绩效评估的一个增强上行3.5 g移动医疗系统应用程序

文摘

本文研究未来的和即将到来的高速性能的第三代(3.5 g)网络技术,被称为增强型上行,提供移动健康(移动医疗)应用程序。3.5 g网络的性能是一个关键因素,成功开发的移动医疗服务被最终用户。在本文中,我们提出一个方法的性能评估的基础上,联合上行传输的声音,实时视频、生物数据(如心电图,至关重要的信号,和心脏的声音),文件传输和医疗记录。各种场景而言在实时方面,nonreal-time,和紧急程序在随机位置,没有其他系统,但是3.5 g是可用的。服务质量(QoS)的成就是通过逐步探索改善增强上行系统的参数,将网络系统的最佳性能所需的移动医疗服务的上下文。

1。介绍

有前途的高速移动网络启用新的先进服务的部署,促进发展的新兴服务在电子医疗领域。障碍对医疗服务提供者和病人之间的时间和空间。无线技术包含了e-health监控从任何位置,提供所谓的移动医疗服务。无线技术所带来的好处已经在许多不同的例子,说明情况(1),特别是对于移动应用程序(2]。

在过去几年,增加研究成果在生产商业移动卫生系统基于无线保真(WiFi),通用分组无线业务(GPRS)和第三代通用移动通信系统(3 g UMTS)网络技术3]。高速数据率的引入,宽的带宽,数字加密通信技术,可以提供音频、视频和波形数据,无论何时何地。希望目前的部署3 g系统建设与全球运营形态将会改善一些现有的无线技术的局限性,将提供一个组织良好的移动医疗服务的平台。

在紧急情况下,立即治疗是关键问题,研究表明,早期和专门的病人送往医院之前的管理有助于病人的主要可能继续存在的4,5]。特别是对于严重伤害的情况下6),事件的处理和运输的路上去医院对患者的生存是至关重要的。例如,在交通事故的情况下,紧急运输和实时诊断最重要的参数给精确的康复,在危急时刻向医院和增加生存的可能性。因此,救护车的人谁是第一个来处理这些紧急情况下并不总是需要先进的背景和经验管理足够的所有情况。至关重要的生物信号的无线传输和病人的现场视频视频会议与一位有经验的医生在医院可以达到适当的急救病人的。然而,协同远程咨询通过移动医生,检索重要的医疗记录,是必要的,而且在大多数情况下,价值的。

在这种背景下,高速分组接入(HSPA)上行和下行,在3 g和4 g系统,如WiMAX [7,8),预计将执行移动医疗应用程序和克服时间和空间的界限。先前的研究2 g (9)和3 g网络(10,11]显示性能评估,旨在支持移动医疗服务评价最终用户感知的服务性能,与2 g和3 g网络的性能,为了提高远程控制服务的端到端延迟特性,以及优化吞吐量的行为。高可用性,支持多媒体服务具有良好的可靠性和传播缓慢的成本,个性化的服务,更多的能力,和频谱效率的一些关键特性的移动技术发展。这样的技术将提供移动病人和最终用户交互式地得到他们所需要的医疗护理和建议,在何时何地需要尽管任何地理障碍或流动性约束。

本研究的范围是通过模拟设计和评估一个集成的高速上行移动远程医疗系统紧急和几乎条件。HSPA是一个进化的移动技术新部署和商业利用少量的运营商到目前为止,因此,需要实时操作前系统仿真要求。仿真试验被选来代表一系列的服务,包括异步和同步应用程序(nonreal-time、实时和实时需求)在医学数据传输。总体目标是测试的能力之外的3 g和3 g基础设施支持增值服务。方面的试验评估录取控制和服务质量(QoS)供应、网络可以完成的总吞吐量和类别的病人情况,病人的优先级在紧急情况下,数据率,和3.5 g网络的拥塞,计划在上行的情况。此外,各种模拟场景是为了把典型的移动医疗场景实现高速数据传输。

