野戰醫療所快速通信系統部署的研究

陳大鵬，吳劍威，肖揚，陳垚文，鄭溪水

聯勤保障部隊第900醫院 計算機應用與管理科，福建 福州 350025

引言

我院是福建省醫療行業體系的重要組成部門，同時，醫院野戰醫療救援隊是參與自然災害、事故災害和公共衛生等應急事件醫療救援的重要力量之一。隨著國家經濟社會的發展，關愛救護生命被提到了新的高度，對醫療救援的快速反應、準確判斷、協同作戰能力也提出了更高的要求[1-5]。為保證醫療救援任務的快速實施，使各醫療分隊的設備在共同醫療業務服務器上進行數據通信，實現救援現場醫療數據的準確快速交互，需要在救援現場臨時搭建數據通信網絡[6-7]。當前主要采用有線方式進行通信網絡構建，其主要存在以下問題：① 現場臨時搭建，受地理環境影響耗費人力多、時間長，耽誤應急救援黃金時間；② 采用網線進行數據傳輸，傳輸距離受限（最大傳輸距離100 m）；③ 接頭易受環境影響產生松動、損壞，導致網絡性能不穩定[8-11]。因此，急需探索一種基于高速穩定的專網數據傳輸方式，具備覆蓋距離遠、安裝簡易且不易受環境影響等特點，以滿足應急救援過程中的通信需求。

1 部署方案

近年來，隨著公網4G 技術的廣泛應用，加上LTE 技術本身已經成熟，如何將LTE 這一穩定的寬帶無線技術應用于公共安全領域（包含應急醫療救護），國內外一直在積極探索和研究[12-14]。本方案基于第四代移動通信系統TD-LTE 的技術平臺，采用OFDM、MIMO 等多種TD-LTE先進技術以及定制的專業寬帶集群技術，具有專業集群通信、高可靠性和高實時性數據視頻傳輸能力。方案提供專業的集群指揮功能，通過專業的分組方案及語音集群功能，實現對不同區域、不同時間、不同權限工作人員的分組管理，是整個醫療救援期間調度指揮的重要通信手段，將被應用于醫療救護的各個工作環節。方案通過對4G 無線寬帶專網設備進行整合配裝，達到快速展開、迅捷組網的目標，對提高醫院的指揮通信效率、加強部門間協作、處理各種緊急突發事件起到至關重要的作用。

1.1 組網方案

4G 無線寬帶專網可用于承載話音集群調度、視頻監控及視頻回傳以及用戶業務數據實時交互、協同作業的寬帶無線數據傳輸等多種業務[15-16]。根據業務需求，本方案采用4G 無線寬帶專網快速部署系統組網，實現與聯勤保障部隊第900 醫院現有醫療業務服務器對接，滿足醫療數據無線傳輸的業務訴求，同時實現語音集群、視頻回傳等業務功能。具體組網結構如圖1 所示。各醫療組通過4G 無線寬帶專網快速部署系統所建立的無線網絡進行醫療數據的交互，并接入醫院醫療業務服務器，確保了數據的一致性和完整性。管理員通過調度臺對現場情況進行調度處理。

圖1 4G無線寬帶專網邏輯組網架構

聯勤保障部隊第900 醫院4G 無線寬帶專網快速部署系統組網方案的總體架構由終端設備層、無線接入層、核心層、業務層組成（圖2）。

圖2 4G無線寬帶專網組網方案拓撲圖

終端設備層：4G 無線寬帶專網終端包括手持終端和寬帶數據終端，兩種終端都通過4G 信號接入傳輸專網。其中，寬帶數據終端為現有醫療終端提供Wi-Fi 信號接入，手持終端提供集語音、視頻、GIS 等多種業務合一的集群調度業務。

無線接入層：包含4G 專網基站的基帶BBU 和射頻RRU 設備，主要完成無線接入功能，包括管理空中接口、接入控制、移動性控制、用戶資源分配等無線資源管理功能，4G 無線接入層可提供大容量的無線傳輸通道。

核心層：包括核心網、網絡管理單元和多媒體調度平臺等。其中核心網負責用戶開戶管理、終端移動性管理、鑒權、漫游控制、分組數據的交換和路由；網絡管理單元是專網全部設備的集成統一綜合管理平臺，包括拓撲管理、配置管理、性能管理、故障管理、軟件管理、安全管理、系統管理、終端管理、日志管理、設備巡檢等全面的設備管理功能；多媒體調度平臺是4G 寬帶專網的指揮調度核心，提供語音、對講、視頻、數據、GIS 等多種調度方式。

業務層：主要為現有醫療業務系統，通過醫療業務服務器與4G 無線寬帶專網快速部署系統在系統側進行路由端口對接，實現現有醫療終端以無線Wi-Fi 信號接入的形式與系統側的醫療業務服務器進行雙向的業務數據傳輸。

1.2 4G無線寬帶專網快速部署設備

針對應急場景，方案采用一套快速部署設備集成了TD-LTE 核心網、基站、調度系統等功能，具有一體化、小型化的特點，適用于需要快速部署、覆蓋面積不廣的應急通信場景。在搶險救助時，利用車輛等運輸工具，將通信系統運抵現場，進行快速部署，給災后的救援工作提供支持。在設備到達現場后，可以在非常短的時間內快速部署一套4G 無線寬帶專網快速部署通信系統，為現場的工作人員提供語音、調度、數據傳輸、視頻監控等通信業務。快速部署設備主要由主機箱、射頻箱、電源箱、天饋箱（含天線支架和高增益天線）等部件構成（圖3）。

