5G医疗专网组网方案及应用.pdf

第55卷第2 期2023年3月智能物联技术Technology of IoT&AlVol.55,No.2Mar.,2023物联网技术与应用5G医疗专网组网方案及应用高广明,冯马骏，丁悦峰,周子淇,胡胜利(河北省沧州市中心医院，河北沧州0 6 10 0 1)摘要：5G医疗专网可以实现院本部和分院之间数据高效传输，减少误报率，提升医院信息化和智能化水平。本文分析了传统组网方式存在的问题，以及应用5G组网方案的优势，介绍了5G医疗专网的设计原则和总体思路，最后给出了在市县两级医院部署5G医疗专网和实现院区信息互联互通的解决方案，即采用5GSA架构，通过MEC技术应用，实现院区业务数据本地分流，并在分院区部署5G基站，实现无线网络全方位覆盖。关键词：5G；组网方案；医疗专网【中图分类号】TP393.02;TN929.5;R-05【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 6-6 0 59(2 0 2 3)0 2-0 34-0 5Networking Scheme and Application of 5G-based MedicalPrivate NetworkGAO Guangming,FENG Jun,DING Yuefeng,ZHOU Ziqi,HU ShengLi(Cangzhou Central Hospital,Cangzhou 061001,China)Abstract:5G-based Medical Private Network can realize the efficient transmission of data between the hospitals,re-duce the false alarm rate,and improve the formalization and intelligence level of hospital.This paper analyzes the prob-lems of traditional networking method and advantages of applying 5G networking solution.Then the design principle andgeneral idea of 5G private network are introduced.Finally,the solution for deploying 5G medical private network to realizethe interconnection of two hospitals is given.It adopts SA architecture and MEC technology to realize the local distributionof business data in the hospital,and deploy 5G base stations in the branch hospital to achieve all-round coverage of thewireless.Key words:5G;networking solution;medical networktiontechnology)是最新一代蜂窝移动通信技术。随着以5G为代表的“新基建”进入快车道，智慧医疗0引言2020年3月，国家发改委和工信部联合印发关于组织实施2 0 2 0 年新型基础设施建设工程的通知，其中明确指出重点开展5G创新应用工程，建设重大公共卫生事件的5G智慧医疗系统和5G智慧医疗示范网，加快5G在疫情预警、院前急救、远程实时会诊、远程手术、无线监护和移动查房等环节的推广。5G(5th generation mobile communica-收稿日期：2 0 2 2-12-18作者简介：胡胜利(19 7 8-),男，河北定州人,硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：医院管理、医疗信息化。通讯作者：胡胜利34迎来了新的发展机遇。近年来，5G技术快速发展，并在各个领域内掀起了研究热潮。在医疗信息化领域，5G已经在部分医疗机构开展了应用，比如5G远程会诊、5G远程超声检查、5G远程机器人手术、5G院前急救等，并且优势明显。