本文的其余部分组织如下;节2的进化技术HSPA描述与一般的移动医疗需求,而在部分3具体操作移动医疗场景下的研究。部分4包括开发了仿真模型的描述,而在部分5,实验结果对病人情况(紧急或简单的病人监控),利用移动医疗服务会话致力于视频应用程序,网络电话,网页浏览,医疗和文件数据传输,提出了。这些实验的主要目的是验证上述场景中,系统吞吐量的数据包传输的延迟,抖动系统的延迟,和整个细胞的拥堵。最后,部分6讨论研究结果和结论。

2。下一代无线远程医疗技术和远程医疗的需求

3 g的发展的技术叫做HSPA是基于蜂窝系统部署在现有的WCDMA网络。HSPA WCDMA-UMTS制度的革新技术,实现更高的比特率和减少延误。负责标准化HSPA 3 gpp组织(12- - - - - -14]。商业利用这项技术是相当新的,因为新的HSDPA(下行)网络是由欧洲提供商不断,而第一增强上行(HSUPA -上行)网络只在去年实现。从理论上讲,在下行的最大比特率约为10.7 Mbps使用16-QAM调制,在上行每个基站的最大比特率超过5.5 Mbps(节点b)。目前,3.6 Mbps和大约1.5 Mbps移动服务提供商提供的常见的最大比特率下行和上行,相应。HSPA包含大量的创新特性,如自适应调制和编码,传输时间间隔短(2毫秒),快速混合自动重发请求(HARQ),定制的调度器的适当的操作和路由数据,以及可能的多输入多输出(MIMO)插件。上行HSPA描述在表的特点1。

图1描述了增强上行架构和互连的基本元素,如无线网络控制器(RNC)、3 g基站(节点b)和用户设备(问题)。快节点b调度的主要特征是描述在上行会话和所需的程序问题和节点b,负责控制的传输速率和分配问题。调度过程是由节点B为了使噪声要求的水平上升(信噪比)。层1 (L1)的信号节点b限制了最大速率,因此权力抵消专用物理控制信道(DPCCH)。自控制延迟短于共和党全国委员会,自适应控制执行与噪声波动上升。问题发送控制信号为上行速率请求节点b,而节点b返回问题L1信号速率。L1信号速率请求问题有加息的要求基于缓冲区大小。问题结束2层信号速率请求包括最高优先级数据流的缓冲区大小和总缓冲区大小。下行控制信号是绝对格兰特(AG)和相对格兰特(RG)。AG)意味着权力的绝对值抵消允许用电,因此节点b,控制服务细胞,可以发送。 No AG is transmitted from Node-B that controls nonserving cells. RG is used for controlling fluctuations for power offset and is sent from all cells in enhanced uplink neighboring cells.

HSPA的能力同时提供足够数量的移动终端运行多个应用程序要求,同时保持端到端延迟低,使其成为理想的候选人数量庞大的新服务。由于产能的增加,HSPA能够提供自然和它的分组,在蜂窝网络的实现各种应用程序现在是可行的(15,16]。考虑常数HSPA网络的地理扩张和技术开发,他们应该很快就准备可靠的主机e-health服务,强调移动e-health,紧急和病人跟踪应用程序。

电子医疗保健应用程序,包括那些基于无线技术的跨领域的紧急医疗、远程医疗以各种形式(telecardiology,治疗,telepathology, teledermatology, teleophthalmology,和远程精神病治疗),和电子健康记录。电信技术要求的范围和复杂性随特定医疗或健康应用程序。除了医学图像和贯穿全运动视频,大多数biosignal医疗设备要求相对低数据传输速率(17,18]。

对于医学图像的传播,本质上是没有理论带宽需求,但缺乏带宽需要传输时间更长。然而,高质量的医学图像,如一个胸片可能需要从40到50 mb。在实践中,它是理想的传播医学图像在一个病人的访问期间,至少避免后续访问。医学图像压缩技术主要介绍了无损的方法,在图像重建要完全从其压缩格式由于诊断使用。

关于数字视频压缩、医学数字成像和通信标准(DICOM)委员会尚未采取任何。采用mpeg - 2是可能的,但这是有限的mpeg - 2要求恒定延迟帧同步的方法。另一方面,传播的离线视频仍然是可能的。重要的是区分的要求实时视频传输,离线视频传输,医疗诊断应用的视频和音频,nondiagnostic视频和音频。实时视频传输为诊断应用程序显然是最苛刻的。离线视频传输实质上是要求提供有限的病人医生互动。实时诊断音频应用包括听诊器音频的传播,或伴随诊断的音频流的传播视频。一个典型的应用程序将需要一个诊断音频和视频比特流,除了标准的电话会议位流(19,20.]。

