考慮資源運輸路徑之應急蜂巢式行動通訊網路建置排程 - 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. 學. 考慮資源運輸路徑之. ‧. ‧ 國. 立. 政治大. 應急蜂巢式行動通訊網路建置排程 sit. y. Nat. er. io. Resource Delivery Path Dependent Deployment. n. a l Contingency Cellular v Scheduling for n i Network Ch. engchi U. 研究生：高采衣指導教授：連耀南. 中華民國一百零二年六月 June 2013.

(2) 考慮資源運輸路徑之應急蜂巢式行動通訊網路建置排程 Resource Delivery Path Dependent Deployment Scheduling for Contingency Cellular Network. 研究生：高采衣. Student：Tsai-I Kao. 指導教授：連耀南. Advisor：Yao-Nan Lien. 資訊科學系碩士論文. 學 ‧. ‧ 國. 立. 政治大國立政治大學. n. er. io. sit. y. Nat. A Thesis submitted to Department of Computer Science National a l Chengchi University iv n C in partial fulfillment U h e n gofcthe h i Requirements for the degree of Master in Computer Science. 中華民國一百零二年六月 June 2013.

(3) 考慮資源運輸路徑之應急蜂巢式行動通訊網路建置排程摘要當發生大規模的地震或強烈的颱風等重大天然災害時，通訊系統常常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的，然而有效運作的通訊系統卻是災情傳遞、資源調度及救災. 政治大. 是否順利的關鍵因素。本文所探討的應急通訊系統利用倖存的連通基地台和斷訊卻沒有. 立. 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. ‧ 國. 學. 訊網路(Contingency Cellular Network，CCN)。由於各地災情狀況不完全相同，CCN 的建構順序必須考慮災區的輕重緩急、時間的急迫等因素依序建構。因此當 CCN 拓樸規. ‧. Nat. sit. 間)進行基地台建構排程規劃，以達到最大的總救災效益。. y. 劃完成後，根據 CCN 拓樸、各地災情嚴重程度以及拓樸中基地台間的相對距離(運輸時. n. al. er. io. 本文考慮各基地台所能發揮的救災效益、所需建構時間、以及運輸工具從任一基地. i Un. v. 台到另一基地台所需運輸時間，提出兩個適合 CCN 拓樸樹狀結構的考慮資源運輸路徑. Ch. engchi. 之最佳化排程模型 CCNDS-AC 和 CCNDS-UC。CCNDS-AC 限制建構順序必須從連網台往下循序建構，但 CCN-UC 則否。因發生突發性大型天然災害時，可容許的計算時間相當短暫，因此提出了兩個快速的啟發式演算法 DS-ACG 與 DS-UCB，可在短時間內求出一組相當逼近於最佳解的建構排程順序，與 DS-UCB 相互比較。本文以電腦模擬的方式進行小規模實驗與大規模實驗評估，並且用 Genetic Algorithm 來比較啟發式演算法的效能。結果顯示 DS-UCB 明顯優於 DS-ACG 及 Genetic Algorithm。在小規模實驗中 DS-UCB 可求得與最佳解的總救災效益誤差平均約 0.9%的近似最佳解建構順序。而在大規模實驗下， DS-UCB 與十萬個解中的最佳解─pseudo optimal solution 相較，總救災效益平均高出約 16.7%，而總救災時間平均約少了 19.4%。 i.

(4) Resource Delivery Path Dependent Deployment Scheduling for Contingency Cellular Network Abstract When stricken by a large-scale disaster, the efficiency of disaster response operation is very critical to life saving. However, cellular networks were usually crashed in earthquake, typhoons or other natural disasters due to power outage or backhaul breakage. Unfortunately,. 政治大. the efficiency of communication system is a critical factor to the success of disaster response. 立. operation. We designed a contingency cellular network (CCN) by connecting physically intact. ‧ 國. 學. but service-disrupted base stations together with wireless links. Since the transportation capacity may be very limited, scheduling of CCN deployment order according to the demand. ‧. of disaster operation and traveling time between base stations becomes an important issue. We. y. Nat. sit. propose two optimization models: CCN Deployment Scheduling Antecessor Constrained. n. al. er. io. Problem (CCNDS-AC) and CCN Deployment Scheduling Unconstrained Problem. i Un. v. (CCNDS-UC), aiming to maximize the efficiency of disaster response operation. Both. Ch. engchi. problems are proven to be NP Hard. We also designed two rapid heuristic algorithms, DS-ASG and DS-UCB to solve the problems respectively when it is needed in urgent. Finally, we evaluated the proposed algorithms against optimal solutions (in small cases only) as well as genetic algorithm by simulation. The experimental results show that DS-UCB outperforms all other algorithms. In small scale cases, the profit obtained by DS-UCB is only 0.9% smaller than what the optimum solution can get. In large scale cases, as compared to the pseudo optimum solution, which is the best solution among 100,000 solutions, DS-UCB outperforms pseudo optimum solutions in profit by 16.7%, and in traveling time by 19.4%, both in average. ii.

