應急蜂巢式行動通訊網路之群組通訊設計 - 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群組通訊設計. n. al. er. io. sit. y. Nat. Agency Communication Design for Contingency Cellular Network. Ch. engchi. i n U. v. 研究生：張惠晴指導教授：連耀南. 中華民國一百零一年十二月 December 2012.

(2) 應急蜂巢式行動通訊網路之群組通訊設計 Agency Communication Design for Contingency Cellular Network. 研究生：張惠晴. Student：Hui-Ching Chang. 指導教授：連耀南. Advisor：Yao-Nan Lien. 治. 立. 政國立政治大學資訊科學系. 大. ‧. ‧ 國. 學. 碩士論文. y. sit. Nat. A Thesis. submitted to Department of Computer Science. er. io. National Chengchi University a. n. v i l n in partial fulfillment of the Requirements Ch engchi U for the degree of Master in Computer Science. 中華民國一百零一年十二月 December 2012 i.

(3) 應急蜂巢式行動通訊網路之群組通訊設計摘要在大型天然災害發生之後的黃金救援時期，災民存活率和救災效益之提昇極度仰賴於一個順暢的通訊系統。由歷年來大型災變的經驗中我們可知，行動通訊系統其實是不可靠且極為脆弱的，基地台之電力供應中斷或連接後端固定網路線路（Backhaul）之損毀都將使得通訊系統癱瘓而影響救災工作效率。本研究提出一種新的應急通訊系統，利用原有行動通訊系統中未損毀但失去連. 政治大. 網能力的基地台，藉由臨時供應的電力恢復其運轉，並以無線通訊設備與鄰近基地. 立. 台互連建構一個臨時應急性的網路，稱為應急蜂巢式行動通訊網路（Contingency. ‧ 國. 學. Cellular Network，CCN），供災區內手機用戶進行通訊。由於災區內部通訊的對象通常是一個特定的群組角色，而非一個特定人員，而災民與救災人員也不知彼此所. ‧. 在位置及聯絡的方式，因此無法以平常的撥號方式發起呼叫。本研究以CCN網路架. Nat. sit. n. al. er. io. 叫並建立通話。. y. 構為基礎，設計並實作群組通訊模式，讓災區內人員以簡碼方式向任一群組發起呼. i n U. v. 為驗證CCN群組通訊設計之可行性及效能，我們以IEEE802.11 Wi-Fi無線網路環. Ch. engchi. 境建置模擬系統，並以Android平台手機搭配VoIP軟體模擬手機與系統連線以進行通話。最後設計了一連串的實驗評估本模擬系統之效能。從實驗結果可知，本系統可於短時間內即時回應使用者註冊需求及完成通話連線處理；當通話數在30通以下時，Mouth-to-Ear Delay (MED) 值可維持在400ms以下，語音品質控制在一般VoIP 使用者可容許的範圍之內。本實驗可作為未來改進系統功能和建置架構之參考依據。. ii.

(4) Agency Communication Design 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 failure of communication systems caused a big coordination problem to many disaster response operations.. 政治大 This thesis proposes a Contingency Cellular Network (CCN) by connecting isolated 立 base stations to survival base stations using long-range wireless links to restore part of. ‧ 國. 學. many lives.. ‧. cellular network functionality. People can use their own cell phones for emergency communication in the disaster areas. CCN will be able to support many disaster response workers in the early hours of catastrophic natural disasters, thus to save. y. Nat. sit. n. al. er. io. Since the receiver of a phone call in a disaster area is usually a resource (agent), not a particular person, we designed a special Agency communication mode for CCN allowing CCN users to initiate a phone call to a nearby resource by dialing a designated agency number, instead of a real phone number. To verify our design, we implemented an emulated CCN system using an IEEE 802.11 Wireless LAN to mimic the CCN network and Android small phones with VoIP software to mimic user terminals.. Ch. engchi. i n U. v. Finally, we conducted a series of experiments to evaluate the performance of the emulated system. The experimental results show that the emulated system can respond promptly to the user registration and call set-up requests. Mouth-to-Ear Delay (MED) can be effectively controlled below 400 ms when there is no more than 30 calls originated. This system may be used as reference for the future development of contingency communication networks.. iii.

