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TOPOLOGY DESIGN FOR CONTINGENCY CELLULAR NETWORK

TOPOLOGY DESIGN FOR CONTINGENCY CELLULAR NETWORK. 應急蜂巢式行動網路的拓撲設計. 指導教授 : 連耀南 教授 研究生 : 黃玉潔 日期 : 2011.5.25. Outline. Introduction 大型天然災害的影響 大型天然災害對通訊的影響 Related work 緊急通訊系統的需求 現有的緊急通訊系統 Contingency Cellular Network (CCN) Concept Component Procedure. Outline.

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Presentation Transcript

  1. TOPOLOGY DESIGN FOR CONTINGENCY CELLULAR NETWORK 應急蜂巢式行動網路的拓撲設計 指導教授: 連耀南 教授 研究生: 黃玉潔 日期:2011.5.25

  2. Outline • Introduction • 大型天然災害的影響 • 大型天然災害對通訊的影響 • Related work • 緊急通訊系統的需求 • 現有的緊急通訊系統 • Contingency Cellular Network (CCN) • Concept • Component • Procedure

  3. Outline • Topology Design for CCN • Concept • Model with depthbounded • Model with hopconcern • Evaluation • Conclusion & future work

  4. INTRODUCTION

  5. 大型天然災害影響 • 大型天災頻傳 • 傷亡慘重 * North-East Japan 死亡人數統計 資料來源:日本警察廳發布 截至2011年5月16日(JST)

  6. 集集地震 八八水災 大型天然災害的影響 • 建築倒塌 • 人員受困 • 需緊急救援 • 災區人員 • 食衣住行的需求

  7. 八八水災 大型天然災害的影響 • 偏遠地區對外隔絕 • 失去外援 • 僅能依賴當地人員 • 大型通訊設備無法深入

  8. Golden 72 Hours • 黃金72小時搶救時間 • 災難發生後的關鍵救難時機 • 交通、通訊尚未回復 • 外援未到 • 提升救援效率 • 提高人員存活率 資料來源: 百度百科 http://baike.baidu.com/view/1592635.html

  9. 八八水災 大型天然災害對通訊的衝擊 • 橋樑、道路中斷 • 通訊系統的實體線路斷裂 • 建物倒塌 • 通訊設備損毀 • 加深救災人員通訊難度

  10. 大型天然災害對通訊的影響 • 固網與行動通訊系統癱瘓 • 斷電 • 固定線路毀損 • 基地台─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:NCC 國家通訊傳播委員會、中華電信

  11. 救災瓶頸 • 地形阻隔、交通中斷 • 外援無法進入 • 第一線救援仰賴當地人員 • 交通、通訊陷入極度混亂狀態 • 通訊設備缺乏 • 救災人員溝通困難 • 資訊不完整 • 資源分配與人員調度不均 • 誤判情勢 • 錯失救援機會

  12. 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 • 需要能快速建置的緊急通訊系統 • 提高救災效率 • 供給受災相關人員使用 • 救難人員 • 災民 • 政府防災單位

  13. RELATED WORK

  14. 緊急通訊系統設計需求 • “golden 72 hrs”時期，提供通訊 • 元件取得容易 • 佈建容易、快速 • 盡量使用在地資源 • 減少對外援的依賴 • 提供大量非專業人員使用 • 普及 • 價格低廉 • 使用不須專業訓練 • 具移動性 • 輕型裝備 • 裝置能利用直昇機送達

  15. 現有緊急通訊系統 • Walkie-Talkie • 無線對講機 • Pros. • without infrastructure • Convenient • high reliability • Cons. • low popularity • 八八水災 • 7天－240支 • 14天－1052支 資料來源:NCCNews 09月號 p.2-p.5

  16. 現有緊急通訊系統 • Amateur Radio • Ham Radio, 業餘無線電 • Long range wireless communication system • Pros. • without infrastructure • high reliability • Cons. • low popularity • low mobility • 八八水災 • 七天後 –第一座radio station架設完成 • 兩星期 – 架設約10座radio station 資料來源:NCC 國家通訊傳播委員會

  17. 現有緊急通訊系統 • Mobile Base Stations for cell phones • 行動無線基地台 • Pros. • 能供緊急之需 • 穩定的行動通訊服務 • Cons. • 昂貴、數量不足–無法大量部署 • 無法空投–體積、重量過大 • 中華電信持有行動無線基地台現況 • 北部 – 18台 • 中部 – 11台 • 南部 – 8台 資料來源: 中華電信

  18. 現有緊急通訊系統 • Specialized Emergency Communication Systems • 專業用緊急通訊系統 • Pros. • 專為緊急狀況設計 • Cons. • 昂貴、數量不足–無法大量部署 • 需專業訓練、執照 • 軍方 • 專業救難隊 • Project 25 A hand-held Project 25 radio used in US systems

  19. 現有緊急通訊系統 • MANET • 支援臨時性、無組織、無伺服器、無網路的特殊情況 • Pros. • Without infrastructure • 徵用自願人員行動裝置 • 可供一般救災人員使用 • 不需特別訓練 • 經簡單學習，即可上手 • Cons. • 有效傳輸距離短 • 擁有筆記型電腦人員遠少於擁有手機人員 • 電源供應問題 • P2PNET

  20. 現有緊急通訊系統比較

  21. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK

  22. Contingency Cellular Network • 應急蜂巢式行動網路, CCN • 在黃金救援時期內提供通訊 • 無線通訊連接 • 斷訊基地台群 • 建立臨時緊急行動通訊網路 • 使災區人員能利用手機通訊

  23. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • 利用2G、3G行動通訊網路 • 手機十分普及 • 基地台運作停擺 • 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 • 經選擇的地理位置 • 置於高處 • 訊號良好 • 無line-of-sight問題 • 建置成本低 • 利用既有的基地台設備 • 可快速佈建