未来的挑战在移动医疗系统已经提到在21),在这项研究中,部分覆盖。一般来说,移动医疗应用程序可以被归类在两组根据所需的传输模式:(我)实时应用程序:这些被称为多媒体中心之间的连接和移动车辆包括音频和视频交流,生物医学信号,传输和重要参数,如心电图(ECG)信号、血压、氧饱和度等等。(2)接近实时的应用程序:这些对应于应用程序启用访问管理文件和电子病人报告(EPR)转移(从医疗数据交换中心和行驶车辆之间或专业部分),临床常规咨询在访问数据库,查询仓库的医疗报告,等等。在这项研究中,我们从两组处理应用程序,分别用于紧急情况下和用于远程咨询。因此,讨论了移动医疗服务的QoS要求设置为紧急和介质的最高水平低水平对于实时应用程序,如表所描述2。相应的章节中讨论移动医疗场景3。

3所示。3.5 g移动医疗场景

无线移动系统可能意识到各种移动医疗服务。他们中的大多数已经覆盖,但是由于扩展的性能增强上行吞吐量而言,新的移动医疗服务通过仿真实现过程。因此,在本节中,我们首先讨论潜在的移动医疗服务场景,将应急实时和近实时应用程序。

3.1。紧急服务的事故

这个服务是指运输医疗单位(即的支持。、救护车)或初级护理单元(即。、农村中心)的事故。最近的研究得出结论,早期和专门的病人送往医院之前的管理有利于紧急情况下生存。特别是在重伤的情况下,脊髓和内部器官的运输和一般的照顾病人的未来是至关重要的。不幸的是,全科医生在远程医疗中心或救护人员,通常是第一次处理这样的情况,没有所需的先进的理论知识和经验。实用和经济原因,初级保健或运输医疗单位不能由专业医生,一般医生只能依靠方向提供给他们的专家。移动医疗服务在这种情况下允许专业医生位于医院网站协调remote-located初级保健或救护车服务辅助医疗人员通过telediagnosis和交互式远程咨询的含义。表3总结了典型的数据传输的紧急服务,以防事故发生。

3.2。远程咨询协作会话之间移动的医生

最近的网络和计算机技术的发展和电子健康记录系统的扩张使得地理上分布的医务人员之间的在线协作的可能性。在这种情况下,远程咨询会议实现了一个协同工作环境的医生在分散的位置,通过启用电子医疗数据交换(a), (b)语音/视频/聊天交流,和(c)共同的工作区管理(即。,常见的图像处理工具箱、注释等)(见表4)[22]。以防通勤医生至少之一是移动或在一个随机的位置没有固定网络的可用性,3.5 / 4 g平台可以作为沟通的媒介。

3.3。医疗信息管理Service-mobile访问电子健康记录(EHRs)

这个服务与应用,使移动的无处不在的医疗数据和实现移动电子健康记录(病历),可以通过掌上电脑或平板电脑。这服务是提供给医生,需要立即获得病人的医疗数据从随机位置(23]。因此,只有宽带蜂窝系统(即。,3/4G) may be used due to the corresponding data sizes. The medical data transmitted in a mobile EHR system are depicted in Table5。

4所示。仿真模型的描述

为了评估的性能在3.5 g移动医疗应用系统研究(特别是高速增强上行又名HSUPA)模拟运动是最佳的解决方案(24,25]。在这种情况下,开发一个模拟同时采用OPNET(使用26]。虽然我们只会参考反向链接以后,两个正向和反向链接的网络中实现所使用的模拟器。任何平台的开发过程中,必须考虑必要的简化,通常导致轻微高估系统的性能。所有基本元素(共和党全国委员会、节点b、空中接口、问题等)的一个完整的手机网络模拟,为每一个这样的程度,所以作为我们的范围足够精确。还有一个流量发生器过程,模拟几个应用程序稍后会提到。