(5) 誌謝辭本論文能順利完成，首先要感謝的是恩師連耀南教授之悉心指導，老師平日不辭辛勞認真教學的態度及對於研究工作的熱忱，深深感動著我，在老師身上我學習到「大膽的假設，小心的求證」的科學精神，研究過程中要不斷地收集各方資料，運用分析、推理與歸納等科學方法，先描述及探究問題的本身，再透過多次實驗以找尋最佳解法。在論文寫作方面，更要秉持著實事求是的精神，以嚴謹的態度撰寫，「有幾分證據，說幾分話」，才能完成具有高品質的論文。感謝連老師，我必將這些所學牢記於心並實際應用在工作領域及待人處事上，以提昇個人對於社會的價值。. 立. 政治大. 這幾年重回學校學習使我獲益良多，除了加強對於資訊科學領域的專業知識. ‧ 國. 學. 和技能，也充實了我的生活，這個特別的經驗，將成為我人生中重大的資產，支持我向前邁進的動力。感謝政大資科系所有的授課老師教導和專班同學們所給予. ‧. 的支持與關心，感謝蔡志宏教授、陳耀宗教授、胡誌麟教授及蔡瑞煌教授在口試. io. sit. y. Nat. 時給予我的指導與建議，讓本篇論文能夠更加完整。. n. al. er. 另外，要特別感謝學校實驗室所有學長及學弟妹給予我研究上的建議及事務. i n U. v. 上的協助，公司同事與家人們在我研究過程中無條件的幫忙與鼓勵，此份情誼，將永銘於心。. Ch. engchi. 最後，僅以此論文獻給我敬愛的家人、師長和朋友。. 張惠晴謹誌於政治大學資訊科學研究所 December 2012 iv.

(6) 目錄第一章、研究背景與系統簡介 ............................................................................... 1 1.1、研究背景........................................................................................................ 3 1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰........................................ 4 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 1.1.5、應急通訊網路建置需求........................................................................ 9 1.1.6、應急通訊網路效能指標...................................................................... 13 1.2、應急通訊網路簡介...................................................................................... 14 1.3、 CCN 群組通訊簡介 .................................................................................... 15 1.4、論文架構...................................................................................................... 16. 政治大. 第二章、相關研究.................................................................................................. 17 2.1、第三代行動通訊架構.................................................................................. 17 2.1.1、通用行動通訊系統陸地無線接入網.................................................. 18 2.1.2、核心網路.............................................................................................. 18 2.1.3、 3G 網路通訊協定 ............................................................................... 19 2.2、應急通訊系統種類與比較.......................................................................... 20. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 2.2.1、專用高抗災通信平臺.......................................................................... 20 2.2.2、無線對講機（Walkie-Talkie） ........................................................... 21 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 wheel） ........................................................... 25 2.2.7、行動隨意式網路（MANET） ........................................................... 25 2.2.8、應急通訊系統綜合比較...................................................................... 27 2.3、過去應急通訊系統相關研究...................................................................... 28. Ch. engchi. i n U. v. 2.4、救災體系與任務.......................................................................................... 30 2.4.1、國內救災體系...................................................................................... 31 2.4.2、國際搜救組織...................................................................................... 32 2.4.3、救災任務分組...................................................................................... 33 第三章、應急蜂巢式行動通訊網路（CCN） ..................................................... 35 3.1、網路架構...................................................................................................... 36 3.1.1、 CCN 連網方式 .................................................................................... 37 3.1.2、網路元件.............................................................................................. 38 3.2、使用時機...................................................................................................... 41 3.3、 CCN 可行性分析 ........................................................................................ 41 v.

(7) 3.4、通訊模式...................................................................................................... 43 3.4.1、災區通訊型態分類.............................................................................. 43 3.4.2、 CCN 通訊模式 .................................................................................... 44 3.5、 CCN 功能架構 ............................................................................................ 47 3.6、 CCN 服務流程 ............................................................................................ 49 3.7、建置與運轉流程.......................................................................................... 52 3.8、重要研究議題.............................................................................................. 53 第四章、 CCN 群組通訊系統設計 ........................................................................ 58 4.1、群組資料庫.................................................................................................. 59 4.1.1、群組通訊實體關係.............................................................................. 59 4.1.2、群組代表號設計原則.......................................................................... 60 4.1.3、群組資料庫儲存架構.......................................................................... 64 4.2. 通訊服務設計.............................................................................................. 69 4.2.1、 Agent 註冊程序 ................................................................................... 69 4.2.2、群組通訊對象搜尋程序...................................................................... 70. 立. 政治大. ‧ 國. ‧. 4.3.3、. 學. 4.2.3、群組呼叫及應答流程.......................................................................... 71 4.3、系統功能規劃.............................................................................................. 72 4.3.1、群組資料管理...................................................................................... 73 4.3.2、群組成員位置管理.............................................................................. 73 群組通訊服務管理.............................................................................. 74. n. al. er. io. sit. y. Nat. 第五章、 CCN 群組通訊系統模擬 ........................................................................ 75 5.1、系統模擬環境.............................................................................................. 75 5.2、系統控制訊息及音訊處理程序.................................................................. 77 5.3、系統狀態及轉換流程.................................................................................. 81 5.4、群組通訊服務流程...................................................................................... 84 5.4.1、通話建立流程...................................................................................... 86 5.4.2、通話終止流程...................................................................................... 90. Ch. engchi. i n U. v. 第六章、系統效能分析 ......................................................................................... 94 6.1、實驗設備...................................................................................................... 94 6.2、效能量測及分析.......................................................................................... 95 6.2.1、系統註冊效能...................................................................................... 96 6.2.2、通話管理效能...................................................................................... 98 6.2.3、語音傳輸品質.................................................................................... 104 第七章、結論與未來研究方向 ........................................................................... 108 參考文獻 …………………………………………………………………………110. vi.

