全光網(wǎng)絡(luò)在智慧醫(yī)院中的應(yīng)用研究

摘要：當(dāng)前，在醫(yī)療行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型加速推進(jìn)的態(tài)勢下，醫(yī)院信息化建設(shè)已成為提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量、優(yōu)化患者就醫(yī)體驗的關(guān)鍵途徑。緊扣這一現(xiàn)實需求，對現(xiàn)代化醫(yī)院信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求與組網(wǎng)現(xiàn)狀展開深入剖析，針對F5G全光網(wǎng)絡(luò)與以太全光網(wǎng)絡(luò)兩種典型技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、多業(yè)務(wù)承載與隔離、終端接入帶寬等多個角度展開深入研究和對比，明晰各技術(shù)的優(yōu)勢與不足，以及全光網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中需要注意的問題與對策，以期為智慧醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供實用且具有前瞻性的參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：智慧醫(yī)院"全光網(wǎng)絡(luò)"PON"醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)"融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中圖分類號：R197.32

Research"on"the"Application"of"All-Optical"Networks"in"Smart

Hospitals

WANG"Wenhui

Xiamen"Information"Port"Construction"and"Development"Co.，"Ltd.，"Xiamen，"Fujian"Province，"361000"China

Abstract：Currently，"with"the"acceleration"of"digital"transformation"in"the"medical"industry，"hospital

information"construction"has"become"a"key"way"to"improve"the"quality"of"medical"services"and"optimize"the"patient's"medical"experience."Focusing"on"this"practical"need，"this"article"conducts"an"in-depth"analysis"of"the"construction"requirements"and"networking"status"of"modern"hospital"information"networks."Two"typical"technologies，"F5G"all-optical"network"and"Ethernet"all-optical"network，"are"studied"and"compared"from"multiple"perspectives"such"as"network"architecture，"multi"service"bearer"and"isolation，"and"terminal"access"bandwidth."The"advantages"and"disadvantages"of"each"technology"are"clarified，"as"well"as"the"issues"and"countermeasures"that"need"to"be"paid"attention"to"in"the"application"of"all-optical"networks，"in"order"to"provide"practical"and"forward-looking"references"and"inspirations"for"the"construction"of"smart"hospital"networks.

Key"Words：Smart"hospital;All-optical"network;PON;Hospital"network;"Converged"network"architecture

近年來，國家衛(wèi)生健康委員會大力推動智慧醫(yī)院建設(shè)，明確構(gòu)建了以電子病歷為核心，融合智慧服務(wù)與智慧管理的“三位一體”信息化建設(shè)框架，旨在全面提升醫(yī)療服務(wù)效率與質(zhì)量。然而，當(dāng)前醫(yī)療影像數(shù)據(jù)量的爆發(fā)式增長、遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)需求激增，醫(yī)療業(yè)務(wù)高峰期流量高并發(fā)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)凸顯出明顯局限性，成為智慧醫(yī)院發(fā)展的瓶頸。在此背景下，全光網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，為突破這一困境提供了有力支撐。

1"智慧醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)需求及組網(wǎng)現(xiàn)狀

當(dāng)前，醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)在功能和應(yīng)用層面上通常劃分為內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)及智能化專網(wǎng)[1]。

1.1"內(nèi)網(wǎng)

內(nèi)網(wǎng)為醫(yī)療專用信息應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，承載了智慧醫(yī)療與智慧管理的核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括醫(yī)療業(yè)務(wù)平臺的數(shù)據(jù)交換、HIS、EMR、LIS、PACS，以及排隊叫號、醫(yī)護(hù)對講、手術(shù)示教等各類醫(yī)療輔助系統(tǒng)。此外，醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)還涵蓋內(nèi)網(wǎng)Wi-Fi接入與醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)，覆蓋醫(yī)院各臨床科室的診區(qū)和病區(qū)、醫(yī)技科室、辦公區(qū)域、收費處、藥房、門急診大廳等諸多醫(yī)療場所，是醫(yī)院的核心工作網(wǎng)絡(luò)。

1.2"外網(wǎng)