模型由一个六角形细胞,而第一层六个相同的相邻细胞几乎已经部署(即。,handover is not allowed and mobile terminals are restricted within the coverage area of central cell) in order to accurately incorporate interference effects. All the attributes of the network were adjustable; therefore a variety of scenarios may be investigated. The sessions may be statically created (e.g., at the beginning of a simulation run) or dynamically inserted into the network using equivalent distributions (exponential, Poisson) and may run one or multiple services. Mobility has been taken into account for each terminal, corresponding to vehicular and pedestrian profile [27]。传播模型计算路径损耗、阴影和小规模的快衰落,适应一个密集的城市环境。跟踪是空间和有角度地相关性。瑞利衰落是(28),而多普勒功率谱密度是由著名的模仿厕所公式(29日]。通道离线生成样本通过上面的通道模型的Matlab实现。详细的方法提取这些样本中描述(30.]。增强上行干扰限制系统,计算一个新的会话的进入网络和传输功率分配/时间间隔(创科实业)也存在。

交通过程能够生成所有典型的细胞网络上运行的应用程序。VoIP、网页浏览、视频应用程序,和FTP的典型例子应用程序提供。这些模拟基于他们的标准(例如,VoIP),而对于其他跟踪文件从实际网络使用(如h .编解码器医学视频)31日]。不同负载混合可能会检查,每个服务的百分比的总负载是安排每个模拟运行。在这个表现,评价仿真运动,中等高度拥挤的细胞进行了研究。VoIP是将所有可能的增强,导致12.2 kbps每用户的比特率,以适应多重速率的(AMR)编解码器。视频编解码器基于h或应用mpeg - 4标准。网页浏览是一种常见的猝发性来源,虽然FTP服务是恒定比特率的一个来源。拥塞控制不久将发现累积延迟(或丢失的数据包),通知节点b。调度器负责维持上行干扰阈值水平以下,由移动终端信号调整自己的传播力量。很明显从模拟过程的结果,每个应用程序的端到端延迟的网络电话和视频会议是相当低,增强上行能够承受服务的需求的满足32]。

此外,一些必要的简化考虑在内。首先,建立一个会话后,只有一部分能够终止连接的问题。这意味着网络不能因为任何原因放弃一个会话(例如,拥挤的网络)。单个细胞网络中使用纸,所有问题都有界区域内移动的报道这个细胞(如果问题离开这个区域,流动过程将迫使其重新)。也,没有错误的数据包接收被认为是,没有允许数据包丢弃,导致轻微的损失量化(但没有定性的)结果的准确性。考虑上述设置,模拟器环境并尽可能真实和准确的结果。总结了关键的模拟器的参数表6。

5。仿真结果和网络评价

作为讨论的部分3,三个主要场景都考虑,分步完成绩效评估是安排网络服务可能的场合。我们开始通过检查的要求提供紧急情况下,继续通过研究之间的协作会话移动医生最后无处不在的移动访问电子健康记录的场景。结果主要是提出的端到端延迟,这个指标被广泛的认为是在最优指标以评估网络的性能,直接或间接影响其他性能指标。在这些场景中,重大贡献的优化远程healthcare-oriented增强上行网络展出。

5.1。仿真结果和主张紧急服务的事故

为了提取结论增强上行的整体性能,第一个测试用例检查对于这个场景是并发网络中存在两个紧急会议。表7描述了参数的模拟运行,而所选服务和比特率对应的表3。

建立的两个会议总共需要大约2 Mbps,而在视频爆发这个值甚至可能增加20%或更多。没有丢包的一个重要因素是允许的,无论延迟,直到数据包终于路由。图2是最特征图形这个案例研究的结果,显示延迟的CDF的概率累积分布函数和时间。