(8) 圖目錄圖 1-1、通訊線路與設備於災害中受損 ..................................................................... 4 圖 1-2、行動通訊網路受損主要原因 ......................................................................... 6 圖 1-3、獲救時間與存活率之關係 ............................................................................. 8 圖 1-4、通訊系統與存活率之關係 ............................................................................. 9 圖 1-5、CCN 網路 ...................................................................................................... 15 圖 1-6、群組通訊系統佈建示意圖 ........................................................................... 16 圖 2-1、SYSTEM ARCHITECTURE OF 3GPP RELEASE 99 ................................ 17 圖 2-2、3GPP RELEASE 5 架構 .............................................................................. 19 圖 2-3、3GPP RELEASE 7 架構 .............................................................................. 20 圖 2-4、中央災害應變中心應變分組 ....................................................................... 31 圖 2-5、都市搜救隊(US&R TASK FORCE)組織架構 ............................................. 33 圖 3-1、CCN 網路架構 .............................................................................................. 36 圖 3-2、連網台 ........................................................................................................... 37. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖 3-3、孤立台 ........................................................................................................... 37 圖 3-4、CCN 基地台間之連線 .................................................................................. 38 圖 3-5、孤立台藉 CCN 連線連上核心網路 ............................................................. 38 圖 3-6、CCN 緊急修復包(CRP) ................................................................................ 39. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 3-7、孤立台恢復連線方式 ................................................................................... 40 圖 3-8、應急通訊系統使用時機 ............................................................................... 41 圖 3-9、CCN 功能架構 .............................................................................................. 47 圖 3-10、一般通話模式通話建立流程 ..................................................................... 50 圖 3-11、無線電通訊模式通話建立流程 ................................................................. 51 圖 3-12、群組通訊模式通話建立流程 ..................................................................... 52 圖 4-1、群組通訊示意圖 ........................................................................................... 59 圖 4-2、群組通訊系統實體關係模型 ....................................................................... 60 圖 4-3、群組資料儲存-集中式架構 .......................................................................... 64. Ch. engchi. i n U. v. 圖 4-4、群組資料查詢流程-集中式架構 .................................................................. 65 圖 4-5、群組資料儲存-分散式架構 .......................................................................... 66 圖 4-6、群組資料查詢流程-分散式架構 .................................................................. 67 圖 4-7、群組資料儲存-備援式架構 .......................................................................... 68 圖 4-8、群組資料查詢流程-備援式架構 .................................................................. 69 圖 4-9、群組呼叫及應答流程圖 ............................................................................... 71 圖 4-10、CCN EC MODULE 第二層功能元件 ........................................................ 72 圖 5-1、系統模擬環境示意圖 ................................................................................... 76 圖 5-2、群組通訊使用者介面 ................................................................................... 77 圖 5-3、群組通訊訊息傳遞流程 ............................................................................... 79 vii.

(9) 圖 5-4、控制訊息及語音資料傳遞流向圖 ............................................................... 80 圖 5-5、系統狀態圖（ORIGINATING SIDE） ....................................................... 82 圖 5-6、系統狀態圖（TERMINATING SIDE） ...................................................... 84 圖 5-7、群組通訊系統資料流程圖 ........................................................................... 85 圖 5-8、通話建立循序圖 ........................................................................................... 87 圖 5-9、群組資料對映及通訊對象搜尋流程圖 ....................................................... 88 圖 5-10、群組呼叫及通話應答流程圖 ..................................................................... 89 圖 5-11、PSEUDO CODE（CALL SET-UP） ......................................................... 90 圖 5-12、通話終止循序圖 ......................................................................................... 91 圖 5-13、通話結束流程圖 ......................................................................................... 92 圖 5-14、PSEUDO CODE（CALL RELEASE） ..................................................... 93 圖 6-1、實驗環境 ....................................................................................................... 95 圖 6-2、WIRESHARK 封包擷取畫面 ...................................................................... 96 圖 6-3、10 位使用者註冊耗費時間 .......................................................................... 98 圖 6-4、100 位使用者註冊耗費時間 ........................................................................ 98. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖 6-5、系統群組呼叫處理時間（10~100 通話請求） ........................................ 101 圖 6-6、不同數目通話建立時間（10~100 通電話） ............................................ 103 圖 6-7、不同數目通話終止耗費時間（10~100 通電話） .................................... 104 圖 6-8、系統語音傳輸圖 ......................................................................................... 106 圖 6-9、語音傳輸品質實驗結果 ............................................................................. 107. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. viii. i n U. v.

