看板 uefacool
作者 標題 [WiFi] 在醫療設備中開發利用5GHz頻段
時間 2012年10月12日 Fri. PM 11:40:05
http://www.eettaiwan.com/ART_8800676103_617723_TA_91ad2dd8.HTM
在醫療設備中開發利用5GHz頻段
上網時間:2012年10月12日
作者：Chris Bolinger
工程技術副總裁
Summit Data Communications公司
21世紀初，被稱為Wi-Fi的無線區域網路成為一種主流技術。筆記型電腦這類運算設備開始支援IEEE 802.11b標準，這種標準的最高數據速率為11Mb/s，工作在2.4GHz頻段。在802.11b之後是802.11g，後者速率比前者快5倍，接著是802.11n，其數據速率可比有線網路速率。今天，Wi-Fi不僅被廣泛用於運算類設備，而且被用於醫療設備，如成像系統、病人監護系統和輸液泵。
絕大多數Wi-Fi客戶端設備工作在2.4GHz頻段。在這個頻段只有三個非重疊的訊息通道可用，因此每個Wi-Fi客戶端設備和基礎設備設備(如接取點(AP))必須工作在這三個訊息通道中的一個訊息通道上。當兩個工作在同一訊息通道上的Wi-Fi客戶端設備或接取點設備相互靠得較近時，其中一個設備的發射訊號將成為另一個設備的干擾或雜訊。2.4GHz頻段也是微波爐、嬰兒監視器、某些無線電話和藍牙使用的頻段。雖然一個Wi-Fi客戶端設備只在一個訊息通道上發射訊號，但其它無線設備可能在整個頻段上造成干擾。在許多醫院，2.4GHz頻段中的無線業務幾乎達到飽和狀態。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訊息通道(北美有23個)。由於很少有設備工作在5GHz，這個頻段要相對乾淨許多。然而，5GHz頻段的Wi-Fi部署有別於2.4GHz頻段的部署。下面就討論其中的一些差異。
多徑
聲波碰到物體會產生反射，並以不同的時間到達目的地，結果就形成了回波。當Wi-Fi發射訊號碰到物體產生反射並以不同時間到達目的地時，也會產生多徑傳播現象。多徑傳播通常會對Wi-Fi工作產生負面影響，因為傳輸訊號的接收方必須篩選並排序訊號的多份拷貝，因為其中一些訊號的到達順序是亂的。5GHz頻段中的多徑傳播效應要比2.4GHz頻段更加顯著。
覆蓋範圍
覆蓋範圍是指Wi-Fi客戶端與接取點可以設立並保持連接的最大距離。因為波形特性、訊號衰減、數據速率和發射功率等原因，5GHz時的覆蓋範圍一般要小於2.4GHz。
在室內，頻率和訊號傳播距離之間呈反比關係──頻率越高，訊號傳播的距離就越短。5GHz時的Wi-Fi使用的頻率近似於2.4GHz的Wi-Fi所用頻率的兩倍(如圖1所示)。因此，工作在2.4GHz頻段的設備的覆蓋範圍通常要比工作在5GHz頻段的設備大。
圖1: 2.4GHz和5GHz的波形。
衰減指的是一個訊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電波被普通建築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並產生熱量。
較低數據速率的工作距離要比較高數據速率時遠，因此在2.4GHz時的較低數據速率也能導致更大的覆蓋範圍。工作在2.4GHz頻段的Wi-Fi無線電設備支援802.11b(包括802.11g或802.11n)，而802.11b支援的數據速率要比5GHz頻段中的802.11a和802.11n標準低。
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路設備來說也是不夠的。一些醫院關閉了這些最低速率，即使它們支援更大的範圍，因為工作在如此低數據速率的連接沒有任何實際好處，還會降低802.11g設備的性能。
影響覆蓋範圍的最後一個因素是發射功率。因為5GHz時的發射功率一般要比2.4GHz時的發射功率低，因此5GHz的覆蓋範圍要小於2.4GHz。
在基礎設備中採用802.11n的優勢
通過充分利用802.11n在Wi-Fi基礎設備中的優勢，醫院可以在5GHz範圍內實現顯著的性能改進。802.11n的兩大特色功能──發射波束成形(TxBF)和最大比例合成(MRC)──實際上是利用了多徑傳播。通過使用支援多根天線的雙頻段802.11n接取點設備，醫院可以改進覆蓋圖形和所有Wi-Fi客戶端設備的覆蓋範圍，甚至是那些不支援802.11n的設備。
接取點設備利用TxBF可以在每根天線上發送訊號的不同拷貝。無法接收來自某一根天線的訊號的客戶端設備可以接收來自另外一根天線的訊號。在沒有TxBF時，客戶端設備在接取點範圍之外；有了TxBF後，客戶端設備就可能在覆蓋範圍之內了。通過填充零區或死區，TxBF可以增加發射距離。
