，數量遠不. y. 佈建速度快. . 擁有行動電話之一般民眾皆可使用. 限制. n. al. Ch. engchi. er. sit. . io. . 優點. Nat. . ‧. 敷所需。. i Un. v. . 造價高昂數量不足，無法大量部署. . 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. 2.2.7、行動隨意式網路 (MANET) Ad hoc 網路是一種沒有有線基礎設施支持的移動網路，由具有無線區域網路能力的筆電或平板電腦構成，每個節點皆可移動，並由這些節點構成一個網路，在 Ad hoc 網路中，當兩個移動設備在彼此的連線覆蓋範圍內時，它們可以直接通訊，但是由於移動設備的通訊覆蓋範圍有限，如兩個相距較遠的設備要進行通. 22.

(32) 訊時，須藉由中間節點的轉發才能實現[6,25]。它有以下特點： . 無控制節點：所有節點皆可隨時加入或離開. . 容易組織：不需要固定網路設施支持，能在任何時間、地點快速建構. . 平衡性差：容易形成不平衡網路，對個別節點有很高的負擔我們投入災區應急通訊系統的研究，利用志願救災人員的筆記型電腦等建. 構成 MANET 網路平台，再利用 VoIP 技術實現應急通訊系統，稱為 P2Pnet [11,16,17,18]，可以在沒有連接 Internet、沒有伺服器的情況下支援緊急的通訊與資訊運用[15]。 P2Pnet 依照傳統網路分層的概念，在網路層與傳輸層之間加入一個名為「網. 治政路服務層」的中介層，以完成 P2Pnet 所需功能。在實體層與網路層中，P2Pnet 大立將會試圖利用所有可運用的資源，包含 WiMAX，Mesh network 與 VANET 等， ‧ 國. 學. 機會網路(Opportunistic network)的技術將會把各個獨立的 P2Pnet 整合成為一個. ‧. 互通的網路，在此情況下，網路節點之間可以將封包廣播到其鄰近的節點，在短. sit. y. Nat. 時間內建立可用的通訊管道，以提供災區作為初期的緊急通訊之用。. io. er. [5,11,13,16,17,18,23,24]. 這個系統可以提供部分的救災人員使用，但是仍有未足之處。一是可以支援. al. n. iv n C 的人數僅限於擁有筆記型電腦的人，遠不敷所需，而擁有行動電話手機的人數遠 hengchi U. 高於此，幾乎人人攜帶行動電話，二是 P2Pnet 系統仍須一定的專業知識才能安裝並操作本系統，三是筆電內建的 Wi-Fi 的通訊距離較短，雖經過 Multi-hop 轉接，能支援順暢通話的 VoIP 仍然不能及遠。 . 優點 . 可以使用災區內志願救災人員的筆電等設備就地取材來建構，節省大量經費.  . 不受交通系統癱瘓之影響，就地取材，立即建構，在第一時間投入救災. 限制. 23.

(33) . 使用者必須具備建置系統的技術知識，並非一般使用者可以使用. . 具通話品質的 VoIP 之有效距離極短，有待克服. . 尚在實驗階段，並無成熟產品，尚須繁複的設定方能使用. 2.2.8、過去應急通訊系統相關研究 . Autonomous. Networked. Robots. for. the. Establishment. of. Wireless. Communication in Uncertain Emergency Response Scenarios [25]：利用自主移動機器人，在災區和救難中心建構一個 Wireless ad hoc network 達到通訊目的，作者透過預測人群聚集的地方提出一個在每個機器人上運行的分散式演. 治政算法，使他們共同最大化災民可能出現的地點，目標是最大限度地連接到網大立絡上的災民。同時為了要有效的分配時間和資源，根據機器人的重疊範圍， ‧ 國. 學. 透過最小生成樹(Minimum spanning tree)制定一個改進演算法。實驗結果顯. ‧. 示第一種演算法適合機器人數量少的時候，第二種演算法適合機器人能提供. y. sit. Autonomous Community Construction Technology for Timely Transmitting. io. er. . Nat. 大頻寬的環境。. Emergency Information [27] ：本篇討論一個 Autonomous community. al. n. iv n C construction technology 應用在傳送有時效限制的緊急訊息。Wireless hengchi U. sensor. network 在災難應急網路中已有廣泛的應用，傳統的及時緊急訊息傳送是建立在靜態以及集中式管理的條件下，可是實際的及時緊急訊息傳送是在隨時會發生變動的災區。本論文討論的 Autonomous community construction technology 利用 Autonomous Decentralized System (ADS)，每個子系統能自動收集、判斷和運作，改善傳統方法的限制，來達成在動態災區的及時緊急訊息傳送。本論文的結果也經由 Omnet 模擬傳統方法與此論文提出的 Autonomous community construction technology，證實有助於災區的及時訊息傳送。 . An Integrated Communication-Computing Solution in Emergency Management 24.

