5G專網(wǎng)在智慧醫(yī)療中的應用

劉虹

（海南電信規(guī)劃設計院有限公司，海南 ?？?570203）

0 引言

健康是民族昌盛和國家富強的重要標志，為了推進健康中國戰(zhàn)略實施，須不斷提升醫(yī)療服務現(xiàn)代化水平?，F(xiàn)階段我國醫(yī)療服務面臨的主要問題是優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源不足，基層衛(wèi)生服務能力薄弱。5G網(wǎng)絡具有高帶寬、低時延、海量連接等特性，并具備根據(jù)醫(yī)療業(yè)務需求定制專網(wǎng)的能力，可以支持實現(xiàn)無線監(jiān)護、移動查房、遠程會診、遠程影像、遠程心電/超聲、遠程急救等業(yè)務，提升醫(yī)療資源使用效率，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源延伸至基層服務機構(gòu)。

隨著3GPP的5G標準不斷發(fā)展完善，5G賦能垂直行業(yè)的能力愈加增強，包括URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠低時延通信）、網(wǎng)絡切片、邊緣計算、NPN（非公共網(wǎng)絡）、TSN（Time Sensitive Networking）、5G LAN等，亟需進一步研究如何應用這些技術(shù)部署專用網(wǎng)絡能力來滿足垂直行業(yè)的特定需求。

本文通過分析智慧醫(yī)療應用場景對網(wǎng)絡性能的需求，研究了5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應用，探討了按需定制5G專網(wǎng)部署模式，并提出了不同應用場景下的業(yè)務解決方案，為5G專網(wǎng)應用于醫(yī)療行業(yè)提供參考。

1 智慧醫(yī)療應用場景

智慧醫(yī)療的各項業(yè)務對通信網(wǎng)絡的傳輸速率、通信時延、覆蓋范圍、安全隔離等需求存在較大差異，具體如表1所示。

表1 醫(yī)療業(yè)務對網(wǎng)絡的需求

根據(jù)醫(yī)療業(yè)務發(fā)生和使用場所不同，智慧醫(yī)療應用可分為以下三大場景：

（1）院內(nèi)場景：無線監(jiān)護、移動查房、醫(yī)療影像傳送、導醫(yī)機器人等醫(yī)療設施基于5G網(wǎng)絡自動采集數(shù)據(jù)，并快速傳送和共享、展示。

（2）院間場景：中心醫(yī)院向基層醫(yī)療機構(gòu)提供遠程會診、遠程心電、遠程示教等服務。遠端專家通過視頻交互實時指導基層醫(yī)生開展診療服務，通過5G網(wǎng)絡控制移動式無線醫(yī)療設備，把遠程實時會診延伸至患者身旁。

（3）院前場景：包括應急救援和急重轉(zhuǎn)診等應用。在急救車行進途中，醫(yī)療人員可通過車載移動醫(yī)療裝備持續(xù)監(jiān)測患者生命體征，與遠端專家協(xié)同診療，廣域覆蓋的5G網(wǎng)絡為突發(fā)性的移動救護及轉(zhuǎn)診提供大帶寬、低時延、隨時接入的網(wǎng)絡服務。

2 5G專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

從智慧醫(yī)療應用場景中各業(yè)務對網(wǎng)絡的需求分析可知，醫(yī)療服務對無線覆蓋、通信時延、安全隔離性、數(shù)據(jù)保密性、可靠穩(wěn)定性等要求均不同于公眾客戶業(yè)務需求，5G公用網(wǎng)絡難以滿足各項醫(yī)療服務的差異化需求，須根據(jù)各醫(yī)療服務應用場景引入不同的技術(shù)組合，定制相應的專用網(wǎng)絡。

2.1 本地業(yè)務分流和邊緣計算

為了降低醫(yī)療業(yè)務時延以及保障數(shù)據(jù)不出園區(qū)，可將5G核心網(wǎng)的用戶面功能UPF和MEC（Multi-Access Edge Computing，多接入邊緣計算）部署到醫(yī)院園區(qū)，如圖1所示。MEC綜合了網(wǎng)絡、計算、存儲等功能，具備本地業(yè)務處理能力，本地UPF把業(yè)務數(shù)據(jù)分流到MEC處理，降低了業(yè)務響應時延，確保了數(shù)據(jù)保密性。

