本期內(nèi)容包括：

1. 當(dāng)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(jìn)行部署

4. 互聯(lián)醫(yī)療的未來發(fā)展趨勢(shì)

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(yīng)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(qiáng)各醫(yī)療學(xué)科和部門之間的協(xié)作。從遠(yuǎn)程監(jiān)控病人到簡(jiǎn)化醫(yī)院、診所的運(yùn)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(shí)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(yīng)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(luò)、藍(lán)牙、Zigbee、RFID和NFC等。

Wi-Fi 6也非常適合IoMT應(yīng)用，因?yàn)樗梢蕴峁└咚俦镜剡B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(jìn)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?cè)趯?shí)際應(yīng)用中能帶來的利好和更佳的用戶體驗(yàn)。

當(dāng)前Wi-Fi 5（及以下）部署的局限性

吞吐量與網(wǎng)絡(luò)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(shí)，側(cè)重點(diǎn)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(wù)。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(luò)到服務(wù)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(shí)，醫(yī)院出現(xiàn)擁塞的可能性非常大。為了解決這個(gè)問題并提高網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)，以接收Wi-Fi信號(hào)并將其路由到互聯(lián)網(wǎng)或中央服務(wù)器。然而，接入點(diǎn)越多，相互之間的干擾就越大，這就會(huì)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(duì)于無線連接的重癥監(jiān)護(hù)設(shè)備來說是一個(gè)重大難題。

響應(yīng)時(shí)間（延遲）

Wi-Fi 5的另一個(gè)特點(diǎn)就是它與客戶端的通信方式，Wi-Fi 5一次只處理一個(gè)客戶端設(shè)備，這意味著它必須按順序與網(wǎng)絡(luò)中的所有客戶端設(shè)備進(jìn)行通信。在醫(yī)院環(huán)境中，這所帶來的延遲有時(shí)會(huì)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(bào)。為了避免信道擁擠，醫(yī)院需要使用多個(gè)接入點(diǎn)，并將設(shè)備分隔在不同的信道上。

網(wǎng)絡(luò)安全

在安全性方面，Wi-Fi 5支持Wi-Fi保護(hù)訪問（WPA）和WPA2。WPA2有兩個(gè)主要版本：“WPA2企業(yè)版”使用可擴(kuò)展身份驗(yàn)證協(xié)議（EAP）定期更新加密密鑰，提供更強(qiáng)大的身份驗(yàn)證方案；“WPA2個(gè)人版”則依賴于預(yù)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(gè)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(diǎn)而推出的，它為驗(yàn)證加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備提供了增強(qiáng)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(dǎo)致許多Wi-Fi 5網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊。

電池壽命

Wi-Fi連接往往會(huì)耗盡客戶端設(shè)備的電池電量?jī)?chǔ)備，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常監(jiān)聽接入點(diǎn)。雖然這一功能對(duì)于需要在接入點(diǎn)之間轉(zhuǎn)換時(shí)持續(xù)連接的智能手機(jī)用戶來說是有利的，但對(duì)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(huì)帶來挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@些設(shè)備并不總是需要持續(xù)的活動(dòng)連接，啟用該功能會(huì)大大消耗它們的電池壽命。

不足以滿足未來應(yīng)用需求

隨著未來新應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)，對(duì)更高數(shù)據(jù)傳輸速率和更低延遲的需求變得越來越強(qiáng)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(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察手術(shù)情況，這為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的應(yīng)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(shí)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(jìn)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(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備和AR的應(yīng)用。例如，AR護(hù)目鏡可用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀察手術(shù)，或?yàn)樽≡横t(yī)生或護(hù)理助理提供特定程序的培訓(xùn)。

每個(gè)時(shí)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(luò)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(diǎn)每個(gè)時(shí)間單位可處理的客戶端數(shù)量是以前的四倍，因?yàn)樗诿總€(gè)時(shí)隙可與一個(gè)以上的客戶端進(jìn)行通信。這一改進(jìn)是通過正交頻分多址技術(shù)（OFDMA）實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)可在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)與多個(gè)客戶進(jìn)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(gè)用戶同時(shí)提供8個(gè)下行鏈路數(shù)據(jù)流，可為多個(gè)用戶提供多達(dá)8個(gè)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(shí)現(xiàn)更佳的網(wǎng)絡(luò)性能表現(xiàn)，滿足多用戶進(jìn)行帶寬密集型活動(dòng)（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(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供了新的可能性，例如加強(qiáng)對(duì)學(xué)生和外科醫(yī)生的培訓(xùn)。

延長電池壽命

Wi-Fi連接往往會(huì)耗盡客戶端設(shè)備的電池電量?jī)?chǔ)備，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常監(jiān)聽接入點(diǎn)。Wi-Fi 6通過“目標(biāo)喚醒時(shí)間”（TWT）解決了這一問題，它允許設(shè)備使用電池工作更長時(shí)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(shí)間地進(jìn)入睡眠模式，節(jié)省電量的用量。

Wi-Fi接入點(diǎn)的默認(rèn)信標(biāo)間隔約為100毫秒，即每秒不到10個(gè)信標(biāo)幀。對(duì)于沒有TWT的IoMT設(shè)備來說，持續(xù)監(jiān)聽這些信標(biāo)幀會(huì)耗損大量電池壽命。TWT可使IoMT設(shè)備進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，僅在指定的TWT會(huì)話中喚醒，從而有效降低功耗，減少持續(xù)主動(dòng)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(gè)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(shí)，只能在空中8位符號(hào)中表示256個(gè)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(jìn)（來源：u-blox）

