芯耀
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本期內(nèi)容包括：
1. 當前 Wi-Fi 5（及以下）部署的局限性
2. Wi-Fi 6是什么？
3. Wi-Fi 6在IoMT中進行部署
4. 互聯(lián)醫(yī)療的未來發(fā)展趨勢
5. 結(jié)論
作者:Pelle Svensson，u-blox 歐洲、中東及非洲區(qū)互聯(lián)健康部門經(jīng)理
醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（IoMT）在改變醫(yī)療保健行業(yè)方面有著巨大的潛力。聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備、高性能硬件基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新應用軟件的結(jié)合能夠讓病人的數(shù)據(jù)得到更好的利用，并且還能加強各醫(yī)療學科和部門之間的協(xié)作。從遠程監(jiān)控病人到簡化醫(yī)院、診所的運營，物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療技術(shù)都有望提升醫(yī)療質(zhì)量、可及性和效率。
然而，與更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)概念一樣，IoMT的成功部署取決于可靠的基礎(chǔ)設(shè)施。事實上，一些無線技術(shù)已經(jīng)提供了連接和通信功能，使醫(yī)療設(shè)備和應用能夠相互聯(lián)通和傳輸數(shù)據(jù)。這些技術(shù)包括蜂窩網(wǎng)絡、藍牙、Zigbee、RFID和NFC等。
Wi-Fi 6也非常適合IoMT應用，因為它可以提供高速本地連接，并能以安全的方式傳輸大量數(shù)據(jù)。它還能向下兼容使用比較傳統(tǒng)Wi-Fi協(xié)議的設(shè)備。
在快速發(fā)展的無線通信領(lǐng)域，Wi-Fi 6帶來了一系列創(chuàng)新功能，如OFDMA、TWT、MU-MIMO、BSS Coloring、1024-QAM等技術(shù)和功能。這些技術(shù)和功能囊括了基本的連接構(gòu)件，使產(chǎn)品開發(fā)人員能夠提供先進的功能。
本文旨在闡明這些技術(shù)和功能的意義，展開講下它們在實際應用中能帶來的利好和更佳的用戶體驗。
當前Wi-Fi 5（及以下）部署的局限性
吞吐量與網(wǎng)絡擁塞
首先，我們先了解下Wi-Fi 5的局限性，特別是吞吐量與擁塞。在開發(fā)Wi-Fi 5時，側(cè)重點主要是提高數(shù)據(jù)傳輸速率，以支持更快、更高質(zhì)量的數(shù)字服務。然而，在醫(yī)院環(huán)境中，Wi-Fi連接的設(shè)備越來越多，有大量的數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡到服務器再到設(shè)備之間來回傳輸。
因此，在使用這種Wi-Fi和前幾代Wi-Fi時，醫(yī)院出現(xiàn)擁塞的可能性非常大。為了解決這個問題并提高網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率和累積數(shù)據(jù)傳輸速率，解決方法是增加更多的接入點，以接收Wi-Fi信號并將其路由到互聯(lián)網(wǎng)或中央服務器。然而，接入點越多，相互之間的干擾就越大，這就會造成擁塞甚至可能降低速度。所以我們要在吞吐量和擁塞之間做出權(quán)衡，這對于無線連接的重癥監(jiān)護設(shè)備來說是一個重大難題。
響應時間（延遲）
Wi-Fi 5的另一個特點就是它與客戶端的通信方式，Wi-Fi 5一次只處理一個客戶端設(shè)備，這意味著它必須按順序與網(wǎng)絡中的所有客戶端設(shè)備進行通信。在醫(yī)院環(huán)境中，這所帶來的延遲有時會很不理想，例如，在醫(yī)院環(huán)境中需要毫不延遲地發(fā)送警報。為了避免信道擁擠，醫(yī)院需要使用多個接入點，并將設(shè)備分隔在不同的信道上。
在安全性方面，Wi-Fi 5支持Wi-Fi保護訪問（WPA）和WPA2。WPA2有兩個主要版本：“WPA2企業(yè)版”使用可擴展身份驗證協(xié)議（EAP）定期更新加密密鑰，提供更強大的身份驗證方案；“WPA2個人版”則依賴于預共享密鑰。雖然WPA2比WPA和早期的有線等效保密（WEP）更安全，但它現(xiàn)在也存在一些漏洞和薄弱環(huán)節(jié)。其中一個最著名的漏洞是密鑰重裝攻擊（KRACK），它利用的是無線加密密鑰的重裝。
