5G專網在智慧醫療中的應用

劉虹

（海南電信規劃設計院有限公司，海南 海口 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略實施，須不斷提升醫療服務現代化水平。現階段我國醫療服務面臨的主要問題是優質醫療資源不足，基層衛生服務能力薄弱。5G網絡具有高帶寬、低時延、海量連接等特性，并具備根據醫療業務需求定制專網的能力，可以支持實現無線監護、移動查房、遠程會診、遠程影像、遠程心電/超聲、遠程急救等業務，提升醫療資源使用效率，實現優質醫療資源延伸至基層服務機構。

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

本文通過分析智慧醫療應用場景對網絡性能的需求，研究了5G專網關鍵技術在醫療行業的應用，探討了按需定制5G專網部署模式，并提出了不同應用場景下的業務解決方案，為5G專網應用于醫療行業提供參考。

1 智慧醫療應用場景

智慧醫療的各項業務對通信網絡的傳輸速率、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 醫療業務對網絡的需求

根據醫療業務發生和使用場所不同，智慧醫療應用可分為以下三大場景：

（1）院內場景：無線監護、移動查房、醫療影像傳送、導醫機器人等醫療設施基于5G網絡自動采集數據，并快速傳送和共享、展示。

（2）院間場景：中心醫院向基層醫療機構提供遠程會診、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生開展診療服務，通過5G網絡控制移動式無線醫療設備，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診等應用。在急救車行進途中，醫療人員可通過車載移動醫療裝備持續監測患者生命體征，與遠端專家協同診療，廣域覆蓋的5G網絡為突發性的移動救護及轉診提供大帶寬、低時延、隨時接入的網絡服務。

2 5G專網關鍵技術

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

2.1 本地業務分流和邊緣計算

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

圖1 醫院專網UPF和MEC部署示意圖

5G核心網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會話的數據路徑中插入一個“UL CL”，專網UPF根據SMF下發的分流規則過濾上行數據包IP地址，將符合分流規則的流量分流至本地DN。UL CL機制下UE只有一個IP地址，不需感知數據分流。

（2）IPv6多歸屬（IPv6 Multi-homing）基于源地址分流：SMF根據UE位置選擇本地UPF進行分流，本地UPF根據SMF下發的分流規則過濾上行數據包源IP地址，將符合分流規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據分流。

（3）LADN（Local Area Data Network，本地區域數據網）基于特定DNN（Data Network Name）分流：該機制為園區內部用戶分配特定DNN，SMF根據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據分流。

從上述三種分流機制實現方式分析可知，分流方式的選擇應根據技術的成熟程度、終端對分流機制的支持能力、對現有網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 網絡切片技術

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

網絡切片是指在一個物理網絡上劃分出的多個虛擬的端到端邏輯網絡，每個切片是一組網絡功能及資源的集合，以其特定的網絡特征和資源來滿足對應的業務需求，切片之間相互隔離、互不影響。網絡切片可以根據業務的性能要求（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，在網絡側簽約確定用戶所能接入的切片。

5G網絡端到端切片由無線網切片、移動核心網切片和承載網切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一管理。

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

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

為確保智慧醫療業務的安全穩定性，承載網切片建議采用基于靈活以太網FlexE（Flex Ethernet）技術的物理隔離來保證帶寬和低時延性能。FlexE技術是基于高速Ethernet接口，通過引入FlexE Shim層實現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數據流中的以太網幀以64/66B編碼為單位切分為原子數據塊，可以通過FlexE Shim層實現在FlexE group中多個物理接口與時隙之間的分發。利用FlexE技術可以將物理以太接口的帶寬劃分給多個不同的網絡切片使用，實現不同切片之間的流量隔離。

3 5G專網應用方案

3.1 智慧醫療系統架構

5G網絡的三大應用場景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）與智慧醫療服務對通信網絡的要求高度契合，基于5G網絡運用邊緣計算、網絡切片等技術建設智慧醫療系統，可實現醫學影像數據高速率低時延傳輸、海量醫療可穿戴設備無線連接、高清音視頻遠程實時會診、遠程操控智能醫護終端等業務。智慧醫療基本架構如圖2所示：

圖2 智慧醫療基本架構

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

（2）網絡層：根據醫療業務對時延、最大可用帶寬、高安全性、業務數據隔離、業務覆蓋范圍的不同要求，定制5G專用網絡，提供端到端安全可靠的差異化網絡服務。

（3）平臺層：由電子病歷、影像存儲、醫療大數據分析、視訊會診等基本功能模塊組成，實現信息的運算、存儲和分析。

（4）應用層：面向各層級醫療機構、醫護人員、患者的院內醫療應用系統、遠程醫療、應急救援等。

3.2 專網組網模式選擇

面向智慧醫療的5G專網有以下三種組網模式：

模式一：獨立組網。建設與公網完全隔離的獨立專網，由5G核心網（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、統一數據管理UDM、策略控制功能PCF等）、承載網、無線網組成，為客戶提供全封閉的網絡。專網既可以采用相關主管部門為垂直行業專門分配的5G專用頻段，也可以采用運營商分配的公網頻段。優點是完全與公網隔離，數據安全可靠，傳輸時延低，網絡服務質量不受公網影響；缺點是建設投資大以及運維成本高。

