面向远程医疗的5G组网方案

刘金鑫 李娜 王锶 李钰

【摘  要】5G独立组网支持切片、边缘计算等技术，为远程医疗提供更强的技术支持。首先，通过远程医疗应用对网络的性能需求证明5G网络对远程医疗业务开展的重要性;其次，对比分析面向远程医疗的非独立与独立组网方案;最后，设计面向远程手术的5G独立组网方案，并通过实际测试对方案进行优化改进。该方案验证了独立组网在远程医疗领域的技术有效性。

【关键词】5G;远程医疗;远程手术;独立组网;非独立组网

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.003        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）07-0013-05

引用格式：刘金鑫，李娜，王锶，等. 面向远程医疗的5G组网方案[J]. 移动通信， 2020，44（7）： 13-17.

1   面向远程医疗的5G网络能力

1.1  远程医疗急需更优的网络技术

我国地域辽阔，一直以来存在医疗资源分布不均的情况，落后地区及农村的医疗资源贫乏，当地居民难以获得及时、高质量的医疗服务。远程医疗运用通讯、计算机及网络技术，克服地域限制，有效实现优质医疗资源共享下沉，形成高效的医疗服务体系，被广泛认可为上述问题的有效途径[1]。随着远程医疗的不断发展，涌现出多样化的创新应用与需求，但4G及目前医院内的传统无线网络难以满足[2]。

（1）带宽：高清的医学影像是医生诊断的重要依据，数据量通常较为庞大，同时开展远程视频通讯时，也需要依靠4K/8K级的显示充分体现医学细节。然而4G条件下，视讯清晰度不足，高清影像传输速度慢，难以满足远程会诊、远程教学等业务需求。

（2）时延：超声检查、手术等业务十分依赖专家的技术手法，开展远程操控类的服务可以大幅提升优质医疗资源的辐射半径，但是现网时延无法支持远程操控类业务开展。

（3）覆盖：目前医院内传统的无线网络移动性差、组网复杂、覆盖范围有限，影响院内移动医护、医疗服务机器人等业务质量。同时，院外无线网络难以满足高速移动场景下的业务需求，致使院外急救难以与院内形成协同[3]。

1.2  5G远程医疗典型应用的网络需求

5G远程医疗应用可分为高清视频类、远程操控类以及应急救援类，各个典型应用因其业务特点不同，对网络的关键指标需求也不相同。具体的业务需求指标及其数值见表1[4]：

5G作為新一代移动通信技术，具有大带宽、低时延、高可靠等特性，是解决上述医疗行业痛点的可行性技术[5]。大带宽特性能够保证超高清音视频及高清医学影像实时传输。毫秒级时延为远程手术等业务的操控反馈信号提供有效的网络传输保障，使远程操控类应用稳定、安全、可靠进行[6]。此外，切片、MEC等关键技术使5G网络能够针对不同的业务需求实现灵活部署，提供高质量的定制化网络。5G可以对远程医疗发展、优质医疗资源下沉提供极大的助力[7]。

5G组网方案在初期有两种选择：一是在现网EPC的基础上进行升级，即非独立组网（NSA）方案，另一种是建设全新的5GC，即独立组网（SA）方案。其中，NSA需要依托部分4G的网络单元，不能提供完整的5G能力，属于4G向5G发展的过渡方案，最终为实现5G网络的全部需求，组网方案都将演进为SA方式[8]。

2   面向远程医疗的5G网络组网方案分析

5G网络NSA、SA两种组网方式中，现阶段5G业务实践大多采用NSA的组网方案，随着SA网络的日趋成熟，也将有部分业务实现在SA网络上的应用，实现由NSA向SA组网的逐渐过渡。

2.1  面向远程医疗的5G NSA组网方案

NSA被广泛认为是向SA发展的过渡阶段，不能够独立工作，该组网方式需要依托于现有的LTE网络，主要以提升用户带宽和网络容量为目标，实现增强移动带宽的场景。

选项3x架构与4G LTE基本相同，由分组域核心网、电路域核心网、IMS核心网及相关业务平台、无线接入网和NSA终端组成，其中分组域核心网通过功能增强支持NSA核心网，简称EPC+。相比于4G LTE网络，5G NSA网络主要有以下变化：（1）NSA终端可以接入4G LTE空口及5G NR的空口;（2）无线接入网包含4G eNB和5G gNB，其中4G eNB为主RAN节点，5G gNB作为副RAN节点。具体到5G远程医疗的NSA组网方案如图1所示。医院内的医疗终端通过与CPE连接，接入到5G gNB上，5G gNB通过S1-U接口与核心网EPC+连接，核心网再与相关医院数据中心或者医疗服务平台相连接。