(10) 表目錄表 1-1、大型天然災害傷亡損失記錄 ......................................................................... 1 表 1-2、應急通訊網建置需求 ..................................................................................... 9 表 2-1、應急通訊系統比較 ....................................................................................... 27 表 2-2、救災任務分組表 ........................................................................................... 33 表 3-1、災區通訊需求分類 ....................................................................................... 43 表 4-1、長期電信編碼格式（E.164）規劃表 .......................................................... 61 表 4-2、１字頭中長期編碼內容 ............................................................................... 61 表 4-3、群組代表號碼長分配 ................................................................................... 62 表 4-4、群組代表號碼（四碼翻譯）及通訊用途 ................................................... 62 表 4-5、細部群組代表號碼（五碼翻譯） ............................................................... 63 表 5-1、CCN 系統元件與模擬設備對映表 .............................................................. 76 表 5-2、系統開發工具及軟硬體需求 ....................................................................... 77 表 5-3、REQUEST MESSAGE 項目......................................................................... 78. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 表 5-4、RESPONSE MESSAGE 項目....................................................................... 78 表 5-5、ERROR MESSAGE 項目 ............................................................................. 79 表 5-6、系統狀態轉變表（ORIGINATING SIDE） ............................................... 83 表 5-7、系統狀態轉變表（TERMINATING SIDE） .............................................. 84. n. al. er. io. sit. y. Nat. 表 5-8、系統功能對照表 ........................................................................................... 85 表 6-1、實驗設備 ....................................................................................................... 95 表 6-2、實驗 1 參數設定 ........................................................................................... 97 表 6-3、實驗 2-1（A）參數設定 .............................................................................. 99 表 6-4、系統群組呼叫效能實驗結果（10~100 通話請求） ................................ 100 表 6-5、實驗 2-1（B）參數設定 ............................................................................ 102 表 6-6、完成通話建立程序耗費時間 ..................................................................... 102 表 6-7、實驗 2-2 參數設定 ...................................................................................... 103 表 6-8、完成通話終止程序耗費時間 ..................................................................... 104. Ch. engchi. i n U. v. 表 6-9、ACS 語音擷取與編解碼處理參數 ............................................................ 105 表 6-10、實驗 3 參數設定 ....................................................................................... 105 表 6-11、不同通話數語音傳輸品質測量數據 ....................................................... 107. ix.

(11) 第一章、研究背景與系統簡介近年來，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[7,19,26]，以 2011 年 3 月 11 日發生的日本東北地震為例，在經歷芮氏 9.0 規模地震之後，緊接著 23 公尺高的海嘯和令全世界恐慌的核災，所造成的三種複合式重大災. 政治大. 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. 立. 及西太平洋颱風路徑上，四面環海、地形差異大，頻繁的地震、颱風、土石流和. ‧ 國. 學. 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. ‧. Nat. io. al. n. Chi-Chi, Taiwan Earthquake. 日期. 09/21/1999. Ch. 規模. 傷亡人數統計. 7.3 Richer Scale. eCategory n g c h3 i. er. 事件. sit. 表 1-1、大型天然災害傷亡損失記錄. y. 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。. i n U. Dead：2,415 Injured：11,306. v. Dead：1,836 at least. Katrina Hurricane. 08/23/2005. 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. 88 Flood, Taiwan. 08/08/2009. > 2500 mm Rainfall within 2 days triggered by Typhoon Morakot. Dead：more than 475. Port-au-Prince, Haiti Earthquake. 01/13/2010. 7.0 Richter Scale. Dead：more than 230,000 Affected：3 millions. Chile Earthquake. 02/27/2010. 8.8 Richer Scale. Dead：more than 800. QingHai, China. 04/14/2010. 7.1 Richer Scale. Dead：more than 1,706. 1.

(12) 事件. 日期. 規模. 傷亡人數統計. Earthquake. Injured：12,135. Christchurch, New Zealand Earthquake. Dead：145 02/22/2011. 6.3 Richer Scale. Japan. 03/11/2011. 9.0 Richer Scale. Dead：16,079 Missing：3,499. Turkey Earthquake. 10/23/2011. 7.3 Richer Scale. Dead：more than 272 Injured：more than 1,300. U.S Hurricane Sandy. 10/29/2012. Category 1-2. Sistan and Baluchestan, Iran Earthquake. 4/16/2013. Lushan, China Earthquake. 4/20/2013. 立. more than 100 injured and missing. Dead：124 50 billion U.S dollars loss. 7.8 Richter Scale. Dead：35 Injured：117. 7.0 Richter Scale. Dead：213 Injured：11,460. 政治大. ‧ 國. 學. 目前無線通訊已完全融入一般大眾的生活與工作之中，無線通訊系統的成. ‧. 熟，為使用者帶來極大的便利性，但當大規模的地震或強烈颱風等重大天然災害. sit. y. Nat. 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. io. er. 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. al. n. v i n C h線路成為行動通訊網路的弱點。由歷年大型災之癱瘓，電力與基地台 Backhaul engchi U 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[23,38]。有效運作的通訊系統是災情傳遞、資源調度以及互助協調是否順利的關鍵因素，災民的存活率會隨著時間的推移快速下降，這也是所謂的救援黃金 72 小時，受困的災民在此段時間內會有較高的存活率。除去災難發生當下的求援，災 2.

