王圣易

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 應(yīng)用背景

工業(yè)和信息化部發(fā)布《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃2016—2020年》,翻開了我國運營商大規(guī)模建設(shè)第五代移動通信(5G)網(wǎng)絡(luò)的篇章。雖然當(dāng)前對于5G傳輸速率的定義依然沒有明確的標(biāo)準(zhǔn),但是相較于第四代移動通信(4G),有一個數(shù)量級的提升。在理想情況下,5G的峰值速率可由4G的300 Mibit/s提升至10 Gibit/s～20 Gibit/s。不僅是速度的提升,5G還有三大應(yīng)用場景:增強(qiáng)型移動寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信、超可靠和低延遲通信。

2 增強(qiáng)型移動寬帶

增強(qiáng)型移動寬帶場景相對于4G而言,大幅度提升了基礎(chǔ)速率。增強(qiáng)型移動寬帶方案主要面向超清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實、高速移動上網(wǎng)等大流量移動寬帶應(yīng)用業(yè)務(wù),具有帶寬大、延時不敏感、動態(tài)突發(fā)性等特點。相較于分時長期演進(jìn)系統(tǒng),增強(qiáng)型移動寬帶接入速率能提高數(shù)十倍以上,系統(tǒng)容量能提高近百倍,這對無線網(wǎng)絡(luò)的性能提出了極大挑戰(zhàn)。為了解決已有技術(shù)無法滿足增強(qiáng)型移動寬帶場景性能指標(biāo)的問題,引入毫米波、大規(guī)模天線等技術(shù),結(jié)合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)性能的提升。

毫米波技術(shù)可以有效增大帶寬,從而成倍提高用戶體驗速率。毫米波頻譜如圖1所示。根據(jù)波長公式,電磁波速度為300 000 km/s,所對應(yīng)毫米波頻段為30 GHz～300 GHz,相應(yīng)波長為1～10 mm。與微波相比,毫米波的帶寬更大,方向性更強(qiáng),能夠為用戶帶來更高的體驗速率,極大緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀。同時,毫米波的波長較短,在大規(guī)模天線中結(jié)合毫米波技術(shù),可以有效減小天線元素的體積。當(dāng)然,受制于傳播路徑損耗,毫米波相對高的頻段也會導(dǎo)致更大的路徑損耗,最終造成傳輸距離的大幅度縮短。因此,毫米波很難支持基站與距離較遠(yuǎn)的用戶進(jìn)行高速率信息傳輸,并且由于毫米波的穿透能力差,在非視距傳播及惡劣天氣條件下,性能會受到很大影響。

圖1 毫米波頻譜

大規(guī)模天線技術(shù)如圖2所示,指在基站端采用大規(guī)模天線陣列同時服務(wù)大量的終端。與傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)相比,大規(guī)模天線技術(shù)可以提供更高的譜效和能效,并在高可靠性方面提供一定的支持。配置大規(guī)模天線陣列的基站可以通過混合波束成形,使多個天線元素朝同一方向共同收發(fā)?；旌喜ㄊ尚芜^程如下:首先進(jìn)行數(shù)字波束成形,形成一定數(shù)量的射頻鏈;然后進(jìn)行模擬波束成形,形成成形波束。采用混合波束成形的基站不僅可以為用戶提供更高的天線增益,而且可以通過預(yù)編碼技術(shù)的支持,為更多用戶同時服務(wù)。相較于傳統(tǒng)系統(tǒng),大規(guī)模天線技術(shù)具有高能效、高譜效的優(yōu)點。

圖2 大規(guī)模天線技術(shù)

3 大規(guī)模機(jī)器通信

大規(guī)模機(jī)器通信目前廣泛應(yīng)用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)。作為5G新拓展出的場景,大規(guī)模機(jī)器通信重點是解決傳統(tǒng)移動通信無法很好支持的海量物聯(lián)網(wǎng)連接問題。大規(guī)模機(jī)器通信支持1 km2高達(dá)一百萬臺設(shè)備的連接密度,比4G高出十倍以上。憑借這種能力,5G可以提供支持龐大的蜂窩連接傳感器所需的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。