2.2  面向远程医疗的5G SA组网方案

SA组网具备5G网络全部功能，可以实现网络架构与业务能力上飞跃式的进步。SA提供网络切片、边缘计算、网络功能虚拟化/软件定义网络等技术，面向增强移动带宽、低时延、高可靠等场景，能够针对不同业务需求灵活部署，提供差异化服务。

选项2架构可向后兼容NSA模式，具体到5G远程医疗的SA组网方案如图2所示。5G无线基站可以同时支持NSA和SA两种工作模式，NSA终端与SA终端均可接入，5G gNB同时连接到4G EPC和5G NGC。5G gNB与5G NGC采用新空口NG-C/NG-U连接。核心网4G EPC/5G NGC再与相关医院数据中心或者医疗服务平台相连接。

2.3  NSA与SA组网方案对比

SA组网是5G网络发展的最终目标，NSA只是其中的过渡方案，SA相比NSA能够支持更全面的业务场景需求。NSA无法提供完整的5G能力，但有利于提前早期探索5G远程医疗应用，占据先机，对于长久发展无法提供足够的网络业务能力，且可能会影响4G现网的稳定性。5G远程医疗的发展还是需要有SA网络来提供更加多元、灵活的网络能力，以保障业务的顺利开展。NSA相当于是对现有4G网络的扩容，只面向增强移动带宽的场景，具体到5G远程医疗需求中，大多只能满足高清视频类的应用需求;SA组网方式建设了全新的5G核心网，通过切片、边缘计算等全新的网络技术，在提高了网络带宽的同时，可以降低网络时延到毫秒级，提供高质量可靠的稳定网络，从而支持增强移动带宽、低时延、高可靠、广覆盖等全业务场景，满足高清视频类、远程操控类以及应急救援类等多项5G远程医疗需求[9]。

3   面向远程手术的5G SA组网方案应用

目前已经有一些成功的基于NSA网络的5G远程医疗应用实践，如远程超声、远程手术、远程会诊等。为给远程医疗业务提供更加优质的网络服务，实现高质量远程医疗服务常态化开展，将进一步基于SA 5G网络开展5G远程医疗探索。本节以基于SA组网的5G远程手术实践为案例，对面向5G远程手术的SA组网方案、测试结果以及方案优化进行分析探讨。

3.1  基于SA组网的5G远程手术操控初探

腔镜微创手术机器人是以机械手臂代替人手实施手术操作的设备，可消除人手在手术中可能发生的抖动，使手术操作更为精细、准确，同时借助远程视讯，将手术视野放大数倍，视野更加清晰，提升手术质量。机器人分为医生端和手术端两部分设备，分别放置两地，通过5G网络即可实现远程手术操控。手术端机器人设备是由三个机械臂构成，协同联动，左右两个机械臂模拟医生两手的手操作，中间一路机械臂架设摄像装置，将机械臂动作传输到医生端。医生端设备包含高清显示屏及操控手柄构成，专家在手柄上的移动实时传输到手术端，同时可通过显示屏实时看到高清术野。

为保障远程机器人手术高质量完成，中国移动制定了基于独立组网的5G远程手术整体方案，在北京与青岛两地间开展5G SA远程手术操控业务实测。手术基于肝胆外科腔镜手术机器人开展，SA组网方案如图3所示：

本方案中，将医生操控端放置在北京，手术端放置在青岛，两地通过新型数字室分系统实现5G网络重点区域覆盖，实现手术机器人的操控信号和高清视讯两路信号的传输。网络架构采用了独立组网，北京、青岛两测试点分别割接至同一SA核心网，最大程度地降低端到端网络时延，保障5G远程手术操控业务顺利开展。

3.2  结果与分析

本次业务实测中，两天内开通了跨省数字专线，实现北京操控端与SA核心网的连接，并经参数与策略配置打通端到端5G网络。为进一步优化网络性能，开展端到端网络测试与逐段时延分析，实测结果如图4所示。

北京与青岛两地5G网络带宽稳定，下行速率930 M、上行141 M，两地端到端时延总计29 ms。将整段网络分为A-E五个节点，分段进行试验时延测试，结果如表2所示：

表2中AB段为北京操控端至北京PTN節点，此段时延为7 ms;BC段为跨省数字专线，所用时延为15 ms;CD段为SA核心网到青岛手术室，所用时延为7 ms。因此，北京操控端与青岛手术室两地端到端时延总计29 ms。AB与CD两段时延相同，且BC段时延已满足相关专线标准，各段网络时延均达到较为理想水平。