在此背景下，沧州市中心医院主院区和河间分高广明，冯骏，丁悦峰，等：5G医疗专网组网方案及应用院建设了满足5G智慧医疗应用需求的5G医疗专网，以改变当前烟窗网络的格局，构建灵活、可扩展和高可靠的全连接专用网络，充分发挥云网融合和云边端协同优势，在保证数据不出院区的前提下，拓展智慧医疗应用服务边界和打造端、网、云一体的安全防护体系，保障医疗业务数据的安全性。1传统组网与5G组网方案对比1.1传统组网方式存在的问题由于院本部和分院传输的数据越来越多样化，包括文本、语音、图像等多种类型的数据，随着时间的推移，数据库中的数据量急剧增长。采用传统的4G网络，设备相对落后，网络质量差，数据延时带来丢包、程序卡顿等问题，容易造成数据失真1-3。网络不畅是影响医院信息系统正常运行的重要因素之一。由于医疗信息系统的特殊性,需要保障业务系统2 4小时不间断高效运行。因此，提高网络衔接的实时性和准确性，保障网络的安全、稳定、高效传输是医院网络建设中的重中之重。这也需要付出更大的建设和维护成本，而传统的4G网络已经无法满足当前的需求。1.25G组网方案的优势利用5G网络高速率、低时延、广泛连接的优势，能突破传统网络带宽的限制，网络性能方面有极大提升46,能满足医疗机构的各种数字化应用需求。应用5G医疗专网，可以突破医疗数据传输大小的限制，实现院本部和分院数据的实时、可靠、安全传输；5G医疗专网可充分利用5G网络切片与边缘计算技术实现高速率、低延时的数据传输，并保障数据的本地化处理和信息安全7-8 ;利用5G网络大带宽、低延迟、高可靠的特性，可创造智慧医院的多个应用场景，院本部专家和河间分院可以轻松进行远程医疗等。目前，已经开展了远程会诊、远程超声，河间患者不出本县，即可享受到市级院区高质量的医疗服务，未来还可开展远程手术项目。总之，利用5G技术可实现院本部和分院的信息互联互通，减少患者到本院区就诊的时间和经济成本，摆脱资源的地域限制，实现医疗资源的实时共享，使患者在河间当地也能享受三甲医院的医疗服务。25G医疗专网的设计原则和总体思路2.1 设计原则院本部和河间分院的5G医疗专网采用5GSA(Stand Along)网络+MEC(Mobile Edge Computing,多业务边缘计算）为核心架构，构建高质量医疗专用网络，项目遵循安全性原则、可靠性原则和可扩展性原则。业务管理信息数据通过5G网络承载，在网络平台建设规划时注重数据及网络的安全性。在网络运行时，保障5G网络的信号质量、设备的稳定运行和避免单点故障，为院区提供可靠的接人业务。同时，系统设备不但要满足当前需要，还要满足可预见的未来需求，如带宽和设备扩展、应用扩展和区域扩展等，保证建设完成后的系统在技术升级时能保护已有的投资。2.2总体设计思路院本部和河间分院医5G疗专网的设计思路为：(1)采用先进的5G SA架构。SA(独立组网)是5G的目标架构，能提供更高的上行带宽、更低的网络延时，同时更好支撑切片、MEC等新能力，能满足医院5G技术先进性和可持续发展的要求。(2)MEC实现安全及性能提升。根据5G核心网控制面和用户面分离的特点，通过用户面实现公网和私网数据分流，保障专网业务的性能与体验，满足医疗专网应用需求。(3)优质的无线SA网络覆盖。结合医院的具体业务场景和环境，以室外5G宏基站+室内5G智能数字化室相结合的方式灵活组网，保障整体的无线覆盖质量，同时结合实际场景需要，进一步提升5G网络上行带宽、降低时延和优化覆盖质量。基于5G+MEC打造的医疗专网方案，通过灵活部署形成医院本地专网，快速实现本部和分院的互联互通，替代现有Wi-Fi网络或部分有线网络；通过5GMEC下沉、本地分流实现数据在医院内部信息系统间的流转、安全访问和数据安全保护等需求。医疗专网架构如图1所示，利用边缘计算架构，一部分终端计算量在边缘云上进行，并把计算结果直接发送到终端。同时，MEC边缘云与本部和分院的医疗信息系统互通，合理利用现有业务应用和数据，实现5G医疗专网与现有系统的融合，兼顾业务的平滑继承和经济效益35G医疗专网部署方案3.1组网方案35中，首先看核心层部分，5G基站通过移动传输网（切片分组网SPN,SlicingPacketNetwork）连接院本部MEC平台；MEC平台根据分流策略将本地业务卸载到医院本地应用平台上。秘密智能物联技术专网数据不出院区”的需求、急救车和医护终端外Internet接人网需求以及医护人员与公网通信需求。各院区接入场景的组网如图2 所示。