4 超可靠和低延遲通信

超可靠和低延遲通信場景的主要目標(biāo)是減小延遲,與上一代網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別不僅是速率的差異,更是低延遲。延遲由4G的10～50 ms減小到理論值1 ms。5G網(wǎng)絡(luò)可以將4G網(wǎng)絡(luò)下的延遲減小至人類感知不到的范圍,所以到5G應(yīng)用的成熟階段,行業(yè)應(yīng)用將從大帶寬的特點向低延遲、高可靠性的方向拓展。由此,超可靠和低延遲通信預(yù)計將廣泛應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療等場合,典型應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)需求見表1。

相較于4G,5G將對各領(lǐng)域的體驗速度、數(shù)據(jù)傳輸速度和密度、端到端延時、便攜性和移動性、頻譜效率、能效等至少提升一個數(shù)量級?？紤]到更強(qiáng)大的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力會產(chǎn)生一些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用,可以想象在5G大規(guī)模建設(shè)完成后,很可能會出現(xiàn)新的突破性應(yīng)用,成為經(jīng)濟(jì)增長的新引擎。

5 5G在遠(yuǎn)程醫(yī)療中的應(yīng)用

遠(yuǎn)程醫(yī)療指通過特定的技術(shù),充分發(fā)揮大醫(yī)院或?qū)？漆t(yī)療中心的醫(yī)療技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備優(yōu)勢,對醫(yī)療條件較差的邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島或艦船上的傷病員進(jìn)行遠(yuǎn)距離診斷、治療和咨詢。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,我國各地區(qū)之間的差異越來越明顯,不同地區(qū)的發(fā)展差異勢必會導(dǎo)致醫(yī)療條件的不平衡。有些城市地處發(fā)達(dá)地區(qū),各類公立及私立醫(yī)院數(shù)量繁多,三甲醫(yī)院數(shù)不勝數(shù),這類地區(qū)很容易成為周邊及偏遠(yuǎn)地區(qū)求醫(yī)問藥的主要目的地。地處欠發(fā)達(dá)地區(qū)的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村,醫(yī)療資源極度貧乏,無論是醫(yī)師還是醫(yī)療條件都無法和發(fā)達(dá)地區(qū)相提并論。遠(yuǎn)程醫(yī)療可以在一定程度上打破這種地區(qū)的不公平。

由于無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力不足,特別是分配到鄉(xiāng)鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村的覆蓋不全,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低、延遲大,效果不理想。在遠(yuǎn)程醫(yī)療所必須具備的音視頻傳輸能力上的欠缺,嚴(yán)重影響醫(yī)師遠(yuǎn)程醫(yī)療的診斷效率和診斷精確度。隨著5G的大規(guī)模應(yīng)用,遠(yuǎn)程醫(yī)療能在高傳輸速率及超低延遲的環(huán)境中為醫(yī)師和患者提供無障礙的溝通條件,大幅度提升患者的問診體驗,多人多學(xué)科的線上會診也能成為常態(tài)。

2020年9月,全球首個5G+全息遠(yuǎn)程診療系統(tǒng)正式在江蘇泰州發(fā)布。在十幾分鐘的5G+全息遠(yuǎn)程診療過程中,通過利用5G的大帶寬、低延遲等特點,結(jié)合全息影像技術(shù),工作人員將位于海南三亞的全息影像直接投射至泰州現(xiàn)場,針對患者的癥狀進(jìn)行了準(zhǔn)確判斷,同時通過全息投影互動,解答遠(yuǎn)程患者關(guān)于帕金森病癥的疑問?，F(xiàn)場互動效果顯示,5G+全息遠(yuǎn)程診療已經(jīng)無限接近醫(yī)師與患者面對面的診療體驗。