(13) 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。本篇論文所探討的應急通訊系統是利用原有行動通訊系統中倖存的連通基地台和斷訊卻沒有損毀的基地台建構一個暫時性的網路，稱為應急蜂巢式行動通訊網路（Contingency Cellular Network，CCN），此種應急通訊系統的主體為兩. 政治大行正常連線的稱孤立台。CCN 網路建構完成後，孤立台與連網台之間藉由無線立. 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. 電彼此互連，而孤立台即可藉由輾轉的互連透過連網台與後端核心網路互連。. ‧ 國. 學. 在 CCN 網路架構下與後端行動核心網連接的通道，須應付大量的災情通報. ‧. 與慰問關懷的電話，在連外頻寬有限的情況下無法滿足所有群組間頻繁的通訊需. y. Nat. 求。而在 CCN 頻寬分配之下，各基地台所能分配到的實際連外頻道數遠低於其. er. io. sit. 裝備所能支援的頻道數量，因此，將有大量的剩餘閒置頻道，造成頻寬資源的浪費。本篇論文主要在探討當群組間有通訊需求時，如何利用 CCN 內部頻寬資源，. al. n. v i n 透過群組呼叫方式找到通訊對象以建立起雙方通話連線。 Ch engchi U 1.1、研究背景. 在災害發生時普遍大眾最需要的服務之一是「通訊」（包括災情傳遞、受困人員之求救、救災人員聯繫協調…等），但在大型天然災害下通訊系統卻非常脆弱，現有很多應急通訊系統尚有很大的改進空間。本節試從 921 地震與歷年來的大型天災中歸納出一些救災行動面臨的挑戰經驗，以供應急通訊系統設計之參考[6,13,15,25,18,19,23,30]。. 3.

(14) 1.1.1、大型天然災害發生時救災行動面臨的挑戰 . 建築物倒塌，人員受困，亟待救援看似高大且堅固的建築物在地震襲擊時應聲倒下，有許多民眾因來不及逃生而被困在瓦礫堆下，等待救援。而受困於災難現場的人員，必須在 72 小時內搶救出來，否則生還機會極為微弱。因此災難發生之初，最重要之救難工作乃在集中所有救難資源搶救受困人員，這段時間稱為「黃金 72 小時」。. . 通訊網路幾乎全面癱瘓. 政治大因塞滿大量的關懷電話，無法供救災使用。立. 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. 災區的交通全面癱瘓，外援進入緩不濟急. 學. ‧ 國. . 道路橋樑柔腸寸斷，甚至被大量志願救災車輛塞爆道路。在莫拉克颱風後，. ‧. 受惡劣天候影響，直昇機亦難以接近災區。而 2010 年海地地震中，太子港. y. Nat. 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. er. io. sit. 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。. n. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 1-1、通訊線路與設備於災害中受損 . 專業救災人員嚴重不足 4.

(15) 有組織有訓練的專業救災人員之數量遠遠不足，尤其是災變初期交通系統癱瘓，災區外及國際的專業救難團隊需克服交通阻隔方能進入災區，因此災變初期必須動員大量的在地志願人員投入救難救災。 . 行政系統癱瘓各級行政系統可能癱瘓，導致既有通聯組織亦隨之癱瘓，例如八八水災中，小林村長就不幸罹難，2004 年七二水災中，台中縣和平鄉松鶴派出所為土石流淹沒，完全與外界失聯達數天之久。2010 年海地地震中，政府大樓癱塌，所有部長全部失聯，僅有一個光桿的海地總統獨撐大局，所有行政系統. 政治大物資不易協調分配，資源嚴重錯置立形同癱瘓。. . 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. ‧ 國. 學. 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. y. sit. io. 救災人員彼此溝通困難，不易協調. al. v i n 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 Ch engchi U n. . er. 的抗生素）。. Nat. 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. 大量的在地志願人員投入救難救災。而這些志願人員幾乎沒有通訊聯絡工具可協助彼此之間的協調連絡，致使救災效率極低。更有甚者，救災工作因溝通不良而彼此干擾，例如當一個救難團隊在使用高靈敏麥克風探測倒塌建物是否有倖存者時，建物他側卻在乒乒乓乓的進行挖掘工作，而呼嘯而過的救護車聲音也是驚天動地的。由於通訊聯絡不良，資訊缺乏，資訊無法交流等諸多因素，導致救難工作缺乏效率與救難資源之嚴重錯置，因而喪失了很多可以救人一命的機會，許多生靈因資訊溝通不良而喪失即時獲救之機會，令人扼腕。. 5.

