劉金鑫 李娜 王鍶 李鈺

【摘? 要】5G獨(dú)立組網(wǎng)支持切片、邊緣計(jì)算等技術(shù)，為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供更強(qiáng)的技術(shù)支持。首先，通過遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的性能需求證明5G網(wǎng)絡(luò)對遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)開展的重要性;其次，對比分析面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的非獨(dú)立與獨(dú)立組網(wǎng)方案;最后，設(shè)計(jì)面向遠(yuǎn)程手術(shù)的5G獨(dú)立組網(wǎng)方案，并通過實(shí)際測試對方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。該方案驗(yàn)證了獨(dú)立組網(wǎng)在遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域的技術(shù)有效性。

【關(guān)鍵詞】5G;遠(yuǎn)程醫(yī)療;遠(yuǎn)程手術(shù);獨(dú)立組網(wǎng);非獨(dú)立組網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.003? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0013-05

引用格式：劉金鑫，李娜，王鍶，等. 面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的5G組網(wǎng)方案[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 13-17.

1? ?面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的5G網(wǎng)絡(luò)能力

1.1? 遠(yuǎn)程醫(yī)療急需更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

我國地域遼闊，一直以來存在醫(yī)療資源分布不均的情況，落后地區(qū)及農(nóng)村的醫(yī)療資源貧乏，當(dāng)?shù)鼐用耠y以獲得及時、高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)。遠(yuǎn)程醫(yī)療運(yùn)用通訊、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，克服地域限制，有效實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源共享下沉，形成高效的醫(yī)療服務(wù)體系，被廣泛認(rèn)可為上述問題的有效途徑[1]。隨著遠(yuǎn)程醫(yī)療的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出多樣化的創(chuàng)新應(yīng)用與需求，但4G及目前醫(yī)院內(nèi)的傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)難以滿足[2]。

（1）帶寬：高清的醫(yī)學(xué)影像是醫(yī)生診斷的重要依據(jù)，數(shù)據(jù)量通常較為龐大，同時開展遠(yuǎn)程視頻通訊時，也需要依靠4K/8K級的顯示充分體現(xiàn)醫(yī)學(xué)細(xì)節(jié)。然而4G條件下，視訊清晰度不足，高清影像傳輸速度慢，難以滿足遠(yuǎn)程會診、遠(yuǎn)程教學(xué)等業(yè)務(wù)需求。

（2）時延：超聲檢查、手術(shù)等業(yè)務(wù)十分依賴專家的技術(shù)手法，開展遠(yuǎn)程操控類的服務(wù)可以大幅提升優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的輻射半徑，但是現(xiàn)網(wǎng)時延無法支持遠(yuǎn)程操控類業(yè)務(wù)開展。

（3）覆蓋：目前醫(yī)院內(nèi)傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)移動性差、組網(wǎng)復(fù)雜、覆蓋范圍有限，影響院內(nèi)移動醫(yī)護(hù)、醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人等業(yè)務(wù)質(zhì)量。同時，院外無線網(wǎng)絡(luò)難以滿足高速移動場景下的業(yè)務(wù)需求，致使院外急救難以與院內(nèi)形成協(xié)同[3]。

1.2? 5G遠(yuǎn)程醫(yī)療典型應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)需求

5G遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用可分為高清視頻類、遠(yuǎn)程操控類以及應(yīng)急救援類，各個典型應(yīng)用因其業(yè)務(wù)特點(diǎn)不同，對網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)需求也不相同。具體的業(yè)務(wù)需求指標(biāo)及其數(shù)值見表1[4]：

5G作為新一代移動通信技術(shù)，具有大帶寬、低時延、高可靠等特性，是解決上述醫(yī)療行業(yè)痛點(diǎn)的可行性技術(shù)[5]。大帶寬特性能夠保證超高清音視頻及高清醫(yī)學(xué)影像實(shí)時傳輸。毫秒級時延為遠(yuǎn)程手術(shù)等業(yè)務(wù)的操控反饋信號提供有效的網(wǎng)絡(luò)傳輸保障，使遠(yuǎn)程操控類應(yīng)用穩(wěn)定、安全、可靠進(jìn)行[6]。此外，切片、MEC等關(guān)鍵技術(shù)使5G網(wǎng)絡(luò)能夠針對不同的業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)靈活部署，提供高質(zhì)量的定制化網(wǎng)絡(luò)。5G可以對遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展、優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源下沉提供極大的助力[7]。

