應急蜂巢式行動通訊網路的頻寬分配 Bandwidth Allocation For Contingency Cellular Network

1. 應急蜂巢式行動通訊網路的頻寬分配 Bandwidth Allocation For Contingency Cellular Network 指導教授：連耀南教授 研究生：吳雲鼎

2. Outline • Introduction • Communication systems crash by natural disasters • Requirements analysis of contingency communication system • Related work • Common contingency communication systems • Contingency Cellular Network (CCN) • Bandwidth allocation for CCN • Concept • Problem definition • Model • Algorithm design • Evaluation • Summary & future work

3. Outline • Introduction • Communication systems crash by natural disasters • Requirements analysis of contingency communication system • Related work • Common contingency communication systems • Contingency Cellular Network (CCN) • Bandwidth allocation for CCN • Concept • Problem definition • Model • Algorithm design • Evaluation • Summary & future work

4. Introduction • 全球天災頻傳，極端氣候、大型地震…等，造成大範圍災害 • 無線通訊已完全融入一般大眾的生活之中，當大規模的地震或強烈颱風等重大天然災害發生時，通訊系統卻常常癱瘓 • 有效運作的通訊系統是災情傳遞及救災調度、協調是否成功的關鍵因素

5. 災區交通癱瘓 外援進入緩慢 專業救災人員及設備嚴重不足 第一線救援仰賴當地人員 通訊網路幾乎癱瘓，通訊設備缺乏 救災人員彼此溝通困難 資訊不完整 救災資源不易協調分配而錯置 誤判情勢 錯失救援機會 大型天然災害發生時救災面臨的挑戰

6. 大型天然災害發生時救災面臨的挑戰 通訊系統在大型天然災害中 十分脆弱 對救難、救濟影響甚鉅 需要能快速建置的應急通訊系統 提高救災效率 供給受災相關人員使用 救難人員 災民 政府救災單位

7. 橋樑、道路中斷 通訊系統的實體線路斷裂 主、備援線路可能一倂毀損 建物倒塌 通訊設備損毀 加深救災人員通訊難度 八八水災 大型天然災害對通訊的衝擊

8. 大型天然災害對通訊系統的影響 固網與行動通訊系統癱瘓 機房斷電 固定線路毀損 基地台—BSC/RNC—行動交換機(MSC) 基地台或機房毀損 通訊設備修復困難 921地震 中華電信耗費15天，搶通災區電信網路 88水災 斷訊基地台總數達3302座 中華電信斷訊基地台達1800座 550座在兩天之後仍無法恢復運轉 資料來源: 國家通訊傳播委員會、中華電信

9. Golden 72 Hours • 人員受困，黃金72小時亟待救援 • The survival rate is 90% within 24 hours; • 50% between 24 and 48 hours; • 20% between 48 and 72 hours. • The chances of survival over 72 hours are quite rare. 資料來源: http://baike.baidu.com

10. 應急通訊系統需求 • 建置需求 • 網路元件必須取得容易 • 建置難度低 • 建置速度快 • 運轉需求 • 使用端設備數量多、成本低 • 易於使用，不需特別訓練 • 具備允入控制機制，可抵擋瞬增的話務量 • 具救災緊急通話先行之功能 • 具行動能力

11. 應急通訊系統評估指標 • 使用成本 • 建構難易度 • 進入災區難易度 • 終端設備普及率 • 終端設備操作難易度 • 終端設備可移動性 • 通訊品質 • 系統運轉難易度

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13. 常見應急通訊系統—專用高抗災通信平臺 • 專用高抗災通信平臺 • 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」為設計理念 • 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 • 限制 • 成本過高，數量遠遠不足，僅侷限於少數固定的特定區域 • 由於數量稀少，無法供應數量龐大的志願救災人員使用

14. 常見應急通訊系統—無線對講機 • 無線對講機(Walkie-Talkie) • 手持的雙向無線電收發器，特徵為半雙工 • 輸出功率越強，發射信號的覆蓋範圍越大 • 環境的電磁干擾、建築物、天氣情況和地形差別會直接影響信號的覆蓋範圍 • 優點 • 體積小重量輕，可隨身攜帶 • 電池充電後可長時間使用 • 不需佈建通訊網路即可使用 • 限制 • 全世界很多地方普及率低 (e.g. 台灣) • 需要簡單學習才能使用 • 沒有優先分級能力

15. 常見應急通訊系統—業餘無線電 • 業餘無線電(Amateur radio) • 俗稱火腿(Ham radio)，與無線對講機相似，但通訊的距離較遠 • 優點 • 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，適合做訊息發佈功能 • 不需佈建通訊網路即可使用 • 限制 • 普及率低 • 使用上困難，需要執照方能操作，沒受過訓練很難直接使用 • 行動力低