(16) 1.1.2、固網與行動通訊系統癱瘓原因行動電話藉由無線電互相通訊，在一般人之普遍認知中，它不受天災的影響，在災害來臨時可作為緊急通訊之用。但事實上卻非如此，商用行動通訊系統其實必須仰賴固定通訊網路，其基地台之後端多利用固網幹線連上核心網路，無線的鏈結只存在於終端使用者（手機）與基地台之間，而從基地台到後端機房仍然是利用固網線路連接。從莫拉克風災（八八水災）及 921 集集大地震的經驗中，我們歸納出影響行動電話可用度的主要因素如下： . 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. 學. ‧ 國. . 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. [48]，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. 基地台連接基地台控制器（Base Station Controller）或行動交換機（Mobile. sit. y. Nat. . ‧. 斷服務）。. io. n. al. er. Switching Center）的後端固定網路線路（Backhaul）損毀。. (a). Ch. engchi. i n U. v. （b）圖 1-2、行動通訊網路受損主要原因. （c）. （a）行動通訊網路架構（b）固網隨橋斷而斷（c）行動通訊因後端連線中斷而癱瘓. 大部分的電力線路與固網線路為了架設與維修方便，經常是沿著道路橋樑鋪設。而道路橋樑的損毀必將導致電力與通訊線路中斷，如圖 1-1 所示。而行動通訊系統也常隨之中斷，如圖 1-2 所示，（a）是行動通訊系統的基本架構，基地台 6.

(17) （b）是 921 地震中受損後端必須有固網連線（Backhaul）連到控制器或交換機，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. 政治大機房仍是無濟於事，無法大幅提升系統可用度。立. 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. 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. ‧ 國. 學. 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. Nat. er. io. sit. y. 1.1.3、通訊設備修復困難. ‧. 無法面對面溝通，因而互相干擾救災行動。. 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. al. n. v i n 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 Ch engchi U. 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。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. 7.

(18) 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。. 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，. 政治大活率可高達 90%；在災後 25~36 小時間獲救，存活率銳減為 50%~60%；在災後立. 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. 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. ‧ 國. 學. 下 5%~10%，受困人員能倖存的機率就極低了，如圖 1-3 所示。圖 1-4 顯示在救. ‧. 援時期內有通訊系統支持下的輕重傷者存活率要比無通訊系統的高出很多，由此. n. al. er. io. sit. y. Nat. 可見通訊系統對於救災工作的重要。. Ch. engchi. i n U. v. 圖 1-3、獲救時間與存活率之關係. 8.

(19) 圖 1-4、通訊系統與存活率之關係. 政治大. 1.1.5、應急通訊網路建置需求. 立. 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. ‧. ‧ 國. 學. 求：. 表 1-2、應急通訊網建置需求. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 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 9.

(20) 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。 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. 政治大的。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。立特殊訓練才能使用，群集無線電系統和業餘無線電系統的普遍性是有限. 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。. ‧ 國. 學. (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. y. Nat. 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. er. io. sit. 良好的通訊品質。此外，使用應急通訊系統的終端設備應該要具有長時間的待機時間。. al. n. v i n 任務導向的通訊服務（Task Oriented Communication Services）： Ch engchi U. . 包含了普通訊模式（POTS），對講機模式（walkie-talkie）和群組通訊模式（Agent-base）的服務。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. 10.

(21) 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數不多，因而在災區中為終端設備充電. 政治大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立極為不易，終端設備待機時間的長短變成為一項重要需求。多年來. 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. ‧ 國. 學. 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. io. y. sit. 移動性（Mobility）：災區中的使用者，一則多在戶外，二則常需. er. . Nat. 時間，每天只須充電一次即可應付一整天的救災需求。. 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. al. n. v i n 通訊系統使用無線網路將優於有線網路。由於移動性對大多數的通 Ch engchi U 訊系統來說是不可或缺的，因此，所使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。首先要考慮的是建置與操作應急通訊網路的可行性。以下有幾項要求需要加以討論，例如低開發成本，易於存取網路設備，建構速度快速。 . 低開發成本（Low Development Cost）：比起正常的通訊系統應急. 11.

(22) 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. 政治大. 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。 . 立. 建構速度快速（Construct Rapidly and Easily）：受困者的存活率. ‧ 國. 學. 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. y. Nat. 20％，超過 72 小時後，存活率不到 5％。為了挽救更多的生命，. er. io. sit. 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. n. al. i n 構，應盡量減低對專業技術人力的需求。 Ch engchi U. v. (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，必須有適當的控制機制，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。. 12.

(23) (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 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： . 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。. 政治大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，避立. (6) 可調性（Adaptability）：災區中受災情況往往變化莫測，應急通訊系. 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. ‧ 國. 學. 發資源而定。. OAM Functions：運轉、營運、管理和維護功能稱為 OAM 功能。. y. Nat. . ‧. (7) 維運性（Operability）:. 因、排除故障，恢復運轉。. n. al. C. hengchi 1.1.6、應急通訊網路效能指標. er. io. sit. 當應急通訊網路因為各種原因損壞時，OAM 必須協助儘快找出原. i n U. v. 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. 13.

(24) 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. 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）[4,8,31] 建構應急通訊系統。這些系統或多或少存在一些缺陷，例如：. 政治大行的通訊，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立. 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. 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），. y. Nat. 用，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. er. io. sit. 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. v i n 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 Ch engchi 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. 14.

