基于异构网络的智能医疗健康体系研究

刘晓爽 李建锋

摘要：随着医疗信息系统的逐渐普及以及其技术的迅速发展，推动了医疗信息系统的应用和发展。虽然许多医院已经搭建成全院信息系统和区域医疗卫生信息系统，并且部分开展了远程医疗会诊。但是，异构医疗信息系统难以互联，在同一医疗机构中由于系统的多源性，相互之间的医疗信息难以互通，形成了各自为营的信息孤岛，使得病人在异构系统中就医所产生的临床医疗信息难以实现共享。因此，提出了一种基于异构网络的智能医疗健康体系，其中，异构网络是由蜂窝网络、无线局域网和无线城域网构成;在详细介绍该体系架构的同时，也对异构网络的配置及参数进行了具体描述。该体系适合于很多应用场景。

关键词：异构网络;健康监测体系;蜂窝网络;无线局域网;无线城域网

中图分类号：TN929.5;TP212.9      文献标识码：A     文章编号：1009-3044（2018）34-0189-03

1 引言

随着无线电设备和无线接入技术的广泛普及，人们对异构网络的高速协同传输提出了挑战。近年来，Wi-Fi、蓝牙、UWB等移动终端嵌入了越来越多的无线接入技术[1]。与此同时，语音、视频和文件传输等应用程序需要同时传输数据，其中一些应用程序需要带宽。因此，需要建立异构无线接入网络（Heterogeneous Wireless Access Networks， WANs），形成无线覆盖接入网络[2]，在密集接入场景中满足不同的移动用户和不同的应用需求，如无线电子健康、无线会议室、无线电子教育、智能住宅等等。

移动、无线、普适计算和通信环境正在改变医务人员与病人及老年人的交互方式。通过部署自组织的无线生理监测硬件/软件系统，在患者特定体位上进行持续的病理监测，可以有效地保证执业医师的及时干预[3]。具有多网络接口的用户终端能够访问不同的网络，选择服务质量（Quality of Service，QoS）最佳、成本最低的网络[4]。因此，为了吸引更多的用户，所有的运营商会合作或竞争以达到总收益最大化。为此，异构网络之间的合作与竞争已成为一个重要的研究课题[5]。远程医疗监护具有降低医疗成本、提高医疗质量、持续及时监测患者、完整收集患者身体数据，并能及时反馈合适的治疗方案等优点。基于无线传感器网络技术的分层结构被广泛用于医疗监控体系[6]。

2 系统模型

2.1智能医疗健康监测体系

本文提出的医疗健康监测体系结构有三个层次，如图1所示。

层1：异构无线传感器网络——本文设计了两种不同感知目标的传感器系统，用于采集患者的生命体征信号和居住地环境参数。具有蓝牙无线传输功能的可穿戴传感系统（Wearable Sensor Systems，WSS）与生物医学传感器集成在患者识别腕带或腰带上。WSS很方便且很贴合患者的身体，从而采集他们的生理数据。监测区域内设置了两种异构传感器节点采用Zigbee无线技术进行通信，通过有线或无线网络来传输环境参数。来自WSS和HWSN的参数和数据必须安全地传输到上层网络[7]。

层2：Ad Hoc网络——在医疗健康监测体系结构中，多个无线路由器和移动终端（MTs）在区域内组成Ad Hoc网络进行多跳路由或基础设施网络连接到一个固定的远程基站（BS）或本地基站。如果BS被灾难摧毁，则采用通信指挥车辆代替BS。由于MTs不可能在很长一段时间内（比如几个月或几年）存储大量的数据。因此，MTs具有足够计算能力，可以从WSS或HWSN中采集和分析参数。但是，在后端網络数据库中，需要通过基础设施的模式进行主要或重要的数据收集存储。其中，MT可以将数据传输到一个站点，还可以通过公开密钥保护系统保护消息。

层3：后端网络——该层是在Internet上构建的，具有固定的站点和服务器，为低层提供应用层服务，并且处理来自MTs的各种感知数据。由于融合了蜂窝网络、无线局域网和WMAN等多种无线技术，MTs可以很容易地访问应用服务。由于第三方建立在Internet上，因此医院或养老院等可以开放性地接入，进而提供本文所提的医疗监控服务。MTs和路由器连接到第三方至少需要一个工作站，第三方可分配有效证书和密钥给合法的MTs。

本文提出的智能医疗健康监测体系可以应用于许多场景中，如家庭医疗或者养老院等，会为人们带来便捷的医疗服务，这里不再赘述。

2.2 异构网络

本文考虑的异构无线接入网络是由CDMA蜂窝网络、IEEE 802.11 WLAN和IEEE 802.16 WMAN组成的，如图2所示，具有多个无线收发器的移动设备能够同时连接到这些无线接入网。本文的目标函数是建立网络规模的变异模型，它是异构网络之间的竞争与合作效应及网络自然增长率的函数。该模型可以揭示联合系统的动态机理，即系统发展过程的客观规律。

本文考虑的地理区域是完全由WMAN基站覆盖，部分由蜂窝网络基站覆盖，部分由WLAN接入点（APs）覆盖的，如图2所示。该区域中不同服务区域的用户可以访问不同类型和不同数量的无线网络。特别是在1区，只有WMAN服务可用。在第2区和第5区，可以使用蜂窝网络和WMAN的服务。在第3区和第4区，移动设备可以连接到所有三种类型的网络。不同的无线接入网由不同的服务提供者运营。我们假设移动设备能够连接到相应服务区的每个网络，并假设其具有完善的功率控制，以确保覆盖区域的可用传输速率一致。

在上述异构的无线接入网中，本文假设多接口移动终端能够同时连接到三个不同的无线接入网。这些无线接入网络分别是CDMA蜂窝网络、IEEE 802.11 WLAN和IEEE 802.16 WMAN。网络的价格和QoS策略将决定选择不同网络的客户数量，即在网络间引起资源重新分配。下文将从合作与竞争的角度出发，研究了异构网络的收益问题。

3 结论

异构网络作为系统架构的组成部分，可以相互竞争，也可以相互合作，以实现收益的最大化。本文首先介绍了一种智能医疗健康监控网络体系结构;然后介绍了在这个架构中的异构网络部分;最后分析了网络的自然增长率和网络之间的合作和竞争效应。本文所提出的体系可以应用于许多场景，如家庭医疗或者养老院等，会为人们带来便捷的医疗服务。下一步本文将研究网络规模是如何随着收益自然增长率/协同效应/竞争效应这三个因素的变化而变化的。

参考文献：

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[2] Minho Jo， Maksymyuk T， Batista R L， Maciel T F， et al.A survey of converging solutions for heterogeneous mobile networks”[J]. Wireless Communications， IEEE， 2014，21（6）：54-62， .

[3] A. D. Jurik， A. C. Weaver.Remote Medical Monitoring[J]. Computer， 2008，41（4）：96-99 .

[4] Chiu K-L， Chen Y-S， Hwang R-H.Seamless session mobility scheme in heterogeneous wireless networks[J]. International Journal of Communication Systems，2011，24（6）：789–809.

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[6] M.M. Haque， A.-S.K. Pathan.Securing U-Healthcare Sensor Networks using Public Key Based Scheme[C]. in Proc. 10st Int. Conf. Advanced Communication Technology， 2008：1108-1111.

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[8] Romer D H.Keynesian macroeconomics without the LM curve[J]. Journal of Economic Perspectives. American Economic Association，2000，14（2）：149–169.

【通聯编辑：梁书】