(5) 誌謝辭研究所兩年，真是轉眼間就結束了，非常感謝連耀南教授在研究所期間的教導，老師用問答的方式引導我們研究問題，不僅使教學進行得有趣，也更加訓練我獨立思考的能力。老師亦是我們的生活導師，時常關心我們在課業及生活上的大小事，也讓我們在研究生活中能倍感溫馨。這兩年來的生活能夠如此精彩，要感謝一起努力的實驗室夥伴：幽默熱心的山高學. 政治大. 長，帶領我認識政大的筱慈學姊，帶給大家歡笑的冠傑學長與郁翔學長，互相加油打氣. 立. 的誠誠，有你們的陪伴讓我能快速融入研究生活；也感謝資科系夥伴們：一起充當觀光. ‧ 國. 學. 客的璇姊、教我認識攝影的詹詹、照顧我也適時督促我的雅玲、介紹我工讀的英明、常串門子的煜泓，以及標哥、柏硯、偉迪、宇軒、凱柔、筱璇、博為、欣儒，謝謝你們讓. ‧. 我的研究生活更多采多姿；感謝英文系玉屏助教、Betty 助教、莉華助教、Megan 助教、. Nat. sit. y. 賴惠玲老師，感謝可愛的你們給我工讀機會，讓我學到很多處事的細節與態度。感謝不. n. al. er. io. 顧路途遙遠到政大找我的高中好友優齁齁們，因為有你們讓我從不感到孤單。感謝許多. i Un. v. 給予我幫助、鼓勵我的人們，因為你們讓我研究更加順利。. Ch. engchi. 最後要感謝我的家人，有你們在背後不斷的鼓勵我、支持我，讓我即使遭遇挫折也能夠一一克服重新出發，謝謝你們。高采衣 2013. iii.

(6) 目錄摘要 ............................................................................................................................................. i Abstract....................................................................................................................................... ii 誌謝辭 .......................................................................................................................................iii 目錄 ........................................................................................................................................... iv 圖目錄 .....................................................................................................................................viii 表目錄 ....................................................................................................................................... xi 第 1 章、簡介 .......................................................................................................................... 1. 政治大 1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰 .............................................. 3 立. 1.1、災區應急通訊系統需求分析 ................................................................................. 3. ‧ 國. 學. 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、大型災害的救災時效 .................................................................................. 8. sit. y. Nat. 1.1.5、應急通訊網建置之挑戰與需求 .................................................................. 9. io. er. 1.1.6、應急通訊網效能指標 ................................................................................ 13. al. iv n C hengchi U 論文架構 ............................................................................................................... 15 n. 1.2、應急通訊網路簡介 ............................................................................................... 13 1.3、. 第 2 章、相關研究 ................................................................................................................ 16 2.1、第三代行動通訊架構 ........................................................................................... 16 2.1.1、通用行動通訊系統陸地無線接入網 (UTRAN) ...................................... 17 2.1.2、核心網路 (Core Network) ......................................................................... 17 2.1.3、 3G 網路通訊協定 ..................................................................................... 18 2.2、應急通訊系統種類 ............................................................................................... 19 2.2.1、專用高抗災通信平臺 ................................................................................ 20 2.2.2、無線對講機 (Walkie-Talkie) ..................................................................... 21. iv.

(7) 2.2.3、業餘無線電 (Amateur radio) .................................................................... 21 2.2.4、行動衛星通訊 (Satellite mobile phone).................................................... 22 2.2.5、專業用集群通訊系統 (Trunking radio).................................................... 23 2.2.6、移動基地台 (Cell on wheels) .................................................................... 24 2.2.7、行動隨意式網路 (MANET) ..................................................................... 25 2.2.8、過去應急通訊系統相關研究 .................................................................... 26 2.2.9、應急通訊系統綜合比較 ............................................................................ 29. 政治大 3.1、系統架構 ............................................................................................................... 33 立. 第 3 章、應急蜂巢式行動通訊網路 (CCN) ....................................................................... 31. ‧ 國. 學. 3.1.1、 CCN 連網方式 ........................................................................................... 34 3.1.2、系統元件 .................................................................................................... 35. ‧. 3.2、通訊模式 ............................................................................................................... 37. sit. y. Nat. 3.2.1、災區通訊型態分類 .................................................................................... 37. io. er. 3.2.2、 CCN 通訊模式 ........................................................................................... 38. al. iv n C hengchi U CCN 服務流程 ...................................................................................................... 44 n. 3.3、 CCN 功能架構(Functional Architecture) ............................................................. 41 3.4、. 3.5、建置與運轉流程 ................................................................................................... 47 3.6、重要研究議題與未來研究方向 ........................................................................... 47 3.7、排程問題之相關演算法 ....................................................................................... 51 3.7.1、概述 ............................................................................................................ 51 3.7.2、精確解法 (Exact Algorithm) ..................................................................... 52 3.7.3、後啟發式演算法 (Meta-heuristics)........................................................... 54 3.7.4、評論 ............................................................................................................ 59 第 4 章、考慮資源運輸路徑之 CCN 建置排程 .................................................................. 61 v.

