面向遠程醫療的5G組網方案

劉金鑫 李娜 王鍶 李鈺

【摘? 要】5G獨立組網支持切片、邊緣計算等技術，為遠程醫療提供更強的技術支持。首先，通過遠程醫療應用對網絡的性能需求證明5G網絡對遠程醫療業務開展的重要性;其次，對比分析面向遠程醫療的非獨立與獨立組網方案;最后，設計面向遠程手術的5G獨立組網方案，并通過實際測試對方案進行優化改進。該方案驗證了獨立組網在遠程醫療領域的技術有效性。

【關鍵詞】5G;遠程醫療;遠程手術;獨立組網;非獨立組網

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

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0013-05

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

1? ?面向遠程醫療的5G網絡能力

1.1? 遠程醫療急需更優的網絡技術

我國地域遼闊，一直以來存在醫療資源分布不均的情況，落后地區及農村的醫療資源貧乏，當地居民難以獲得及時、高質量的醫療服務。遠程醫療運用通訊、計算機及網絡技術，克服地域限制，有效實現優質醫療資源共享下沉，形成高效的醫療服務體系，被廣泛認可為上述問題的有效途徑[1]。隨著遠程醫療的不斷發展，涌現出多樣化的創新應用與需求，但4G及目前醫院內的傳統無線網絡難以滿足[2]。

（1）帶寬：高清的醫學影像是醫生診斷的重要依據，數據量通常較為龐大，同時開展遠程視頻通訊時，也需要依靠4K/8K級的顯示充分體現醫學細節。然而4G條件下，視訊清晰度不足，高清影像傳輸速度慢，難以滿足遠程會診、遠程教學等業務需求。

（2）時延：超聲檢查、手術等業務十分依賴專家的技術手法，開展遠程操控類的服務可以大幅提升優質醫療資源的輻射半徑，但是現網時延無法支持遠程操控類業務開展。

（3）覆蓋：目前醫院內傳統的無線網絡移動性差、組網復雜、覆蓋范圍有限，影響院內移動醫護、醫療服務機器人等業務質量。同時，院外無線網絡難以滿足高速移動場景下的業務需求，致使院外急救難以與院內形成協同[3]。

1.2? 5G遠程醫療典型應用的網絡需求

5G遠程醫療應用可分為高清視頻類、遠程操控類以及應急救援類，各個典型應用因其業務特點不同，對網絡的關鍵指標需求也不相同。具體的業務需求指標及其數值見表1[4]：

5G作為新一代移動通信技術，具有大帶寬、低時延、高可靠等特性，是解決上述醫療行業痛點的可行性技術[5]。大帶寬特性能夠保證超高清音視頻及高清醫學影像實時傳輸。毫秒級時延為遠程手術等業務的操控反饋信號提供有效的網絡傳輸保障，使遠程操控類應用穩定、安全、可靠進行[6]。此外，切片、MEC等關鍵技術使5G網絡能夠針對不同的業務需求實現靈活部署，提供高質量的定制化網絡。5G可以對遠程醫療發展、優質醫療資源下沉提供極大的助力[7]。

5G組網方案在初期有兩種選擇：一是在現網EPC的基礎上進行升級，即非獨立組網（NSA）方案，另一種是建設全新的5GC，即獨立組網（SA）方案。其中，NSA需要依托部分4G的網絡單元，不能提供完整的5G能力，屬于4G向5G發展的過渡方案，最終為實現5G網絡的全部需求，組網方案都將演進為SA方式[8]。

2? ?面向遠程醫療的5G網絡組網方案分析

5G網絡NSA、SA兩種組網方式中，現階段5G業務實踐大多采用NSA的組網方案，隨著SA網絡的日趨成熟，也將有部分業務實現在SA網絡上的應用，實現由NSA向SA組網的逐漸過渡。

