（生物医学工程专业论文）移动远程医疗系统硬件平台设计与实现.pdf

d e s i g na n di m p l e m e n l 陷l t i o no ft h eh a r d c f 气r e p i 。a i f o r mo fm o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e m a b s t r a c t t h i st h e s i si sa b o u tt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r e p l a t f o r m o fm o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e m f i r s t o fa l l ，t h ec o n c e p t ， a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft e l e m e d i c i n es y s t e m ，a l s ot h ep r o p o s i t i o n a n di m p o r t a n c eo ft h em o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e ma r ei n t r o d u c e d s e c o n d ， t h ek e yt e c h n i q u e si nc o n s t r u c t i n gt h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea c q u i s i t i o n t e c h n o l o g y o ft h ep h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o na n dd a t a ，t h er e a l - t i m e t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y o f m u l t i m e d i a ，s h o r t r a n g e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dl o n g - r a n g ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h e n ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ea r c h i t e c t u r eo ft h e w h o l es y s t e ma c c o r d i n gt ot w ot y p i c a la p p l i c a t i o n s ：t h eh o m e - c a r ea n d f i r s ta i d t h i r d l y , t h ed e t a i l e dd e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec i r c u i t so ft h e h e a l t h - c a r et e r m i n a la n dt h e m o n i t o r i n g t e r m i n a li nt h em o b i l e t e l e m e d i c i n es y s t e ma r ed e s c r i b e d ，t h e ni nw h i c ht h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yd e s i g n o ft h em o b i l et e r m i n a la r em a d e a tl a s t ，a s u m m a r i z a t i o no fa l l m yw o r ka b o u t t h i s s y s t e m a sw e l la sm y e x p e c t a t i o no ff u t u r ea b o u tt h em o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e mi sm a d e t h e t h e s i si sd i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n gs i xc h a p t e r s ： t h ef i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e st h e c o n c e p t ，a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p m e n to ft e l e m e d i c i n es y s t e m ，a