(25) 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. 政治大. 戶可立即投入救災使用，如圖 1-5，本論文即以 CCN 網路架構為基礎進行研究。. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. C圖h1-5、CCN 網路 U n i engchi. v. 1.3、 CCN 群組通訊簡介災害發生初期救災聯絡管道仍未建立之前，災民不知該向何處求援，救災人員也因不知彼此所在位置及聯絡的方式，以致於無法立即與支援的群組取得聯繫。本文以 CCN 網路架構為基礎，設計災區內群組通訊模式，目的在使災民及救災群組之間能透過通訊系統進行聯繫，以期提升救災效益。在 CCN 連外頻寬資源有限的情況下，往往無法滿足所有群組間頻繁的通訊需求，而在頻寬分配之下，各基地台所能分配到的實際頻道數遠低於其所能支援. 15.

(26) 的頻道數量，因此將有大量剩餘的閒置頻道資源，本研究所提出的通訊模式善加利用基地台閒置頻寬資源，規劃設計群組通訊系統（Agency Communication System，ACS）並與 CCN 核心通訊元件結合，提供群組呼叫與通話接續之功能，使災區內的使用者能透過系統與特定群組成員進行通話。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 1-6、群組通訊系統佈建示意圖. 1.4、論文架構本文共分成七章，第二章簡介救災組織與任務及目前常見之應急通訊系統。第三章介紹應急蜂巢式行動通訊網路（CCN）架構與功能。第四章描述以 CCN 架構為基礎所設計之群組通訊模式。第五章以模擬系統來驗證群組通訊設計之可行性。第六章則設計一系列實驗以測量系統之效能。第七章為本篇論文之結論與未來發展方向。. 16.

(27) 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）。. 政治大. 代表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. 立. 二代（2G）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. ‧ 國. 學. 規格之 GSM、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[36]，如圖 2-1，其中，UTRAN. y. Nat. n. al. Ch. engchi. er. io. 叫和資料傳輸與內外網路間的交換與繞送。. sit. 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. i n U. v. 圖 2-1、System Architecture of 3GPP Release 99. 17.

(28) 2.1.1、通用行動通訊系統陸地無線接入網 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. 政治大無線連結維護，意即 RNC 控制管轄範圍內所有 Node B 的無線電資源，包立. 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. 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. ‧ 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. ‧. . y. Nat. 線電通道資源，通過 Iub 介面和 RNC 互連，主要處理與 UE（ User. er. io. sit. 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，還包括基頻信號和射頻信號的相互轉換等功能[24]。. n. al. 2.1.2、核心網路. Ch. engchi. i n U. 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：[24] . 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，. 18.

(29) 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. 政治大 Support Node ）：負責數據封包的. Mobile Network）的交換機。 . SGSN （ Serving GPRS. 立. Mobility. management、路由轉發、會話管理、邏輯鏈結管理、加密和輸出等功能。. ‧ 國. 學. . GGSN（Gateway GPRS Support Node）：提供 PS domain 連接到外界網路的. ‧. 交換機。. Nat. er. io. sit. y. 2.1.3、 3G 網路通訊協定. Before 3GPP release 5：在 3GPP Release 5 [35]之前的 3G 架構下，用戶手機. al. n. v i n 本身會具備自己的 IP 位置，透過 RNC 後，RNC 會用自己的 IP C hNode B 連線到 U engchi 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 2-2。. 圖 2-2、3GPP Release 5 架構 19.

(30) 3GPP R5 to R7：新的 3GPP R5 到 R7 版本[35]，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。. 政治大圖 2-3、3GPP Release 7 架構立. ‧ 國. 學. 2.2、應急通訊系統種類與比較. ‧. 我們以所歸納之需求，檢視分析現有應急通訊系統的適用性。. Nat. er. io. sit. y. 2.2.1、專用高抗災通信平臺. 高抗災通信平臺[47,49]為國家通訊傳播委員會於莫拉克風災後，協調地方政. al. n. v i n 府與電信業者共同出資，就偏鄉通訊設施進行改善，於高雄那瑪夏、茂林、桃源、 Ch engchi U 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. . 結合行動通信系統與消防救災體系. 20.

(31) . 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） [18]。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。. 政治大不需佈建通訊網路即可使用立. 優點 . . 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. io. y. sit. 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. er. . ‧. 限制. 學. 體積小、重量輕，可隨身攜帶. Nat. . . ‧ 國. . 天從廠商借得 240/1052 支無線對講機，太少也太慢）. al. n. v i n 需要簡單學習才能使用 C（緊急時無經驗之使用者必須在短時間內讀懂說 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[7,10]，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. 21.