外網(wǎng)主要用于辦公室、公共區(qū)域等場景的互聯(lián)網(wǎng)接入及外網(wǎng)Wi-Fi接入服務(wù)，并對外提供預(yù)約診療、線上復(fù)診、信息公告、遠(yuǎn)程醫(yī)療等服務(wù)。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康”戰(zhàn)略的深入實施，醫(yī)院構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)院，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)預(yù)約、問診、繳費等智慧服務(wù)功能已成為趨勢。

1.3智能化專網(wǎng)

智能化專網(wǎng)主要用于安防監(jiān)控、緊急求助、入侵報警、門禁控制、停車管理、樓宇自控及環(huán)境監(jiān)控等智能化系統(tǒng)的信號傳輸，是醫(yī)院安全防護(hù)及能源、環(huán)境管理的重要支撐。

2"醫(yī)院全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

經(jīng)過多年的技術(shù)演進(jìn)，當(dāng)前醫(yī)院全光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)主要有以太全光網(wǎng)絡(luò)和F5G全光網(wǎng)絡(luò)兩種類型。

2.1"F5G全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

F5G全光網(wǎng)絡(luò)主要指F5G"無源光局域網(wǎng)（Passive"Optical"LAN，POL），其核心組件包括光線路終端（Optical"Line"Terminal，OLT）、光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical"Distribution"Network，ODN）及光網(wǎng)絡(luò)單元（Optical"Network"Unit，ONU）。OLT作為網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)匯聚所有ONU的接入，并執(zhí)行數(shù)據(jù)交換與轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。ODN由分光器和光纖等無源器件構(gòu)成，負(fù)責(zé)光信號的分配與傳輸。ONU部署于用戶端，提供終端業(yè)務(wù)的接入功能[2]。

2.2"以太全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

以太網(wǎng)全光網(wǎng)絡(luò)采用點到點架構(gòu)，其沿用成熟的以太網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過光纖直接入室，摒棄了傳統(tǒng)的樓層接入設(shè)備，從而實現(xiàn)樓棟內(nèi)的統(tǒng)一匯聚。通常由核心交換機(jī)、匯聚交換機(jī)、接入交換機(jī)、光模塊和光纖等組成。目前，市場上還推出了一種以太彩光組網(wǎng)方案，該方案核心是通過簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層級，并引入CWDM彩光技術(shù)，通過在單根光纖上復(fù)用多個不同波長的光信號，以此提高單根光纖的利用率。其核心構(gòu)成包括彩光交換機(jī)、彩光模塊和光纖等。這兩種方案在醫(yī)院全光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中提供了不同的路徑選擇。

2.3"技術(shù)對比

2.3.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面

F5G全光網(wǎng)絡(luò)及以太全光網(wǎng)絡(luò)相較于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的顯著區(qū)別在于將接入交換機(jī)或ONU直接下沉部署到了房間或終端用戶處，這一策略顯著縮短了銅纜的距離，有效降低了信號衰減和電磁干擾的風(fēng)險，同時賦予了信息點位更加靈活的擴(kuò)展能力。以太全光網(wǎng)絡(luò)遵循傳統(tǒng)“核心—匯聚—接入”三層架構(gòu)，而以太彩光技術(shù)和F5G無源全光網(wǎng)絡(luò)雖在形式上也采用類似的三層架構(gòu)，但由于其中間傳輸鏈路采用無源器件，故而可近似視作“核心—接入”扁平化二層架構(gòu)，這種扁平架構(gòu)的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面：一是優(yōu)化了南北向流量的傳輸效率；二是減少了有源設(shè)備的數(shù)量，從而降低了故障發(fā)生率、能耗以及潛在的火災(zāi)風(fēng)險。然而，這種優(yōu)勢也是一把雙刃劍，因為傳統(tǒng)三層架構(gòu)的設(shè)計初衷是確保大型網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性和靈活性，對于中小型網(wǎng)絡(luò)而言，以太全光網(wǎng)絡(luò)也可以簡化為兩層甚至一層架構(gòu)。另外，值得注意的是，這種扁平化架構(gòu)在面向物流量較多的場景時，可能面臨效率瓶頸，需要在設(shè)計時充分考慮合理的收斂比，以平衡網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用與數(shù)據(jù)處理的效率。