WPA3是Wi-Fi聯(lián)盟為克服這些弱點而推出的，它為驗證加入網(wǎng)絡的設(shè)備提供了增強的安全措施。然而，許多老式設(shè)備不支持WPA3，而且由于Wi-Fi 5并非必須采用WPA3，因此它經(jīng)常不被采用，導致許多Wi-Fi 5網(wǎng)絡容易受到攻擊。
電池壽命
Wi-Fi連接往往會耗盡客戶端設(shè)備的電池電量儲備，因為它們經(jīng)常監(jiān)聽接入點。雖然這一功能對于需要在接入點之間轉(zhuǎn)換時持續(xù)連接的智能手機用戶來說是有利的，但對于使用電池的醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，它可能會帶來挑戰(zhàn)。因為這些設(shè)備并不總是需要持續(xù)的活動連接，啟用該功能會大大消耗它們的電池壽命。
不足以滿足未來應用需求
隨著未來新應用場景的出現(xiàn)，對更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更低延遲的需求變得越來越強烈顯著，例如醫(yī)療保健專業(yè)人員可以通過高質(zhì)量流媒體視頻遠程實時觀察手術(shù)情況，這為增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的應用提供了可能性。
Wi-Fi 6是什么？
Wi-Fi 6（又稱IEEE 802.11ax）可支持更多設(shè)備，同時還能減少擁塞、降低干擾和提供低延遲。此外，克服了前幾代產(chǎn)品的局限性，醫(yī)院現(xiàn)在可以引進更多以電池供電的設(shè)備。
較低的延遲還能快速傳輸高清醫(yī)療圖像，并促進虛擬現(xiàn)實（VR）設(shè)備和AR的應用。例如，AR護目鏡可用于遠程實時觀察手術(shù)，或為住院醫(yī)生或護理助理提供特定程序的培訓。
每個時間單位內(nèi)支持更多的客戶端設(shè)備
新的Wi-Fi 6的主要目的是確保在網(wǎng)絡規(guī)模相同的情況下，能夠處理更多的客戶端設(shè)備。這意味著醫(yī)院中相同數(shù)量的接入點每個時間單位可處理的客戶端數(shù)量是以前的四倍，因為它在每個時隙可與一個以上的客戶端進行通信。這一改進是通過正交頻分多址技術(shù)（OFDMA）實現(xiàn)的，該技術(shù)可在一個時隙內(nèi)與多個客戶進行通信，從而提高頻譜效率。
與Wi-Fi 5的多輸入多輸出（MIMO）相比，Wi-Fi 6最多可為單個用戶同時提供8個下行鏈路數(shù)據(jù)流，可為多個用戶提供多達8個下行鏈路和上行鏈路數(shù)據(jù)流，有助于提供更低的延遲。這樣就能實現(xiàn)更佳的網(wǎng)絡性能表現(xiàn)，滿足多用戶進行帶寬密集型活動（如高清視頻直播）的需要。此外，最小延遲還為醫(yī)療保健領(lǐng)域的增強現(xiàn)實應用提供了新的可能性，例如加強對學生和外科醫(yī)生的培訓。
延長電池壽命
Wi-Fi連接往往會耗盡客戶端設(shè)備的電池電量儲備，因為它們經(jīng)常監(jiān)聽接入點。Wi-Fi 6通過“目標喚醒時間”（TWT）解決了這一問題，它允許設(shè)備使用電池工作更長時間。有了TWT，使用電池的客戶端設(shè)備就不必持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可以更長時間地進入睡眠模式，節(jié)省電量的用量。
Wi-Fi接入點的默認信標間隔約為100毫秒，即每秒不到10個信標幀。對于沒有TWT的IoMT設(shè)備來說，持續(xù)監(jiān)聽這些信標幀會耗損大量電池壽命。TWT可使IoMT設(shè)備進入低功耗睡眠狀態(tài)，僅在指定的TWT會話中喚醒，從而有效降低功耗，減少持續(xù)主動監(jiān)聽的需要，延長電池壽命。
更高數(shù)據(jù)傳輸速率
另一個好處是，與Wi-Fi 5相比，Wi-Fi 6的數(shù)據(jù)傳輸率平均提高了約25%。這一提升是由于Wi-Fi 5使用的256-QAM（正交調(diào)幅）過渡到了Wi-Fi 6的1024-QAM。使用256-QAM時，只能在空中8位符號中表示256個比特。
表格：與以前的協(xié)議相比，Wi-Fi 6的1024-QAM調(diào)制技術(shù)有了顯著改進（來源：u-blox）
利用1024-QAM，在特定時間間隔內(nèi)發(fā)送的每個符號都包含更多信息，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。與Wi-Fi 6中集成的其他創(chuàng)新技術(shù)相結(jié)合，網(wǎng)絡速度可比同類Wi-Fi 5網(wǎng)絡快40%。