n de x p l a i n st h ei m p o r t a n c eo ft h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e m e d i c i n es y s t e m t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ek e yt e c h n i q u e si nt h es y s t e ma n d t h ew h o l ea r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m t h et h i r dc h a p t e ra n a l y z e st h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c em e ti n t h ea c q u i s i t i o no ft h ee c ga n dd e t a i l e dd e s c r i b e st h eh a r d w a r ep l a t f o r m d e s i g no ft h eh e a l t h - c a r et e r m i n a lo ft h i ss y s t e m t h ef o u r t hc h a p t e rd e s c r i b e st h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g no ft h e m o n i t o r i n gt e r m i n a lo ft h i ss y s t e m t h ef i f t hc h a p t e rd i s c u s s e st h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g n o ft h em o b i l et e r m i n a 】 t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e sa l lm yw o r ka b o u tt h i ss y s t e ma sw e l l a se x p r e s s e sm ye x p e c t a t i o no ff u t u r ea b o u tt h em o b i l et e l e m e d i c i n e s y s t e m k e yw o r d s m o b i l et e l e m e d i c i n e ，b l u e t o o t h ，i e e e8 0 2 1l g ，e c g , e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 麴窒 本人承担一切相关责任。 e t 期：趟：至：丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 矽7 ；户 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动远程医疗系统综述 远程医疗( t e l e m c d i c i n e 。t e l e h e a l t hc a r e ) 的概念始于1 9 8 8 年，9 0 年代以 来，由于多媒体通讯技术的发展，远程医疗的应用有了技术保障，发展尤为迅猛。 远程医疗系统作为一个开放的分布式应用系统，主要包括远程诊断、专家会诊、 信息检索和远程教学等几个主要部分。从狭义上讲，远程医疗是指研究怎样利用 多媒体计算机技术、通讯技术进行医疗活动的一门学科。它以多种数字传输方式， 通过计算机网络，多媒体技术和远程医疗软件系统，建立不同区域的医疗单位之 间、医生和患者之间的联系，完成远程咨询、诊治、教学、学术研究和信息交流 任务，形成医学专家之间及其与患者之间的一种全新的诊疗模式【1 2 1 。 早在1 9 0 3 年，荷兰著名医生，心电图机的缔造者，诺贝尔奖金获得者 e i n t h o v e n ，采用弦线检流计通过电话线记录了1 5 k i n 外的心电图，1 9 1 0 年b a r r e r 又建成了一个连接几个医院的有线传输e c g 的监护中心，他们开创了远程医疗 的先河。近百年来，通信技术的进展极为迅速：传输信号从模拟向数字转变；传 输线从铜线、电缆向光纤转变；通信网从电话网、数据网向综合业务网转变；固 定和移动通信网的同步发展；多路及多址技术也已经逐渐成熟。数字化、多媒体、 高可靠性、大容量、高速已经成为国家和全球的信息高速公路的主要特征。从联 合国2 0 0 6 年设立第一个世界信息日开始就实质上宣布世界进入了信息时代和网 络社会。这些都为远程医疗( 包括远程诊断和干预) 的应用创造了条件。根据目 前与未来的发展，远程医疗的应用将超越为偏远、落后地区提供医疗服务的早期 思维方式，必将成为人人都可涉入的一种新的医疗模式，并在战场、急救现场( 例 如地震等) 等特殊场合下通过网络实现患者与医生“面对面( 目前可通过会议 电视系统) 的直接交流的生命救援系统【3 】。 