(32) 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. 政治大. 災中， 7 天之後第一座業餘無線電台才架設完成） . 行動力低. 立. ‧ 國. 學. 2.2.4、行動衛星通訊（Satellite Mobile Phone）. ‧. 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. y. Nat. 星版—Motorola 的銥計劃（Iridium）、IS-95 的衛星版—Qualcomm 的全球通. er. io. sit. （Globalstar），主要提供語音以及低速率資料傳輸服務[37]。. 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. al. n. v i n 10,000~20,000km 的中軌道衛星搭配的低軌道衛星通訊系統。衛星 C h 750~2,000km U engchi 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，如銥計劃和全球通[22,37]。. 22.

(33) 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。. 政治大覆蓋面廣，通訊距離遠立. 優點 . . 可隨身攜帶. . 易於實現多點通訊、具有優良的廣播特性. ‧. 限制. ‧ 國. 學. 不受地震等天災、地理條件影響限制. . 普及率非常低. . 易受氣候影響. sit. 價格高昂. io. . y. Nat. . . n. al. er. . Ch. engchi. i n U. 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[41]。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[2]以及歐. 23.

(34) 規的 TETRA[1]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。. 政治大 Radio，為專業移動無線電（Professional Mobile Radio，PMR）和雙向收發器立. TETRA（Terrestrial Trunking Radio）：又稱 Trans-European Trunking. （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. ‧ 國. 學. 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和捷運系統無線電通訊服務等大. y. sit. io. . 通訊網路架設快. . 涵蓋範圍廣. . 可靠性高. al. n. . 優點. er. . Nat. 眾交通系統。與 P25 不一樣地方為 TETRA 只提供數位式中繼集群模式。. Ch. engchi. i n U. 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. 24.

(35) 2.2.6、移動基地台（Cell on wheel）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. 政治大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，這些設備無立法大量佈署，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. 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. n. al. 限制. Ch. engchi. er. sit. . io. . 優點. Nat. . ‧. 敷所需。. i n U. 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. 25.

(36) 訊時，須藉由中間節點的轉發才能實現[8,31]。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[14,19,20,21]，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，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[18]。 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. 政治大機會網路（Opportunistic network）的技術將會把各個獨立的 P2Pnet 整合成為一立. 將會試圖利用所有可運用的資源，包含 WiMAX，Mesh network 與 VANET 等，. 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. ‧ 國. 學. 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。. ‧. [3,14,17,19,20,21,28,29]. y. Nat. 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. er. io. sit. 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. al. n. v i n 裝並操作本系統，三是筆電內建的 Multi-hop 轉 C h Wi-Fi 的通訊距離較短，雖經過 engchi U 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 . 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. 26.

(37) . 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、應急通訊系統綜合比較表 2-1 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. 政治大 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，我們立. 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. 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. ‧ 國. 學. 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. y. Nat. 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. er. io. sit. 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. al. n. v i n 應急蜂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 Ch engchi U. CCN 戶。. 表 2-1、應急通訊系統比較. Walkie-. 使用. 建構難. 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. 低. 不需建構. 易. 需簡單學習. 高. 中. 無. 視地區而定. Talkie Amateur. 中. radio 行動衛星通訊. 集群通訊系統. 極高高（量少）. 需專業人士架構既存. 簡單. 易. 低. 需專業執照. 低. 中. 無. 易. 低. 易. 高. 中. 無. 低. 需簡單學習. 高. 高. 中. 難（需道路運送） 27.

(38) 移動式基地台. MANET CCN 應急通訊系統. 使用. 建構難. 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. 易. 高. 高. 中. 中. 易. 中. 低. 中. 高. 易. 高. 高. 中. 高（量少）低. 難（需道路. 簡單. 運送）. 需專業安. 就地取材. 裝設定. 低. 重量輕. 中. 可空運. 2.3、過去應急通訊系統相關研究 . Autonomous. Networked. Robots. for. the. Establishment. 政治大. of. Wireless. Communication in Uncertain Emergency Response Scenarios [31]：本篇主要探. 立. 討災害發生後，利用自主機器人在災區內建立 Wireless ad hoc network，使. ‧ 國. 學. 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. y. Nat. n. al. er. Autonomous Community Construction Technology for Timely Transmitting. io. . sit. 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。. i n U. v. Emergency Information [34]：本篇主要探討 Wireless sensor network 在災害發. Ch. engchi. 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，並不適合救災情況會隨時變動的災區使用，因此，作者提出利用 Autonomous Decentralized System (ADS)的方式在災區傳送即時訊息，稱為 Autonomous 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 [5]：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，作者藉由 Multiple Parallel 的模型來整合網路層(Network layer)和網路應用層 28.

(39) (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[22]：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. 政治大 Ad Hoc Communications for Emergency Conditions [8]：本篇主要探討在災區立優於其他環境。. . 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. ‧ 國. 學. 成 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，. y. sit. Taiwan Earthquake Event Report, Risk Management Solutions [7]：本篇主要探. io. er. . Nat. 下，即可以架設短距離的 Ad hoc 網路供通訊使用。. ‧. 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. 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. al. n. v i n 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 Ch engchi U. 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強，減少人員的傷亡和財務的損失。 . Improving Disaster Management [32]：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過節點和節點之間的 relay 傳送至目的地。. 29.