在图2核心核心网传输网边缘MEC公网普通院区医护院区内用户人员联网设备图1医疗专网架构示意图Figure 1 Schematic diagram of medical privatenetwork architecture院本部和分院采用多院区5GSA专网，通过应用MEC技术实现院区业务数据本地分流，兼顾”沧州市区中心医院HIS终端1河间院区1、河间-有线链路HIS终端2(Y1)交换机2核心交换机2病毒网关2()CPE12、河间-5G链路Y2X5SPNAAUBBUAAU()CPE23、沧州市区5G链路图2 沧州市医院5G专网组网方案Figure 2 Schematic of 5G private network construction for Central Hospital of Cangzhou(AAU:Active Antenna Unit;CPE:Customer Premise Equipment;HIS:Hospital Information System;36院区本地网络公网数据本地数据HIS服务器系统(Y5)核心交换机1病毒网关1运营商网络SPNSPNSPNPIN:Packet Transport Network)其次，在出口层部分，院本部中心院区部署MEC平台，包括行业专用的UPF(User PlaneFunction)用于实现专网流量的本地分流，保障生产数据的带宽和安全，并为医护人员提供业务、访问域和数据传输的多维度和立体化安全访问机制，以及行业专属的移动边缘网络连接服务和第三方内容接人服务。最后，在接入层部分，分院区部署5G基站，实现医院各类专用终端的接人，通过部署于MEC上的网络感知系统实现网络的感知与管理，掌握整个医疗专网的运行和安全情况3.2各院区业务互联互通各院区信息系统通过专线进行互联，实现各院区系统数据和应用的集中管理和同步，并在院本部X1(15s)入侵防御1防火墙1X3(45s)防火墙2路由器BSPN路由器AX2(15s)PTN-2PTN-1X6X4Y4交换机Y3UPF高广明，冯骏，丁悦峰，等：5G医疗专网组网方案及应用进行重要数据的发布和备份。院本部MEC与现有信息系统通过院区内网络互通，满足各类5G接入终端对医院相关数据资源的访问需求。各类终端按医疗专用终端、混合终端、公网终端由5GDNN（D a t a Ne t w o r k Na m e）签约实现网络隔离，根据MEC策略实现本地数据访问控制,UPF根据用户是公网还是私网对数据进行分流。院区互联互通示意如图3所示。在5G医疗专网的基础上，各院区通过基于SPN的专线技术实现多个边缘云节点的连接，保障多云之间数据传输的稳定性和可靠性，以及远程医疗业务的互联，如远程会诊、远程超声等。院区之间也可以通过VPN(VirtualPrivateNetwork）互联，各级医院的MEC通过专线VPN技术实现多个边缘云节点的连接。院区内需要联网的设备通过5G网络互联互通，通过MEC直接分流至医院本地服务器，而外网无法连接到设备，信息系统数据只在院区内传输，充分保证医院内部设备及医疗数据的隐秘性和安全性。3.3分院无线网络部署在河间分院进行无线网络部署，部署原则为：采用宏微协同的方式，做到院区室外连续覆盖，室内深度覆盖，保障业务发生的重点区域全方位无死角连续覆盖。医护人员访问互联网，直接通过5G基站连接至核心网，再到Internet。如果有移动终端访问院内多台终端5GCPE专网，通过MEC直接分流至医院内网，既享受云端便利，又可以让数据不暴露于互联网，保证医疗业务数据的安全性和稳定性，避免流量迁回和降低访问时延。如图4所示为无线网络部署示意图。在核心网侧，通过部署医疗专用网关，保障院区医疗数据与公共数据隔离，并与院内边缘云实现互通。3.4边缘云管理及运营平台医疗专网采用边缘云管理及运营平台对服务器资源、存储资源、网络资源等进行统一管理，并根据管理需求，自动划分资源，为用户提供服务。边缘云平台从运维、运营和用户三个层次对平台进行资源管理和运营，能够通过自服务的方式使用虚拟机服务或容器服务。运营平台提供开放接口，包括医疗服务的注册与发现、医疗服务路由及转发、医疗服务鉴权、医疗服务能力集成、医疗物联网能力、医疗安全服务能力等。除此以外，平台还支持医疗应用的统一认证和管理,包括用户的统一鉴权与账户管理、医疗应用单点登录，医疗应用用户授权、医疗应用的云资源编排与部署、医疗应用状态监控、医疗应用的生命周期管理等。45G医疗专网实施效果及分析4.1实施效果5G医疗专网凭借全新的网络架构，保障了院本部和分院信息传递的快速、准确、高效。