远程医疗监护系统是采用多媒体通讯技术对人体生理和病理状态进行检测 和监视的网络系统，通常采用无线网络技术实现。远程医疗监护系统能实时、连 续、不间断地监测和传送重要生命特征参数，并将获得的数据实时地传送给医护 人员。 1 2 远程医疗应用 1 9 9 7 年世界卫生组织( w h o ) 国际医学信息( m e d i n f o ) 学会组织的国际 远程医疗会议上专家们提出的远程医疗几个应用领域包括： 北京邮电大学硕士研究生学位论文 应用于战争前线伤病员的诊治 应用于诸如地震等自然灾害时的医疗咨询 继续医学教育 实时远程医疗咨询及医疗交流 交互式外科手术 急救远程医疗 区域远程保健 家庭远程心脏监护 远程医疗会诊 远程医疗国际会议f 3 】 目前远程医疗的应用情况主要体现在以下几个方面： 1 、在家庭监护的应用 目前市场上推荐的家庭监护装置，多属于视频交互式，结合视频摄像头、无 线心电传输功能、无线听诊功能，通过宽带电缆线、卫生通讯及数字技术实现实 时双向高速通讯，快速传递诊断级数字临床图像，利用便携式、无线式检测仪器， 将患者的生理参数传递到数据中心。 在众多的设备厂家中，以美国的设备居多，多数是以建立在现有视频会议设 备基础上提供软件平台和网络服务，如美国的视讯公司。也有不少公司提供了种 类繁多的监护设备，如美国的a m d 公司，其远程设备囊括心脏检查、牙科、眼 及耳、鼻、喉、皮肤等数十个科目的各种传感器式设备，如心电、血压、血氧检 测，还有各种相应的诊断检测照相机和内镜，均可直接传送信号到达监护中心。 另一种是典型的视频电话。m o t i o nm e d i 公司推出一种视频电话仪，利用标 准电话线p s t n 及i s d n 或m 形式进行电话三式服务。这种监护设备利用现有 的p s t n 网络实现问讯、医疗教育，投资较少，是易于推广的家庭监护模式。加 拿大有不少公司通过视频会议系统结合软件服务推行了他们全电子医疗化服务。 目前较为瞩目的当属加拿大m a r c h 公司研制的无线家庭监护，该系统在众多 的监护设备中颇具特色：它利用无线通信网实现与患者的信息交流，可以实现无 线心电、听诊以及血压检测。 2 、在急救医学中的应用 远程医疗从其诞生之日起就与急救医学密不可分。2 0 世纪6 0 年代人类飞向 太空，美国国家宇航局就已着手远程医疗方面的研究，采用远程医疗技术监护宇 航员的生理功能。随着各方面技术的不断完善提高，远程医疗的应用范围不断扩 展，其在急救医学领域中的作用也日渐突出。例如，英国中央c h e s h i r e 医院组织 建立的未成年外伤医疗部门与意外事故处理中心的远程医疗连接，该项目开始于 2 第一章绪论 1 9 9 7 年，与英国电信进行了合作，通过i s d n 基于p c 的视频终端进行远程医疗， 到目前仍在进一步完善之中，主要用于支持护士的实习，提供远程医疗连接，进 行远程患者护理咨询。又如，皇家w a l t o n 医院和其他西北部地区的神经中心， 1 9 9 5 年建立的x 线放射家庭诊断服务系统，通过i s d n 线路将x 线图片传输到 快速诊断处理中心，通过远程医疗来决定烧伤患者的医疗进程。经过近2 0 年的 发展，西方发达国家像美国、英国、法国、加拿大、澳大利亚等都建立了十分完 善的灾难预防应急网络体现。近年来国外更将远程医疗技术引入到院前急救中 来，将“急诊科 部分功能前移，变以前的被动式救治到主动式救护，进一步提 高急救速度和质量。美国m a r y l a n d 大学研制成功一套救护车移动远程医疗系统， 在伤员运送途中该系统可将伤员的多种生命特征、语音、图像实时传给急救中心， 使得在伤员尚未到达医院时，医生就可以对伤员的情况有比较全面的了解，做好 抢救的准备，必要时医师还可以通过远程医疗系统指导急救员对伤员进行紧急处 置。最近他们更进一步准备增加g p s 卫星定位功能，实现所有救护车的动态管 理，努力发挥院前急救的最佳效能。 3 、医院具体诊治中的部分应用 远程医学图像诊断是远程医疗的另一项重要应用，如以下几个方面： 病理切片可以在显微镜下检查活体组织，当手术室的医生要决定肿瘤良、恶 性时显得尤为重要。利用远程医疗手段，病理科医生可以遥控显微镜的聚集、进 深以及捕捉图像等操作，当病理切片仔细观察后可以通过摄像机拍摄显微照片。 然后，在挑选出1 0 2 0 幅拍摄到的照片中通过通信网络传回医生处作进一步检 查。皮肤科以上同样可以用远程医疗来进行皮肤样本的检查。 心脏科医生可利用远程医疗来传送心脏图像，例如将超声探测器靠近患者心 脏处，超声仪将超声信号实时处理后输出动态的心脏图像序列。这些图像传送给 异地的心脏科医生，通过实时观察，并指挥操作人员移动超声探测器的位置，就 可以做出正确的诊断。 内镜以上可以通过远程医疗引导内镜深入到病灶位置，并实时观察图像序 列，然后作出诊断，或者提供专家意见。 神经科医生则可以通过远程医疗指导异地医生治疗，这里主要是利用包括双 向音频和视频在内的视频会议方式并装有可以控制的摄像机或摄像头【4 l 。 1 3 远程医疗在我国的发展 我国的远程医疗技术起步较晚，但发展很迅速。1 9 8 2 年首次通过e m a i l 进 行病历会诊，开始了最早的远程医疗实践活动。2 0 世纪9 0 年代初，成功应用远 程系统诊断患噬肌肉病菌疾病的山东病例和重金属铊中毒的北京病例，由此远程 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 医疗引起了社会的普遍关注。 