5G組網(wǎng)方案在初期有兩種選擇：一是在現(xiàn)網(wǎng)EPC的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，即非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）方案，另一種是建設(shè)全新的5GC，即獨(dú)立組網(wǎng)（SA）方案。其中，NSA需要依托部分4G的網(wǎng)絡(luò)單元，不能提供完整的5G能力，屬于4G向5G發(fā)展的過渡方案，最終為實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的全部需求，組網(wǎng)方案都將演進(jìn)為SA方式[8]。

2? ?面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案分析

5G網(wǎng)絡(luò)NSA、SA兩種組網(wǎng)方式中，現(xiàn)階段5G業(yè)務(wù)實(shí)踐大多采用NSA的組網(wǎng)方案，隨著SA網(wǎng)絡(luò)的日趨成熟，也將有部分業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)在SA網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)由NSA向SA組網(wǎng)的逐漸過渡。

2.1? 面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的5G NSA組網(wǎng)方案

NSA被廣泛認(rèn)為是向SA發(fā)展的過渡階段，不能夠獨(dú)立工作，該組網(wǎng)方式需要依托于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，主要以提升用戶帶寬和網(wǎng)絡(luò)容量為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)移動帶寬的場景。

選項(xiàng)3x架構(gòu)與4G LTE基本相同，由分組域核心網(wǎng)、電路域核心網(wǎng)、IMS核心網(wǎng)及相關(guān)業(yè)務(wù)平臺、無線接入網(wǎng)和NSA終端組成，其中分組域核心網(wǎng)通過功能增強(qiáng)支持NSA核心網(wǎng)，簡稱EPC+。相比于4G LTE網(wǎng)絡(luò)，5G NSA網(wǎng)絡(luò)主要有以下變化：（1）NSA終端可以接入4G LTE空口及5G NR的空口;（2）無線接入網(wǎng)包含4G eNB和5G gNB，其中4G eNB為主RAN節(jié)點(diǎn)，5G gNB作為副RAN節(jié)點(diǎn)。具體到5G遠(yuǎn)程醫(yī)療的NSA組網(wǎng)方案如圖1所示。醫(yī)院內(nèi)的醫(yī)療終端通過與CPE連接，接入到5G gNB上，5G gNB通過S1-U接口與核心網(wǎng)EPC+連接，核心網(wǎng)再與相關(guān)醫(yī)院數(shù)據(jù)中心或者醫(yī)療服務(wù)平臺相連接。

2.2? 面向遠(yuǎn)程醫(yī)療的5G SA組網(wǎng)方案

SA組網(wǎng)具備5G網(wǎng)絡(luò)全部功能，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與業(yè)務(wù)能力上飛躍式的進(jìn)步。SA提供網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化/軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，面向增強(qiáng)移動帶寬、低時延、高可靠等場景，能夠針對不同業(yè)務(wù)需求靈活部署，提供差異化服務(wù)。

選項(xiàng)2架構(gòu)可向后兼容NSA模式，具體到5G遠(yuǎn)程醫(yī)療的SA組網(wǎng)方案如圖2所示。5G無線基站可以同時支持NSA和SA兩種工作模式，NSA終端與SA終端均可接入，5G gNB同時連接到4G EPC和5G NGC。5G gNB與5G NGC采用新空口NG-C/NG-U連接。核心網(wǎng)4G EPC/5G NGC再與相關(guān)醫(yī)院數(shù)據(jù)中心或者醫(yī)療服務(wù)平臺相連接。

