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在医疗设备中开发利用5GHz频段

21世纪初,被称为Wi-Fi的无线局域网成为一种主流技术。笔记本电脑这类计算设备开始支持IEEE 802.11b标准,这种标准的最高数据速率为11Mb/s,工作在2

21世纪初,被称为Wi-Fi的无线局域网成为一种干流技能。笔记本电脑这类核算设备开端支撑IEEE 802.11b规范,这种规范的最高数据速率为11Mb/s,作业在2.4GHz频段。在802.11b之后是802.11g,后者速率比前者快5倍,接着是802.11n,其数据速率可比有线网络速率。今日,Wi-Fi不只被广泛用于核算类设备,而且被用于医疗设备,如成像体系、患者监护体系和输液泵。

绝大多数Wi-Fi客户端设备作业在2.4GHz频段。在这个频段只要三个非堆叠的信道可用,因而每个Wi-Fi客户端设备和基础设施设备(如接入点(AP))有必要作业在这三个信道中的一个信道上。当两个作业在同一信道上的Wi-Fi客户端设备或接入点设备彼此靠得较近时,其间一个设备的发射信号将成为另一个设备的搅扰或噪声。2.4GHz频段也是微波炉、婴儿监视器、某些无绳电话和蓝牙运用的频段。尽管一个Wi-Fi客户端设备只在一个信道上发射信号,但其它无线设备或许在整个频段上形成搅扰。在许多医院,2.4GHz频段中的无线事务简直抵达饱和状态。跟着Wi-Fi不断遍及,保证2.4GHz频段上的牢靠衔接越来越具应战性。

走运的是,还有别的一个频段可供Wi-Fi运用,即5GHz频段。这个频段能够供给多得多的Wi-Fi信道(北美有23个)。因为很少有设备作业在5GHz,这个频段要相对洁净许多。但是,5GHz频段的Wi-Fi布置有别于2.4GHz频段的布置。下面就评论其间的一些差异。

1.多径

声波碰到物体会发生反射,并以不同的时刻抵达目的地,成果就形成了回波。当Wi-Fi发射信号碰到物体发生反射并以不同时刻抵达目的地时,也会发生多径传达现象。多径传达一般会对Wi-Fi作业发生负面影响,因为传输信号的接纳方有必要挑选并排序信号的多份复制,因为其间一些信号的抵达次序是乱的。5GHz频段中的多径传达效应要比2.4GHz频段愈加明显。

2.掩盖规模

掩盖规模是指Wi-Fi客户端与接入点能够树立并坚持衔接的最大间隔。因为波形特性、信号衰减、数据速率和发射功率等原因,5GHz时的掩盖规模一般要小于2.4GHz。

在室内,频率和信号传达间隔之间呈反比联系——频率越高,信号传达的间隔就越短。5GHz时的Wi-Fi运用的频率近似于2.4GHz的Wi-Fi所用频率的两倍(如图1所示)。因而,作业在2.4GHz频段的设备的掩盖规模一般要比作业在5GHz频段的设备大。

图1: 2.4GHz和5GHz的波形。

衰减指的是一个信号被物体吸收的程度。较低频率的无线电波浸透固体的程度一般要比较高频率的无线电波高。5GHz电波被一般建筑材料衰减的程度就比2.4GHz要高。另一方面,2.4GHz波形是水吸收的最佳频率。微波炉作业在2.4GHz便是因为食物中的水份很简单吸收这个频率的微波能量并发生热量。

较低数据速率的作业间隔要比较高数据速率时远,因而在2.4GHz时的较低数据速率也能导致更大的掩盖规模。作业在2.4GHz频段的Wi-Fi无线电设备支撑802.11b(包含802.11g或802.11n),而802.11b支撑的数据速率要比5GHz频段中的802.11a和802.11n规范低。

但是,802.11b的1Mb/s和2Mb/s最低速率对今日即便是最中等功用要求的网络设备来说也是不行的。一些医院封闭了这些最低速率,即便它们支撑更大的规模,因为作业在如此低数据速率的衔接没有任何实践优点,还会下降802.11g设备的功用。

影响掩盖规模的最终一个要素是发射功率。因为5GHz时的发射功率一般要比2.4GHz时的发射功率低,因而5GHz的掩盖规模要小于2.4GHz。

在基础设施中选用802.11n的优势

经过充分利用802.11n在Wi-Fi基础设施中的优势,医院能够在5GHz规模内完成明显的功用改善。802.11n的两大特征功用——发射波束成形(TxBF)和最大份额组成(MRC)——实践上是利用了多径传达。经过运用支撑多根天线的双频段802.11n接入点设备,医院能够改善掩盖图形和一切Wi-Fi客户端设备的掩盖规模,乃至是那些不支撑802.11n的设备。

接入点设备利用TxBF能够在每根天线上发送信号的不同复制。无法接纳来自某一根天线的信号的客户端设备能够接纳来自别的一根天线的信号。在没有TxBF时,客户端设备在接入点规模之外;有了TxBF后,客户端设备就或许在掩盖规模之内了。经过填充零区或死区,TxBF能够添加发射间隔。