超高數(shù)據(jù)吞吐能力
多用戶、多輸入、多輸出（MU-MIMO）是單用戶MIMO（SU-MIMO）的一項關(guān)鍵改進，且與接入點密切相關(guān)。更高級的接入點最多可以有八根天線，這就允許一組設(shè)備使用一根天線，另一組設(shè)備使用另一根天線。當與OFDMA一起使用時，可顯著提高需要高帶寬設(shè)備（如高質(zhì)量視頻流設(shè)備）的數(shù)據(jù)吞吐量。在這種情況下，接入點可以決定是否將所有八根天線都用于一個設(shè)備，以提高累積數(shù)據(jù)傳輸速率。這樣，接入點就能根據(jù)環(huán)境需要調(diào)整其運行模式。這樣做的結(jié)果就是改善了設(shè)備的連接性，不僅能為多個設(shè)備提供更好的連接性，還能為需要更多連接支持的設(shè)備提供更好的連接性。
減少干擾并提升可靠性
Wi-Fi 6的一項功能是基本服務集（BSS）著色，它有助于限制接入點與客戶端設(shè)備在同一射頻信道上的干擾。
例如，設(shè)想兩個相鄰的接入點：接入點A與設(shè)備1、2和3相連，距離20米；另一個接入點B與設(shè)備5和6相連。接入點A仍有可能接收到客戶端設(shè)備5發(fā)送的信息，而客戶端設(shè)備5在邏輯上與另一個接入點B相連。
在使用Wi-Fi 5時，接入點必須在接收到來自未連接客戶端設(shè)備的整個數(shù)據(jù)包后，才能確定該數(shù)據(jù)包不是為其準備的，并將其丟棄，這一過程就會帶來不必要的干擾。
Wi-Fi 6通過基本服務集著色解決了這一問題?；痉占˙SS）著色是一種用于區(qū)分同一射頻信道上接入點及其客戶端設(shè)備的BSS的方法。有了BSS著色，接入點就能更早地確定是否應接收數(shù)據(jù)包。甚至無線電芯片也能在很早的時候識別出數(shù)據(jù)包不是為接入點準備的，并跳過該數(shù)據(jù)包。
強化安全性
Wi-Fi 6主要通過對最新安全協(xié)議WPA3的可選支持，大幅增強了安全性。WPA3通過“等效同步驗證”（SAE）增強了對暴力破解攻擊的防護，提供了前向保密功能，以防止受損的會話密鑰對過去的通信進行解密，并通過個性化加密提高了開放網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)私密性。雖然Wi-Fi 6并不要求WPA3，但WPA3能顯著提高網(wǎng)絡安全性，這對IoMT網(wǎng)絡至關(guān)重要。對于希望創(chuàng)建安全可靠的Wi-Fi 6醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的設(shè)計人員來說，另一個重要方面是確定具有Wi-Fi聯(lián)盟(WFA)認證的解決方案。該認證是一項質(zhì)量指標，可確保設(shè)備能夠有效地與其他Wi-Fi 6設(shè)備進行通信和集成。
新的Wi-Fi 6功能（如TWT）還能通過安排通信時間最大限度地減少IoMT設(shè)備的可用攻擊面，從而降低遭受網(wǎng)絡攻擊的可能性，從而間接提高安全性。
越來越多的Wi-Fi 6設(shè)備還支持新模式“機會無線加密（OWE）”。OWE為公共網(wǎng)絡上的用戶提供個性化數(shù)據(jù)加密。這意味著，即使連接時不需要密碼，設(shè)備與接入點之間交換的數(shù)據(jù)也會專門為每個用戶加密。與傳統(tǒng)開放式Wi-Fi網(wǎng)絡缺乏加密相比，這是一項重大進步，因為在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，同一網(wǎng)絡中的任何人都有可能截獲和讀取他人的數(shù)據(jù)。
支持6GHz頻率
Wi-Fi 6E是Wi-Fi 6的升級版，它充分利用了Wi-Fi 6的功能，并將其擴展到最新可用的6 GHz頻段。它可以使用額外的14個各80 MHz的信道或7個各160 MHz的信道1。這種擴展提供了額外的可用頻譜，有助于提高數(shù)據(jù)吞吐量和減少延遲。
圖 1：Wi-Fi 6E利用2.4 GHz、5 GHz和6 GHz最大限度地擴大覆蓋范圍和吞吐量（來源：u-blox）
通過接入6 GHz頻段，Wi-Fi 6E緩解了現(xiàn)有2.4 GHz和5 GHz頻段的擁塞狀況，為設(shè)備運行提供了更多非重疊信道。這在擁有大量聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的密集醫(yī)療環(huán)境中非常適用，可為4K視頻流和AR/VR等帶寬密集型應用以及遠程操作設(shè)備等醫(yī)療特定應用提供更高速、更可靠的連接。