(8) 4.1、設計理念與目標 ................................................................................................... 61 4.2、 CCN 的建構排程 .................................................................................................. 62 4.3、問題定義 ............................................................................................................... 65 4.3.1、救災效益定義 ............................................................................................ 65 4.3.2、問題描述 .................................................................................................... 66 4.4、最佳化問題模型 ................................................................................................... 66 4.4.1、 CCNDS-AC ................................................................................................ 66. 政治大. 4.4.2、 CCNDS-UC ................................................................................................ 67. 立. 4.5、複雜度分析 ........................................................................................................... 69. ‧ 國. 學. 4.5.1、 Single Machine Scheduling Problem (SMS) .............................................. 69 4.5.2、 CCNDS-AC ................................................................................................ 69. ‧. 4.5.3、 CCNDS-AC 計算複雜度 ........................................................................... 69. Nat. sit. y. 4.6、演算法設計 ........................................................................................................... 71. n. al. er. io. 4.6.1、 DS-ACG 演算法 ....................................................................................... 71. i Un. v. 4.6.2、 DS-UCB 演算法 ....................................................................................... 77. Ch. engchi. 4.6.3、 Genetic Algorithm ...................................................................................... 84 4.6.4、演算法時間複雜度分析(Time Complexity) ............................................. 89 第 5 章、效能評估 ................................................................................................................ 90 5.1、實驗目的 ............................................................................................................... 90 5.2、實驗設計 ............................................................................................................... 90 5.2.1、實驗環境 .................................................................................................... 90 5.2.2、救災效益函數模型 .................................................................................... 91 5.3、實驗一：小規模實驗 ........................................................................................... 93 5.3.1、實驗參數 .................................................................................................... 93 vi.

(9) 5.3.2、評估指標 .................................................................................................... 94 5.3.3、實驗結果 .................................................................................................... 94 5.4、實驗二：大規模實驗 ......................................................................................... 115 5.4.1、實驗參數 .................................................................................................. 115 5.4.2、評估指標 .................................................................................................. 115 5.4.3、實驗結果 .................................................................................................. 116 5.5、實驗總結 ............................................................................................................. 120. 政治大. 第 6 章、結論與未來展望方向 .......................................................................................... 123 參考文獻 ................................................................................................................................ 125. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. vii. i Un. v.

(10) 圖目錄圖 1.1、通訊線路於災害中受損 ............................................................................................. 4 圖 1.2、行動通訊網路受損主要原因 ..................................................................................... 7 圖 1.3、獲救時間與存活率之關係 ......................................................................................... 8 圖 1.4、CCN 網路 .................................................................................................................. 15 圖 2.1、System Architecture of 3GPP Release 99 .................................................................. 16 圖 2.2、3GPP Release 5 架構................................................................................................ 19 圖 2.3、3GPP Release 7 架構................................................................................................ 19 圖 2.4、應急通訊系統使用時機 ........................................................................................... 20 圖 3.1、CCN 網路架構 .......................................................................................................... 32 圖 3.2、連網台與孤立台 ....................................................................................................... 33 圖 3.3、CCN 基地台間之連線 .............................................................................................. 34 圖 3.4、孤立台藉 CCN 連線連上核心網路 ......................................................................... 35 圖 3.5、CCN 應急修復包(CRP) ............................................................................................ 35 圖 3.6、孤立台恢復連線方式 ............................................................................................... 37. 立. ‧. ‧ 國. 學. 3.7、CCN 功能架構 .......................................................................................................... 41 3.8、一般通話模式通話建立流程 ................................................................................... 44 3.9、無線電對講機模式通話建立流程 ........................................................................... 45 3.10、群組通訊模式通話建立流程 ................................................................................. 46 4.1、不同環境的存活率關係圖 ....................................................................................... 62 4.2、範例：CCN 建構排程相關資訊 .............................................................................. 63 4.3、範例：CCN 建構排程(排程一) ............................................................................... 64 4.4、範例：CCN 建構排程(排程二) ............................................................................... 65 4.5、範例：CCNDS-AC 模型可能造成之狀況 .............................................................. 68 4.6、DS-ACG 演算法流程圖 ........................................................................................... 72 4.7、演算法 DS-ACG 之 Pseudo Code ............................................................................ 73 4.8、DS-ACG 演算法範例 ............................................................................................... 74 4.9、DS-ACG 演算法步驟一 ........................................................................................... 74 4.10、DS-ACG 演算法步驟二 ......................................................................................... 75 4.11、DS-ACG 演算法步驟三 ......................................................................................... 75. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 政治大. Ch. engchi. i Un. v. 圖 4.12、DS-ACG 演算法步驟四 ......................................................................................... 76 圖 4.13、DS-ACG 演算法步驟五 ......................................................................................... 76 圖 4.14、DS-UCB 演算法流程圖 ......................................................................................... 78 viii.