圖3 無線寬帶專網快速部署系統構成

主機箱主要包含一體化基站eSCN231、工控機、小交換機、電源模塊。其中，一體化設備eSCN231 是基于HERT 平臺開發的寬帶多媒體企業級網絡的集成化設備，集成了TD-LTE 核心網與基站基帶單元BBU 功能的綜合設備；工控機用于部署綜合網管系統和多媒體調度系統，多媒體調度系統是實現語音、數據、短信息和視頻等調度業務的系統，綜合網管系統是管理專網網元、終端和運營的綜合管理平臺。

射頻箱是分布式基站的射頻模塊部分，主要功能包括：接收或發送基帶數據，實現與基帶部分的通信；完成基帶信號和射頻信號的調制解調、數據處理和功率放大；提供射頻通道接收信號和發射信號的復用和濾波。

電源箱作為在無市電接入場景下的備電，為各網元提供電源輸入。

天饋箱主要包含天線支架和高增益天線，其中天線支架高度根據實際需要可以選用2.5 m 和8 m 兩種，用于架高天線，增強覆蓋范圍。高增益天線可分為動中通天線和靜中通天線，在動中通場景下可選用鞭狀天線，在靜中通場景下可選用玻璃鋼天線。

2 應用測試

本方案對4G 設備進行了整合配裝，便于實際應用。為了較好的驗證方案的可用性，我們在戶外進行了部署展開試驗，在實際情況下對網絡的覆蓋度和帶寬穩定性進行了測試（圖4）。

圖4 系統測試現場圖

2.1 快速部署系統覆蓋測試

本次驗證測試主要采用靜中通（2.5 m 支架+玻璃鋼天線），分別采用400 MHz 和1.8 GHz 頻段按照城區、鄉村、視距場景進行測試，從測試結果看滿足野外訓練醫療保障場景的需求，具體測試數據如表1。

表1 eLTE快速部署系統覆蓋測試（km）

2.2 速率帶寬測試

野外訓練醫療保障場景主要是上行業務，因此本次驗證測試主要測試基于快速部署系統單個終端的最大上傳速率進行驗證。從驗證結果看，上行速率能夠達到24 Mbps，能夠滿足醫療網絡的數據傳輸要求（圖5、圖6）。

3 系統特點

本方案需要具備如下特點。

（1）快速部署。采用箱式設計，支持快速和便捷系統部署，5～15 min 將整套系統搭建部署完成，具體箱體尺寸和重量指標如表2。

圖5 測試機發送端測試圖

圖6 測試機接收端測試圖

表2 快速部署系統的箱體尺寸和重量

（2）高移動性。支持多種運輸方式，包括放置在車上的車載運輸、堅硬路面的滑輪運輸、道路泥濘甚至毀壞時的人力背負運輸。采用滾輪和背負式設計，便于攜帶，支持多箱單人腳輪拖動，單箱單人背負或腳輪拖動。采用單箱設計，重量合理，重心設置滿足穩定要求，多箱疊加不會造成設備損壞，搬動把手穩固，便于搬動，方便運輸。然而，由于單箱體尺寸和重量比較大，人工背負不是很方便，仍需繼續進行優化。

（3）無需車改的車載通信系統。4G 無線寬帶專網快速部署系統支持車載部署，而且在車上部署時，無需對車輛進行改裝。

（4）高集成性。采用箱式結構和高集成的小型化設計，將基站、核心網、調度機、射頻設備、天饋設備、電源設備和車載附件進行模塊化組合，能夠滿足大容量用戶的語音、視頻和數據傳輸需求，更加適應搶險、應急等快速部署場景，具體支持的規格指標如表3。

表3 快速部署系統支持的集成性規格

（5） 高適應性。電源箱對于400 M 系統，滿足備電4 h，提供野外部署（無市電環境）業務能力；在短時間、小雨和大風情況下，主機箱和電源箱無需遮蔽可以正常工作；射頻箱和天饋箱工作溫度為，工作濕度為5% RH～95% RH，防護等級IP54，在雨中可長時間工作。

（6） 多種回傳方式。支持多種回傳方式，如衛星、有線（光纖和網線），實現前后方互聯互通。

（7）強覆蓋能力。單個設備支持的覆蓋半徑：城區為1.55 km，鄉村為3.8 km，視距場景可以達到5.7 km。同時，由于無線信號傳輸受高樓、樹木以及天氣等環境狀況的影響，實際的覆蓋半徑會有所偏差。

4 結論

本方案相比于現有的方案能夠實現快速搭建網絡環境、覆蓋更大面積、縮小天氣和地理條件影響，有效提高應急救援效率，將在以后的自然災害醫療救援、城市應急醫療救援以及重大演習醫療救護保障中推廣使用。同時該方案還能作為救援現場指揮調度使用，只有基于集群語音、視頻及地理位置信息對現場救援人員進行的指揮調度才可能提高現場機會決策效率。