在醫(yī)療設(shè)備中開(kāi)發(fā)利用5GHz頻段

21世紀(jì)初，被稱(chēng)為Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)成為一種主流技術(shù)。筆記本電腦這類(lèi)計(jì)算設(shè)備開(kāi)始支持IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)的最高數(shù)據(jù)速率為11Mb/s，工作在2.4GHz頻段。在802.11b之后是802.11g，后者速率比前者快5倍，接著是802.11n，其數(shù)據(jù)速率可比有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)速率。今天，Wi-Fi不僅被廣泛用于計(jì)算類(lèi)設(shè)備，而且被用于醫(yī)療設(shè)備，如成像系統(tǒng)、病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和輸液泵。

絕大多數(shù)Wi-Fi客戶(hù)端設(shè)備工作在2.4GHz頻段。在這個(gè)頻段只有三個(gè)非重疊的信道可用，因此每個(gè)Wi-Fi客戶(hù)端設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備(如接入點(diǎn)(AP))必須工作在這三個(gè)信道中的一個(gè)信道上。當(dāng)兩個(gè)工作在同一信道上的Wi-Fi客戶(hù)端設(shè)備或接入點(diǎn)設(shè)備相互靠得較近時(shí)，其中一個(gè)設(shè)備的發(fā)射信號(hào)將成為另一個(gè)設(shè)備的干擾或噪聲。2.4GHz頻段也是微波爐、嬰兒監(jiān)視器、某些無(wú)繩電話(huà)和藍(lán)牙使用的頻段。雖然一個(gè)Wi-Fi客戶(hù)端設(shè)備只在一個(gè)信道上發(fā)射信號(hào)，但其它無(wú)線(xiàn)設(shè)備可能在整個(gè)頻段上造成干擾。在許多醫(yī)院，2.4GHz頻段中的無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)幾乎達(dá)到飽和狀態(tài)。隨著Wi-Fi不斷普及，確保2.4GHz頻段上的可靠連接越來(lái)越具挑戰(zhàn)性。

幸運(yùn)的是，還有另外一個(gè)頻段可供Wi-Fi使用，即5GHz頻段。這個(gè)頻段可以提供多得多的Wi-Fi信道(北美有23個(gè))。由于很少有設(shè)備工作在5GHz，這個(gè)頻段要相對(duì)干凈許多。然而，5GHz頻段的Wi-Fi部署有別于2.4GHz頻段的部署。下面就討論其中的一些差異。

1.多徑

聲波碰到物體會(huì)發(fā)生反射，并以不同的時(shí)間到達(dá)目的地，結(jié)果就形成了回波。當(dāng)Wi-Fi發(fā)射信號(hào)碰到物體發(fā)生反射并以不同時(shí)間到達(dá)目的地時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生多徑傳播現(xiàn)象。多徑傳播通常會(huì)對(duì)Wi-Fi工作產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)閭鬏斝盘?hào)的接收方必須篩選并排序信號(hào)的多份拷貝，因?yàn)槠渲幸恍┬盘?hào)的到達(dá)順序是亂的。5GHz頻段中的多徑傳播效應(yīng)要比2.4GHz頻段更加顯著。

2.覆蓋范圍

覆蓋范圍是指Wi-Fi客戶(hù)端與接入點(diǎn)可以建立并保持連接的最大距離。因?yàn)椴ㄐ翁匦浴⑿盘?hào)衰減、數(shù)據(jù)速率和發(fā)射功率等原因，5GHz時(shí)的覆蓋范圍一般要小于2.4GHz。

在室內(nèi)，頻率和信號(hào)傳播距離之間呈反比關(guān)系——頻率越高，信號(hào)傳播的距離就越短。5GHz時(shí)的Wi-Fi使用的頻率近似于2.4GHz的Wi-Fi所用頻率的兩倍(如圖1所示)。因此，工作在2.4GHz頻段的設(shè)備的覆蓋范圍通常要比工作在5GHz頻段的設(shè)備大。

圖1: 2.4GHz和5GHz的波形。

衰減指的是一個(gè)信號(hào)被物體吸收的程度。較低頻率的無(wú)線(xiàn)電波滲透固體的程度通常要比較高頻率的無(wú)線(xiàn)電波高。5GHz電波被普通建筑材料衰減的程度就比2.4GHz要高。另一方面，2.4GHz波形是水吸收的最佳頻率。微波爐工作在2.4GHz就是因?yàn)槭澄镏械乃莺苋菀孜者@個(gè)頻率的微波能量并產(chǎn)生熱量。

較低數(shù)據(jù)速率的工作距離要比較高數(shù)據(jù)速率時(shí)遠(yuǎn)，因此在2.4GHz時(shí)的較低數(shù)據(jù)速率也能導(dǎo)致更大的覆蓋范圍。工作在2.4GHz頻段的Wi-Fi無(wú)線(xiàn)電設(shè)備支持802.11b(包括802.11g或802.11n)，而802.11b支持的數(shù)據(jù)速率要比5GHz頻段中的802.11a和802.11n標(biāo)準(zhǔn)低。

