5G专网在智慧医疗中的应用

刘虹

（海南电信规划设计院有限公司，海南 海口 570203）

0 引言

健康是民族昌盛和国家富强的重要标志，为了推进健康中国战略实施，须不断提升医疗服务现代化水平。现阶段我国医疗服务面临的主要问题是优质医疗资源不足，基层卫生服务能力薄弱。5G网络具有高带宽、低时延、海量连接等特性，并具备根据医疗业务需求定制专网的能力，可以支持实现无线监护、移动查房、远程会诊、远程影像、远程心电/超声、远程急救等业务，提升医疗资源使用效率，实现优质医疗资源延伸至基层服务机构。

随着3GPP的5G标准不断发展完善，5G赋能垂直行业的能力愈加增强，包括URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超高可靠低时延通信）、网络切片、边缘计算、NPN（非公共网络）、TSN（Time Sensitive Networking）、5G LAN等，亟需进一步研究如何应用这些技术部署专用网络能力来满足垂直行业的特定需求。

本文通过分析智慧医疗应用场景对网络性能的需求，研究了5G专网关键技术在医疗行业的应用，探讨了按需定制5G专网部署模式，并提出了不同应用场景下的业务解决方案，为5G专网应用于医疗行业提供参考。

1 智慧医疗应用场景

智慧医疗的各项业务对通信网络的传输速率、通信时延、覆盖范围、安全隔离等需求存在较大差异，具体如表1所示。

表1 医疗业务对网络的需求

根据医疗业务发生和使用场所不同，智慧医疗应用可分为以下三大场景：

（1）院内场景：无线监护、移动查房、医疗影像传送、导医机器人等医疗设施基于5G网络自动采集数据，并快速传送和共享、展示。

（2）院间场景：中心医院向基层医疗机构提供远程会诊、远程心电、远程示教等服务。远端专家通过视频交互实时指导基层医生开展诊疗服务，通过5G网络控制移动式无线医疗设备，把远程实时会诊延伸至患者身旁。

（3）院前场景：包括应急救援和急重转诊等应用。在急救车行进途中，医疗人员可通过车载移动医疗装备持续监测患者生命体征，与远端专家协同诊疗，广域覆盖的5G网络为突发性的移动救护及转诊提供大带宽、低时延、随时接入的网络服务。

2 5G专网关键技术

从智慧医疗应用场景中各业务对网络的需求分析可知，医疗服务对无线覆盖、通信时延、安全隔离性、数据保密性、可靠稳定性等要求均不同于公众客户业务需求，5G公用网络难以满足各项医疗服务的差异化需求，须根据各医疗服务应用场景引入不同的技术组合，定制相应的专用网络。

2.1 本地业务分流和边缘计算

为了降低医疗业务时延以及保障数据不出园区，可将5G核心网的用户面功能UPF和MEC（Multi-Access Edge Computing，多接入边缘计算）部署到医院园区，如图1所示。MEC综合了网络、计算、存储等功能，具备本地业务处理能力，本地UPF把业务数据分流到MEC处理，降低了业务响应时延，确保了数据保密性。

图1 医院专网UPF和MEC部署示意图

5G核心网支持以下三种本地分流机制：

（1）上行分类器UL CL（Uplink Classifier）基于目的地址分流：SMF在PDU会话的数据路径中插入一个“UL CL”，专网UPF根据SMF下发的分流规则过滤上行数据包IP地址，将符合分流规则的流量分流至本地DN。UL CL机制下UE只有一个IP地址，不需感知数据分流。

（2）IPv6多归属（IPv6 Multi-homing）基于源地址分流：SMF根据UE位置选择本地UPF进行分流，本地UPF根据SMF下发的分流规则过滤上行数据包源IP地址，将符合分流规则的流量分流至本地DN。UE须支持IPv6多归属特性，能感知并参与控制本地数据分流。

（3）LADN（Local Area Data Network，本地区域数据网）基于特定DNN（Data Network Name）分流：该机制为园区内部用户分配特定DNN，SMF根据UE的位置选择本地UPF，将会话路由到相应的LADN，将归属于指定DNN的用户业务全部分流至本地MEC。UE须支持LADN，能感知并参与控制本地数据分流。

从上述三种分流机制实现方式分析可知，分流方式的选择应根据技术的成熟程度、终端对分流机制的支持能力、对现有网络的影响以及建设和运维成本等多个维度来综合考量。

2.2 网络切片技术

智慧医疗的各项业务要求网络能提供差异化的服务以保证服务质量，NS（Network Slicing，网络切片）是在同一物理网络中同时满足各类服务差异化需求的关键技术。

网络切片是指在一个物理网络上划分出的多个虚拟的端到端逻辑网络，每个切片是一组网络功能及资源的集合，以其特定的网络特征和资源来满足对应的业务需求，切片之间相互隔离、互不影响。网络切片可以根据业务的性能要求（如时延、带宽、安全性和可靠性等）、应用场景分别定制，不同的切片分配不同的ID标识，在网络侧签约确定用户所能接入的切片。