16. 常見應急通訊系統 —行動衛星通訊 • 行動衛星通訊 • 通訊衛星為一個掛在空中的通訊中繼站 • 目前常用於行動衛星通訊的為中低軌道衛星，中地球軌道(MEO: Medium-Earth Orbit)距地5000~15000km，如美國的奧德塞計劃(Odyssey)；低地球軌道(LEO: Low-Earth Orbit)距地500~1500km的高度，如Motorola銥計劃(Iridium) • 優點 • 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 • 限制 • 普及率非常低 • 易受天候影響

17. 常見應急通訊系統 —集群通訊系統 • 集群通訊系統(Trunking radio) • 專業用應急通訊系統，如Project 25、TETRA • 由早期的專用無線電調度系統逐漸發展形成的 • 具備群組呼叫、優先分級等能力 • 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 • 優點 • 通訊網路架設快 • 涵蓋範圍廣 • 可靠性高 • 限制 • 話機數量有限 • 需經專業訓練，主要使用者為軍方或專業救難隊 • 如果交通系統癱瘓，不易運送至災區，因體積、重量過大無法空投 A hand-held Project 25 radio used in US systems

18. 常見應急通訊系統—移動基地台 • 移動基地台 • 一個可移動的通訊系統 • 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、不同頻段的通訊網路的交換，構成統一的應急指揮平台 • 目前中華電信北部有18台、中部有11台、南部有8台移動基地台 • 優點 • 架設速度快 • 運用靈活，調度方便 • 限制 • 造價昂貴，數量稀少 • 交通可能斷絕，難以移動到災區 • 設備龐大無法空運

19. 研究中的應急通訊系統—MANET • MANET(Mobile Adhoc Network ) • 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 • P2Pnet • 利用志願救災人員帶有無線區域網路的筆記型電腦或智慧型手機以Multi-hop Ad-Hoc Network方式連接成一個 MANET，在沒有連接Internet、沒有伺服器的情況下利用VoIP支援緊急的通訊與資訊運用 • 優點 • 可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 • 尚在實驗階段，並無成熟產品，尚須繁複的設定方能使用

20. 應急通訊系統比較

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22. CCNIntroduction 應急蜂巢式行動通訊網路, CCN 無線通訊連接斷訊基地台群 建立臨時應急行動通訊網路 使災區人員能利用手機通訊 使用時機 在黃金救援時期內提供通訊 usability CCN Regular cell phone system time

23. CCN可行性分析 • 利用2G、3G行動通訊網路 • 手機普及率非常高 • 不需改裝即可投入使用 • 使用者不需訓練 • Reuse原有基地台 • 停斷電、後端線路毀損 • 大部分斷訊基地台，本身無毀損 • 基地台的分佈topology，經完善規劃 • 不需費時選擇應急通訊系統的基站地點 • 置於高處 • 訊號良好、較少line-of-sight問題 • 建置成本低 • 利用既有的基地台設備及手機 • 可快速佈建 • 基地台都已在災區內 • 額外設備(緊急修復包)重量極輕，可空運或空投

24. CCN系統元件 • Connected station(連網台) • Isolated station(孤立台) • Contingency Recover Package(應急修復包) • Power module • Inter-Cell Communications Module (ICC Module) • Emulated Controller Module (EC Module) • Satellite Communications Module (optional) 孤立台 連網台 衛星通訊設備 孤立台 (ICC Module) 發電機

25. CCN網路架構 ICC Module ICC Module

26. CCN建置與運轉流程 第一階段：災情評估 (Damage Assessment Phase) 第二階段：緊急維修規劃期 (CCN Planning Phase) 例如：網路拓樸規劃、建構排程、頻寬分配 第三階段：緊急維修建置期 (CCN Deployment Phase) 第四階段：緊急服務運轉期 (CCN Operation Phase) 例如：允入控制 Core Network 連網台 孤立台 衛星通訊設備 孤立台 發電機 孤立台 EC Module

27. CCN通話分類

28. 64K channel 16K channel CCN差異化通訊品質 • 差異化災區通訊服務品質 • 依話務功能性區分通訊品質 • 差異化有助提升頻寬使用效益 • 不同使用者話務重要性不同 • 頻寬資源有限，須妥善運用 • 重要服務給予較高QoS 血型： A 血型： AB