9 0 年代后期，我国开始了具有现代意义的远程医疗技术的研究与应用，远 程医疗从理论探索走向实际应用。1 9 9 7 年7 月，中国金卫医疗网络即卫生部卫 生卫星专网正式开通。同年9 月，中国医学基金会成立了国际医学中国互联网委 员会( m i n c ) 。一些著名的医学院校、医院都成立了远程会诊中心，全国上百家 医院相继开展了各种形式的远程医疗工作，为各地疑难急重症患者实施可视实时 专家会诊、传输共享诊疗数据、进行病理形态学诊断等。解放军总后勤部卫生部 2 0 0 1 年启动了“军卫二号工程 ( 全军远程医学信息系统) 。 进入2 1 世纪后，随着互联网技术的高速发展，利用互联网进行医学知识普 及，向百姓提供寻医问药之类的信息咨询及远程会诊，是近年来国内各大医院远 程医疗技术发展的一大特色。另外，我国远程医疗技术在某些领域起点很高，例 如北京协和医院的金卫网系统使用的是目前最先进的高清晰显示屏和视频拼接 技术进行放射、病理的图片诊断，通过标准的d i c o m ( 医学数字影像和通信协 议) 接口，远程终端可以直接从c t 、核磁等机器上读取数据并进行传输，而且 该系统通过卫星进行实时会诊，没有空间、区域的限制。更引人注目的是，2 0 0 3 年，中国首次由远程遥控机器人完成的脑外科手术在海军总医院取得成功。这是 目前国内最先进的远程医疗会诊，也是第一台远程外科机器人手术【5 1 。 1 4 研发意义 目前，国内远程医疗大多是在有线网络的基础上实现的，而基于移动网络的 野外移动远程医疗系统在国内还未进入应用阶段【6 l 。随着我国老龄化问题的加 剧，医疗模式由医院向社区甚至家庭的转变，能够融入人们日常生活的家庭监护 将具有十分重要的应用前景。在急救等场合，移动的远程医疗系统更是十分必要 的。随着移动网络和固定网络的融合，我们有必要设计一种既能够适用于固网( 可 应用于家庭监护场合) ，又可适用于移动网( 如急救等场合) 的移动远程医疗系 统。它能够采集被监护者的生理信号和本地的音视频信号，通过移动网和固网传 到远方的远程医疗监护中心。该系统须满足便携式、低功耗和实时采集传输信号 的要求。 1 5 本人工作 围绕移动远程医疗系统，我的研究工作主要集中在移动远程医疗系统移动端 的硬件平台的设计，注重其便携性、低功耗、实时性和抗电磁干扰特性，在如下 方面做出了自己的工作： 1 、对心电采集过程中遇到的电磁干扰进行分析，并给出抑制方法和相应的设计； 4 第一章绪论 2 、设计并实现了移动远程医疗系统监护终端的电路； 3 、完善了移动远程医疗系统监控终端。 1 6 本章小结 本章主要论述了远程医疗的概念和应用范畴、典型应用，并结合远程医疗在 我国的发展情况，阐述了建立移动远程医疗系统的意义。 5 第二章移动远程医疗系统设计 第二章移动远程医疗系统设计 伴随无线城市和3 g 牌照的发放等通信网络事业的发展，无线通信和无线网 络系统必将深入远程医疗系统，而且，只有采用无线网络技术才能让远程医疗系 统“移动起来 ，才能真正服务于公众的健康。但是迄今为止，在公开文献上并 没有看到有关的技术出现。基于这些考虑，我们提出了移动远程医疗系统的理念 和目标。 移动远程医疗系统与基于有线通信和网络的远程医疗系统有很大的区别，不 仅仅是加入了移动网络的元素，更重要的是改变了整个远程医疗系统的结构和医 疗平台，使得医疗和医疗监护获得了对于挽救生命最为宝贵的实时性和人们企盼 多年的预防为主的医疗保健理念的真正的实现。 下面将详细阐述我们提出的移动远程医疗系统的设计和技术细节。 2 1 关键技术 移动远程医疗系统主要由生理信号采集、音视频信号采集、无线通信收发系 统、医疗专家系统、医疗数据库、控制和显示、网络安全与管理等单元组成。它 的核心是生理信号采集单元，音视频信号采集单元和数据通信单元。 2 1 1 生理信号采集技术 作为远程医疗一部分的无线医疗监护系统，是一种完全融入被监护者日常生 活的系统，其核心是电磁安全、无创、便携和低功耗的生理信号采集技术的突破。 为实现老年人和慢性病人的无线监护，突发性疾病和心肺功能中危险信号的检 测，康复监护以及运动监测等，无线监护系统采集的生理信息主要包括体温、体 位姿态、心率、心电、呼吸频率、血压和血氧等参数。而这些生理信息的采集是 基于先进的传感器工艺和技术。各种传感器必须满足小型化、无创、舒适的要求， 这样可以无损伤、安全地黏附在人体皮肤表面或者以穿戴式的方式来获取生理信 息，并且也能被用户所接受，减轻由于佩戴设备而造成的心理压力，从而能获取 真实的信息。同时，传感器还要求有很高的灵敏性，有较强的指向性( 智能性) ， 对所测的生理信号很敏感，而对由于运动等因素引起的其它噪声则具有较强的抗 干扰能力。当然，低功耗与耐久性也是传感器性能的关键指标。目前各国科研医 疗机构和跨国公司竞相开展相关研究和开发，利用红外、激光、光电、力学、电 子、生化以及其它的一些技术，已研制出一系列能够自动监测辨识体温、体位姿 态、心率、心电、血压和血氧等参数异常并通过无线通信和网络传送信号的穿戴 式传感器。例如，美国哈佛大学在t h ec o d e b l u ei n i t i a t i v e 项目中研制出检测血 氧、e c g 、体位姿态的穿戴式传感器，法国c r n s 研究机构在m a r s i a n 项目 中研发的智能手套和手腕装置可以监测皮肤电位、温度和血流。