2.3? NSA與SA組網(wǎng)方案對比

SA組網(wǎng)是5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的最終目標(biāo)，NSA只是其中的過渡方案，SA相比NSA能夠支持更全面的業(yè)務(wù)場景需求。NSA無法提供完整的5G能力，但有利于提前早期探索5G遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用，占據(jù)先機(jī)，對于長久發(fā)展無法提供足夠的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力，且可能會影響4G現(xiàn)網(wǎng)的穩(wěn)定性。5G遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展還是需要有SA網(wǎng)絡(luò)來提供更加多元、靈活的網(wǎng)絡(luò)能力，以保障業(yè)務(wù)的順利開展。NSA相當(dāng)于是對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容，只面向增強(qiáng)移動帶寬的場景，具體到5G遠(yuǎn)程醫(yī)療需求中，大多只能滿足高清視頻類的應(yīng)用需求;SA組網(wǎng)方式建設(shè)了全新的5G核心網(wǎng)，通過切片、邊緣計(jì)算等全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時，可以降低網(wǎng)絡(luò)時延到毫秒級，提供高質(zhì)量可靠的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，從而支持增強(qiáng)移動帶寬、低時延、高可靠、廣覆蓋等全業(yè)務(wù)場景，滿足高清視頻類、遠(yuǎn)程操控類以及應(yīng)急救援類等多項(xiàng)5G遠(yuǎn)程醫(yī)療需求[9]。

3? ?面向遠(yuǎn)程手術(shù)的5G SA組網(wǎng)方案應(yīng)用

目前已經(jīng)有一些成功的基于NSA網(wǎng)絡(luò)的5G遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用實(shí)踐，如遠(yuǎn)程超聲、遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程會診等。為給遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)提供更加優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)常態(tài)化開展，將進(jìn)一步基于SA 5G網(wǎng)絡(luò)開展5G遠(yuǎn)程醫(yī)療探索。本節(jié)以基于SA組網(wǎng)的5G遠(yuǎn)程手術(shù)實(shí)踐為案例，對面向5G遠(yuǎn)程手術(shù)的SA組網(wǎng)方案、測試結(jié)果以及方案優(yōu)化進(jìn)行分析探討。

3.1? 基于SA組網(wǎng)的5G遠(yuǎn)程手術(shù)操控初探

腔鏡微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人是以機(jī)械手臂代替人手實(shí)施手術(shù)操作的設(shè)備，可消除人手在手術(shù)中可能發(fā)生的抖動，使手術(shù)操作更為精細(xì)、準(zhǔn)確，同時借助遠(yuǎn)程視訊，將手術(shù)視野放大數(shù)倍，視野更加清晰，提升手術(shù)質(zhì)量。機(jī)器人分為醫(yī)生端和手術(shù)端兩部分設(shè)備，分別放置兩地，通過5G網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)操控。手術(shù)端機(jī)器人設(shè)備是由三個機(jī)械臂構(gòu)成，協(xié)同聯(lián)動，左右兩個機(jī)械臂模擬醫(yī)生兩手的手操作，中間一路機(jī)械臂架設(shè)攝像裝置，將機(jī)械臂動作傳輸?shù)结t(yī)生端。醫(yī)生端設(shè)備包含高清顯示屏及操控手柄構(gòu)成，專家在手柄上的移動實(shí)時傳輸?shù)绞中g(shù)端，同時可通過顯示屏實(shí)時看到高清術(shù)野。

為保障遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)高質(zhì)量完成，中國移動制定了基于獨(dú)立組網(wǎng)的5G遠(yuǎn)程手術(shù)整體方案，在北京與青島兩地間開展5G SA遠(yuǎn)程手術(shù)操控業(yè)務(wù)實(shí)測。手術(shù)基于肝膽外科腔鏡手術(shù)機(jī)器人開展，SA組網(wǎng)方案如圖3所示：

本方案中，將醫(yī)生操控端放置在北京，手術(shù)端放置在青島，兩地通過新型數(shù)字室分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)區(qū)域覆蓋，實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人的操控信號和高清視訊兩路信號的傳輸。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用了獨(dú)立組網(wǎng)，北京、青島兩測試點(diǎn)分別割接至同一SA核心網(wǎng)，最大程度地降低端到端網(wǎng)絡(luò)時延，保障5G遠(yuǎn)程手術(shù)操控業(yè)務(wù)順利開展。