然而，802.11b的1Mb/s和2Mb/s最低速率對(duì)今天即使是最中等性能要求的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)說(shuō)也是不夠的。一些醫(yī)院關(guān)閉了這些最低速率，即使它們支持更大的范圍，因?yàn)楣ぷ髟谌绱说蛿?shù)據(jù)速率的連接沒(méi)有任何實(shí)際好處，還會(huì)降低802.11g設(shè)備的性能。

影響覆蓋范圍的最后一個(gè)因素是發(fā)射功率。因?yàn)?GHz時(shí)的發(fā)射功率一般要比2.4GHz時(shí)的發(fā)射功率低，因此5GHz的覆蓋范圍要小于2.4GHz。

在基礎(chǔ)設(shè)施中采用802.11n的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)充分利用802.11n在Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施中的優(yōu)勢(shì)，醫(yī)院可以在5GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著的性能改進(jìn)。802.11n的兩大特色功能——發(fā)射波束成形(TxBF)和最大比例合成(MRC)——實(shí)際上是利用了多徑傳播。通過(guò)使用支持多根天線(xiàn)的雙頻段802.11n接入點(diǎn)設(shè)備，醫(yī)院可以改進(jìn)覆蓋圖形和所有Wi-Fi客戶(hù)端設(shè)備的覆蓋范圍，甚至是那些不支持802.11n的設(shè)備。

接入點(diǎn)設(shè)備利用TxBF可以在每根天線(xiàn)上發(fā)送信號(hào)的不同拷貝。無(wú)法接收來(lái)自某一根天線(xiàn)的信號(hào)的客戶(hù)端設(shè)備可以接收來(lái)自另外一根天線(xiàn)的信號(hào)。在沒(méi)有TxBF時(shí)，客戶(hù)端設(shè)備在接入點(diǎn)范圍之外;有了TxBF后，客戶(hù)端設(shè)備就可能在覆蓋范圍之內(nèi)了。通過(guò)填充零區(qū)或死區(qū)，TxBF可以增加發(fā)射距離。

TxBF可以增強(qiáng)發(fā)射性能;MRC可以增強(qiáng)接收性能。借助MRC，接入點(diǎn)設(shè)備的每根天線(xiàn)都是來(lái)自客戶(hù)端設(shè)備信號(hào)的潛在接收者。當(dāng)某根天線(xiàn)無(wú)法接收客戶(hù)端設(shè)備的發(fā)射信號(hào)而另一根天線(xiàn)可以時(shí)，客戶(hù)端設(shè)備就處于有效覆蓋范圍內(nèi)。通過(guò)填充零區(qū)或死區(qū)，TxBF可增加接收距離。

雖然TxBF和MRC增加了覆蓋范圍，但干擾卻會(huì)減少覆蓋范圍。射頻干擾在2.4GHz頻段非常普遍，它將提高本底噪聲，降低信噪比(SNR)——發(fā)射信號(hào)和周邊干擾之差。隨著信噪比的降低，覆蓋范圍將變小。因此2.4GHz頻段中工作設(shè)備的不斷增多一定程度上抵消了這個(gè)頻段的范圍優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)醫(yī)院的Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施支持雙頻段802.11n時(shí)，5GHz時(shí)覆蓋范圍的少許減少可以由這個(gè)頻段干擾相對(duì)較少而帶來(lái)的可靠性提高來(lái)補(bǔ)償。由于所有802.11標(biāo)準(zhǔn)都具有速率偏移功能，當(dāng)工作在距接入點(diǎn)設(shè)備相同的距離時(shí)，5GHz頻段的客戶(hù)端設(shè)備的工作數(shù)據(jù)速率要比2.4GHz頻段稍低一些。

機(jī)動(dòng)性

當(dāng)Wi-Fi客戶(hù)端設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，它必須尋找一個(gè)可以連接(關(guān)聯(lián))的接入點(diǎn)設(shè)備。當(dāng)它與該接入點(diǎn)的連接變得不穩(wěn)定時(shí)，它必須找到一個(gè)能夠提供更好連接的接入點(diǎn)。搜索接入點(diǎn)的這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為掃描。共有兩種掃描類(lèi)型：

1.主動(dòng)掃描

對(duì)于可能有接入點(diǎn)設(shè)備在上面工作的每個(gè)信道來(lái)說(shuō)，客戶(hù)端設(shè)備會(huì)發(fā)送一個(gè)探測(cè)請(qǐng)求，然后等待接收探測(cè)響應(yīng)?？蛻?hù)端設(shè)備將根據(jù)探測(cè)響應(yīng)判斷哪臺(tái)是它可以關(guān)聯(lián)的最佳接入點(diǎn)設(shè)備。

2.被動(dòng)掃描

與發(fā)送探測(cè)請(qǐng)求不同，客戶(hù)端設(shè)備在每個(gè)信道中偵聽(tīng)由接入點(diǎn)設(shè)備以定期間隔發(fā)送的信標(biāo)幀。

接入點(diǎn)設(shè)備將在20ms內(nèi)響應(yīng)探測(cè)請(qǐng)求，而接入點(diǎn)設(shè)備可能要花100ms甚至更長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)發(fā)送一個(gè)信標(biāo)。因?yàn)榭蛻?hù)端設(shè)備在每個(gè)信道上等待來(lái)自接入點(diǎn)的信息所花時(shí)間較少，所以主動(dòng)掃描比被動(dòng)掃描更加高效。