圖1 醫(yī)院專網(wǎng)UPF和MEC部署示意圖

5G核心網(wǎng)支持以下三種本地分流機制：

（1）上行分類器UL CL（Uplink Classifier）基于目的地址分流：SMF在PDU會話的數(shù)據(jù)路徑中插入一個“UL CL”，專網(wǎng)UPF根據(jù)SMF下發(fā)的分流規(guī)則過濾上行數(shù)據(jù)包IP地址，將符合分流規(guī)則的流量分流至本地DN。UL CL機制下UE只有一個IP地址，不需感知數(shù)據(jù)分流。

（2）IPv6多歸屬（IPv6 Multi-homing）基于源地址分流：SMF根據(jù)UE位置選擇本地UPF進行分流，本地UPF根據(jù)SMF下發(fā)的分流規(guī)則過濾上行數(shù)據(jù)包源IP地址，將符合分流規(guī)則的流量分流至本地DN。UE須支持IPv6多歸屬特性，能感知并參與控制本地數(shù)據(jù)分流。

（3）LADN（Local Area Data Network，本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)）基于特定DNN（Data Network Name）分流：該機制為園區(qū)內(nèi)部用戶分配特定DNN，SMF根據(jù)UE的位置選擇本地UPF，將會話路由到相應的LADN，將歸屬于指定DNN的用戶業(yè)務全部分流至本地MEC。UE須支持LADN，能感知并參與控制本地數(shù)據(jù)分流。

從上述三種分流機制實現(xiàn)方式分析可知，分流方式的選擇應根據(jù)技術(shù)的成熟程度、終端對分流機制的支持能力、對現(xiàn)有網(wǎng)絡的影響以及建設和運維成本等多個維度來綜合考量。

2.2 網(wǎng)絡切片技術(shù)

智慧醫(yī)療的各項業(yè)務要求網(wǎng)絡能提供差異化的服務以保證服務質(zhì)量，NS（Network Slicing，網(wǎng)絡切片）是在同一物理網(wǎng)絡中同時滿足各類服務差異化需求的關(guān)鍵技術(shù)。

網(wǎng)絡切片是指在一個物理網(wǎng)絡上劃分出的多個虛擬的端到端邏輯網(wǎng)絡，每個切片是一組網(wǎng)絡功能及資源的集合，以其特定的網(wǎng)絡特征和資源來滿足對應的業(yè)務需求，切片之間相互隔離、互不影響。網(wǎng)絡切片可以根據(jù)業(yè)務的性能要求（如時延、帶寬、安全性和可靠性等）、應用場景分別定制，不同的切片分配不同的ID標識，在網(wǎng)絡側(cè)簽約確定用戶所能接入的切片。

5G網(wǎng)絡端到端切片由無線網(wǎng)切片、移動核心網(wǎng)切片和承載網(wǎng)切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。

核心網(wǎng)切片可以采用獨立的硬件資源池物理隔離，也可以基于網(wǎng)絡功能虛擬化技術(shù)通過在共享硬件服務器為不同業(yè)務分配不同虛擬機來實現(xiàn)隔離。

無線網(wǎng)切片是根據(jù)配置要求動態(tài)或靜態(tài)地分配無線資源（如時間、頻率、空間）和相應的基礎硬件設施（如數(shù)字基帶處理組件、模擬無線電組件等）。

為確保智慧醫(yī)療業(yè)務的安全穩(wěn)定性，承載網(wǎng)切片建議采用基于靈活以太網(wǎng)FlexE（Flex Ethernet）技術(shù)的物理隔離來保證帶寬和低時延性能。FlexE技術(shù)是基于高速Ethernet接口，通過引入FlexE Shim層實現(xiàn)MAC與PHY層解耦，把FlexE group中每個物理以太接口劃分為多個時隙slot。FlexE數(shù)據(jù)流中的以太網(wǎng)幀以64/66B編碼為單位切分為原子數(shù)據(jù)塊，可以通過FlexE Shim層實現(xiàn)在FlexE group中多個物理接口與時隙之間的分發(fā)。利用FlexE技術(shù)可以將物理以太接口的帶寬劃分給多個不同的網(wǎng)絡切片使用，實現(xiàn)不同切片之間的流量隔離。