2.1? 面向遠程醫療的5G NSA組網方案

NSA被廣泛認為是向SA發展的過渡階段，不能夠獨立工作，該組網方式需要依托于現有的LTE網絡，主要以提升用戶帶寬和網絡容量為目標，實現增強移動帶寬的場景。

選項3x架構與4G LTE基本相同，由分組域核心網、電路域核心網、IMS核心網及相關業務平臺、無線接入網和NSA終端組成，其中分組域核心網通過功能增強支持NSA核心網，簡稱EPC+。相比于4G LTE網絡，5G NSA網絡主要有以下變化：（1）NSA終端可以接入4G LTE空口及5G NR的空口;（2）無線接入網包含4G eNB和5G gNB，其中4G eNB為主RAN節點，5G gNB作為副RAN節點。具體到5G遠程醫療的NSA組網方案如圖1所示。醫院內的醫療終端通過與CPE連接，接入到5G gNB上，5G gNB通過S1-U接口與核心網EPC+連接，核心網再與相關醫院數據中心或者醫療服務平臺相連接。

2.2? 面向遠程醫療的5G SA組網方案

SA組網具備5G網絡全部功能，可以實現網絡架構與業務能力上飛躍式的進步。SA提供網絡切片、邊緣計算、網絡功能虛擬化/軟件定義網絡等技術，面向增強移動帶寬、低時延、高可靠等場景，能夠針對不同業務需求靈活部署，提供差異化服務。

選項2架構可向后兼容NSA模式，具體到5G遠程醫療的SA組網方案如圖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4G EPC/5G NGC再與相關醫院數據中心或者醫療服務平臺相連接。

2.3? NSA與SA組網方案對比

SA組網是5G網絡發展的最終目標，NSA只是其中的過渡方案，SA相比NSA能夠支持更全面的業務場景需求。NSA無法提供完整的5G能力，但有利于提前早期探索5G遠程醫療應用，占據先機，對于長久發展無法提供足夠的網絡業務能力，且可能會影響4G現網的穩定性。5G遠程醫療的發展還是需要有SA網絡來提供更加多元、靈活的網絡能力，以保障業務的順利開展。NSA相當于是對現有4G網絡的擴容，只面向增強移動帶寬的場景，具體到5G遠程醫療需求中，大多只能滿足高清視頻類的應用需求;SA組網方式建設了全新的5G核心網，通過切片、邊緣計算等全新的網絡技術，在提高了網絡帶寬的同時，可以降低網絡時延到毫秒級，提供高質量可靠的穩定網絡，從而支持增強移動帶寬、低時延、高可靠、廣覆蓋等全業務場景，滿足高清視頻類、遠程操控類以及應急救援類等多項5G遠程醫療需求[9]。

3? ?面向遠程手術的5G SA組網方案應用

目前已經有一些成功的基于NSA網絡的5G遠程醫療應用實踐，如遠程超聲、遠程手術、遠程會診等。為給遠程醫療業務提供更加優質的網絡服務，實現高質量遠程醫療服務常態化開展，將進一步基于SA 5G網絡開展5G遠程醫療探索。本節以基于SA組網的5G遠程手術實踐為案例，對面向5G遠程手術的SA組網方案、測試結果以及方案優化進行分析探討。

3.1? 基于SA組網的5G遠程手術操控初探

腔鏡微創手術機器人是以機械手臂代替人手實施手術操作的設備，可消除人手在手術中可能發生的抖動，使手術操作更為精細、準確，同時借助遠程視訊，將手術視野放大數倍，視野更加清晰，提升手術質量。機器人分為醫生端和手術端兩部分設備，分別放置兩地，通過5G網絡即可實現遠程手術操控。手術端機器人設備是由三個機械臂構成，協同聯動，左右兩個機械臂模擬醫生兩手的手操作，中間一路機械臂架設攝像裝置，將機械臂動作傳輸到醫生端。醫生端設備包含高清顯示屏及操控手柄構成，專家在手柄上的移動實時傳輸到手術端，同時可通過顯示屏實時看到高清術野。

為保障遠程機器人手術高質量完成，中國移動制定了基于獨立組網的5G遠程手術整體方案，在北京與青島兩地間開展5G SA遠程手術操控業務實測。手術基于肝膽外科腔鏡手術機器人開展，SA組網方案如圖3所示：

本方案中，將醫生操控端放置在北京，手術端放置在青島，兩地通過新型數字室分系統實現5G網絡重點區域覆蓋，實現手術機器人的操控信號和高清視訊兩路信號的傳輸。網絡架構采用了獨立組網，北京、青島兩測試點分別割接至同一SA核心網，最大程度地降低端到端網絡時延，保障5G遠程手術操控業務順利開展。