5G网络端到端切片由无线网切片、移动核心网切片和承载网切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理。

核心网切片可以采用独立的硬件资源池物理隔离，也可以基于网络功能虚拟化技术通过在共享硬件服务器为不同业务分配不同虚拟机来实现隔离。

无线网切片是根据配置要求动态或静态地分配无线资源（如时间、频率、空间）和相应的基础硬件设施（如数字基带处理组件、模拟无线电组件等）。

为确保智慧医疗业务的安全稳定性，承载网切片建议采用基于灵活以太网FlexE（Flex Ethernet）技术的物理隔离来保证带宽和低时延性能。FlexE技术是基于高速Ethernet接口，通过引入FlexE Shim层实现MAC与PHY层解耦，把FlexE group中每个物理以太接口划分为多个时隙slot。FlexE数据流中的以太网帧以64/66B编码为单位切分为原子数据块，可以通过FlexE Shim层实现在FlexE group中多个物理接口与时隙之间的分发。利用FlexE技术可以将物理以太接口的带宽划分给多个不同的网络切片使用，实现不同切片之间的流量隔离。

3 5G专网应用方案

3.1 智慧医疗系统架构

5G网络的三大应用场景eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、超高可靠低时延通信（URLLC）、mMTC（Massive Machine Type Communication，海量机器通信）与智慧医疗服务对通信网络的要求高度契合，基于5G网络运用边缘计算、网络切片等技术建设智慧医疗系统，可实现医学影像数据高速率低时延传输、海量医疗可穿戴设备无线连接、高清音视频远程实时会诊、远程操控智能医护终端等业务。智慧医疗基本架构如图2所示：

图2 智慧医疗基本架构

（1）感知层：包括高清音视频系统、手机终端、配置5G无线通信模组的无线医疗设备（如移动医护终端、智能可穿戴设备、超声）等，可采集和展示医疗数据、图像。

（2）网络层：根据医疗业务对时延、最大可用带宽、高安全性、业务数据隔离、业务覆盖范围的不同要求，定制5G专用网络，提供端到端安全可靠的差异化网络服务。

（3）平台层：由电子病历、影像存储、医疗大数据分析、视讯会诊等基本功能模块组成，实现信息的运算、存储和分析。

（4）应用层：面向各层级医疗机构、医护人员、患者的院内医疗应用系统、远程医疗、应急救援等。

3.2 专网组网模式选择

面向智慧医疗的5G专网有以下三种组网模式：

模式一：独立组网。建设与公网完全隔离的独立专网，由5G核心网（包括接入和移动性管理功能AMF、会话管理功能SMF、用户面功能UPF、统一数据管理UDM、策略控制功能PCF等）、承载网、无线网组成，为客户提供全封闭的网络。专网既可以采用相关主管部门为垂直行业专门分配的5G专用频段，也可以采用运营商分配的公网频段。优点是完全与公网隔离，数据安全可靠，传输时延低，网络服务质量不受公网影响；缺点是建设投资大以及运维成本高。

模式二：混合组网。建设硬件精简、功能按需定制、运维简单的轻量化5G核心网，与公网共享5G无线网和承载网。医疗业务数据流量在本地实现分流，属于专网的医疗数据流量传送到专网UPF，公网业务流量传送到公网UPF。优点是共享无线网和承载网降低了建设投资；缺点是无线网和承载网的带宽会受公网业务数据流影响，可根据医疗业务对网络性能的要求，采用5G QoS、网络切片、边缘计算等技术保障业务端到端的带宽、时延以及业务数据隔离。

为减少建设投资，建设初期可与公网共享5G核心网控制面、无线网和承载网，只需在医院园区内新建专网UPF和MEC，保障业务数据不出园区以及低时延业务质量，将来再根据业务需求部署5G专网核心网控制面。

采用模式二，部分信息仍在运营商公网存储和传送，在数据安全性和隐私保护方面稍逊于模式一。

模式三：虚拟专网。专网与公网端到端共享，即共享5G核心网、无线网和承载网，通过部署端到端的网络切片建设专网，用户信息和数据流量的安全性由网络切片技术保障。优点是公网覆盖范围内均可提供虚拟专网服务，服务范围广、建设投资少；缺点是在传输时延和数据安全保障方面较弱。

通过以上三种5G专网组网模式的优缺点分析，结合智慧医疗的服务宗旨和业务特点，统筹考虑建设投资和运维成本，建议院内应用场景采用模式二、院间和院前应用场景采用模式三。

3.3 网络组织方案

5G承载网作为5G业务的承载网络，以STN（Smart Transport Network，智能传送网）网络为例，采用三层网络架构，包括核心层ER设备、汇聚层B设备、接入层A设备。

运营商公网5G核心网设置在省核心机楼，经5GC CE（5G Core Network CE）与承载网ER设备连接；公共医疗云平台设在数据中心，经网关路由器与承载网互通。