很明显从图2网络是无法同时应付两个紧急会议。MPEG视频服务的延迟是不断增加,而这一趋势丝毫没有减弱或者至少稳定的倾向。在这一点上,我们应该进行简要分析网络的结构和功能。由于增强了上行的特性,过度的分配比特率(上图1 Mbps)到一个会议提出了一系列的问题。增强上行就像它的容量是关于一个干扰有限的系统。这干扰引起的所有排放添加剂,主要来源为建立求和的问题的细胞,利用系统资源和其他细胞的干扰。通过分配高比特率一个问题(这需要一个高功率分配来实现这一目标比特率),这通常会话急剧增加的干扰细胞,消耗的很大一部分腐烂。超越或滥用腐烂,另一个高位速率分配在同一个创科实业是不再可用在许多情况下,或在别人勉强可行。这是这里的情况,因为第一次会议实际上第二个块每创科实业,反之亦然,导致延迟不可接受的水平。

前面的结论将验证这个场景的第二个测试用例。给出了新的参数表8。主要的区别在于,第二个紧急会议已经取代了两个新的较低的比特率(不紧急)会议要求,尽管总比特率需求大约是上面的一样。延迟的结果如图所示3。

在图3,所有应用程序的延迟是保持在95%的样品在80毫秒和98%的样品在150毫秒(以下简称“拖延”这个词,我们指一个数据包等待的时间发送方的缓冲区路由)。似乎已经有了大幅提高系统的整体性能因为每个两个新的会话不需要高位速率分配。增加网络的吞吐量,同时它也变得稳定。这个结果证实了最初的假设,增强上行不能总是足够管理要求两个会话,总吞吐量不是最终的决定性因素。一个经验法则可以假设,证明远程healthcare-oriented增强上行应该绑定比特率分配768 kbps /会话,这是令人满意的几乎所有典型案例。从另一个角度来看,实际上大多数当代商业增强上行平台不支持更高的比特率(考虑到服务只有一个问题,而很少在任何给定的时间)。

有几种可能的解决方案应用于解决上述问题。其中,最有效的和现实的

(一)平滑的视频信号是至关重要的在紧急医疗情况下,传输比特率应该限制为512 kbps,收益率相当充足的质量服务。(b)如果一个会话的要求超过768 kbps,由两个或两个以上的应用程序,这些应用程序可以自动或手动拆除两个交易日,甚至在某些情况下,减少总干扰引起的网络。假设等效构件存在于网络和终端的一侧,可用适当的用户设备(如笔记本电脑有两个访问卡),这样的一个动作是可能的实现。(c)作为最后的措施,如果一个最好质量的视频被认为是必要的,那么网络应该以这样一种方式,虽然在视频脉冲(或视频延迟增加超出阈值)时,所有服务将优先根据他们的重要性,为了暂时沉默的低优先级的服务。这个叛变可能还包括VoIP如果我们使用实时视频,包括音频流。这被认为是一个坏的情况下,显然未达最佳标准的拥塞控制措施。

5.2。仿真结果和命题之间的远程咨询协作会话移动医生

在本节中,我们研究了远程咨询协作会话之间移动的医生。这个模拟运行的参数表中所示9,假设这种会话,网络电话和视频服务的需要12.2和512 kbps。流服务10 kbps常见的工作区管理控制也包括在内。最后,在会话期间27 MB的数据从数据库传输。这些数据分布如下:100 kB的人口数据,1 MB的实验室,临床数据,和医疗历史,24 MB的预先录制的医疗诊断和医学图像视频,如表所示4。此外,这个场景的结果给出了数据4和5。

根据图4、增强上行网络可以很容易地处理所需的流量足够提供所有的服务对于这个场景。延迟为每个单独的应用程序运行在主会话很低,95%的样本有一个延迟40毫秒以下,而98%的样品有一个延迟低于50毫秒。服务吞吐量实际上等于名义比特率的每个应用程序,它非常稳定。最终,增强上行肯定超过这个场景的需求,为所有人提供充足的服务质量的服务会话。

另一方面,通过观察图一个问题变得明显5。为了从数据库获取27 MB,大约需要24分钟。这并不令人惊奇,因为从之前的场景的最大比特率分配一直有界768 kbps。由于MPEG视频利用512总768 kbps,控制工具10和VoIP 12.2 kbps,大约230 kbps仍为其他数据。以这个速度,所需的时间获得27 MB是最好在16分钟。虽然27 MB大小的被认为是高的,它可能代表一个重要的部分的EHR,远程咨询会议的必要条件。毫无疑问,医生没有花那么多时间的奢侈的文件传输。在这一点上应该采取补救行动。最明显的一个是将DB交易服务在不同会话。这种方式交易将完成更早(27 MB除以768 kbps收益率小于5分钟)的结果。干扰引起的这个新会话的网络不是一个重要的阻碍因素,作为数据库事务是一个后台服务。 In case the platform needs the resources, they will be immediately released simply by temporarily cutting off the DB transaction service (the other session containing VoIP + controls + MPEG video will not be affected by the interrupt). After the transaction’s end, the resources will be returned to the network in order to be reused.