(34) [3]：在本篇中，作者透過設計一個有效的模型整合各種網路以建立一個可靠且迅速的異質通訊網路(Heterogeneous meshed communication system)，支援不同情況下的緊急危機管理系統，為了驗證有效性，作者提出了一個整合網路應用層(Application layer)和網路層(Network layer)的實例，透過 Multiple Parallel Modules (ParMods)，各節點(Node)互相交換彼此的資訊(e.g. network latencies)，網路應用層(Application layer)即可在考慮到其他節點情況下，選擇最符合需要的網路。 . Computational Public Safety in Emergency Management Communications [22]：在本篇中，作者分析了各種無線網絡通訊選項在應急通訊背景下的可靠度。. 治政除了 Propagation delay、Packet delivery ratio 和大 Transmission rates 等傳輸品質立以外，還加上在有妨礙通訊的條件下進行實驗。作者的實驗環境為完全擬真 ‧ 國. 學. (使用實際的設備在現實的環境下)。實驗的對象有 Xbee、Bluetooth、WiMAX. ‧. 和 Wi-Fi。經過實驗，作者認為在考量到經濟效益之下，Wi-Fi 是目前應急管. y. sit. Ad Hoc Communications for Emergency Conditions [6]：作者提出了利用普及. io. er. . Nat. 理通訊在災害現場的最佳選擇，其傳輸速率和範圍都優於其他選項。. 率很高的具 Wi-Fi 能力的智慧型手機為節點，建構一個 Ad hoc 網路來進行. al. n. iv n C 通訊，其架構包含了可以自行適應網絡條件的廣播和路由協議。其做法為由 hengchi U. 一節點開始，向各間隔 120 度角的節點廣播，透過此廣播方式來組織拓樸，並由此拓樸節點知道路由傳輸路徑。經過作者實驗在節點密度高的時候傳輸延遲會有顯著的改善。 . Taiwan Earthquake Event Report, Risk Management Solutions [8]：本篇主要探討在 1999 年 9 月 21 號台灣中部發生的集集(chi-chi)大地震，作者利用詳細的數據及照片說明了此次地震的相關影響，包含了建築物的倒塌、基礎設施的損毀、交通的中斷、經濟影響以及大面積的地型變化和景觀改變等，並在每章節詳細的分析損毀原因，其中特別值得注意的是對於電力系統中斷的原. 25.

(35) 因分析及影響，作者指出台灣全島只有台電的單一電網，當關鍵電力輸送線路中斷(例如高壓電塔倒塌)，會造成南北電力供應失衡、電壓下降，影響台灣北部高科技工業的生產，進而影響到全球高科技產業的供應。集集(chi-chi) 大地震後，軍事用途、關鍵基礎設施、急難救援相關及大型工業優先復電，但台灣北部部分居民及小型企業，仍每日輪流停電 7 小時達三個星期之久。 . Improving Disaster Management [26]：作者認為通訊是災害發生時很重要的一環，但當通訊基礎建設損毀或電話網路超過負載時，必須制定一套有效的災害管理機制。但本篇研究學者的研究方向與傳統現場工作人員認為的救災工具存在很大的差異，研究學者認為資訊系統雖然可以處理大量的數據，評估. 治政災難現象以輔助救災，但目前的問題在於資訊的傳達而不是在技術上，學者大立們開發出一套利用日常個人通訊設備當作節點傳遞災情訊息的系統，此系統 ‧ 國. 學. 可以有效的在災害發生時迅速的將災情透過語音或文字廣播出去，減少其他. A Disaster Information System by Ballooned Wireless Ad Hoc Network [23] ：. sit. y. Nat. . ‧. 傳達方式的傳遞耽擱。. io. er. 本篇主要在探討當災難發生時，通訊網路及交通中斷，如何建構一個可靠、穩定的網路環境，研究團隊利用氫氣球(距地面 40m~80m)在空中建立一個即. al. n. iv n C 時的隨意式網路(Ad hoc network)以供訊息傳遞，連線拓樸為最小生成樹，並 hengchi U 透過一固定伺服器(WIDIS)與外部網路相連，與許多研究不同的是此系統 (Wide area Disaster information Network，WDN)已被實作出來，而不是一假設系統。. 2.2.9、應急通訊系統綜合比較表 3 以應急通訊系統八項評斷指標進行優劣分析，沒有任何一種應急通訊系統是完美無缺的，以簡單易行的 Walkie-Talkie 而言，在很多地區有極高的普及率(例如：美國)，但在台灣其普及率極低，就無法在災害發生時投入應用，畢竟. 26.