(11) 圖 4.15、DS-UCB 之 Backtracking 機制流程圖 .................................................................. 78 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 4.16、DS-UCB 演算法 Pseudo Code ............................................................................... 79 4.17、DS-UCB 演算法範例 ............................................................................................. 80 4.18、DS-UCB 演算法步驟一 ......................................................................................... 80 4.19、DS-UCB 演算法步驟二 ......................................................................................... 81 4.20、DS-UCB 演算法步驟三 ......................................................................................... 81 4.21、DS-UCB 演算法步驟三(排程範例 1) .................................................................... 82 4.22、DS-UCB 演算法步驟三(排程範例 2) .................................................................... 82 4.23、DS-UCB 演算法步驟四(狀況一) ........................................................................... 83 4.24、DS-UCB 演算法步驟四(狀況二) ........................................................................... 83 4.25、Genetic Algorithm 演算法流程圖 .......................................................................... 84 4.26、演算法 Genetic Algorithm 之 Pseudo Code ........................................................... 85 4.27、Genetic Algorithm 演算法步驟一 .......................................................................... 86 4.28、Genetic Algorithm 演算法步驟二 .......................................................................... 86 4.29、Genetic Algorithm 演算法步驟三 .......................................................................... 87 4.30、Genetic Algorithm 演算法步驟四 .......................................................................... 87 4.31、Genetic Algorithm 演算法步驟五 .......................................................................... 88. 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 4.32、Genetic Algorithm 演算法步驟六 .......................................................................... 88 5.1、救災效益函數模型一 (Profit function 1) ................................................................ 92 5.2、救災效益函數模型二 (Profit function 2) ................................................................ 92 5.3、救災效益函數模型三 (Profit function 3) ................................................................ 93 5.4、實驗一：Total Profit (8 nodes) ................................................................................. 95 5.5、實驗一：Original Deviation of Profit (8nodes)........................................................ 96 5.6、實驗一：Normalize Deviation of Profit (8 nodes) ................................................... 96 5.7、實驗一：Total Time (8 nodes) .................................................................................. 97 5.8、實驗一：Original Deviation of Time (8 nodes) ....................................................... 98 5.9、實驗一：Normalize Deviation of Time (8 nodes) .................................................... 98 5.10、實驗一：Total Profit (9 nodes) ............................................................................... 99 5.11、實驗一：Original Deviation of Profit (9 nodes) ................................................... 100 5.12、實驗一：Normalize Deviation of Profit (9 nodes) ............................................... 100 5.13、實驗一：Total Time (9 nodes) .............................................................................. 101 5.14、實驗一：Original Deviation of Time (9 nodes) ................................................... 102. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 5.15、實驗一：Normalize Deviation of Time (9 nodes) ................................................ 102 圖 5.16、實驗一：Total Profit (10 nodes) ........................................................................... 103 圖 5.17、實驗一：Original Deviation of Profit (10 nodes)................................................. 104 ix.

(12) 圖 5.18、實驗一：Normalize Deviation of Profit (10 nodes) ............................................. 104 圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖圖. 5.19、實驗一：Total Time (10 nodes) ............................................................................ 105 5.20、實驗一：Original Deviation of Time (10 nodes) ................................................. 106 5.21、實驗一：Normalize Deviation of Time (10 nodes) .............................................. 106 5.22、實驗一：Total Profit (11 nodes) ........................................................................... 107 5.23、實驗一：Original Deviation of Profit (11 nodes) ................................................. 108 5.24、實驗一：Normalize Deviation of Profit (11 nodes) ............................................. 108 5.25、實驗一：Total Time (11 nodes) ............................................................................ 109 5.26、實驗一：Original Deviation of Time (11 nodes) .................................................. 110 5.27、實驗一：Normalize Deviation of Time (11 nodes) .............................................. 110 5.28、實驗一：Total Profit (12 nodes) ........................................................................... 111 5.29、實驗一：Original Deviation of Profit (12 nodes)................................................. 112 5.30、實驗一：Normalize Deviation of Profit (12 nodes) ............................................. 112 5.31、實驗一：Total Time (12 nodes) ............................................................................ 113 5.32、實驗一：Original Deviation of Time (12 nodes) ................................................. 114 5.33、實驗一：Normalize Deviation of Time (12 nodes) .............................................. 114 5.34、實驗二：Total Profit (50 nodes) ........................................................................... 117. 圖圖圖圖圖圖. 5.35、實驗二：Original Deviation (Error) of Profit (50 nodes)..................................... 117 5.36、實驗二：Normalize Deviation (Error) of Profit (50 nodes) ................................. 118 5.37、實驗二：Total Time (50 nodes) ............................................................................ 119 5.38、實驗二：Original Deviation of Time (50 nodes) ................................................. 119 5.39、實驗二：Normalize Deviation of Time (50 nodes) .............................................. 120 5.40、Average Processing Time ...................................................................................... 122. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. x. i Un. v.

(13) 表目錄表 1.1、近年大型天然災害傷亡損失記錄 ............................................................................. 2 表 1.2、應急通訊網建置需求 ................................................................................................. 9 表 2.1、應急通訊系統比較 ................................................................................................... 30 表 3.1、災區通訊需求分類 ................................................................................................... 38 表 4.1、各演算法時間複雜度 ............................................................................................... 89 表 5.1、電腦軟硬體規格 ....................................................................................................... 91 表 5.2、實驗一：小規模實驗參數設定 ............................................................................... 93 表 5.3、實驗一：總救災效益實驗結果與誤差比較 (8 個基地台) ................................... 95 表 5.4、實驗一：總救災時間實驗結果與誤差比較 (8 個基地台) ................................... 97 表 5.5、實驗一：總救災效益實驗結果與誤差比較 (9 個基地台) ................................... 99 表 5.6、實驗一：總救災時間實驗結果與誤差比較 (9 個基地台) ................................. 101 表 5.7、實驗一：總救災效益實驗結果與誤差比較 (10 個基地台) ............................... 103 表 5.8、實驗一：總救災時間實驗結果與誤差比較 (10 個基地台) ............................... 105 表 5.9、實驗一：總救災效益實驗結果與誤差比較 (11 個基地台) ................................ 107. 立. ‧. ‧ 國. 學. 5.10、實驗一：總救災時間實驗結果與誤差比較 (11 個基地台) .............................. 109 5.11、實驗一：總救災效益實驗結果與誤差比較 (12 個基地台).............................. 111 5.12、實驗一：總救災時間實驗結果與誤差比較 (12 個基地台) ............................. 113 5.13、實驗二：大規模實驗參數設定 ........................................................................... 115 5.14、實驗二：總救災效益實驗結果與誤差比較 (50 個基地台) ............................. 116 5.15、實驗二：總救災時間實驗結果與誤差比較 (50 個基地台) ............................. 118 5.16、各演算法平均執行時間(單位:秒) ....................................................................... 122. n. al. er. io. sit. y. Nat. 表表表表表表表. 政治大. Ch. engchi. xi. i Un. v.