由于生理信号是 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 微弱信号，而且无线监护系统不限制人的运动，因此除了传感器技术要求很高以 外，对所采集到的微弱信号的放大、滤波等信号的预处理也是衡量无线医疗监护 系统性能的关键技术。另外，整个采集系统的小型化也是必然的要求，这样才能 满足便携性、随身佩戴的要求 7 1 。 2 1 2 音视频实时传输 在本系统中，必须保证图像与语音信号的质量以及信号的实时性。图像传输 的数据量大，需要占用大部分的带宽，如采用c i f 格式时，如果帧率为2 5 帧s ， 其码率为3 5 2 2 8 8 2 5x8 b i t s s = 2 0 2 8 m b p s ，可见，如此大的码率不可能被通 信带宽接受，于是要对这些视频码率进行降低或压缩处理。在对图像数据进行有 损压缩后，图像信号的数据速率可以确定在2 m b p s 左右。在此系统中语音的采样 速率设定为标准p c m 抽样率8 k h z ，采样值8 b i t ，单声道。这样，语音通信占用 的带宽为6 4 k b p s 。相比较在生理信号采集与处理中，心电信号以1 2 b i t 采样， 采样率为5 0 0 h z ，生理信号通信所占用的带宽只有1 2 x 5 0 0 6 k b p s 。 音视频压缩编码的传输是整个系统组成的重要部分，也是系统的重要环节。 服务质量( q o s ) 是宽带网实现多媒体( 数据、语音、视频) 传输的根本保证。 提出q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，即服务质量问题，是因为影响数据传输的因素有 以下几点： 当数据传输达到设计带宽的8 0 时开始明显阻塞； 当数据传输时延大于4 0 0 m s 时开始明显时延； 当每个数据包传输时长超过自己包时长时开始明显抖动； 当丢包率大于2 0 ，或丢包累计超过一定数量时开始明显出现数据 传输错误。 导致以上事件发生，使网络传输发生困难的原因是： 局域网数据向广域网传送发生瓶颈问题； 由多条链路集合向一条链路发送数据； 数据从高速链路向低速链路传送时，传输速率不匹配。 为了解决上述问题，满足关键性数据传输质量，必须在网络中进行q o s 设置。 音视频通信网络性能参数包括：传输比特率( 每秒传输的比特数) 、吞吐量 ( 有效带宽) 、差错率( 误码率) 、延时( 端到端数据传输所需要的时间) 、往返 延时( 发送端发送的数据包到接收端后，被接收端正确接收后，收到接收端正确 接受信息时全部时间) 、抖动( 一个分组数据包到另外一个分组数据包之间的时 延变化) 。这些是网络性能的基本要素，而这些要素将直接影响音视频流的传播 质量。下表为网络传输媒体数据指标【8 】。 8 第二章移动远程医疗系统设计 表2 - 1 网络传输媒体数据指标 要求最大延时最大延时速率平均吞吐可接受的可接受的 ( s )抖动( 麟) ( m b s )量( m b s )误码率分组差错 率 语音0 2 51 00 0 0 5 ，0 0 6 40 0 6 4 1 0 - 2 1 0 2 视频图像 o 2 51 01 0 0 1 0 0 01 0 01 0 21 0 - 3 静止图像 12 - 1 02 - 1 01 0 - 41 0 - 9 压缩后的 0 2 510 0 2 - 1 02 - 1 01 0 - 61 0 9 视频图像 数据文件12 - 1 0 02 1 o0 实时数据0 1 - 1 1 0 1 000 2 1 3 短距离无线数据通信技术 目前在远程医疗系统中支持较近距离无线数据传输的常用技术为蓝牙和 e e 8 0 2 1 1 。 1 、蓝牙技术 ( 1 ) 主要技术特性 蓝牙技术是由爱立信公司于1 9 9 4 年提出的一种小范围的无线通信标准，其 要实现的目标是提供一种通用的短程无线接口标准，用微波取代传统网络中错综 复杂的电缆，在蓝牙设备间实现方便快捷、灵活、安全、低成本、低功耗的数据 和话音通信。因此，其载频选用在全球都可用的工业、科学、医学( i s m ) 应 用规划的2 4 5 g h z 频带。蓝牙收发信机采用跳频扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) 技术，在2 4 5 g h zi s m 频带上以1 6 0 0 跳s 的速率进行跳频。这就 使得开发商或用户可以依据各国的具体情况，以2 4 5 g h z 为中心频率，最多可 以实现7 9 个1 m i - i z 带宽的信道。除采用跳频扩谱的低功率传输外，蓝牙还采用 鉴权和加密等措施来提高通信的安全性。在发射带宽为1 m h z 时，其有效数据速 率为7 2 1 k b p s ，并采用低功率时分复用方式发射，适合1 0 米范围内的可携带式 的通信。数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型的数据( 包括链路管 理和控制消息) 占用不同信道，并通过查询( i n q u i r y ) 和寻呼( p a g i n g ) 过程来 同步跳频频率和不同蓝牙设备的时钟。 