在醫(yī)療設(shè)備中開發(fā)利用5GHz頻段

21世紀(jì)初，被稱為Wi-Fi的無線局域網(wǎng)成為一種主流技術(shù)。筆記本電腦這類計算設(shè)備開始支持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)速率可比有線網(wǎng)絡(luò)速率。今天，Wi-Fi不僅被廣泛用于計算類設(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客戶端設(shè)備工作在2.4GHz頻段。在這個頻段只有三個非重疊的信道可用，因此每個Wi-Fi客戶端設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備(如接入點(AP))必須工作在這三個信道中的一個信道上。當(dāng)兩個工作在同一信道上的Wi-Fi客戶端設(shè)備或接入點設(shè)備相互靠得較近時，其中一個設(shè)備的發(fā)射信號將成為另一個設(shè)備的干擾或噪聲。2.4GHz頻段也是微波爐、嬰兒監(jiān)視器、某些無繩電話和藍(lán)牙使用的頻段。雖然一個Wi-Fi客戶端設(shè)備只在一個信道上發(fā)射信號，但其它無線設(shè)備可能在整個頻段上造成干擾。在許多醫(yī)院，2.4GHz頻段中的無線業(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越具挑戰(zhàn)性。

幸運的是，還有另外一個頻段可供Wi-Fi使用，即5GHz頻段。這個頻段可以提供多得多的Wi-Fi信道(北美有23個)。由于很少有設(shè)備工作在5GHz，這個頻段要相對干凈許多。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

聲波碰到物體會發(fā)生反射，并以不同的時間到達(dá)目的地，結(jié)果就形成了回波。當(dāng)Wi-Fi發(fā)射信號碰到物體發(fā)生反射并以不同時間到達(dá)目的地時，也會產(chǎn)生多徑傳播現(xiàn)象。多徑傳播通常會對Wi-Fi工作產(chǎn)生負(fù)面影響，因為傳輸信號的接收方必須篩選并排序信號的多份拷貝，因為其中一些信號的到達(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客戶端與接入點可以建立并保持連接的最大距離。因為波形特性、信號衰減、數(shù)據(jù)速率和發(fā)射功率等原因，5GHz時的覆蓋范圍一般要小于2.4GHz。

在室內(nèi)，頻率和信號傳播距離之間呈反比關(guān)系——頻率越高，信號傳播的距離就越短。5GHz時的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。

衰減指的是一個信號被物體吸收的程度。較低頻率的無線電波滲透固體的程度通常要比較高頻率的無線電波高。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就是因為食物中的水份很容易吸收這個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)速率時遠(yuǎn)，因此在2.4GHz時的較低數(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無線電設(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最低速率對今天即使是最中等性能要求的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說也是不夠的。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，因為工作在如此低數(shù)據(jù)速率的連接沒有任何實際好處，還會降低802.11g設(shè)備的性能。

影響覆蓋范圍的最后一個因素是發(fā)射功率。因為5GHz時的發(fā)射功率一般要比2.4GHz時的發(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

通過充分利用802.11n在Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施中的優(yōu)勢，醫(yī)院可以在5GHz范圍內(nèi)實現(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)——實際上是利用了多徑傳播。通過使用支持多根天線的雙頻段802.11n接入點設(shè)備，醫(yī)院可以改進(jìn)覆蓋圖形和所有Wi-Fi客戶端設(shè)備的覆蓋范圍，甚至是那些不支持802.11n的設(shè)備。

接入點設(shè)備利用TxBF可以在每根天線上發(fā)送信號的不同拷貝。無法接收來自某一根天線的信號的客戶端設(shè)備可以接收來自另外一根天線的信號。在沒有TxBF時，客戶端設(shè)備在接入點范圍之外;有了TxBF后，客戶端設(shè)備就可能在覆蓋范圍之內(nèi)了。通過填充零區(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，接入點設(shè)備的每根天線都是來自客戶端設(shè)備信號的潛在接收者。當(dāng)某根天線無法接收客戶端設(shè)備的發(fā)射信號而另一根天線可以時，客戶端設(shè)備就處于有效覆蓋范圍內(nèi)。通過填充零區(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頻段的范圍優(yōu)勢。