(14) 第1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. 政治大. 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. 立. 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、. ‧ 國. 學. 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. sit. y. Nat. 用。. n. al. er. io. 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. i Un. v. 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. Ch. engchi. 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。. 1.

(15) 表 1.1、近年大型天然災害傷亡損失記錄 Country. Event. Date. Taiwan. 921 Chi-Chi Earthquake. 1999/09/21. 7.3 Richter Scale. USA. Katrina Hurricane. 2005/08/23. Category 5 SSHS. Dead ：1,836. China. Sichuan Earthquake. 2008/05/12. 8.0 Richter Scale. Dead：69,227 Injured：374,176. Italy. L'Aquila Earthquake. 2009/04/06. 6.3 Richter Scale. Dead ：297 Injured：1,500. Taiwan. 88 Flood. Scale. Damage Dead ：2,415 Injured：11,306. mm 政治 > 2500 大 within 2 2009/08/08 Rainfall. 立. days. Dead ：316,000 Injured：300,000. 2010/01/12. Chile. 2010 Chile Earthquake. 2010/02/27. China. Yushu Earthquake. 2010/04/14. 7.1 Richter Scale. NZ. 2011 Christchurch Earthquake. 2011/02/22. 6.3 Richter Scale. Dead ：185 Injured：2,000 Dead ：16,079 Missing：3,499. io. y. sit. Scale. n. er. Nat. Ch. 8.8 Richter. ‧. ‧ 國. Haiti Port-au-Prince Earthquake. 學. Haiti. al. 7.0 Richter Scale. Dead ：681 Injured：33. i Un. v. Dead ：800 Dead ：2,698 Injured：12,135. Japan. 2011 Tokyo Earthquake and Tsunami. 2011/03/11. 9.0 Richter Scale. Turkey. 2011 Van Earthquake. 2011/10/23. 7.3 Richter Scale. Dead ：644 Injured：4,412. USA. Hurricane Sandy. 2012/10/29. Category 3 SSHS. Dead：117. Iran. 2013 Sistan and Baluchestan earthquake. 2013/4/16. 7.8 Richter Scale. > $71 billion USD loss Dead ：35 Injured：117. 2013 Lushan Earthquake. 2013/4/20. 7.0 Richter Scale. Dead ：213 Injured：11,460. China. engchi. 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 2.

(16) 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以及斷訊卻沒有損毀的基地台建構一個暫時性的網. 政治大. 路，稱為應急蜂巢式行動通訊網路(Contingency Cellular Network，CCN)，此種應急通訊. 立. 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. ‧ 國. 學. 法對外進行正常連線的稱孤立台。本文旨在探討 CCN 網路的拓樸建置排程規劃以追求最大的救災效益。. ‧ sit. y. Nat. 1.1、災區應急通訊系統需求分析. n. al. er. io. 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、. i Un. v. 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. Ch. engchi. 訊系統尚有很大的改進空間。本節試從 921 地震與歷年來的大型天災中歸納出一些救災行動面臨的挑戰經驗，以供應急通訊系統設計之參考[8][9][16][23][24][28][30][37]。. 1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰 . 建築物倒塌，人員受困，亟待救援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」。. 3.

(17) . 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。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. Nat. sit. al. er. io. iv n C hengchi U 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，受惡劣災區的交通全面癱瘓，外援進入緩不濟急. n. . 圖 1.1、通訊線路於災害中受損. 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，關閉數天之久。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，此外，因無法運送大型機具進入災區，對大型緊急通訊設備，例如具有衛星連線的車載行動通訊基地台，造成進入的障礙。 . 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 4.

(18) 大量的在地志願人員投入救難救災，但不幸的是，投入救災的在地志願人員並無有效的通訊工具協助彼此通訊連絡。急需一個具有大量廉價通訊設備的緊急通訊系統之協助。 . 行政指揮系統失靈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，政府大樓倒塌，所有部長全部失聯，. 政治大. 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。 . 立. 物資不易協調分配，資源嚴重錯置. ‧ 國. 學. 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. Nat. sit. n. al. er. 救災人員彼此溝通困難，不易協調. io. . y. 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)。. i Un. v. 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. Ch. engchi. 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。. 5.