3 5G專網(wǎng)應用方案

3.1 智慧醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡的三大應用場景eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶）、超高可靠低時延通信（URLLC）、mMTC（Massive Machine Type Communication，海量機器通信）與智慧醫(yī)療服務對通信網(wǎng)絡的要求高度契合，基于5G網(wǎng)絡運用邊緣計算、網(wǎng)絡切片等技術(shù)建設智慧醫(yī)療系統(tǒng)，可實現(xiàn)醫(yī)學影像數(shù)據(jù)高速率低時延傳輸、海量醫(yī)療可穿戴設備無線連接、高清音視頻遠程實時會診、遠程操控智能醫(yī)護終端等業(yè)務。智慧醫(yī)療基本架構(gòu)如圖2所示：

圖2 智慧醫(yī)療基本架構(gòu)

（1）感知層：包括高清音視頻系統(tǒng)、手機終端、配置5G無線通信模組的無線醫(yī)療設備（如移動醫(yī)護終端、智能可穿戴設備、超聲）等，可采集和展示醫(yī)療數(shù)據(jù)、圖像。

（2）網(wǎng)絡層：根據(jù)醫(yī)療業(yè)務對時延、最大可用帶寬、高安全性、業(yè)務數(shù)據(jù)隔離、業(yè)務覆蓋范圍的不同要求，定制5G專用網(wǎng)絡，提供端到端安全可靠的差異化網(wǎng)絡服務。

（3）平臺層：由電子病歷、影像存儲、醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析、視訊會診等基本功能模塊組成，實現(xiàn)信息的運算、存儲和分析。

（4）應用層：面向各層級醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)護人員、患者的院內(nèi)醫(yī)療應用系統(tǒng)、遠程醫(yī)療、應急救援等。

3.2 專網(wǎng)組網(wǎng)模式選擇

面向智慧醫(yī)療的5G專網(wǎng)有以下三種組網(wǎng)模式：

模式一：獨立組網(wǎng)。建設與公網(wǎng)完全隔離的獨立專網(wǎng)，由5G核心網(wǎng)（包括接入和移動性管理功能AMF、會話管理功能SMF、用戶面功能UPF、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理UDM、策略控制功能PCF等）、承載網(wǎng)、無線網(wǎng)組成，為客戶提供全封閉的網(wǎng)絡。專網(wǎng)既可以采用相關(guān)主管部門為垂直行業(yè)專門分配的5G專用頻段，也可以采用運營商分配的公網(wǎng)頻段。優(yōu)點是完全與公網(wǎng)隔離，數(shù)據(jù)安全可靠，傳輸時延低，網(wǎng)絡服務質(zhì)量不受公網(wǎng)影響；缺點是建設投資大以及運維成本高。

模式二：混合組網(wǎng)。建設硬件精簡、功能按需定制、運維簡單的輕量化5G核心網(wǎng)，與公網(wǎng)共享5G無線網(wǎng)和承載網(wǎng)。醫(yī)療業(yè)務數(shù)據(jù)流量在本地實現(xiàn)分流，屬于專網(wǎng)的醫(yī)療數(shù)據(jù)流量傳送到專網(wǎng)UPF，公網(wǎng)業(yè)務流量傳送到公網(wǎng)UPF。優(yōu)點是共享無線網(wǎng)和承載網(wǎng)降低了建設投資；缺點是無線網(wǎng)和承載網(wǎng)的帶寬會受公網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)流影響，可根據(jù)醫(yī)療業(yè)務對網(wǎng)絡性能的要求，采用5G QoS、網(wǎng)絡切片、邊緣計算等技術(shù)保障業(yè)務端到端的帶寬、時延以及業(yè)務數(shù)據(jù)隔離。

為減少建設投資，建設初期可與公網(wǎng)共享5G核心網(wǎng)控制面、無線網(wǎng)和承載網(wǎng)，只需在醫(yī)院園區(qū)內(nèi)新建專網(wǎng)UPF和MEC，保障業(yè)務數(shù)據(jù)不出園區(qū)以及低時延業(yè)務質(zhì)量，將來再根據(jù)業(yè)務需求部署5G專網(wǎng)核心網(wǎng)控制面。

采用模式二，部分信息仍在運營商公網(wǎng)存儲和傳送，在數(shù)據(jù)安全性和隱私保護方面稍遜于模式一。

模式三：虛擬專網(wǎng)。專網(wǎng)與公網(wǎng)端到端共享，即共享5G核心網(wǎng)、無線網(wǎng)和承載網(wǎng)，通過部署端到端的網(wǎng)絡切片建設專網(wǎng)，用戶信息和數(shù)據(jù)流量的安全性由網(wǎng)絡切片技術(shù)保障。優(yōu)點是公網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)均可提供虛擬專網(wǎng)服務，服務范圍廣、建設投資少；缺點是在傳輸時延和數(shù)據(jù)安全保障方面較弱。