TxBF可以增強發射性能；MRC可以增強接收性能。借助MRC，接取點設備的每根天線都是來自客戶端設備訊號的潛在接收者。當某根天線無法接收客戶端設備的發射訊號而另一根天線可以時，客戶端設備就處於有效覆蓋範圍內。通過填充零區或死區，MRC可增加接收距離。
雖然TxBF和MRC增加了覆蓋範圍，但干擾卻會減少覆蓋範圍。射頻干擾在2.4GHz頻段非常普遍，它將提高本底雜訊，降低訊息雜訊比(SNR)──發射訊號和週邊干擾之差。隨著訊息雜訊比的降低，覆蓋範圍將變小。因此2.4GHz頻段中工作設備的不斷增多一定程度上抵銷了這個頻段的範圍優勢。
當醫院的Wi-Fi基礎設備支援雙頻段802.11n時，5GHz時覆蓋範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償。由於所有802.11標準都具有速率偏移功能，當工作在距接取點設備相同的距離時，5GHz頻段的客戶端設備的工作數據速率要比2.4GHz頻段稍低一些。
機動性
當Wi-Fi客戶端設備啟動時，它必須尋找一個可以連接(關聯)的接取點設備。當它與該接取點的連接變得不穩定時，它必須找到一個能夠提供更好連接的接取點。搜索接取點的這個過程被稱為掃描。共有兩種掃描類型：
主動掃描
對於可能有接取點設備在上面工作的每個訊息通道來說，客戶端設備會發送一個探測請求，然後等待接收探測響應。客戶端設備將根據探測響應判斷哪台是它可以關聯的最佳接取點設備。
被動掃描
與發送探測請求不同，客戶端設備在每個訊息通道中偵聽由接取點設備以定期間隔發送的信標訊框。
接取點設備將在20ms內響應探測請求，而接取點設備可能要花100ms甚至更長時間才會發送一個信標。因為客戶端設備在每個訊息通道上等待來自接取點的資訊所花時間較少，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，客戶端設備不能收發有效載荷數據。正因為如此，長時間掃描對於要求持久網路連接的應用來說具有負面影響。
5GHz頻段有一個獨特的Wi-Fi特性，即動態頻率選擇(DFS)。在全球許多地方，被稱為DFS訊息通道的一些5GHz訊息通道由優先級比Wi-Fi設備高的天氣和軍事雷達系統所用。表1顯示了5GHz訊息通道，表中詳細列出了法律範疇內規定的可用DFS(D)和非DFS(√)訊息通道。
表1: 該表顯示了5GHz訊息通道。
在DFS訊息通道上發射訊號之前，接取點設備必須先偵聽雷達系統是否存在。如果接取點設備檢測到雷達，那麼接取點設備必須將該訊息通道標記為不可用，然後轉移到未被占用的訊息通道，並指示所有關聯客戶端設備做同樣的事。
由於無線客戶端設備不能檢測雷達的存在，因此它們必須先對每個DFS訊息通道進行被動掃描，以便檢測接取點設備是否在這個特定訊息通道上發送信標。一旦檢測到信標，客戶端設備就被允許執行主動掃描，並在這個訊息通道上連接接取點設備。如果接取點設備後來檢測到雷達並轉移到另一個訊息通道，那麼客戶端設備必須轉移到相同的訊息通道(以保持與該接取點設備的連接)或漫遊到另一個接取點設備。
由於被動掃描時每個DFS訊息通道要花幾百毫秒時間，因此對於要求持久網路連接的設備(如醫療設備)來說不鼓勵使用DFS訊息通道，特別是在擁有15個DFS訊息通道的FCC和ETSI法律範疇。
建議
對於醫院的網路管理人員來說，5GHz頻段在覆蓋範圍和機動性等方面要比2.4GHz面臨更大的挑戰。然而，5GHz頻段非常吸引人，因為它能提供更大的網路容量和相對乾淨的空中電波。隨著時間的推移，在醫院Wi-Fi網路中採用5GHz的需求將越來越大，因為2.4GHz頻段由於各種設備的過度使用而變得越來越擁擠。
下面是在醫院中使用5GHz頻段時的一些建議：
接取點設備放置：由於工作在5GHz頻段的802.11a和802.11n標準提供的數據速率不低於6Mb/s，因此接取點設備放置的位置應確保客戶端設備能保持6Mb/s或更高數據速率的連接。當放置的接取點設備要求工作在指定數據速率時，接取點設備之間的距離應該根據5GHz要求而不是2.4GHz要求來確定。
802.11n：雙頻段802.11n基礎設備可以給所有Wi-Fi客戶端無線設備帶來好處，比如更加可靠的連接和更大的覆蓋範圍。在資源允許的條件下醫院應升級到雙頻段802.11n基礎設備。
DFS訊息通道：雖然5GHz頻段中可用的訊息通道數量可以提供更大的網路容量，但也會導致更長的掃描時間，因而影響到性能和可靠性。當只允許被動掃描時尤其如此，就像DFS訊息通道那樣。因此，除非絕對必要，網路架構師不應將接取點設備配置為工作在DFS訊息通道上，並且應該將這些訊息通道從醫療設備的掃描清單中刪除。
--
※ 作者: uefangsmith 時間: 2012-10-12 23:40:05
※ 編輯: uefangsmith 時間: 2012-10-12 23:53:31
※ 看板: uefacool 文章推薦值: 0 目前人氣: 0 累積人氣: 53
回列表(←)
分享