蓝牙技术支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连 成一个微元网( p i c o n e t ) ，多个微元网又可互连成散射网( s c a t t e rn e t ) ，形成灵 活的多重微元网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微 元网内寻址8 个设备( 实际上互联的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 只能激活8 个，其中1 个为主，7 个为从) 9 1 。 ( 2 ) 蓝牙技术应用于本系统的优势 第一，蓝牙技术是一种经济的无线解决方案，它方便、可靠、容易使用、比 红外的通信距离长而又不要求直视通信，广泛应用于p c 、移动电话和其他便携 设备间通信，是一种无线通信和无线网络的全球技术规范。 第二，蓝牙设备一进入一定通信范围时，就可以自动建立通信，而不要求用 户去打开一个应用或按按钮以激活一个进程。 第三，蓝牙技术非常适合嵌入式设备应用，蓝牙协议栈可根据用户需要进行 裁减，而蓝牙技术必需的核心协议一般都固化在芯片制造商提供的蓝牙模块中。 这样，在嵌入式设备中，可根据具体应用对蓝牙协议进行裁减，以减小嵌入式处 理器的开销。特别是许多电子设备已经配备了蓝牙接口，例如计算机、数码照相 机、手机、摄像机等。 第四，蓝牙技术廉价的优点也可以节省系统成本。 第五，蓝牙技术的发射功率较低，通常仅为0 d b m ( 1 m w ) ，人体所受微波辐 射较少，较适合人们长期携带。 基于蓝牙技术的以上优点，我们可以利用其传输生理信号。 2 、i e e e 8 0 2 1 1 无线局域n ( w l a n ) 技术 i e e e 8 0 2 1 1 标准由电气和电子工程师协会( e e ) 制定，常采用的为8 0 2 1 l a 、 8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l g 。i e e e 8 0 2 1 l b 工作在2 4 g h z ，直接序列扩频，最大数据传输 速率为l l m b i t s ，无需直线传播。i e e e 8 0 2 1 l b 支持的范围确定为在室外为3 0 0 米，在办公环境中最远为1 0 0 米。i e e e 8 0 2 1 1 b 使用与以太网类似的连接协议和 数据包确认来提供可靠的数据传送和有效的网络使用带宽。i e e e8 0 2 1 l a 工作在 5 g h z 频段，避开了拥挤的2 4 g h z 无线频段，物理层速率可达5 4 m b i t s ，传输 层可达2 5 m b i t s ，采用正交频分复用( o f d m ) 扩频技术。i e e e8 0 2 1 l g 有两个 最为主要的特征：高速率和兼容8 0 2 1 l b 。高速率是由于其采用于o f d m 调制技 术可得到高达5 4 m b p s 的数据通信带宽。兼容8 0 2 1 i b 是由于其仍然工作在 2 4 g h z 并且保留了i e e e8 0 2 1 l b 所采用的c c k 技术，并采用了一个“保护机 制、因此可与8 0 2 1 i b 的产品保持兼容。 无线局域网( w l a n ) 的工作模式主要有两种：一种是基础设施模式，以无 线接入点为中心，这时w l a n 的无线接入点，可以看作是有线网络的延伸，只 要在w l a n 的覆盖范围内，配有无线网卡的设备( 通常称为无线工作站) ，都可 以通过无线接入点与外部有线或无线的骨干网络相连，w l a n 接入点充当了无 线h u b ( 集线器) 的角色。另一种工作模式称为对等网络模式，主要是指少数 配有无线网卡的笔记本电脑( 即无线工作站) 之间以对等的方式相互直接连接， 1 0 第二章移动远程医疗系统设计 组成一个所谓a dh o e 的临时特定网络。这时的a dh o e 网络，相对独立并不需 要与外部骨干网相连。一般无线局域网的覆盖范围为数十米到数百米。 ( 1 ) 具有基础设施的无线局域网 移动节点借助于通信范围内最近的基站实现通信。在这样的网络里，移动节 点相当于移动终端，它不具备路由功能，而只有移动交换机负责路由和交换功能。 这种类型的网络的典型例子有蜂窝无线系统、办公室无线局域网等。 移动无线通信网络通常是以蜂窝移动方式和m o b i l ei p 方式出现的。在蜂窝 移动通信网和m o b i l ei p 中，移动终端和固定基站互相通信，网络的交换机路由 器负责路由和交换功能，通过有线方式接入固定网。其特点是在网络中有中心控 制设备，终端和交换机路由器分工明确。终端是移动的，它们需要固定网络的 支持，也需要类似基站或访问服务点这样的中心控制设备。这些特点使现有移动 通信系统在特殊场合中并不适用，如在野外环境临时通信和应急状态下的快速通 止 1 日o ( 2 ) 无基础设施的无线局域网 无基础设施的移动通信网络，也就是无线自组网洲h o en e t w o r k ) ，也被称 为多跳无线网( m u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k ) 。无线自组网由一组带有无线通信收 发装置的移动终端节点组成，是一个多跳的临时性无中心网络，可以在任何时刻、 任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有信息基础网络设施的支 持，网中的每个终端可以自由移动，地位相等。 