3.2? 結(jié)果與分析

本次業(yè)務(wù)實(shí)測中，兩天內(nèi)開通了跨省數(shù)字專線，實(shí)現(xiàn)北京操控端與SA核心網(wǎng)的連接，并經(jīng)參數(shù)與策略配置打通端到端5G網(wǎng)絡(luò)。為進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，開展端到端網(wǎng)絡(luò)測試與逐段時延分析，實(shí)測結(jié)果如圖4所示。

北京與青島兩地5G網(wǎng)絡(luò)帶寬穩(wěn)定，下行速率930 M、上行141 M，兩地端到端時延總計(jì)29 ms。將整段網(wǎng)絡(luò)分為A-E五個節(jié)點(diǎn)，分段進(jìn)行試驗(yàn)時延測試，結(jié)果如表2所示：

表2中AB段為北京操控端至北京PTN節(jié)點(diǎn)，此段時延為7 ms;BC段為跨省數(shù)字專線，所用時延為15 ms;CD段為SA核心網(wǎng)到青島手術(shù)室，所用時延為7 ms。因此，北京操控端與青島手術(shù)室兩地端到端時延總計(jì)29 ms。AB與CD兩段時延相同，且BC段時延已滿足相關(guān)專線標(biāo)準(zhǔn)，各段網(wǎng)絡(luò)時延均達(dá)到較為理想水平。

關(guān)于遠(yuǎn)程手術(shù)的時延標(biāo)準(zhǔn)一直未有定論。曾有論文提出，機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)中的數(shù)據(jù)通信QoS要求中，遠(yuǎn)程操控的力觸覺反饋時延要達(dá)到3～10 ms，誤差小于2 ms。耶魯大學(xué)外科學(xué)教授理查德?薩特沃認(rèn)為，醫(yī)生發(fā)出手術(shù)指令到機(jī)器人接收并執(zhí)行操作的時間不應(yīng)長于200 ms。同時有研究人員提出，認(rèn)為遠(yuǎn)程手術(shù)時延可以長達(dá)330 ms，同時取決于遠(yuǎn)程手術(shù)醫(yī)療涉及的地理距離[10]。本次遠(yuǎn)程手術(shù)操作的專家，基于前期在NSA架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)的5G遠(yuǎn)程手術(shù)操控經(jīng)驗(yàn)，提出時延小于30～40 ms的要求，經(jīng)測試本方案的網(wǎng)絡(luò)性能可以滿足需求。

與前期開展的基于NSA網(wǎng)絡(luò)的5G遠(yuǎn)程手術(shù)案例相對比，本方案中的網(wǎng)絡(luò)性能已有較大提升。2019年3月16日，中國移動跨越北京、海南近3 000 km完成全球首例5G遠(yuǎn)程人體手術(shù)的實(shí)踐案例中，網(wǎng)絡(luò)端到端時延總計(jì)90 ms，整體5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用NSA網(wǎng)絡(luò)，北京手術(shù)室到北京核心網(wǎng)時延14 ms，海南操控室到海南核心網(wǎng)時延26 ms，北京與海南兩地核心網(wǎng)間時延50 ms。從兩次實(shí)踐結(jié)果中可看到，地理距離導(dǎo)致的時延在總時延中占比較高，均超過50%，但本次基于5G SA網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程手術(shù)，無線側(cè)時延實(shí)現(xiàn)了大幅縮短，使整體時延較為理想。

3.3? 5G SA遠(yuǎn)程手術(shù)的方案的優(yōu)化改進(jìn)

為進(jìn)一步提升項(xiàng)目響應(yīng)速度及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，基于長期開展5G遠(yuǎn)程手術(shù)的業(yè)務(wù)需求，可對本方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。本次探索中的組網(wǎng)方案如圖5所示。

北京與青島間拉通了數(shù)字跨省專線接入SA核心網(wǎng)，建設(shè)過程中是從原有北京NSA核心網(wǎng)進(jìn)行了割接，但由于專線規(guī)劃了新的GE端口，無法與原端口共用，相關(guān)調(diào)測配置均花費(fèi)了較大的時間與人力，同時影響客戶原有業(yè)務(wù)開展。因此，對組網(wǎng)方案提出了優(yōu)化，如圖6所示。