綜上所述，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面F5G全光網(wǎng)絡(luò)與以太全光網(wǎng)絡(luò)相比各具優(yōu)勢。在大型網(wǎng)絡(luò)、對物流量要求較高的場景方面，以太全光網(wǎng)絡(luò)更具有優(yōu)勢。

2.3.2多業(yè)務(wù)承載與隔離方面

以太全光網(wǎng)絡(luò)及F5G全光網(wǎng)絡(luò)均支持常見的網(wǎng)絡(luò)、IP電話、IPTV、物聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi、視頻監(jiān)控等多種業(yè)務(wù)承載，其主要區(qū)別在于多業(yè)務(wù)隔離機(jī)制方面。

F5G全光網(wǎng)絡(luò)通過實施硬管道隔離策略，結(jié)合時分復(fù)用（Time-division"Multiplexing，TDM）和波分復(fù)用（Wavelength"Division"Multiplexing，WDM）技術(shù)，為每個ONU分配固定的時隙和波長，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流在物理層上的嚴(yán)格區(qū)分。通過這一機(jī)制，F(xiàn)5G全光網(wǎng)絡(luò)在多業(yè)務(wù)承載中可以實現(xiàn)高效的物理隔離，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母甙踩院透綦x性。

相較于F5G，以太全光網(wǎng)絡(luò)在實現(xiàn)多業(yè)務(wù)隔離時主要依賴于軟件層面，如虛擬局域網(wǎng)（Virtual"Local"Area"Network，VLAN）、多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-Protocol"Label"Switching，MPLS）和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)業(yè)務(wù)之間的邏輯隔離[3]。這些技術(shù)雖能在同一物理基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建出多個獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，但當(dāng)業(yè)務(wù)需求升級至需要物理層專網(wǎng)支持時，以太全光網(wǎng)絡(luò)就需要為每個專網(wǎng)分別組網(wǎng)，導(dǎo)致主干網(wǎng)絡(luò)中的光纖數(shù)量顯著增加。為了應(yīng)對此問題，以太全光網(wǎng)絡(luò)推出了以太彩光技術(shù)，該技術(shù)利用波分復(fù)用（Coarse"wavelength"Division"Multiplexer，CWDM）原理，通過特定的彩光模塊將不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)調(diào)制至不同波長上進(jìn)行傳輸。

2.3.3終端接入帶寬方面

目前，醫(yī)院全光網(wǎng)絡(luò)實際場景中接入層交換機(jī)已采用分布式部署，下沉到前端，通常以極簡化4/8口/16口為主，假設(shè)不考慮無源光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)帶寬分配機(jī)制，采用8口設(shè)備，XGS-PON與以太全光網(wǎng)絡(luò)在單用戶終端接入平均速率均為1"250"Mbps/8=160"Mbps，這個速率在六類非屏蔽網(wǎng)線的傳輸速率范圍內(nèi)，也符合目前市場上主流終端千兆網(wǎng)卡的現(xiàn)狀[4]。對于，4K/8K、AR、CloudVR等1"G至10"Gbps超高帶寬應(yīng)用場景，兩種全光網(wǎng)絡(luò)可通過減小的分光比或收斂比，選擇更高帶寬設(shè)備實現(xiàn)。

在當(dāng)前應(yīng)用場景下，基于XGS-PON技術(shù)的F5G全光無源局域網(wǎng)與以太全光網(wǎng)絡(luò)在終端接入帶寬能力上水平相當(dāng)。但從帶寬演進(jìn)方面，目前PON技術(shù)商用主要在10G"GPON，50G"PON剛起步，100G"PON還在概念階段，以太全光40G/100G商用成熟，400G已開始逐步商業(yè)化管理，以太全光網(wǎng)絡(luò)在帶寬演進(jìn)方面更具有優(yōu)勢[5]。

除此之外，在物理安全層面，F(xiàn)5G全光網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)中間采用無源設(shè)備，相較于以太全光的匯聚層采用有源設(shè)備，有效降低潛在故障風(fēng)險，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性。在加密機(jī)制方面，F(xiàn)5G全光網(wǎng)絡(luò)支持在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行加密，直接集成"AES-128"或更高級的加密算法于設(shè)備中，對從核心層至用戶終端的每一數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密處理，實現(xiàn)了端到端的鏈路層安全保障。相較于以太網(wǎng)全光依賴媒體訪問安全協(xié)議的方式，配置與管理較為簡單。而在綠色節(jié)能方面F5G全光網(wǎng)絡(luò)的無源特性更具優(yōu)勢。