29. CCN通訊模式 • 一般模式(Ordinary Mode) • CCN範圍內的手機可與CCN內、外任何電話通訊 • 佔用連外資源 • 差異化優先等級允入控制 • 無線對講機模式(Walkie-Talkie Mode) • CCN網路內部同一個基地台信號範圍內的通訊 • CCN基地台無線電頻道閒置 • 志願救災人員無由得知欲通話對象之電話號碼 • 沒有限定接收者的廣播模式非常適合災區使用 • 使用者告知 • 由119轉告 (CCN-119) • 國家指定特殊緊急號碼，如118 • 簡訊傳送服務範圍內所有手機通知撥號方式

30. CCN通訊模式 • 優先群集模式(Priority Group Mode) • 災區的救災通訊共同特色 • 彼此不知電話號碼，也沒有時間記憶或記錄對方號碼 • 大部分的通訊是對特定角色，而非特定個人 • 緊急程度較高，且各有不同 • 規劃原則 • 每一個群體，指定一個代表號，有優先順序 • 群體的成員註冊其電話號碼及所屬群體 • 被叫時，該群體所有成員都會接到來電訊號 • 群體中的任一個成員可以承接呼叫 • 允入控制 • CCN內部用臨時碼指派 • 參考國家編碼計畫，採用12或其他1字頭的三位或四位號碼 • 簡化撥號

31. 應急通訊系統比較

32. 建構 CCN 需克服的相關議題 • 整體網路拓樸規劃 • 多數的基地台無法直接連上後端網路，需透過多重跳接的方式連上。網路拓樸的規劃將決定整個網路的效能、救災效益和穩定度 • 建構排程 • 在資源有限情況下，找出最佳建構順序，達到最大救災效益 • 頻寬分配 • CCN頻寬有限且各基地台除本地流量外，需轉送鄰台流量，因此每個基地台可接受的使用者數量需作合理分配，避免分配失衡，同時找出最佳頻寬分配，達到最大救災效益 • Intranet建構 • 封包傳送路徑均需繞送至後端核心網路的交換機進行連接，Intranet的建構讓同屬同一基地台的手機之間可以利用閒置頻道彼此互通，而不需佔用基地台連外頻寬 • 基地台介面整合 • 外來設備必須無縫的與基地台介接，包括各種通訊協定，確保基地台可恢復運作

33. 建構 CCN 需克服的相關議題 • 允入政策制定 • 設計出一套prioritybased admission control policy • 自動化建構 • 以事先架設EC module為前提，設計一套分散式演算法，產生forwarding tree，自動建構CCN網路，提供通訊服務，直到電源中斷服務停止 • 跨網路CCN • 聯合各家公司的基地台，使建成CCN的機會大幅增加

34. CCN頻寬適當配置的效益 依據災區人口與受災程度適當分配頻寬，反映災區需求 頻寬充分使用，提升救災效益 保留少部分高品質通訊資源，供緊急、重要話務使用

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36. Bandwidth Allocation for CCN • 配置連網台連外頻寬資源給CCN各基地台 • 最大化救災效益 • Bandwidth allocation的考慮因素 • 反映災區環境 • 差異化QoS滿足不同等級使用者需求 • 網路拓樸的限制

37. Bandwidth Allocation for CCN–假設條件 • Bandwidth Allocation標的 • 所有鏈結頻寬 • 發自本地基地台的容許流量 • Circuit Switching • 較容易快速建置 • 較容易維持QoS • 維運較容易 • 簡化Bandwidth Allocation為Channel Allocation問題 • Topology與連外總頻寬固定，若變動，Reallocate

38. Bandwidth Allocation for CCN–Problem Definition • 救災效益 • 參考環境因素訂定，例如 • 涵蓋受災人口數 • 涵蓋註冊手機數 • 災害種類(如地震, 核災, 水災…) • 災情程度(如降雨量、土石監測預警…) • 緊急程度 • 生還率 • 效益遞減 • 由模型使用者定義 • 國家救災單位

39. CCN forwarding tree BSC/RNC v1 v2 v3 v4 v5 Bandwidth Allocation for CCN–Problem Definition • 限制條件 • 可用頻寬資源 • 連網台連外頻寬 • 鄰台間互連頻寬 • Aggregate traffic不能超過upstream link capacity • Local traffic • Forwarding traffic • 各基地台基本頻寬需求 • 各節點因應救災需要，必須保留供local traffic使用之最小channel數 • 避免channel配置過度集中 • 由模型使用者定義