TxBF能够增强发射功用;MRC能够增强接纳功用。凭借MRC,接入点设备的每根天线都是来自客户端设备信号的潜在接纳者。当某根天线无法接纳客户端设备的发射信号而另一根天线能够时,客户端设备就处于有用掩盖规模内。经过填充零区或死区,TxBF可添加接纳间隔。

尽管TxBF和MRC添加了掩盖规模,但搅扰却会削减掩盖规模。射频搅扰在2.4GHz频段十分遍及,它将进步本底噪声,下降信噪比(SNR)——发射信号和周边搅扰之差。跟着信噪比的下降,掩盖规模将变小。因而2.4GHz频段中作业设备的不断增多必定程度上抵消了这个频段的规模优势。

当医院的Wi-Fi基础设施支撑双频段802.11n时,5GHz时掩盖规模的少量削减能够由这个频段搅扰相对较少而带来的牢靠性进步来补偿。因为一切802.11规范都具有速率偏移功用,当作业在距接入点设备相同的间隔时,5GHz频段的客户端设备的作业数据速率要比2.4GHz频段稍低一些。

机动性

当Wi-Fi客户端设备启动时,它有必要寻觅一个能够衔接(相关)的接入点设备。当它与该接入点的衔接变得不稳守时,它有必要找到一个能够供给更好衔接的接入点。查找接入点的这个进程被称为扫描。共有两种扫描类型:

1.自动扫描

关于或许有接入点设备在上面作业的每个信道来说,客户端设备会发送一个勘探恳求,然后等候接纳勘探呼应。客户端设备将依据勘探呼应判别哪台是它能够相关的最佳接入点设备。

2.被迫扫描

与发送勘探恳求不同,客户端设备在每个信道中侦听由接入点设备以定期间隔发送的信标帧。

接入点设备将在20ms内呼应勘探恳求,而接入点设备或许要花100ms乃至更长时刻才会发送一个信标。因为客户端设备在每个信道上等候来自接入点的信息所花时刻较少,所以自动扫描比被迫扫描愈加高效。

在做自动或被迫扫描时,客户端设备不能收发有用载荷数据。正因为如此,长时刻扫描关于要求耐久网络衔接的运用来说具有负面影响。

5GHz频段有一个共同的Wi-Fi特性,即动态频率挑选(DFS)。在全球许多地方,被称为DFS信道的一些5GHz信道由优先级比Wi-Fi设备高的气候和军事雷达体系所用。表1显现了5GHz信道,表中具体列出了法令领域内规则的可用DFS(D)和非DFS(√)信道。

表1: 该表显现了5GHz信道。

在DFS信道上发射信号之前,接入点设备有必要先侦听雷达体系是否存在。假如接入点设备检测到雷达,那么接入点设备有必要将该信道标记为不可用,然后转移到未被占用的信道,并指示一切相关客户端设备做相同的事。

因为无线客户端设备不能检测雷达的存在,因而它们有必要先对每个DFS信道进行被迫扫描,以便检测接入点设备是否在这个特定信道上发送信标。一旦检测到信标,客户端设备就被答应履行自动扫描,并在这个信道上衔接接入点设备。假如接入点设备后来检测到雷达并转移到另一个信道,那么客户端设备有必要转移到相同的信道(以坚持与该接入点设备的衔接)或漫游到另一个接入点设备。

因为被迫扫描时每个DFS信道要花几百毫秒时刻,因而关于要求耐久网络衔接的设备(如医疗设备)来说不鼓舞运用DFS信道,特别是在具有15个DFS信道的FCC和ETSI法令领域。

主张

关于医院的网络管理人员来说,5GHz频段在掩盖规模和机动性等方面要比2.4GHz面对更大的应战。但是,5GHz频段十分吸引人,因为它能供给更大的网络容量和相对洁净的空中电波。跟着时刻的推移,在医院Wi-Fi网络中选用5GHz的需求将越来越大,因为2.4GHz频段因为各种设备的过度运用而变得越来越拥堵。

下面是在医院中运用5GHz频段时的一些主张:

接入点设备放置:因为作业在5GHz频段的802.11a和802.11n规范供给的数据速率不低于6Mb/s,因而接入点设备放置的方位应保证客户端设备能坚持6Mb/s或更高数据速率的衔接。当放置的接入点设备要求作业在指定数据速率时,接入点设备之间的间隔应该依据5GHz要求而不是2.4GHz要求来确认。

802.11n:双频段802.11n基础设施能够给一切Wi-Fi客户端无线设备带来优点,比方愈加牢靠的衔接和更大的掩盖规模。在资源答应的条件下医院应升级到双频段802.11n基础设施。

DFS信道:尽管5GHz频段中可用的信道数量能够供给更大的网络容量,但也会导致更长的扫描时刻,然后影响到功用和牢靠性。当只答应被迫扫描时特别如此,就像DFS信道那样。因而,除非肯定必要,网络架构师不应将接入点设备装备为作业在DFS信道上,而且应该将这些信道从医疗设备的扫描清单中删去。

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