(19) 1.1.2、固網與行動通訊系統癱瘓原因行動電話藉由無線電互相通訊，在一般人之普遍認知中，它不受天災的影響，在災害來臨時可作為緊急通訊之用。但事實上卻非如此，商用行動通訊系統其實必須仰賴固定通訊網路，其基地台之後端大多利用固網幹線連上核心網路，無線的鏈結只存在於終端使用者(手機)與基地台之間，而從基地台到後端機房仍然是利用固網線路連接。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： . 立. 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[50]，而八八. ‧ 國. 學. . 政治大. 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. 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. y. Nat. sit. Center)的後端固定網路線路(Backhaul)損毀。. n. al. er. io. 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. i Un. v. 道路橋樑的損毀必將導致電力與通訊線路中斷，如圖 1.1 所示。而行動通訊系統也常隨. Ch. engchi. 之中斷，如圖 1.2 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)是八八水災中受損的一座橋，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。 6.

(20) 在沒有行動通訊系統的支援下，救難工作只能靠原始的面對面方式進行溝通，無奈因地形阻隔，交通不便，效率極差，甚至在一棟倒塌大樓兩側之團隊都無法面對面溝通，因而互相干擾救災行動。. 立. 政治大(A) 行動通訊網路架構. ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. io. n. al. er. (B) 固網隨橋斷而斷. Ch. engchi. i Un. v. (C) 行動通訊因後端連線. 中斷而癱瘓. 圖 1.2、行動通訊網路受損主要原因. 1.1.3、通訊設備修復困難在災害中，由於交通系統癱瘓，大型修復機具無法進入災區，進行第一時間的搶修，加上技術人力不足，所需資材調度不及等諸多因素，搶修實際毀損的基地台通訊設備，並使災區通訊全面恢復，向來是一項艱鉅的任務。以 921 地震為例，中華電信耗費 15 天， 7.

(21) 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。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達數星期之久。2011 年的日本地震更讓世人大吃一驚，因地震頻. 政治大. 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，. 立. 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. ‧ 國. 學. 易快速修復。. ‧. 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. y. Nat. er. io. sit. 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. n. al. Ch. i Un. v. 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. engchi. 剩 20%~30%；在超過 72 小時後獲救，存活率則剩下 5%~10%，受困人員能倖存的機率就極低了，如圖 1.3 所示。. 圖 1.3、獲救時間與存活率之關係 8.

(22) 1.1.5、應急通訊網建置之挑戰與需求由於時間與資源之限制，災區應急通訊網的建置面對了許多挑戰與特殊需求。在嚴格的時間限制和極端的環境條件之下，應急通訊系統的建置與一般的通訊系統完全不同。根據我們的親身經歷和觀察，在災區的應急通訊系統應該要能夠迅速被建立和提供緊急的通訊服務。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。. 政治大. 表 1.2、應急通訊網建置需求. 立. User friendly Sufficient amount of terminals. . Task original communication services.   . Adequate quality of service Long standing time of terminals Mobility.   . Low development cost Easy acquisition of equipment Construct rapidly and easily. Capacity.  . Sufficient number of concurrency users Resist the burst of call request. Sustainability.  . Reliability Fast recovery. Adaptability. . Self-adjustment. Operability. . OAM functions. y. sit. io. n. Ch. Practicability. er. ‧ 國. Nat. 7-ability. al. ‧. Usability. 學.  . Popularity. engchi. 9. i Un. v.

(23) 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。. 政治大. 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. 立. 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. ‧ 國. 學. 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。. ‧. . 任務導向的通訊服務(Task Oriented Communication Services)：包含了傳統電. Nat. sit. y. 話服務模式(POTS)，對講機模式(walkie-talkie)和群組通訊模式(Agency)的服務。. n. al. er. io. 因為災難應變工作者需要互相進行通訊，只提供普通的通訊服務是不夠的。在. i Un. v. 救災團隊之間需要進行通訊時，往往不知通話對方的身份及電話號碼，應急通. Ch. engchi. 訊系統應能提供對講機通訊模式以增加救災團隊之間的通訊效率。此外，在進行救災任務時，常需連絡特定任務群組而非對特定個人，例如某一傷患需要外科醫生治療時，救援人員未必知道特定醫生，此時如有個代表外科醫生的群組通訊代表號，就可讓救援人員直接撥打代表號，即可連絡上任一個外科醫生。 . 適當的通訊品質服務(Adequate Quality of Service)：救災工作常陷於兵荒馬亂，吵雜無比的環境中，良好的通訊品質可減少通訊連絡的失誤，降低救災任務忙中有錯的機會，以提升救災的效率。反之亦然。. . 長效的終端設備(Long Standing Time of Terminals)：災區中的電力供應常常中斷，縱使有應急的發電設備，也是小規模居多。而隨身攜帶充電器的使用者為 10.