40. Model of Bandwidth Allocation for CCN–CCN forwarding tree Given CCN forwarding tree T(V,E), where , v1 is the root of T C={ci| i=1,2,3,…,n } is the set of uplink capacity of vi ci: the uplink capacity of vi ci ≤ cj , if vjis the parent node of vi BSC/RNC • c1 v1 • c2 • c3 v2 v3 • c4 • c6 • c5 v4 v5 v6 • c7 v7

41. Model of Bandwidth Allocation for CCN–CCN channel class • B={bj | j=1,2,3,…,m } is the set of bandwidth required per channel class • bj : the bandwidth required of channel class j

42. is the set of the profit of channel assigned fij : the profit of the first channel of class j assigned to vi g(k) : the profit attenuation function of the k-th same channel class assigned to the same node, for example, g(k)= , Model of Bandwidth Allocation for CCN–CCN profit function for bandwidth allocation

43. Model of Bandwidth Allocation for CCN–CCN channel assigned for basic needs • is the set of the amount of basic channel needs • dij: the basic needs of channel class j assigned to vi

44. Model of Bandwidth Allocation for CCN–CCN channel assigned • is the set of the amount of channel assigned • aij: the amount of channel class j assigned to vi

45. Model of Bandwidth Allocation for CCN–Objective function • Our problem is to find aij A, • such that is maximized • subject to and is local bandwidth required of vi

46. 0-1 Knapsack Problem：有N個物品和一個背包，其中: 物品具有重量W(w1, w2, …, wn) 和利潤P(p1, p2, …, pn) 背包的最大重量承受限制為C 如何取物可得最高價值? 0-1 Knapsack Problem is NP-Hard Richard M. Karp (1972). "Reducibility Among Combinatorial Problems“. In R. E. Miller and J. W. Thatcher (editors). Complexity of Computer Computations. New York: Plenum. pp. 85–103. Garey, M.; D. Johnson. Computers and Intractability; A Guide to the Theory of NP-Completeness. 1979. ISBN 0-7167-1045-5. Problem Complexity—Knapsack Problem

47. Problem Complexity—Bandwidth Allocation for CCN Bandwidth Allocation for CCN (CCN-BA) 針對每個連網台(vi)，有m個channel class可選擇配置，和一個uplink頻寬限制，其中: 各種Channel class具有不同頻寬要求 (b1, b2, …, bm)和效益 (fi1, fi2, …, fim) 存在uplink頻寬最大承受限制(ci) 如何配置channel可得最大效益? Nested 0-1 Knapsack Problem CCN forwarding tree BSC/RNC • c1 v1 • c2 • c3 v2 v3 • c4 • c6 • c5 v4 v5 v6 • c7 v7

48. Problem Complexity— Reduce CCN-BA to Knapsack Problem 可在多項式時間裡對應 • c1 v1 • c2 • c3 v2 v3 • c4 • c6 • c5 v4 v5 v6 0-1 Knapsack Problem CCN-BA • T(V,E) • V = {v1}, E = Ø • C’ = {C} • B = W • F = P • D = {0} • G = {1} • C • W • P

49. Problem Complexity—NP-Hard • Given an instance X:[C,W,P] in 0-1 knapsack problem, we can find an instance Y:[V,T,C’,B,F,D,G] in CCN-BA such that an optimal solution ay for Y is also an optimal solution for X. Let instance Y be a one level tree, where V=T={v1}, C’={C}, B=W, F=P, D={0}, and G={1}. Denote the total profit of a solution a for X and Y to be px(a) and py(a), respectively. Because F=P, we can easily prove px(a) and py(a) are equal. For simplicity, both px(a) and py(a) are denoted as p (a). • First, we prove ay is a valid allocation for X. Since B=W, F=P, and C’={C}, any solution of Y whose total bandwidth must less than or equal to the given limit C so that ay must be a valid allocation for X. Since instance Y is a one level tree, for a similar argument, we can prove that any valid allocation ax for X is also a valid allocation for Y.

50. Problem Complexity—NP-Hard • Next, we prove that an optimal solution ay for Y is also an optimal solution for X by contradiction. As we have proved, ay is also a valid allocation for X, whose total profit is p(ay). Assume ay is not an optimal allocation for X, there must be another allocation ax, whose total profit p(ax) is greater than p(ay). And any valid ax is also a valid allocation for Y, whose total profit is p(ax), which is greater than p(ay). This contradicts to the assumption that ay is an optimal solution for Y. As a result, ay must be an optimal solution for X. The reduction of CCN-BA to 0-1 Knapsack Problem is done. The proof of NP-hardness of CCN-BA is straightforward. Q.E.D. • Bandwidth Allocation for CCNis a nested 0-1 knapsack problem and NP-Hard