5.3。仿真结果和主张医疗信息管理Service-Mobile访问电子健康记录

在这个模拟运行,手机访问电子健康记录的可行性通过增强上行网络审查。的主要属性总结在表运行10后来的数据6和7描述本次模拟的结果。60 MB的数据从数据库分布如下:100 KB的人口数据,1 MB的实验室,临床数据,和医疗历史,和其他医学图像诊断视频数据,根据表中5。

这个场景是最少的要求之间的研究。表明这种说法是,95%的样品延误不超过15毫秒,而98%的等值30毫秒。我们主要的服务会话背景(FTP和数据库事务),不需要大量专用资源。

关键特性的仿真运行DB事务服务的行为。毫无疑问,60 MB的数据是一个重要的能力,占用很多时间收购(约15分钟,速度非常接近每个会话的最大分配)。在前一个场景中,我们遇到了同样的问题,我们指定一个单独的会话数据库事务的完成。在这一点上,特定的解决方案不会产生任何重大获得的大量数据。实现一个合适的时间(在4 - 5分钟),相当于速度会超过1.5 Mbps,而不适用,至少暂时在一个真正的增强上行平台。最终,尽管被考试系统能够为这个场景中,所需的时间是不切实际的。考虑到低QoS要求的后台服务,一个与此功能可以妥协,或者尝试不同的角度的方法通过选择另一个系统的大规模传播背景数据。WiMAX或WiLAN平台是理想的候选人为了配合增强上行和解决这个问题。

6。结论

摘要、高速3.5 g模拟方案服务移动医疗应用程序进行了研究。本文演示了使用现实增强上行网络的可行性这类应用程序的测试用例,也就是说,紧急医疗服务,远程咨询协作会话之间移动的医生,和手机访问电子健康记录。传播声音,实时视频、生物和转移的文件已被考虑。在评估该方案的性能主要不同负载下的延迟和服务需求。仿真运动证明仔细系统设计是不可或缺的整个系统有足够的能力应对提供的负载。

总结所提供的结果,很明显增强上行成功应对所有的测试用例检查。端到端延迟在所有情况下都很满意,除了第一个测试用例的第一个场景。这个特殊的模拟运行证明,将高比特率分配给单个会话导致恶化的整体系统的性能。面对这个问题,优化网络资源的管理,每个会话的最大比特率分配有限的768 kbps,最大提出视频比特率为512 kbps,除非明确需要更好的质量。导出了第二个场景,由EHR事务服务需要在合理的时间内,一个单独的会话的必要性是被这种服务是显而易见的。最后,尽管增强上行能够为所有类型的文件传输,大文件传输引起重大延误他们的成就。这句话强调了合作的前景增强上行与另一个平台,WiMAX等实现所提供的服务质量的提高。

最终,增强上行设法满足远程医疗应用程序的要求,充分服务生成的负载。因此,它可以作为新一代技术为移动卫生系统提供即时和无处不在的卫生保健在一系列不同的情况下,处理各种远程医疗的需求,尤其是在救护车紧急医疗保健领域的规定,农村医院中心或任何其他偏远和分散的健康中心和重症监护病人的监控。作为一个未来的工作,该方案可以评估在一个更真实的实验场景中,在一个适当的HSUPA的用户可以访问网络。上述场景中包含了多单元的计划,用户可以选择的位置来评估相互干涉的影响,交接,和功率控制问题。未来调查的一部分也可以集成标准h / mpeg - 4 AVC的仿真过程,达到更高的压缩,可能部分缓解一些描述的问题。此外,为了更合理的结果即将到来的网络,我们希望提供进一步的实验事实考虑医疗数据异构接入网络,如802.16条款。

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