隨著我國海軍走向深藍(lán)的發(fā)展,逐步體現(xiàn)出大量醫(yī)療保障需求,如吉布提基地、南沙島礁、遠(yuǎn)洋艦艇等。這類遠(yuǎn)洋醫(yī)療資源配置難度較高,針對遠(yuǎn)離后方醫(yī)療保障體統(tǒng)的環(huán)境,利用5G穩(wěn)定且低延遲的高速傳輸網(wǎng)絡(luò),通過遠(yuǎn)程遙控方式,可以協(xié)助前方外科醫(yī)師完成急診手術(shù),降低醫(yī)療保障團(tuán)隊中對于高年資外科醫(yī)師專業(yè)類別和數(shù)量的需求。

6 遠(yuǎn)遙機(jī)器人

一個典型的遠(yuǎn)遙機(jī)器人操作系統(tǒng)由五個部分組成,分別為操作者、主機(jī)器人、從機(jī)器人、環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)組,主機(jī)器人對應(yīng)觸覺接口,從機(jī)器人又稱遠(yuǎn)端工作機(jī)器人。遠(yuǎn)遙機(jī)器人操作系統(tǒng)的原理如圖3所示,不僅極大拓展了人類在危險、惡劣環(huán)境中的作業(yè)能力,而且也為現(xiàn)代遠(yuǎn)程醫(yī)療及智慧醫(yī)療系統(tǒng)提供了更多選擇。當(dāng)然,網(wǎng)絡(luò)的引入在給遠(yuǎn)遙操作帶來便利的同時,也給控制設(shè)計和分析帶來新的挑戰(zhàn),特別是隨著通信網(wǎng)絡(luò)的引入,加之機(jī)器人系統(tǒng)自身及作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性,控制受到相當(dāng)大的影響。

2019年,電氣與電子工程師協(xié)會成員使用UR3機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實技術(shù),通過高速穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡(luò),在實驗室中實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。試驗結(jié)果顯示,通過控制回路設(shè)置,UR3機(jī)器人能夠準(zhǔn)確復(fù)制人手的運動。試驗人員能夠巧妙地操縱遠(yuǎn)遙機(jī)器人輕輕撫摸長毛絨玩具,并能執(zhí)行一些實際醫(yī)療任務(wù)。為了進(jìn)一步測試系統(tǒng)的可用性,研究人員向70多名測試用戶演示了這一基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)遙機(jī)器人系統(tǒng),如圖4所示。在其中的一個測試環(huán)節(jié)中,近端與遠(yuǎn)端兩處相距約10 km。

圖4 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的遠(yuǎn)遙機(jī)器人系統(tǒng)

這一系統(tǒng)存在的問題是,如果人手動作很快,每個關(guān)節(jié)所需的速度超過這些關(guān)節(jié)所能提供的最大速度,那么遠(yuǎn)端手臂就會落后于所需復(fù)制的動作。另外,由于每個關(guān)節(jié)都有不同的速度限制,因此產(chǎn)生的軌跡會略微變形,在一些方向上發(fā)生劇烈變化后,快速移動時會呈現(xiàn)圓形。當(dāng)然,以上問題在大多數(shù)情況下是可以接受的,并且達(dá)到了可操作的水平。

7 5G在遠(yuǎn)程手術(shù)中的作用

5G 網(wǎng)絡(luò)商用化是我國遠(yuǎn)程手術(shù)進(jìn)入現(xiàn)代化的標(biāo)志,5G低延遲、高帶寬、高移動性的特點恰好能夠滿足遠(yuǎn)程手術(shù)實時性、高效性、穩(wěn)定性的需求,從而推進(jìn)國內(nèi)遠(yuǎn)程手術(shù)的研究熱潮。