a dh o e 网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机通 信网络的一种类型。移动计算机网络是指用户终端可以在网内随意移动的计算机 网络，所以a dh o e 网络是移动通信和计算机网络的交叉。一方面，网络的信息 交换采用了计算机网络中的分组交换机制，如笔记本计算机、车载机等，并配备 有相应的无线收发设备，并且用户可以随意移动和处于静止状态。在自组网中， 每个用户终端不仅能移动，而且都兼有路由器和主机两种功能。一方面，作为主 机，终端需要运行各种面向用户的应用程序；另一方面，作为路由器，终端需要 运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表完成数据的分组转发和路由维护工 作。在部分通信网络遭破坏后，这种分布式控制和无中心的网络结构能维持剩余 的通信能力，确保重要的通信指挥畅通，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。 作为一种无中心分布控制网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k s ) ，自组网是一种自 治的无线多跳网，整个网络没有固定的基础设施，可以在不能利用或不便利用现 有网络基础设施的情况下，提供一种通信支撑环境，拓宽了移动网络的应用场合。 自组网中也没有固定的路由器，所有节点都是移动的，并且都能以任何方式动态 地保持与其它节点的联系。在这种环境中，由于终端的无线覆盖范围的有限性， 两个无法直接进行通信的用户终端可以借助于其它节点进行分组转发。每个节点 北京邮电大学硕士研究生学位论文 都可以说是一个路由器，它们要能完成发现和维持到其它节点路由的功能。典型 例子有交互式的讲演、可以共享信息的商业会议、战场上的信息中继以及紧急通 信需要等。 a dh o c 网络中的信息流采用分组数据格式，传输采用包交换机制，基于 t c p i p 协议族。若干个移动终端组成一个独立的口网络，与固定的互联网并行， 需要时也可以与固定的互联网互连。根据底层采用的无线通信技术而有所不同， 快的可以在数秒内完成，慢的也可以在几个小时内完成，有效通信距离通常在 3 0 公里5 0 公里范围之内。 无线自组网的特点是： 无中心和自组织性 a dh o c 网络中没有绝对的控制中心，网络中的结点通过分布式算法来协调 彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设旆，可在任何时刻、任何地 方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、结点的冗余性和不存在单点故 障点，使得网络的健壮性和抗毁性良好。 自动配置 自动配置是a dh o c 网络的基本特征，结点必须检测其它结点以及它们可以 提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够正常工作，这 涉及到连接i n t e r a c t 的网关结点的更换，群首的更新等。在网络形成阶段，结点 可以就网络拓扑进行协商( 星形、环形、点到点、点到多点、平面和分级) ，这依 赖于网络的类型、底层的无线技术和应用的需求。 动态变化的网络拓扑 a dh o e 网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可以 随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线 信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形 成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。 受限的无线传输带宽 a dh o c 网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物 理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享 无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终端得 到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽【删。 根据以上描述，可以看出基于8 0 2 1 l g 的w l a n 适合于移动远程医疗系统 的应急场合。 2 1 4 长距离通信网络技术 通信网络系统是远程医疗系统的信息传输平台，是保证系统正常运行和远程 第二章移动远程医疗系统设计 医疗通信质量的关键。从目前的情况来看，远程医疗系统可采用的网络方案主要 有长途电话传输网、卫星通信网络和宽带互联网等三种手段。采用长途电话网 ( p s t n ) 作为远程医疗系统的传输网络，是一种最简单、最廉价、最原始的方 案。这一方案的优点是技术简单易于掌握，终端设备成本较低，通信费用较低廉， 主要缺点是通信带宽不够( 最多只能达到5 6 k b p s ) ，很难保证视频信号和音频信 号的通信质量，而且一般只能实现“点对点 的通信。