模式二：混合組網。建設硬件精簡、功能按需定制、運維簡單的輕量化5G核心網，與公網共享5G無線網和承載網。醫療業務數據流量在本地實現分流，屬于專網的醫療數據流量傳送到專網UPF，公網業務流量傳送到公網UPF。優點是共享無線網和承載網降低了建設投資；缺點是無線網和承載網的帶寬會受公網業務數據流影響，可根據醫療業務對網絡性能的要求，采用5G QoS、網絡切片、邊緣計算等技術保障業務端到端的帶寬、時延以及業務數據隔離。

為減少建設投資，建設初期可與公網共享5G核心網控制面、無線網和承載網，只需在醫院園區內新建專網UPF和MEC，保障業務數據不出園區以及低時延業務質量，將來再根據業務需求部署5G專網核心網控制面。

采用模式二，部分信息仍在運營商公網存儲和傳送，在數據安全性和隱私保護方面稍遜于模式一。

模式三：虛擬專網。專網與公網端到端共享，即共享5G核心網、無線網和承載網，通過部署端到端的網絡切片建設專網，用戶信息和數據流量的安全性由網絡切片技術保障。優點是公網覆蓋范圍內均可提供虛擬專網服務，服務范圍廣、建設投資少；缺點是在傳輸時延和數據安全保障方面較弱。

通過以上三種5G專網組網模式的優缺點分析，結合智慧醫療的服務宗旨和業務特點，統籌考慮建設投資和運維成本，建議院內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 網絡組織方案

5G承載網作為5G業務的承載網絡，以STN（Smart Transport Network，智能傳送網）網絡為例，采用三層網絡架構，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5G核心網設置在省核心機樓，經5GC CE（5G Core Network CE）與承載網ER設備連接；公共醫療云平臺設在數據中心，經網關路由器與承載網互通。

醫院園區內5G無線網BBU就近接至A設備，通過承載網聯接至專網UPF和MEC、5G核心網。無線醫療終端通過內置無線通信模組接入5G無線網。

智慧醫療專網UPF和MEC部署在醫院中心機房，專網UPF和MCE就近接至A設備。院區內無線網BBU、專網UPF和MCE所接的A設備均在同一園區內，可實現數據不出園區，在本地存儲和處理。

智慧醫療網絡組織方案如圖3所示：

圖3 智慧醫療網絡組織方案

3.4 業務承載方案

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

（1）院內場景

院內場景中的業務有確定的帶寬、低時延和高可靠性及數據不出園區要求，可采用端到端的硬切片技術保障醫療業務SLA（Service Level Agreement，業務等級協議）。

院內醫療業務承載方案如圖4所示，醫療終端經5G無線網接入，通過5G無線網切片、承載網FlexE切片在醫療終端至醫療MEC之間設置醫療專網通道，保證數據高速率、低時延傳送。

圖4 院內醫療業務承載方案

具體方案如下：

1）切片管理器基于業務需求創建切片模板，將相應的網絡參數分別下發到無線網、承載網和核心網控制器中，部署端到端硬切片。

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

3）承載網通過控制器配置FlexE切片技術，實現業務級網絡切片，保障業務嚴格隔離，預設置切片帶寬確保在網絡出現擁塞時醫療業務不受影響，滿足業務在承載網的帶寬和時延要求。

4）核心網側則通過核心網控制器配置專用資源，實現業務數據隔離。

（2）院間場景

基層醫療機構通過廣域部署的5G網絡與中心醫院連接，實現遠程會診、遠程心電等遠程醫療業務。院間遠程醫療業務承載方案如圖5所示，基層醫療機構的醫療信息通過5G無線網切片、承載網FlexE切片、5G核心網切片接入中心醫院。

圖5 院間遠程醫療業務承載方案

具體方案如下：

1）核心網為遠程醫療業務預配置UPF、AMF、SMF切片。

2）無線網將遠程醫療業務定義成高優先級業務，在業務高峰時確保醫療業務能被優先調度。

3）承載網部署FlexE切片，視頻類高帶寬業務、控制信號類低速率業務分別放入不同的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，具有突發性特點，救護車上醫療數據傳送對移動性、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+網絡切片技術，確保臨時性醫療服務對帶寬、時延、抖動、丟包等網絡性能的要求。院前應急救援場景業務承載方案如圖6所示。

圖6 院前應急救援場景業務承載方案

具體方案如下：

1）規劃5G專網時，預先設置QoS字段并定義與不同類型業務的映射關系。

2）承載網具備基于業務的切片嵌套能力，外層FlexE通道可內部嵌套FlexE子接口。初始規劃時，在承載網預先配置FlexE通道和FlexE子通道，以便在業務觸發時快速部署切片。

3）當終端發起業務申請時，終端APP在業務入口中發起請求到應用平臺。

4）應用平臺通知核心網把業務QoS調整到高優先級5QI，核心網將調整后的5QI發送到基站和終端APP。

5）無線網根據新的5QI進行優先轉發，將該業務的5QI映射成相應的DSCP值發送至承載網。

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

4 結束語

智慧醫療服務要求通信網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、數據安全隔離、業務數據不出園區等需求，5G網絡特性與智慧醫療需求高度契合。本文通過分析智慧醫療的三種應用場景對網絡的不同需求，靈活運用網絡切片、專網UPF、邊緣計算等技術為不同應用場景部署相應的專網能力及業務實現方案。今后還需進一步地研究5G專網的冗災方案和商業運營模式，提升5G專網安全可靠性，打造面向醫療行業的5G專網運營服務體系，并向其他行業應用推廣。