(36) 一般民眾不願為了機率極低的大型天災而隨時隨地攜帶手機以外的通訊設備。其他幾種通訊系統或多或少都有缺陷，無法支援大量志願救災人員及災民的通訊需求。而近年來的很多研究主要在利用隨意網路或者異質網路來建構一個 MANET 網路以支援應急通訊，這些研究也都面臨一些客觀環境上的問題，我們設計實驗過的 P2Pnet，當距離超過 25m 時，封包將會大量遺失，VoIP 的語音品質大受影響，這種系統所能發揮的功效還是非常有限，如果有一個系統能快速方便的讓民眾的手機恢復部分通訊功能，例如在基地台的範圍內網內互打，或當成無線對講機使用，將可以對救災工作提供更大的方便。再者，在資通傳資源極為有限的情況之下，我們應該盡可能利用所有可利用的資源投入救災工作。因此，設法讓斷. 治政訊手機恢復部分通訊功能成為一個值得研究的問題。我們所提出的 CCN 應急蜂大立巢式行動通訊網路可以更有效的支援大規模的災區內行動電話用戶。. 行動衛星通訊. 集群通訊系統. 移動式基地台. MANET CCN 應急通訊系統. ‧ 國. 終端設備操. 易度. 難易度. 普及率. 易. al. 極高高 (量少) 高 (量少) 低. 低. 需專業人士架構既存. 簡單. 簡單需專業安裝設定中. 通訊. 運轉難. 作難易度. 移動性. 品質. 易度. 需簡單學習. 高. 中. 無. iv n C h易 e n g c低h i U需專業執照. 低. 中. 無. 而定. 易難(需道路運送) 難(需道路運送) 就地取材重量輕可空運. 27. sit. 視地區. er. 不需建構. 終端設備. y. 終端設備. n 中. radio. ‧. 低. Talkie Amateur. 學. Walkie-. 建構難. Nat. 成本. 進入災區. io. 使用. 表 3、應急通訊系統比較. 低. 易. 高. 中. 無. 低. 需簡單學習. 高. 高. 中. 高. 易. 高. 高. 中. 中. 易. 中. 低. 中. 高. 易. 高. 高. 中.

(37) 第三章、. 應急蜂巢式行動通訊網路 (CCN). 人命關天。從圖 1 獲救時間與存活率統計可知，若能在災害發生初期，突破救災瓶頸，加速救災效率，讓更多處於生死邊緣的受困者，儘快的被救出，如此便可大幅提升存活率。通過我們歷年來對各種災害的研究，我們知道大部份中斷服務的行動電話. 政治大. 基地台都因電力中斷及連接後端的固網線路中斷而停止運轉，而基地台本身並未. 立. 受損。應急蜂巢式行動通訊系統之目的在研究利用最方便、最快的方法，例如長. ‧ 國. 學. 距離 Wi-Fi 連線，連通中斷的基地台建構災害應急通訊系統，讓災區內的行動電話使用者可以利用斷訊的手機作為救災的通訊聯絡之用。(註：一般的行動通訊. ‧. 基地台彼此之間並未相連). n. al. er. io. sit. y. Nat. 3.1、系統架構. Ch. i Un. v. 我們先前的研究[15,16,33]發覺大部分斷訊基地台之結構完整，但因停斷電. engchi. 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緊急修復包(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)簡稱 CCN，網路架構如圖 8 所示。. 28.

(38) 政治大. 圖 8、CCN 網路架構圖. 立. ‧ 國. 學. 首先將基地台依其對外連線能力，分成兩類：. 連網台：與後端核心網路連線正常，可持續提供服務之基地台稱為連網台。. . 孤立台：未受損，但失去電力供應或與後端核心網路連線中斷，無法提供. ‧. . sit. y. Nat. 服務之基地台稱為孤立台。. n. al. er. io. 此外，我們定義鄰台：兩基地台彼此相鄰，可用無線通訊方式連線互相交換資料. i Un. v. 時，這兩基地台互為彼此的鄰台。孤立台利用鄰台連結到連網台，由於連網台的. Ch. engchi. 功能沒有受損，即可透過連網台連線到後端核心網路，在 2G 系統為 BSC (Base Station Controller)及 MSC (Mobile Switching Center)，而在 3G 系統則為 RNC (Radio Network Controller)及 MSC、SGSN (Serving GPRS Support Node)等，基地台必須與他們建立連線才可交換信令(Signaling)與資料(Data)提供電信服務。 CCN 將利用各種無線連線方式[22]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。. 29.

(39) 3.2、系統使用時機如前所述，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 CCN 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，使用原有手機不需要訓練即可快速上手使用，但由於此系統是依附原有通訊設備，隨著時間的推移，電信公司將會逐步修復原有基地台，此系統的作用也會慢慢下降直到所有基地台修復完成，如圖 9 所示。. 政治大. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. engchi. er. io 3.3、可行性分析. Ch. sit. y. Nat. al. 圖 9、CCN 使用時機. i Un. v. 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： I.. 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。. II. 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。 III. 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。 IV. 額外設備(緊急修復包)重量極輕，可以用直升機空運或空投。 V. 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基 30.