優(yōu)化方案中，可將跨省數(shù)字專線可由接入院內(nèi)基站調(diào)整為接入PTN核心側(cè)，采用L2物理層到PTN A終結(jié)，采用L3網(wǎng)絡(luò)層到北京核心網(wǎng)的地址，即可在不更換基站地址的條件下同時支持接入北京NSA核心網(wǎng)及外省SA核心網(wǎng)，保證遠(yuǎn)程手術(shù)業(yè)務(wù)開展及院內(nèi)用戶正常5G網(wǎng)絡(luò)使用。

4? ?結(jié)束語

5G作為全新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有大帶寬、低時延、高可靠等特性，可以為遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展提供強(qiáng)有力的助力。隨著5G技術(shù)的不斷成熟，組網(wǎng)由NSA演進(jìn)到SA，可提供更加穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，進(jìn)一步支撐混合現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程手術(shù)等更多業(yè)務(wù)場景需求。同時，隨著切片、邊緣計(jì)算等技術(shù)的不斷成熟和實(shí)際應(yīng)用，基于SA組網(wǎng)開展5G醫(yī)療業(yè)務(wù)的整體方案也將不斷完善，保障醫(yī)療業(yè)務(wù)靈活配置、數(shù)據(jù)安全隔離、算力更加高效，為更多5G醫(yī)療創(chuàng)新提供有力技術(shù)基礎(chǔ)，切實(shí)助力遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展與建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? 劉金鑫，靳澤宇，李雯雯，等. 5G遠(yuǎn)程醫(yī)療的探索與實(shí)踐[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2019，32（6）： 83-86.

[2]? ? 鮑玉榮，姜琳琳. 我國遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展的回顧與展望[J]. 中國數(shù)字醫(yī)學(xué)， 2019，14（5）： 99-102.

[3]? ? 劉金鑫，鄧小寧，武佳樂，等. 輻射全國的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)平 臺探索與實(shí)踐[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2017（12）： 9-14.

[4]? ?中國移動政企客戶分公司. 5G垂直行業(yè)應(yīng)用白皮書[R]. 2018.

[5]? ?張政. 面向5G開拓企業(yè)移動應(yīng)用市場[J]. 通信企業(yè)管理， 2018（6）： 50-52.

[6]? ? 孟燕慶. 針對不同應(yīng)用場景5G關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 中國新通信， 2019，21（4）： 60.

[7]? ? 侯佳. 基于邊緣計(jì)算的5G專網(wǎng)在醫(yī)療信息化中的應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)與軟件工程， 2019（22）： 23-24.

[8]? ? 3GPP. 3GPP TS 23.501： System Architecture for the 5G System，v15.2.0[S]. 2018.

[9]? ? 朱穎，楊思遠(yuǎn)，朱浩，等. 5G獨(dú)立組網(wǎng)與非獨(dú)立組網(wǎng)部署方案分析[J]. 移動通信， 2019，43（1）： 46-51.

[10]? ?A J，T H， P P，et al. A remote surgery experient between Japan and Tailand over Internet using a low latency CODEC system[C]//Robotics and Automation， 2007 IEEE International Coference. IEEE， 2007： 953-959.

收稿日期：2020-05-14

作者簡介

劉金鑫（orcid.org/0000-0003-3803-0857）：高級工程師，博士畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團(tuán)有限公司政企事業(yè)部醫(yī)衛(wèi)行業(yè)拓展部總經(jīng)理，主要從事智慧醫(yī)院、遠(yuǎn)程醫(yī)療、區(qū)域醫(yī)衛(wèi)等醫(yī)療信息化領(lǐng)域的規(guī)劃與研發(fā)工作。

李娜：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)有限公司政企事業(yè)部醫(yī)衛(wèi)行業(yè)拓展部，主要從事5G智慧醫(yī)療相關(guān)研究工作。

王鍶：碩士畢業(yè)于北京理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中國移動通信集團(tuán)有限公司政企事業(yè)部醫(yī)衛(wèi)行業(yè)拓展部，主要從事5G+遠(yuǎn)程醫(yī)療相關(guān)研究工作。