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

機(jī)動性

當(dāng)Wi-Fi客戶端設(shè)備啟動時，它必須尋找一個可以連接(關(guān)聯(lián))的接入點設(shè)備。當(dāng)它與該接入點的連接變得不穩(wěn)定時，它必須找到一個能夠提供更好連接的接入點。搜索接入點的這個過程被稱為掃描。共有兩種掃描類型：

1.主動掃描

對于可能有接入點設(shè)備在上面工作的每個信道來說，客戶端設(shè)備會發(fā)送一個探測請求，然后等待接收探測響應(yīng)?？蛻舳嗽O(shè)備將根據(jù)探測響應(yīng)判斷哪臺是它可以關(guān)聯(lián)的最佳接入點設(shè)備。

2.被動掃描

與發(fā)送探測請求不同，客戶端設(shè)備在每個信道中偵聽由接入點設(shè)備以定期間隔發(fā)送的信標(biāo)幀。

接入點設(shè)備將在20ms內(nèi)響應(yīng)探測請求，而接入點設(shè)備可能要花100ms甚至更長時間才會發(fā)送一個信標(biāo)。因為客戶端設(shè)備在每個信道上等待來自接入點的信息所花時間較少，所以主動掃描比被動掃描更加高效。

在做主動或被動掃描時，客戶端設(shè)備不能收發(fā)有效載荷數(shù)據(jù)。正因為如此，長時間掃描對于要求持久網(wǎng)絡(luò)連接的應(yīng)用來說具有負(fù)面影響。

5GHz頻段有一個獨特的Wi-Fi特性，即動態(tài)頻率選擇(DFS)。在全球許多地方，被稱為DFS信道的一些5GHz信道由優(yōu)先級比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)射信號之前，接入點設(shè)備必須先偵聽雷達(dá)系統(tǒng)是否存在。如果接入點設(shè)備檢測到雷達(dá)，那么接入點設(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)客戶端設(shè)備做同樣的事。

由于無線客戶端設(shè)備不能檢測雷達(dá)的存在，因此它們必須先對每個DFS信道進(jìn)行被動掃描，以便檢測接入點設(shè)備是否在這個特定信道上發(fā)送信標(biāo)。一旦檢測到信標(biāo)，客戶端設(shè)備就被允許執(zhí)行主動掃描，并在這個信道上連接接入點設(shè)備。如果接入點設(shè)備后來檢測到雷達(dá)并轉(zhuǎn)移到另一個信道，那么客戶端設(shè)備必須轉(zhuǎn)移到相同的信道(以保持與該接入點設(shè)備的連接)或漫游到另一個接入點設(shè)備。

由于被動掃描時每個DFS信道要花幾百毫秒時間，因此對于要求持久網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備(如醫(yī)療設(shè)備)來說不鼓勵使用DFS信道，特別是在擁有15個DFS信道的FCC和ETSI法律范疇。

建議

對于醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)管理人員來說，5GHz頻段在覆蓋范圍和機(jī)動性等方面要比2.4GHz面臨更大的挑戰(zhàn)。然而，5GHz頻段非常吸引人，因為它能提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量和相對干凈的空中電波。隨著時間的推移，在醫(yī)院Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中采用5GHz的需求將越來越大，因為2.4GHz頻段由于各種設(shè)備的過度使用而變得越來越擁擠。

下面是在醫(yī)院中使用5GHz頻段時的一些建議：

接入點設(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，因此接入點設(shè)備放置的位置應(yīng)確?？蛻舳嗽O(shè)備能保持6Mb/s或更高數(shù)據(jù)速率的連接。當(dāng)放置的接入點設(shè)備要求工作在指定數(shù)據(jù)速率時，接入點設(shè)備之間的距離應(yīng)該根據(jù)5GHz要求而不是2.4GHz要求來確定。

802.11n：雙頻段802.11n基礎(chǔ)設(shè)施可以給所有Wi-Fi客戶端無線設(shè)備帶來好處，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，但也會導(dǎo)致更長的掃描時間，從而影響到性能和可靠性。當(dāng)只允許被動掃描時尤其如此，就像DFS信道那樣。因此，除非絕對必要，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)師不應(yīng)將接入點設(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。