通過以上三種5G專網(wǎng)組網(wǎng)模式的優(yōu)缺點分析，結(jié)合智慧醫(yī)療的服務宗旨和業(yè)務特點，統(tǒng)籌考慮建設投資和運維成本，建議院內(nèi)應用場景采用模式二、院間和院前應用場景采用模式三。

3.3 網(wǎng)絡組織方案

5G承載網(wǎng)作為5G業(yè)務的承載網(wǎng)絡，以STN（Smart Transport Network，智能傳送網(wǎng)）網(wǎng)絡為例，采用三層網(wǎng)絡架構(gòu)，包括核心層ER設備、匯聚層B設備、接入層A設備。

運營商公網(wǎng)5G核心網(wǎng)設置在省核心機樓，經(jīng)5GC CE（5G Core Network CE）與承載網(wǎng)ER設備連接；公共醫(yī)療云平臺設在數(shù)據(jù)中心，經(jīng)網(wǎng)關(guān)路由器與承載網(wǎng)互通。

醫(yī)院園區(qū)內(nèi)5G無線網(wǎng)BBU就近接至A設備，通過承載網(wǎng)聯(lián)接至專網(wǎng)UPF和MEC、5G核心網(wǎng)。無線醫(yī)療終端通過內(nèi)置無線通信模組接入5G無線網(wǎng)。

智慧醫(yī)療專網(wǎng)UPF和MEC部署在醫(yī)院中心機房，專網(wǎng)UPF和MCE就近接至A設備。院區(qū)內(nèi)無線網(wǎng)BBU、專網(wǎng)UPF和MCE所接的A設備均在同一園區(qū)內(nèi)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，在本地存儲和處理。

智慧醫(yī)療網(wǎng)絡組織方案如圖3所示：

圖3 智慧醫(yī)療網(wǎng)絡組織方案

3.4 業(yè)務承載方案

各項醫(yī)療業(yè)務對承載網(wǎng)絡的要求差異較大，針對各種應用場景，采用5G端到端切片技術(shù)，可保障業(yè)務正常進行，避免預占資源浪費，降低建設成本。3GPP定義5G GTP協(xié)議新增QFI字段標識業(yè)務優(yōu)先級信息，定義了256個5QI用于區(qū)分應用層業(yè)務，QFI和承載網(wǎng)DSCP（Differentiated Services Code Point）一一映射，將業(yè)務優(yōu)先級信息從無線網(wǎng)、承載網(wǎng)至核心網(wǎng)進行端到端的轉(zhuǎn)換和傳遞。承載網(wǎng)采用FlexE技術(shù)提供專用通道，實現(xiàn)不同需求業(yè)務的隔離，為業(yè)務提供差異化承載；核心網(wǎng)、無線網(wǎng)則通過QoS標識需要保障的業(yè)務，確保業(yè)務安全可靠實現(xiàn)。

（1）院內(nèi)場景

院內(nèi)場景中的業(yè)務有確定的帶寬、低時延和高可靠性及數(shù)據(jù)不出園區(qū)要求，可采用端到端的硬切片技術(shù)保障醫(yī)療業(yè)務SLA（Service Level Agreement，業(yè)務等級協(xié)議）。

院內(nèi)醫(yī)療業(yè)務承載方案如圖4所示，醫(yī)療終端經(jīng)5G無線網(wǎng)接入，通過5G無線網(wǎng)切片、承載網(wǎng)FlexE切片在醫(yī)療終端至醫(yī)療MEC之間設置醫(yī)療專網(wǎng)通道，保證數(shù)據(jù)高速率、低時延傳送。

圖4 院內(nèi)醫(yī)療業(yè)務承載方案

具體方案如下：

1）切片管理器基于業(yè)務需求創(chuàng)建切片模板，將相應的網(wǎng)絡參數(shù)分別下發(fā)到無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)控制器中，部署端到端硬切片。

2）無線網(wǎng)基于下發(fā)的業(yè)務模板，配置相應的專用空口切片和共享空口切片，保障業(yè)務在空口的SLA要求。

3）承載網(wǎng)通過控制器配置FlexE切片技術(shù)，實現(xiàn)業(yè)務級網(wǎng)絡切片，保障業(yè)務嚴格隔離，預設置切片帶寬確保在網(wǎng)絡出現(xiàn)擁塞時醫(yī)療業(yè)務不受影響，滿足業(yè)務在承載網(wǎng)的帶寬和時延要求。