3.2? 結果與分析

本次業務實測中，兩天內開通了跨省數字專線，實現北京操控端與SA核心網的連接，并經參數與策略配置打通端到端5G網絡。為進一步優化網絡性能，開展端到端網絡測試與逐段時延分析，實測結果如圖4所示。

北京與青島兩地5G網絡帶寬穩定，下行速率930 M、上行141 M，兩地端到端時延總計29 ms。將整段網絡分為A-E五個節點，分段進行試驗時延測試，結果如表2所示：

表2中AB段為北京操控端至北京PTN節點，此段時延為7 ms;BC段為跨省數字專線，所用時延為15 ms;CD段為SA核心網到青島手術室，所用時延為7 ms。因此，北京操控端與青島手術室兩地端到端時延總計29 ms。AB與CD兩段時延相同，且BC段時延已滿足相關專線標準，各段網絡時延均達到較為理想水平。

關于遠程手術的時延標準一直未有定論。曾有論文提出，機器人遠程手術中的數據通信QoS要求中，遠程操控的力觸覺反饋時延要達到3～10 ms，誤差小于2 ms。耶魯大學外科學教授理查德?薩特沃認為，醫生發出手術指令到機器人接收并執行操作的時間不應長于200 ms。同時有研究人員提出，認為遠程手術時延可以長達330 ms，同時取決于遠程手術醫療涉及的地理距離[10]。本次遠程手術操作的專家，基于前期在NSA架構下實現的5G遠程手術操控經驗，提出時延小于30～40 ms的要求，經測試本方案的網絡性能可以滿足需求。

與前期開展的基于NSA網絡的5G遠程手術案例相對比，本方案中的網絡性能已有較大提升。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遠程人體手術的實踐案例中，網絡端到端時延總計90 ms，整體5G網絡架構采用NSA網絡，北京手術室到北京核心網時延14 ms，海南操控室到海南核心網時延26 ms，北京與海南兩地核心網間時延50 ms。從兩次實踐結果中可看到，地理距離導致的時延在總時延中占比較高，均超過50%，但本次基于5G SA網絡的遠程手術，無線側時延實現了大幅縮短，使整體時延較為理想。

3.3? 5G SA遠程手術的方案的優化改進

為進一步提升項目響應速度及網絡質量，基于長期開展5G遠程手術的業務需求，可對本方案進行進一步優化。本次探索中的組網方案如圖5所示。

北京與青島間拉通了數字跨省專線接入SA核心網，建設過程中是從原有北京NSA核心網進行了割接，但由于專線規劃了新的GE端口，無法與原端口共用，相關調測配置均花費了較大的時間與人力，同時影響客戶原有業務開展。因此，對組網方案提出了優化，如圖6所示。

優化方案中，可將跨省數字專線可由接入院內基站調整為接入PTN核心側，采用L2物理層到PTN A終結，采用L3網絡層到北京核心網的地址，即可在不更換基站地址的條件下同時支持接入北京NSA核心網及外省SA核心網，保證遠程手術業務開展及院內用戶正常5G網絡使用。

4? ?結束語

5G作為全新的網絡通信技術，具有大帶寬、低時延、高可靠等特性，可以為遠程醫療的發展提供強有力的助力。隨著5G技術的不斷成熟，組網由NSA演進到SA，可提供更加穩定可靠的高質量網絡服務，進一步支撐混合現實、遠程手術等更多業務場景需求。同時，隨著切片、邊緣計算等技術的不斷成熟和實際應用，基于SA組網開展5G醫療業務的整體方案也將不斷完善，保障醫療業務靈活配置、數據安全隔離、算力更加高效，為更多5G醫療創新提供有力技術基礎，切實助力遠程醫療發展與建設。

參考文獻：

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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，博士畢業于哈爾濱工程大學，現任中國移動通信集團有限公司政企事業部醫衛行業拓展部總經理，主要從事智慧醫院、遠程醫療、區域醫衛等醫療信息化領域的規劃與研發工作。

李娜：博士畢業于北京郵電大學，現任職于中國移動通信集團有限公司政企事業部醫衛行業拓展部，主要從事5G智慧醫療相關研究工作。

王鍶：碩士畢業于北京理工大學，現任職于中國移動通信集團有限公司政企事業部醫衛行業拓展部，主要從事5G+遠程醫療相關研究工作。