在实际运行中,5G医疗专网的性能超过1Gbps下行/交换机河间分院云桌面系统中心医院本部UPF-5G室分基站覆盖全部楼层Figure 3 Diagram of internetworking in the hospital area沧州市中心医院河间分院PTN6180图3院区网络互联互通图示沧州承载网.37智能物联技术4.2.2面临的挑战当前，5G网络安全水平虽然有了很大提升，利pRRUpBridgepBridge医院用户“BBU医院用户BBU一般用户图4无线网络部署Figure 4 Wireless network deployment(pRRU:Pico Renlote Radio Unit;BBU:BuildingBase band Unite)150Mbps上行，业务端到端时延指标达到10 ms（院内）/15ms（院外）。5G医疗专网高速率、低时延特性极大提升了院区各类应用的效率，降低了医院运营成本，尤其是院本部和分院的远程会诊，更是为精准医疗提供了可靠保障。如图5所示为具体网络连接测试结果。18.238.64.2618.238.64.2618.238.64.2618.238-64.2618.238-64.2610.238-64.2610.238.64.2618.238.64.26来自18.238.64.2618.238.64.26图5现场连接测试Figure 5Network connection test4.2创新点和面临的挑战4.2.1创新点基于5G+MEC打造的医疗专网方案，通过灵活部署形成了医院本地专网，快速实现了院区之间的互联互通，替代了现有Wi-Fi网络和部分有线网络。通过5GMEC下沉、本地分流等，实现了流程数据在医院内部IT系统间的流转、安全访问、数据安全等需求。利用5G技术实现市县两级院区联网，保障了两级院区信息的互联互通。通过对一院多院区的一体化网络部署，患者在分院中就诊，不仅可以享受三级医疗机构的医疗水平，还可以享受二级医疗机构的费用，大大降低了医疗成本，有助于缓解长期以来困扰医疗机构的看病难、看病贵的问题。38医院本地网络111MEC150的回复复：的口复：的的的的回：节-158 0 时-14nsTTL-68节-150 0节-150 03照0-14nsTTL-60时间-13msTTL-60用5G网络切片、多元可扩展认证等机制，在一定程序上保障了数据传输的安全性10 ,但不能填补素有的安全漏洞!。面对病毒、黑客的攻击,5G网络中传输的患者病历、费用等数据可能存在泄露的风5GCInternet间-14ms1IL-60J-14msTTL=60=1500时-1500时0-13msTTL-68-1500时0-12msTTL-685-1508时间-12 msTL-68=1500时间0-11nsTIL-68节-150 0 时间-15ms1IL-60节-150 0 时间-15msTL-60险。因此应积极同信息安全公司合作，加强有关5G医疗专网信息安全关键技术和产品的研发，保障医疗数据安全。5结语本文利用5G技术实现了院本部和分院的联网，有效降低了网络延迟，保障了数据在院区间快速、准确、可靠传输，减少了网络运营和维护的成本,提高了管理效率。本文的5G医疗专网打破了时间和空间的限制，整合了主院区和分院区的医疗资源，实现了医疗资源下沉，河间患者足不出户就可以享受更好的医疗服务，在一定程度上解决了医疗资源供需不平衡的问题和提高了患者满意度。参考文献：1曹剑钊,郑亚安,赵奇侠等.5G+物联网冬奥会医疗保障指挥调度平台建设J.中国急救医学,2 0 2 1,41(12)：1081-1086.2 何双双，李文进.5G技术与“互联网+医疗 助力医院管理的运行效果J解放军医院管理杂志,2 0 2 1,2 8(4)：323-325.3 张馨予，文信，冉雪曼等.5G技术在临床护理场景中的应用J.西南军医,2 0 2 1,2 3(1):44-46.4毛欣.5G时代智慧医院的发展探索J.中国研究型医院,2 0 2 1,8(2):12-15.5 孔祥溢，王靖，方仪.5G网络技术在医疗领域的应用前景.医学信息学杂志,2 0 19,40（4):17-2 0.6黄学庆.5G网络技术在医疗领域的应用探讨.医学信息学杂志，2 0 2 0,41(12)：52-55.7羊月祺.基于5G技术的医疗设备管理应用研究.现代仪器与医疗,2 0 2 0,2 6(6):7 7-8 1.8 卢红，朱双全.基于5G技术的智慧病房建设探讨J.中国卫生信息管理杂志，2 0 2 1,18（2）：18 0-18 3，19 3.9毛中亮，冯莉，何丽等.手术室5G网络建设初探J解放军医院管理杂志,2 0 2 0,2 7(11):10 19-10 2 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