4）核心網(wǎng)側(cè)則通過核心網(wǎng)控制器配置專用資源，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)隔離。

（2）院間場景

基層醫(yī)療機構(gòu)通過廣域部署的5G網(wǎng)絡與中心醫(yī)院連接，實現(xiàn)遠程會診、遠程心電等遠程醫(yī)療業(yè)務。院間遠程醫(yī)療業(yè)務承載方案如圖5所示，基層醫(yī)療機構(gòu)的醫(yī)療信息通過5G無線網(wǎng)切片、承載網(wǎng)FlexE切片、5G核心網(wǎng)切片接入中心醫(yī)院。

圖5 院間遠程醫(yī)療業(yè)務承載方案

具體方案如下：

1）核心網(wǎng)為遠程醫(yī)療業(yè)務預配置UPF、AMF、SMF切片。

2）無線網(wǎng)將遠程醫(yī)療業(yè)務定義成高優(yōu)先級業(yè)務，在業(yè)務高峰時確保醫(yī)療業(yè)務能被優(yōu)先調(diào)度。

3）承載網(wǎng)部署FlexE切片，視頻類高帶寬業(yè)務、控制信號類低速率業(yè)務分別放入不同的FlexE切片中，保證確定性的時延。

（3）院前場景

院前場景的典型應用是應急救護，具有突發(fā)性特點，救護車上醫(yī)療數(shù)據(jù)傳送對移動性、通信時延、傳輸帶寬要求高，移動范圍較廣，可采用5G端到端QoS+網(wǎng)絡切片技術(shù)，確保臨時性醫(yī)療服務對帶寬、時延、抖動、丟包等網(wǎng)絡性能的要求。院前應急救援場景業(yè)務承載方案如圖6所示。

圖6 院前應急救援場景業(yè)務承載方案

具體方案如下：

1）規(guī)劃5G專網(wǎng)時，預先設置QoS字段并定義與不同類型業(yè)務的映射關(guān)系。

2）承載網(wǎng)具備基于業(yè)務的切片嵌套能力，外層FlexE通道可內(nèi)部嵌套FlexE子接口。初始規(guī)劃時，在承載網(wǎng)預先配置FlexE通道和FlexE子通道，以便在業(yè)務觸發(fā)時快速部署切片。

3）當終端發(fā)起業(yè)務申請時，終端APP在業(yè)務入口中發(fā)起請求到應用平臺。

4）應用平臺通知核心網(wǎng)把業(yè)務QoS調(diào)整到高優(yōu)先級5QI，核心網(wǎng)將調(diào)整后的5QI發(fā)送到基站和終端APP。

5）無線網(wǎng)根據(jù)新的5QI進行優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)，將該業(yè)務的5QI映射成相應的DSCP值發(fā)送至承載網(wǎng)。

6）承載網(wǎng)識別業(yè)務的DSCP值，將該業(yè)務導入到預留的FlexE子通道，保障端到端的業(yè)務質(zhì)量。當FlexE子切片流量接近預定值時，可以通過切片管理器動態(tài)調(diào)整FlexE大小；當業(yè)務終結(jié)釋放資源時，可以降低FlexE的大小，避免對資源的消耗。

4 結(jié)束語

智慧醫(yī)療服務要求通信網(wǎng)絡能夠滿足超低時延、高可靠、大帶寬、海量連接、移動接入、廣域覆蓋、數(shù)據(jù)安全隔離、業(yè)務數(shù)據(jù)不出園區(qū)等需求，5G網(wǎng)絡特性與智慧醫(yī)療需求高度契合。本文通過分析智慧醫(yī)療的三種應用場景對網(wǎng)絡的不同需求，靈活運用網(wǎng)絡切片、專網(wǎng)UPF、邊緣計算等技術(shù)為不同應用場景部署相應的專網(wǎng)能力及業(yè)務實現(xiàn)方案。今后還需進一步地研究5G專網(wǎng)的冗災方案和商業(yè)運營模式，提升5G專網(wǎng)安全可靠性，打造面向醫(yī)療行業(yè)的5G專網(wǎng)運營服務體系，并向其他行業(yè)應用推廣。