目前，已很少采用这一方 案了。若采用卫星通信网络，通信的带宽得到了大大的提高。但是，这一方案要 求每一套视频会议终端系统都要建立全双工的卫星地球站，因而整个系统的建设 成本太高，且卫星通信费用昂贵，很难为普通百姓所接受。目前，这一方案也基 本上淘汰了。 宽带互联网是近年来在通信技术领域最为活跃和流行的一种发展趋势，其核 心的思路就是利用传统的口包来高速承载语音和视频信息。尽管口技术早已在 局域网中得以广泛的应用，但由于受传统的分组交换网络带宽不够的限制，邛 技术在广域网上主要只能传送一般的文字和数据。近年来，电信技术取得了突飞 猛进的发展，宽带互联网的格局已经基本形成，国内的口骨干网带宽已经增至 2 5 g 。在这样的情况下，利用口包在广域网上高速承载语音和视频信息已没有 任何技术障碍。因此，利用宽带互联网技术来建立远程医疗系统成为了远程医疗 技术的主要发展趋势【1 1 l 。 宽带网包括骨干网和接入网。入口带宽窄是宽带网应用的瓶颈。宽带接入网 在近两年的飞速发展，最终带来了视频会议、v o d 点播以及i p t v 、远程医疗等 更高层次宽带应用的兴起，这同时也对以太网提出了新的挑战：不断增长的带宽 需求和多播应用要求。传统的以太网主要是针对窄带数据业务市场( 如上网浏览、 电子邮件等业务) 而设计的，很少考虑甚至没考虑q o s 问题、可扩展性、可靠 性、多播应用等问题。近几年来，随着v o i p 、等新业务的发展，给以太网 络提出了更高要求。传统以太网面临如下挑战：( 1 ) 不完全具备电信级的可靠性 和可扩展性。没有冗余和弹性、采用了很多中低端交换机作为汇聚设备、没有保 护的级联。( 2 ) 不能完全支持多业务部署。q o s 机制不完善、难以进行用户和业 务的区分、不支持端到端的业务实施、多播支持能力差。( 3 ) 网络结构不清晰。 很多小b 1 l 4 - s 、性能有限、扩展困难、成为网络瓶颈；一些汇聚交换机被当作三 层设备使用。( 4 ) 不能满足新业务，需要更多的带宽f 1 2 1 。因此，提出了电信级以 太网的概念。 电信级以太网又称运营商级以太网( c e ，c a r r i e re t h e r n e t ) ，最早由城域 以太网论坛( m e f ，m e t r oe t h e r n e tf o r u m ) 在2 0 0 5 年初提出。经过一年多的发 展，电信级以太网技术引起业界的普遍关注，成为当前城域网技术的热点讨论话 1 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文 题。按照m e f 定义，电信级以太网技术主要以网络能够支持的以太网业务类型和 业务所能够达到的性能为衡量标准，并不专指某种网络技术，其主要包括5 个方 面的内容：标准化的业务( 专线虚拟专线、专用局域网虚拟专用局域网) 、 可扩展性( 业务带宽和业务规模均可灵活扩展) 、可靠性( 低于5 0 m s 的保护倒 换) 、o o s ( 端到端有保障的业务性能) 、电信级网络管理( 快速业务建立、用 户网络管理) 。 下面主要从业务标准划分、服务质量( o o s ) 、可靠性、网络安全和网络管 理等五个方面给出电信级以太网的一些基本技术要求。 1 、业务标准划分 电信级以太网可以采用一定的手段实现点到点、点到多点的以太网连接，其 支持的以太网业务类型具体可分为以下几种： ( 1 ) e p l ( 以太网专线) ：具有两个u n i 接口，每个u n i 仅接入一个客户的 业务，实现点到点的以太网透明传送，基本特征是传送带宽为专用，在不同用户 之间不共享。 ( 2 ) e v p l ( 以太网虚拟专线) ：具有两个或多个u n i 接口，每个u n i 接口 接入一个或多个客户的业务，实现点到点的连接，基本特征是u n i n 接口或传送 带宽在不同用户之间共享。 ( 3 ) e p l a n ( 以太网专用局域网) ：具有多个u n i 接口，每个u n i 仅接入一 个客户的业务，实现多个客户之间的多点到多点的以太网连接，基本特征是传送 带宽为专用，在不同用户之间不共享。 ( 4 ) e v p l a n ( 以太网虚拟专用局域网) ：具有多个u n i 接口，每个u n i 可 以接入多个客户的业务，实现多个客户之间的多点到多点的以太网连接，基本特 征是在e p l a n 基础上增加了不同用户共享传送带宽的功能。 2 、服务质量( o o s ) 服务质量( o o s ) 的量化指标主要有两个方面：一方面是由呼叫与连接建立 的速度，包括端到端延迟( e n d t o e n dd e l a y ) 和延迟变化( j i t t e r ) ；另一方 面是网络数据的吞吐量，吞吐量的主要指标可以表明可用的带宽大小，吞吐量决 定着网络传输的流量，与带宽、出错率、缓冲区容量和处理机的能力等因素有 关。 早期的以太网在局域网内主要承载数据业务，数据业务的特点是对时延不敏 感，t c p 的重传机制又可以容忍以太网上少量数据包的丢失，因此不需要差异化 的服务质量保证。但对于电信级以太网技术，由于其需要承载综合业务，这种不 区分流量类型的b e s te f f o r t 服务难以保证业务的质量。电信级以太网实现o o s 1 4 第二章移动远程医疗系统设计 有i