(24) 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。多年來我們一直致力於應急通訊網路的研究，我們發現在沒有備用電池的情況之下，筆記型電腦的待機時間只有大約 2 至 3 個小時。即使能夠找到電源進行充電，在使用 2 至 3 個小時之後，必須再進行充電。因此，如果能使用長時間的終端設備，提供至少 10-12 小時的使用時間，每天只須充電一次即可應付一整天的救災需求。 . 移動性(Mobility)：災區中的使用者，一則多在戶外，二則常需移動，因此終端. 政治大. 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. 立. 於有線網路。由於移動性對大多數的通訊系統來說是不可或缺的，因此，所使. ‧ 國. 學. 用的終端設備需要為可攜帶性的設備。 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。. Nat. sit. y. 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. . al. n. 而無法運入災區）。. er. io. 發及建置成本，建構速度快，設備容易取得（重型設備可能因道路中斷或地形阻隔. Ch. engchi. i Un. v. 低開發成本(Low Development Cost)：比起正常的通訊系統應急通訊網路不從事營利，而使用應急通訊系統的機會也是備而罕用，導致市場狹小。通訊設備廠商缺乏誘因投資於應急通訊網路的研究發展。因此系統開發成本必須嚴格控制，而盡量使用災區倖存的通訊設備正是降低開發成本的一個重要手段。. . 易於獲取網路設備(Easy Acquisition of Equipment)：由於災區之交通可能癱瘓，地形可能複雜，使外部援助難以運送進入災區。直升機或空投成為最終運輸工具。因此，設備的大小和重量應盡量縮小。相較於完全由災區外部運入的應急通訊系統，我們設計的應急蜂巢式通訊網路，利用既有的網路設備所建構，其優越性是顯而易見的。 11.

(25) . 建構速度快速(Easy and Rapid Construction)：受困者的存活率取決於搶救時間。受困者越早獲救，存活率越高。存活率在 24 小時內是 90％，在 25 至 48 小時之間降至 50％， 49 至 72 小時只剩 20％，超過 72 小時後，存活率不到 5％。為了挽救更多的生命，應急通訊系統應盡快建構。此外，專業技術人力可能不足，應急通訊系統可能需要由非專業人員協助建造，因此應急通訊系統之建構，應盡量減低對專業技術人力的需求。. 4. 負載能力(Capacity)：災區內的通訊需求量與實際承載能力可能存有極大差異，必須. 政治大. 有適當的允入控制機制。以汶川地震為例，災區內部通話量為平時的 10 倍；外界至. 立. 災區為平時的 5 至 6 倍；北京至災區則為平時的 80 倍，由此可知災區的通話量遠較. ‧ 國. 學. 平常高上數倍。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. ‧. 通訊網路應具有適當的拒絕服務請求的能力，以免爆量的通訊要求造成網路擁塞。. Nat. sit. y. 5. 持續性(Sustainability)：既有的通訊網路之搶修通常需時數天至數星期之久，以 921. n. al. er. io. 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. i Un. v. 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： . Ch. engchi. 可靠性 (Reliability)：在資源許可之下，盡可能提高系統的可靠性，避免頻繁的中斷。. . 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。調適方式可為手動或自動，視開發資源而定。 7. 維運性(Operability):運轉、營運、管理和維護功能稱為 OAM 功能。 . OAM Functions：當應急通訊網路因為不明原因損壞時，OAM 必須協助儘快找 12.

(26) 出原因、排除故障，恢復運轉。OAM 的功能主要是指以下幾個方面：系統維護、數據管理、警告處理、測試管理、話務統計、環境與電源監控、操作權限管理、軟體更新管理。. 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： I.. 使用成本：廣泛使用此應急通訊系統的成本. II.. 建置難易度：將此應急通訊系統建置起來的困難度. III.. 設備取得難易度：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. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. VII. 通訊品質：利用此應急通訊系統的通訊品質. y. Nat. n. a. er. io. sit. 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. 1.2、應急通訊網路簡介 l. Ch. engchi. i Un. v. 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。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太高因而普及率低，一般人不會持有此種設備。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)，通常為. 13.

(27) 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，因係專用設備，價格昂貴無法供應大量的終端設備。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。 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不知道對方身分也可通訊，具有很好的廣播功能，但其數量稀少，且通常是固定式，無法任意移動，而使用者須經由專業訓練才得以使用。. 政治大. 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. 立. 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，. ‧ 國. 學. 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. Nat. sit. y. 業救難隊以外，幾乎沒有普遍擁有。. n. al. er. io. 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. i Un. v. 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. Ch. engchi. 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 1.4，本論文即是在此基礎(CCN)上進行研究。. 14.

(28) 立. 政治大. ‧ 國. ‧. 1.3、論文架構. 學. 圖 1.4、CCN 網路. sit. y. Nat. 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. io. er. 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。第四章介紹本論文. al. iv n C hengchi U 適之模型與演算法。第五章則藉由實驗數據驗證本論文提出之方法可行性。第六章則為 n. 提出的考慮資源運輸路徑之排程方法，並針對此應急通訊系統的建構排程問題，提出合. 結論與未來發展。. 15.

(29) 第2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)。代表特徵是提供高速數. 政治大. 據服務。相對於第一代(1G)類比式行動電話系統與第二代(2G)只具有通話和一些諸如時. 立. 間、日期等固定格式數據的手機通訊技術規格之 GSM、CDMA 等數位調變式手機，3G. ‧ 國. 學. 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[42]，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. y. Nat. n. er. io. al. sit. 有語音呼叫和資料傳輸與內外網路間的交換與繞送。. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2.1、System Architecture of 3GPP Release 99. 16.