  24. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • 連網台 • 有通訊能力的基地台 • 孤立台 • 未損毀的基地台 • 無後端通訊能力 • 可藉由無線訊號彼此相連 • 鄰台 • 相鄰的孤立台 • 可藉由無線電連接 • 傳遞資料

  25. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • 緊急修復包 • 無線通訊設備 • 長距離WiFi • Microwave • 發電機 • 燃油 • ECModule

  26. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • 緊急通訊模組 • Emergency Communication Module (ECModule) • Processor • Admission control • Data forwarding • Intranet communication • Wireless Communication Modules • Interface to Base Station

  27. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • ECModule + 基地台 • 基地台與手機通訊 • 緊急通訊模組間通訊 • Hop relay • 轉送來自基地台的資料

  28. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • CCNframework

  29. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • CCN建立流程

  30. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • CCN建立流程

  31. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • CCN建立流程

  32. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • CCN建立流程

  33. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • CCN建立流程

  34. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • Research issues • 網路拓撲規畫 • 決定網路效能、穩定度 • 避免網路壅塞、延遲 • 提高救災效益 • 建置排程 • 建立基地台搶救順序 • 直升機運送能力有限 • 建置人員有限 • 網路頻寬分配 • Multi-hop relay • 可供給使用者的Channel有限 • 決定基地台可分配之頻道數

  35. CONTINGENCY CELLULAR NETWORK • Research issues(Con.) • Priority-based 允入控制 • 避免系統因接受過多服務請求 • 各個請求的緊急程度不同 • Intranet建構 • 屬同一基地台之手機互通 • 基地台對外頻寬有限 • 有許多閒置頻道 • Ex. 手機擁有無線對講機功能 • Interface設計 • ECModule與基地台間的介接 • Protocol設計

  36. TOPOLOGY DESIGN FOR CCN

  37. TOPOLOGY DESIGN FOR CCN • 連接連網台與孤立台群 • Multi-hop relay • 最大化救災效益 • Topology design的考慮因素 • 流量負載 • 網路壅塞 • 通訊延遲

  38. TOPOLOGY DESIGN FOR CCN • 實際情況 • 數個連網台 • 多個孤立台 • partition • 劃分連網台負責區域 • 一個連網台 • 數個孤立台

  39. TOPOLOGY DESIGN FOR CCN • 2-link 無線模組 • 3-link 無線模組

  40. TOPOLOGY DESIGN FOR CCN • CCN forwarding tree

  41. TOPOLOGY DESIGN FOR CCN • 資源(ECModule)有限 • 無法回復所有孤立台通訊 • 選擇適當的基地台 • Ex. 根據 • 通訊需求人數 • 災害程度 • 設定profit參數 • profit function • 網路負載 • 保障一定的通訊品質 • Relay hop數量需受限制

  42. MODEL WITH BOUNDED DEPTH-PROBLEM DEFINITION • Optimize • 在有限資源下，使CCN可覆蓋服務的總效益達最大 • 限制forwarding tree的depth • 流量負載平衡 • 減少頻寬浪費 • 減少訊號衰減 Without depth constraint With depth constraint=3

  43. MODEL WITH BOUNDED DEPTH -PROBLEM DEFINITION Given a graph, G(V, E), where

  44. MODEL WITH BOUNDED DEPTH -PROBLEM DEFINITION • Our problem is to find a CCN forwarding tree, where • Such that • Maximize • Subject to

  45. MODEL WITH BOUNDED DEPTH -PROBLEM DEFINITION • K-maximum spanning tree problem with bounded depth (K-MaxSTBD) • K-maximum spanning tree • Bounded depth • NP-Complete problem

  46. MODEL WITH BOUNDED DEPTH -NP-COMPLETENESS • K-minimum spanning tree (K-MST) • K-Cardinality Tree (KCT) • 從有n個node的graph中 • 找出權重最小且含K個點的spanning tree • Edge-weighted • NP-hardness M. Fischetti, H.W. Hamacher, K. Joernsten, F. Maffioli, Weighted k-cardinality trees: complexity and polyhedral structure, Networks 24 (1994) 11–21. • Node-weighted • NP-Completeness U. Faigle, W. Kern, Computational complexity of some maximum average weight problems with precedence constraints, Operations Research, Vol. 42 No.4 (1994) 688–693.

  47. MODEL WITH BOUNDED DEPTH -NP-COMPLETENESS • Minimum spanning tree • 含最小成本之生成樹 • 有最佳解 • Prim’s algorithm • Kruskal’s algorithm • Maximum spanning tree • 將node weight取負號(由正變負) • 求minimum spanning tree • 再將node weight取負號回來(由負返正) • Polynomial time內可演算完成

  48. MODEL WITH BOUNDED DEPTH -NP-COMPLETENESS • 可在多項式時間裡轉換 • min. spanning tree & max. spanning tree • K-Min. Spanning Tree & K-Max. Spanning Tree

  49. MODEL WITH BOUNDED DEPTH-NP-COMPLETENESS K-MaxST K-MaxSTBD • G’(V’,E’) • V’=V, E’=E, K’=K • depth bound • D=K • G(V,E), K Reduce

  50. BDTFA(G, p, r, K, B) Set T = {} /* bounded depth tree */ Set U = {r} while size of T < K do let v be a highest profit adjacent node of u such that add v to U add link(u, v) to T delete v from V-U end while MODEL WITH BOUNDED DEPTH -SOLUTION • Bounded depth tree building algorithm (BDTBA) • Greedy strategy

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