根據(jù)以上對比，對于需要大帶寬、高可靠且運維簡便的應(yīng)用場景，以太全光網(wǎng)絡(luò)更有優(yōu)勢；而對于追求成本控制、節(jié)能減排以及高效管理的項目，F(xiàn)5G全光網(wǎng)絡(luò)可能是更為符合邏輯和實際需求的選擇[6]?？紤]到多數(shù)醫(yī)院的現(xiàn)實運行環(huán)境，全光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)并非能夠一蹴而就，醫(yī)院建設(shè)部門需要綜合評估設(shè)施利舊與控制投入成本的需求，制定清晰的演進(jìn)路線圖，按需升級，具體應(yīng)用中，可以采用逐步替換到期設(shè)備和建設(shè)新網(wǎng)絡(luò)的方式，或融合組網(wǎng)方案有序推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的升級換代。

3"醫(yī)院全光網(wǎng)應(yīng)用需注意的問題與對策

3.1終端接入設(shè)備供電

在實際應(yīng)用中，為了更好地解決終端接入設(shè)備的供電問題，在項目前期，建議將終端設(shè)備的用電納入醫(yī)院整體電氣設(shè)計進(jìn)行全面統(tǒng)籌考慮。綜合采用冗余電源、不間斷電源（Uninterruptible"Power"Supply，UPS）等設(shè)備，以切實確保穩(wěn)定供電。同時，配置智能電源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)智能開關(guān)控制、節(jié)能控制以及故障監(jiān)測等精細(xì)化管理功能，降低能源消耗同時保障電源系統(tǒng)可靠性。

3.2終端設(shè)備箱選型及安裝

在醫(yī)院環(huán)境中，由于空間有限，終端設(shè)備箱的選型與安裝至關(guān)重要。應(yīng)選取合適尺寸的設(shè)備箱，確保網(wǎng)絡(luò)接入高效同時不影響醫(yī)療設(shè)備布局和使用。此外，設(shè)備箱還需綜合考慮散熱、防塵、防潮及電磁干擾等因素。宜配備散熱風(fēng)扇、通風(fēng)孔以維持適宜的溫度。選擇具有高防護(hù)等級（"IP65"或更高等級）的設(shè)備箱，有效防塵防潮，減少電磁干擾。同時，采用靜音設(shè)計的產(chǎn)品，避免對醫(yī)院的安靜環(huán)境造成干擾。

3.3"安全與維護(hù)

由于接入交換機(jī)或ONU下沉部署至房間或終端用戶處，增加了安全風(fēng)險及維護(hù)難度。為加強(qiáng)管理，提升效率，建議可從3個方面著手：一是配置智能化維護(hù)管理系統(tǒng)，實時監(jiān)控全光網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常情況時可即時警報，以便維護(hù)人員快速處理；二是終端接入設(shè)備選型盡量選用快速維護(hù)或免維護(hù)的，減少維護(hù)頻率和難度，降低成本，提高可用性；三是在設(shè)備安全防護(hù)上，可考慮增加智能鎖、入侵報警、溫濕度監(jiān)測等智能防護(hù)措施實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處理異常，提高安全與維護(hù)工作的成效。

4"結(jié)語

新型業(yè)務(wù)需求與技術(shù)革新攜手并進(jìn)，強(qiáng)力驅(qū)動全光網(wǎng)絡(luò)持續(xù)演進(jìn)與廣泛應(yīng)用。在醫(yī)院信息化建設(shè)中全光網(wǎng)絡(luò)以其獨特的高帶寬、低時延、高可靠性、靈活擴(kuò)展等特性，成為支撐遠(yuǎn)程會診、移動醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療等智慧醫(yī)療業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。展望未來，全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷成熟與終端設(shè)備帶寬的持續(xù)提升，一個以光纖直連終端為核心、純粹高效的光網(wǎng)絡(luò)時代正逐步成為現(xiàn)實。這一變革將深刻影響醫(yī)院信息化建設(shè)的格局，推動醫(yī)療行業(yè)邁向更加智能化、高效化、人性化的新時代。

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