关于远程手术的时延标准一直未有定论。曾有论文提出，机器人远程手术中的数据通信QoS要求中，远程操控的力触觉反馈时延要达到3～10 ms，误差小于2 ms。耶鲁大学外科学教授理查德?萨特沃认为，医生发出手术指令到机器人接收并执行操作的时间不应长于200 ms。同时有研究人员提出，认为远程手术时延可以长达330 ms，同时取决于远程手术医疗涉及的地理距离[10]。本次远程手术操作的专家，基于前期在NSA架构下实现的5G远程手术操控经验，提出时延小于30～40 ms的要求，经测试本方案的网络性能可以满足需求。

与前期开展的基于NSA网络的5G远程手术案例相对比，本方案中的网络性能已有较大提升。2019年3月16日，中国移动跨越北京、海南近3 000 km完成全球首例5G远程人体手术的实践案例中，网络端到端时延总计90 ms，整体5G网络架构采用NSA网络，北京手术室到北京核心网时延14 ms，海南操控室到海南核心网时延26 ms，北京与海南两地核心网间时延50 ms。从两次实践结果中可看到，地理距离导致的时延在总时延中占比较高，均超过50%，但本次基于5G SA网络的远程手术，无线侧时延实现了大幅缩短，使整体时延较为理想。

3.3  5G SA远程手术的方案的优化改进

为进一步提升项目响应速度及网络质量，基于长期开展5G远程手术的业务需求，可对本方案进行进一步优化。本次探索中的组网方案如图5所示。

北京与青岛间拉通了数字跨省专线接入SA核心网，建设过程中是从原有北京NSA核心网进行了割接，但由于专线规划了新的GE端口，无法与原端口共用，相关调测配置均花费了较大的时间与人力，同时影响客户原有业务开展。因此，对组网方案提出了优化，如图6所示。

优化方案中，可将跨省数字专线可由接入院内基站调整为接入PTN核心侧，采用L2物理层到PTN A终结，采用L3网络层到北京核心网的地址，即可在不更换基站地址的条件下同时支持接入北京NSA核心网及外省SA核心网，保证远程手术业务开展及院内用户正常5G网络使用。

4   结束语

5G作为全新的网络通信技术，具有大带宽、低时延、高可靠等特性，可以为远程医疗的发展提供强有力的助力。随着5G技术的不断成熟，组网由NSA演进到SA，可提供更加稳定可靠的高质量网络服务，进一步支撑混合现实、远程手术等更多业务场景需求。同时，随着切片、边缘计算等技术的不断成熟和实际应用，基于SA组网开展5G医疗业务的整体方案也将不断完善，保障医疗业务灵活配置、数据安全隔离、算力更加高效，为更多5G医疗创新提供有力技术基础，切实助力远程医疗发展与建设。

参考文献：

[1]    刘金鑫，靳泽宇，李雯雯，等. 5G远程医疗的探索与实践[J]. 电信工程技术与标准化， 2019，32（6）： 83-86.

[2]    鲍玉荣，姜琳琳. 我国远程医疗发展的回顾与展望[J]. 中国数字医学， 2019，14（5）： 99-102.

[3]    刘金鑫，邓小宁，武佳乐，等. 辐射全国的远程医疗服务平 台探索与实践[J]. 电信工程技术与标准化， 2017（12）： 9-14.

[4]   中国移动政企客户分公司. 5G垂直行业应用白皮书[R]. 2018.

[5]   张政. 面向5G开拓企业移动应用市场[J]. 通信企业管理， 2018（6）： 50-52.

[6]    孟燕庆. 针对不同应用场景5G关键技术的研究[J]. 中国新通信， 2019，21（4）： 60.

[7]    侯佳. 基于边缘计算的5G专网在医疗信息化中的应用[J]. 电子技术与软件工程， 2019（22）： 23-24.

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

[9]    朱颖，杨思远，朱浩，等. 5G独立组网与非独立组网部署方案分析[J]. 移动通信， 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

刘金鑫（orcid.org/0000-0003-3803-0857）：高级工程师，博士毕业于哈尔滨工程大学，现任中国移动通信集团有限公司政企事业部医卫行业拓展部总经理，主要从事智慧医院、远程医疗、区域医卫等医疗信息化领域的规划与研发工作。

李娜：博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国移动通信集团有限公司政企事业部医卫行业拓展部，主要从事5G智慧医疗相关研究工作。

王锶：硕士毕业于北京理工大学，现任职于中国移动通信集团有限公司政企事业部医卫行业拓展部，主要从事5G+远程医疗相关研究工作。