医院园区内5G无线网BBU就近接至A设备，通过承载网联接至专网UPF和MEC、5G核心网。无线医疗终端通过内置无线通信模组接入5G无线网。

智慧医疗专网UPF和MEC部署在医院中心机房，专网UPF和MCE就近接至A设备。院区内无线网BBU、专网UPF和MCE所接的A设备均在同一园区内，可实现数据不出园区，在本地存储和处理。

智慧医疗网络组织方案如图3所示：

图3 智慧医疗网络组织方案

3.4 业务承载方案

各项医疗业务对承载网络的要求差异较大，针对各种应用场景，采用5G端到端切片技术，可保障业务正常进行，避免预占资源浪费，降低建设成本。3GPP定义5G GTP协议新增QFI字段标识业务优先级信息，定义了256个5QI用于区分应用层业务，QFI和承载网DSCP（Differentiated Services Code Point）一一映射，将业务优先级信息从无线网、承载网至核心网进行端到端的转换和传递。承载网采用FlexE技术提供专用通道，实现不同需求业务的隔离，为业务提供差异化承载；核心网、无线网则通过QoS标识需要保障的业务，确保业务安全可靠实现。

（1）院内场景

院内场景中的业务有确定的带宽、低时延和高可靠性及数据不出园区要求，可采用端到端的硬切片技术保障医疗业务SLA（Service Level Agreement，业务等级协议）。

院内医疗业务承载方案如图4所示，医疗终端经5G无线网接入，通过5G无线网切片、承载网FlexE切片在医疗终端至医疗MEC之间设置医疗专网通道，保证数据高速率、低时延传送。

图4 院内医疗业务承载方案

具体方案如下：

1）切片管理器基于业务需求创建切片模板，将相应的网络参数分别下发到无线网、承载网和核心网控制器中，部署端到端硬切片。

2）无线网基于下发的业务模板，配置相应的专用空口切片和共享空口切片，保障业务在空口的SLA要求。

3）承载网通过控制器配置FlexE切片技术，实现业务级网络切片，保障业务严格隔离，预设置切片带宽确保在网络出现拥塞时医疗业务不受影响，满足业务在承载网的带宽和时延要求。

4）核心网侧则通过核心网控制器配置专用资源，实现业务数据隔离。

（2）院间场景

基层医疗机构通过广域部署的5G网络与中心医院连接，实现远程会诊、远程心电等远程医疗业务。院间远程医疗业务承载方案如图5所示，基层医疗机构的医疗信息通过5G无线网切片、承载网FlexE切片、5G核心网切片接入中心医院。

图5 院间远程医疗业务承载方案

具体方案如下：

1）核心网为远程医疗业务预配置UPF、AMF、SMF切片。

2）无线网将远程医疗业务定义成高优先级业务，在业务高峰时确保医疗业务能被优先调度。

3）承载网部署FlexE切片，视频类高带宽业务、控制信号类低速率业务分别放入不同的FlexE切片中，保证确定性的时延。

（3）院前场景

院前场景的典型应用是应急救护，具有突发性特点，救护车上医疗数据传送对移动性、通信时延、传输带宽要求高，移动范围较广，可采用5G端到端QoS+网络切片技术，确保临时性医疗服务对带宽、时延、抖动、丢包等网络性能的要求。院前应急救援场景业务承载方案如图6所示。

图6 院前应急救援场景业务承载方案

具体方案如下：

1）规划5G专网时，预先设置QoS字段并定义与不同类型业务的映射关系。

2）承载网具备基于业务的切片嵌套能力，外层FlexE通道可内部嵌套FlexE子接口。初始规划时，在承载网预先配置FlexE通道和FlexE子通道，以便在业务触发时快速部署切片。

3）当终端发起业务申请时，终端APP在业务入口中发起请求到应用平台。

4）应用平台通知核心网把业务QoS调整到高优先级5QI，核心网将调整后的5QI发送到基站和终端APP。

5）无线网根据新的5QI进行优先转发，将该业务的5QI映射成相应的DSCP值发送至承载网。

6）承载网识别业务的DSCP值，将该业务导入到预留的FlexE子通道，保障端到端的业务质量。当FlexE子切片流量接近预定值时，可以通过切片管理器动态调整FlexE大小；当业务终结释放资源时，可以降低FlexE的大小，避免对资源的消耗。

4 结束语

智慧医疗服务要求通信网络能够满足超低时延、高可靠、大带宽、海量连接、移动接入、广域覆盖、数据安全隔离、业务数据不出园区等需求，5G网络特性与智慧医疗需求高度契合。本文通过分析智慧医疗的三种应用场景对网络的不同需求，灵活运用网络切片、专网UPF、边缘计算等技术为不同应用场景部署相应的专网能力及业务实现方案。今后还需进一步地研究5G专网的冗灾方案和商业运营模式，提升5G专网安全可靠性，打造面向医疗行业的5G专网运营服务体系，并向其他行业应用推广。