(30) 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. 政治大. 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. 立. 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，. ‧ 國. 學. 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. Nat. sit. y. 資源，通過 Iub 介面和 RNC 互連，主要處理與 UE (User Equipment)間 Uu 介面實. n. al. er. io. 體層協議。功能有展頻、調變、通道訊號編碼及通道訊號解碼，還包括基頻信號和射頻信號的相互轉換等功能[29]。. Ch. 2.1.2、核心網路 (Core Network). engchi. 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. 17.

(31) 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。. . 政治大. SGSN (Serving GPRS Support Node)：負責數據封包的 Mobility management、路由. 立. 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。. ‧ 國. 學. . ‧. 2.1.3、3G 網路通訊協定. Before 3GPP release 5：在 3GPP Release 5 [42]之前的 3G 架構下，用戶手機本身會具備. y. Nat. er. io. sit. 自己的 IP 位置，透過 Node B 連線到 RNC 後，RNC 會用自己的 IP 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. n. al. Ch. i Un. v. 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 2.2。. engchi. 3GPP R5 to R7：新的 3GPP R5 到 R7 版本[42]，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 2.3，在 HSPA+的版本，又將 RNC 的部分功能移到 Node B 上面。. 18.

(32) 政治大. 圖 2.2、3GPP Release 5 架構. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i Un. v. 圖 2.3、3GPP Release 7 架構. 2.2、應急通訊系統種類 . 應急通訊系統使用時機. 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，隨著時間的推移，電信公司將會逐步修復原有的行動通訊系統，而應急通訊系統的作用 19.

(33) 也會慢慢下降直到所有基地台修復完成，如圖 2.4 所示。. 政治大. 圖 2.4、應急通訊系統使用時機. 立. 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。. ‧ 國. 學. 2.2.1、專用高抗災通信平臺. ‧. 專用高抗災通信平臺[51][52]為國家通訊傳播委員會於莫拉克風災後，協調地方政府與. sit. y. Nat. 電信業者共同出資，就偏鄉通訊設施進行改善，於高雄那瑪夏、茂林、桃源、六龜、杉. io. er. 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. al. iv n C hengchi U 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 n. 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. 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。. . 結合行動通信系統與消防救災體系。. 缺點： . 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。 20.

(34) 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) [23]。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。. . 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。. 立. 缺點： . 政治大. 學. . 優點：. ‧ 國. . 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 天從廠. ‧. 商借得 240/1052 支無線對講機，太少也太慢。. Nat. io. 自行學習使用，尤其是普及率低的地方。. al. n. . 沒有優先分級能力。. Ch. engchi. sit. y. 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明書，. er. . i Un. v. 2.2.3、業餘無線電 (Amateur radio). 業餘無線電[9][19]，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。. 21.

(35) . 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，例如：在八八水災中，7 天之後第一座業餘無線電台才架設完成。. . 行動力低。. 政治大. 2.2.4、行動衛星通訊 (Satellite mobile phone). 立. 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 的衛星. ‧ 國. 學. 版—Motorola 的銥計劃(Iridium)、IS-95 的衛星版—Qualcomm 的全球通(Globalstar)，主. ‧. 要提供語音以及低速率資料傳輸服務[44]。. 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. y. Nat. er. io. sit. 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. n. al. Ch. i Un. v. 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. engchi. 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，如銥計劃和全球通[27][44]。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. 22.

(36) 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。. . 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。. 立. . 普及率非常低。. . 易受氣候影響。. ‧. 價格高昂。. io. sit. y. Nat. . 2.2.5、專業用集群通訊系統 (Trunking radio). n. al. Ch. er. 限制：. 政治大. 學. . 優點：. ‧ 國. . i Un. v. 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. engchi. 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[46]。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，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. 23.

(37) (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。 TETRA (Terrestrial Trunking Radio)：又稱 Trans-European Trunking Radio，為專業移動無線電(Professional Mobile Radio，PMR)和雙向收發器(Walkie-Talkie)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，也提供給鐵路運輸列車服務. 政治大. 和捷運系統無線電通訊服務等大眾交通系統。與 P25 不一樣地方為 TETRA 只提供數位. 立. 式中繼集群模式。. ‧ 國. 通訊網路架設快。. . 涵蓋範圍廣。. . 可靠性高。. y. sit. n. al. er. io. 限制：. ‧. . Nat. . 優點：. 學. . i Un. v. . 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。. Ch. engchi. 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，. 24.

(38) 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，數量遠不敷所需。. 政治大. . 佈建速度快。. . 擁有行動電話之一般民眾皆可使用。. 立. 限制：. 學. . 優點：. ‧ 國. . 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。. ‧. . y. Nat. er. io. sit. 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. n. al. Ch. i Un. v. 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，. engchi. 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訊時，須藉由中間節點的轉發才能實現[11][38]。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。在我們的先前研究中，提出一個 P2Pnet，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 [18][24][25][26]，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[23]。. 25.

(39) 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 將會試圖利用所有可運用的資源，包含 WiMAX，Mesh network 與 VANET 等，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。[3][18][21][24][25][26][35][36] 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。一是可以支援的人數. 政治大. 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高於此，幾乎. 立. 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. Nat. 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。. sit. er. al. n. 限制：. y. . io. . 優點：. ‧. . ‧ 國. 仍然不能及遠。. 學. 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. Ch. engchi. i Un. v. . 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 [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，並藉由最小生成. 26.