在做主動(dòng)或被動(dòng)掃描時(shí)，客戶(hù)端設(shè)備不能收發(fā)有效載荷數(shù)據(jù)。正因?yàn)槿绱?，長(zhǎng)時(shí)間掃描對(duì)于要求持久網(wǎng)絡(luò)連接的應(yīng)用來(lái)說(shuō)具有負(fù)面影響。

5GHz頻段有一個(gè)獨(dú)特的Wi-Fi特性，即動(dòng)態(tài)頻率選擇(DFS)。在全球許多地方，被稱(chēng)為DFS信道的一些5GHz信道由優(yōu)先級(jí)比Wi-Fi設(shè)備高的天氣和軍事雷達(dá)系統(tǒng)所用。表1顯示了5GHz信道，表中詳細(xì)列出了法律范疇內(nèi)規(guī)定的可用DFS(D)和非DFS(√)信道。

表1: 該表顯示了5GHz信道。

在DFS信道上發(fā)射信號(hào)之前，接入點(diǎn)設(shè)備必須先偵聽(tīng)雷達(dá)系統(tǒng)是否存在。如果接入點(diǎn)設(shè)備檢測(cè)到雷達(dá)，那么接入點(diǎn)設(shè)備必須將該信道標(biāo)記為不可用，然后轉(zhuǎn)移到未被占用的信道，并指示所有關(guān)聯(lián)客戶(hù)端設(shè)備做同樣的事。

由于無(wú)線(xiàn)客戶(hù)端設(shè)備不能檢測(cè)雷達(dá)的存在，因此它們必須先對(duì)每個(gè)DFS信道進(jìn)行被動(dòng)掃描，以便檢測(cè)接入點(diǎn)設(shè)備是否在這個(gè)特定信道上發(fā)送信標(biāo)。一旦檢測(cè)到信標(biāo)，客戶(hù)端設(shè)備就被允許執(zhí)行主動(dòng)掃描，并在這個(gè)信道上連接接入點(diǎn)設(shè)備。如果接入點(diǎn)設(shè)備后來(lái)檢測(cè)到雷達(dá)并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信道，那么客戶(hù)端設(shè)備必須轉(zhuǎn)移到相同的信道(以保持與該接入點(diǎn)設(shè)備的連接)或漫游到另一個(gè)接入點(diǎn)設(shè)備。

由于被動(dòng)掃描時(shí)每個(gè)DFS信道要花幾百毫秒時(shí)間，因此對(duì)于要求持久網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備(如醫(yī)療設(shè)備)來(lái)說(shuō)不鼓勵(lì)使用DFS信道，特別是在擁有15個(gè)DFS信道的FCC和ETSI法律范疇。

建議

對(duì)于醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)管理人員來(lái)說(shuō)，5GHz頻段在覆蓋范圍和機(jī)動(dòng)性等方面要比2.4GHz面臨更大的挑戰(zhàn)。然而，5GHz頻段非常吸引人，因?yàn)樗芴峁└蟮木W(wǎng)絡(luò)容量和相對(duì)干凈的空中電波。隨著時(shí)間的推移，在醫(yī)院Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中采用5GHz的需求將越來(lái)越大，因?yàn)?.4GHz頻段由于各種設(shè)備的過(guò)度使用而變得越來(lái)越擁擠。

下面是在醫(yī)院中使用5GHz頻段時(shí)的一些建議：

接入點(diǎn)設(shè)備放置：由于工作在5GHz頻段的802.11a和802.11n標(biāo)準(zhǔn)提供的數(shù)據(jù)速率不低于6Mb/s，因此接入點(diǎn)設(shè)備放置的位置應(yīng)確?？蛻?hù)端設(shè)備能保持6Mb/s或更高數(shù)據(jù)速率的連接。當(dāng)放置的接入點(diǎn)設(shè)備要求工作在指定數(shù)據(jù)速率時(shí)，接入點(diǎn)設(shè)備之間的距離應(yīng)該根據(jù)5GHz要求而不是2.4GHz要求來(lái)確定。

802.11n：雙頻段802.11n基礎(chǔ)設(shè)施可以給所有Wi-Fi客戶(hù)端無(wú)線(xiàn)設(shè)備帶來(lái)好處，比如更加可靠的連接和更大的覆蓋范圍。在資源允許的條件下醫(yī)院應(yīng)升級(jí)到雙頻段802.11n基礎(chǔ)設(shè)施。

DFS信道：雖然5GHz頻段中可用的信道數(shù)量可以提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量，但也會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的掃描時(shí)間，從而影響到性能和可靠性。當(dāng)只允許被動(dòng)掃描時(shí)尤其如此，就像DFS信道那樣。因此，除非絕對(duì)必要，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師不應(yīng)將接入點(diǎn)設(shè)備配置為工作在DFS信道上，并且應(yīng)該將這些信道從醫(yī)療設(shè)備的掃描清單中刪除。