Wi-Fi 6E在安全方面的一個重要進步是強制實施了WPA3，這是一種最新的安全協(xié)議，可顯著增強對暴力破解攻擊的防護，并提高開放網(wǎng)絡的隱私性。這一要求可確保在6 GHz頻段上運行的所有設(shè)備都遵守最嚴格的安全標準。
Wi-Fi 6E的推出使人們不再使用過時的傳統(tǒng)安全協(xié)議，因為6 GHz頻段不允許使用這些協(xié)議。不支持這些增強安全措施或6 GHz頻段的傳統(tǒng)設(shè)備只能在2.4和5 GHz頻段上運行。這種隔離最大限度地減少了干擾，并確保Wi-Fi 6E的先進功能和安全增強功能只保留給現(xiàn)代設(shè)備使用，從而優(yōu)化了6 GHz頻譜的性能和安全性。
Wi-Fi 6在IoMT中進行部署
隨著無線通信的擴展，接入點也隨之增加，干擾就會隨之加劇。6 GHz頻段的可用性以及Wi-Fi 6采用的創(chuàng)新協(xié)議功能有助于減少擁堵。
考慮到需要更換的接入點數(shù)量，醫(yī)院想要完全過渡到Wi-Fi還需要一些時間。一家標準的大型醫(yī)院可能有超過20,000個接入點，因此過渡需要大量的時間和經(jīng)濟投入。考慮到這一點，醫(yī)院在開始這一過程時，將逐步優(yōu)先考慮較舊的接入點以及手術(shù)室等關(guān)鍵區(qū)域的接入點，因為在這些區(qū)域，Wi-Fi 6的優(yōu)勢能體現(xiàn)得最為顯著。
傳統(tǒng)Wi-Fi接入點在合同終止時將觸發(fā)向Wi-Fi 6的升級。當這些合同到期時，醫(yī)院將不再收到解決漏洞、錯誤修復和其他問題的更新或升級，因此現(xiàn)在是用Wi-Fi 6接入點替換它們的理想時機。
未來幾年，我們將看到這些變化的發(fā)生。在這一過渡時期，Wi-Fi 6設(shè)備既可以在最新的Wi-Fi 6接入點上運行，也可以在現(xiàn)有的傳統(tǒng)頻段上運行。通過采用Wi-Fi 6，醫(yī)療設(shè)備開發(fā)商可以確保與現(xiàn)有傳統(tǒng)網(wǎng)絡的兼容性，同時為即將到來的新一代IoMT網(wǎng)絡做好設(shè)備的未來準備。
互聯(lián)醫(yī)療的未來發(fā)展趨勢
與前幾代產(chǎn)品相比，Wi-Fi 6可為新興的人工智能/ML（醫(yī)療成像）和AR/VR（遠程培訓）應用提供更好的支持。更佳的連接性、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的延遲可實現(xiàn)先進的遠程交互，為醫(yī)療成像、診斷和使用VR/AR技術(shù)的遠程手術(shù)帶來新的發(fā)展機遇。
展望未來，Wi-Fi 7將在Wi-Fi 6的基礎(chǔ)上引入多鏈路操作（MLO），允許設(shè)備在多個頻率上同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，從而增強冗余性。它還將引入更寬的320 MHz信道，以提高吞吐量。
圖 2：Wi-Fi 7的重要功能之一是含有320 MHz的“超寬 ”信道（來源：u-blox）
針對那些嚴重依賴無線通信的高風險應用和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，進一步提升網(wǎng)絡恢復能力將是它們發(fā)展的重要推動因素。此外，它還有助于減輕因設(shè)備數(shù)量不斷增加而導致的干擾加劇所帶來的負面影響。
結(jié)論
轉(zhuǎn)換到Wi-Fi 6可以改善醫(yī)療機構(gòu)的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施，但前提是需要仔細規(guī)劃。u-blox提供了一套完備的資料包，能夠為醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員提供有力幫助。其中包括開發(fā)板、全球認證模塊、網(wǎng)絡研討會、白皮書和其他在線資源，以幫助開發(fā)人員充分使用Wi-Fi 6。通過提供這些工具和支持，u-blox旨在推動創(chuàng)新，提高IoMT實施的連接性。
展望未來，Wi-Fi 6以及最終的Wi-Fi 7的集成將有助于支持復雜的應用，如用于醫(yī)療成像和診斷的AI/ML以及用于遠程手術(shù)和培訓的VR/AR。無線技術(shù)的不斷發(fā)展必將在決定互聯(lián)醫(yī)療的未來方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，從而改善患者的治療效果，提高醫(yī)療服務系統(tǒng)的效率。
注釋：
https://www.wi-fi.org/discover-wi-fi/wi-fi-certified-6