2021年10月,內(nèi)蒙古自治區(qū)腫瘤醫(yī)院微創(chuàng)介入科在醫(yī)院5G中心成功為位于赤峰市松山區(qū)醫(yī)院的肝臟腫瘤患者實施了5G+機(jī)器人遠(yuǎn)程腫瘤介入手術(shù)。醫(yī)師在5G網(wǎng)絡(luò)連線下,通過可視化屏幕,用鼠標(biāo)和鍵盤遠(yuǎn)程控制松山區(qū)醫(yī)院計算機(jī)斷層掃描室的穿刺機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng),快速且精準(zhǔn)定位到患者的肝臟病灶,隨后,松山區(qū)醫(yī)院醫(yī)師協(xié)助完成最后的穿刺步驟,手術(shù)順利完成。這一手術(shù)的實施是在穿刺機(jī)器人輔助下進(jìn)行的,是我國首例5G遠(yuǎn)程穿刺機(jī)器人輔助介入手術(shù)。在5G日漸成熟的當(dāng)下,萬里之外的專家可以使用手術(shù)機(jī)器人完成手術(shù),為優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源再分配提供了新的可能。

2022年6月,采用上海微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人公司自主研發(fā)的圖邁腔鏡手術(shù)機(jī)器人,通過新疆克州人民醫(yī)院與江蘇省人民醫(yī)院的5G網(wǎng)絡(luò)連線,由新疆克州人民醫(yī)院醫(yī)師團(tuán)隊順利完成兩臺泌尿外科超遠(yuǎn)程5G機(jī)器人手術(shù)。這兩例手術(shù)橫跨近5 000 km,是完全由我國外科醫(yī)生采用我國自主研發(fā)的技術(shù),實現(xiàn)迄今為止世界上距離最遠(yuǎn)的5G遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)。5G與機(jī)器人技術(shù)完美融合,展現(xiàn)了我國在5G超遠(yuǎn)程手術(shù)領(lǐng)域的突破和領(lǐng)先,從而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源下沉,彌補(bǔ)我國不同地區(qū)醫(yī)療資源分配不均的不足。

5G可以將整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲大大減小,傳輸速率也在4G的基礎(chǔ)上有了飛躍式發(fā)展,但是5G應(yīng)用于遠(yuǎn)程手術(shù)依舊面臨了一些不足。

(1) 網(wǎng)絡(luò)安全問題。網(wǎng)絡(luò)安全性及信息保密性是遠(yuǎn)程手術(shù)推廣必不可少的重要環(huán)節(jié)。雖然在網(wǎng)絡(luò)性能上有了發(fā)展,但是5G畢竟是一種無線網(wǎng)絡(luò)通信,依舊會面臨安全性的挑戰(zhàn)。如果缺乏一定的保護(hù)機(jī)制,那么在手術(shù)過程中可能會經(jīng)歷不可預(yù)測的外部攻擊,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟环€(wěn)定及隱私、機(jī)密信息的泄露,更可怕的結(jié)果是網(wǎng)絡(luò)無法承受外部攻擊導(dǎo)致癱瘓,此時如果手術(shù)處于進(jìn)行中,后果將不堪設(shè)想。

(2) 隱私保護(hù)問題。5G遠(yuǎn)程醫(yī)療必然需要將手術(shù)關(guān)鍵信息,如音視頻、病人影像學(xué)信息等放入公網(wǎng)傳輸,即使使用虛擬專用網(wǎng)絡(luò)等保密技術(shù),依舊無法完全避免可能出現(xiàn)的隱私泄露風(fēng)險。

(3) 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率問題。雖然我國已經(jīng)開展了多年5G基礎(chǔ)設(shè)施大規(guī)模建設(shè),但是我國幅員遼闊,欠發(fā)達(dá)地區(qū)的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋依舊不完善,這勢必會限制遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展和普及。

8 結(jié)束語

5G的推出是通信行業(yè)的一次技術(shù)變革,在大規(guī)模組網(wǎng)的前提下,為不同行業(yè)提供了全新的接入模式,很可能會產(chǎn)生全新的現(xiàn)象級應(yīng)用。雖然當(dāng)今5G依舊面臨著一些不足,部分地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也亟待加強(qiáng),但是隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的提高,更多的場景將會和5G形成新的連接,5G的不斷成熟也會推動5G產(chǎn)業(yè)全面規(guī)范發(fā)展,5G醫(yī)療行業(yè)的規(guī)范化將得到進(jìn)一步完善。