利用1024-QAM，在特定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)送的每個(gè)符號(hào)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(luò)速度可比同類Wi-Fi 5網(wǎng)絡(luò)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(xiàng)關(guān)鍵改進(jìn)，且與接入點(diǎn)密切相關(guān)。更高級(jí)的接入點(diǎn)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(dāng)與OFDMA一起使用時(shí)，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(diǎn)可以決定是否將所有八根天線都用于一個(gè)設(shè)備，以提高累積數(shù)據(jù)傳輸速率。這樣，接入點(diǎn)就能根據(jù)環(huán)境需要調(diào)整其運(yùn)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(gè)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(xiàng)功能是基本服務(wù)集（BSS）著色，它有助于限制接入點(diǎn)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(gè)相鄰的接入點(diǎn)：接入點(diǎn)A與設(shè)備1、2和3相連，距離20米；另一個(gè)接入點(diǎn)B與設(shè)備5和6相連。接入點(diǎn)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(gè)接入點(diǎn)B相連。

在使用Wi-Fi 5時(shí)，接入點(diǎn)必須在接收到來自未連接客戶端設(shè)備的整個(gè)數(shù)據(jù)包后，才能確定該數(shù)據(jù)包不是為其準(zhǔn)備的，并將其丟棄，這一過程就會(huì)帶來不必要的干擾。

Wi-Fi 6通過基本服務(wù)集著色解決了這一問題?；痉?wù)集（BSS）著色是一種用于區(qū)分同一射頻信道上接入點(diǎn)及其客戶端設(shè)備的BSS的方法。有了BSS著色，接入點(diǎn)就能更早地確定是否應(yīng)接收數(shù)據(jù)包。甚至無線電芯片也能在很早的時(shí)候識(shí)別出數(shù)據(jù)包不是為接入點(diǎn)準(zhǔn)備的，并跳過該數(shù)據(jù)包。

強(qiáng)化安全性

Wi-Fi 6主要通過對(duì)最新安全協(xié)議WPA3的可選支持，大幅增強(qiáng)了安全性。WPA3通過“等效同步驗(yàn)證”（SAE）增強(qiáng)了對(duì)暴力破解攻擊的防護(hù)，提供了前向保密功能，以防止受損的會(huì)話密鑰對(duì)過去的通信進(jìn)行解密，并通過個(gè)性化加密提高了開放網(wǎng)絡(luò)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(luò)安全性，這對(duì)IoMT網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。對(duì)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(jì)人員來說，另一個(gè)重要方面是確定具有Wi-Fi聯(lián)盟(WFA)認(rèn)證的解決方案。該認(rèn)證是一項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)，可確保設(shè)備能夠有效地與其他Wi-Fi 6設(shè)備進(jìn)行通信和集成。

新的Wi-Fi 6功能（如TWT）還能通過安排通信時(shí)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(luò)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(jī)會(huì)無線加密（OWE）”。OWE為公共網(wǎng)絡(luò)上的用戶提供個(gè)性化數(shù)據(jù)加密。這意味著，即使連接時(shí)不需要密碼，設(shè)備與接入點(diǎn)之間交換的數(shù)據(jù)也會(huì)專門為每個(gè)用戶加密。與傳統(tǒng)開放式Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)缺乏加密相比，這是一項(xiàng)重大進(jìn)步，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，同一網(wǎng)絡(luò)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(jí)版，它充分利用了Wi-Fi 6的功能，并將其擴(kuò)展到最新可用的6 GHz頻段。它可以使用額外的14個(gè)各80 MHz的信道或7個(gè)各160 MHz的信道1。這種擴(kuò)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?cái)U(kuò)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(yùn)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(yīng)用以及遠(yuǎn)程操作設(shè)備等醫(yī)療特定應(yīng)用提供更高速、更可靠的連接。

Wi-Fi 6E在安全方面的一個(gè)重要進(jìn)步是強(qiáng)制實(shí)施了WPA3，這是一種最新的安全協(xié)議，可顯著增強(qiáng)對(duì)暴力破解攻擊的防護(hù)，并提高開放網(wǎng)絡(luò)的隱私性。這一要求可確保在6 GHz頻段上運(yùn)行的所有設(shè)備都遵守最嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。

Wi-Fi 6E的推出使人們不再使用過時(shí)的傳統(tǒng)安全協(xié)議，因?yàn)? GHz頻段不允許使用這些協(xié)議。不支持這些增強(qiáng)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(yùn)行。這種隔離最大限度地減少了干擾，并確保Wi-Fi 6E的先進(jìn)功能和安全增強(qiáng)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(jìn)行部署

隨著無線通信的擴(kuò)展，接入點(diǎn)也隨之增加，干擾就會(huì)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(diǎn)數(shù)量，醫(yī)院想要完全過渡到Wi-Fi還需要一些時(shí)間。一家標(biāo)準(zhǔn)的大型醫(yī)院可能有超過20,000個(gè)接入點(diǎn)，因此過渡需要大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)投入?？紤]到這一點(diǎn)，醫(yī)院在開始這一過程時(shí)，將逐步優(yōu)先考慮較舊的接入點(diǎn)以及手術(shù)室等關(guān)鍵區(qū)域的接入點(diǎn)，因?yàn)樵谶@些區(qū)域，Wi-Fi 6的優(yōu)勢(shì)能體現(xiàn)得最為顯著。

傳統(tǒng)Wi-Fi接入點(diǎn)在合同終止時(shí)將觸發(fā)向Wi-Fi 6的升級(jí)。當(dāng)這些合同到期時(shí)，醫(yī)院將不再收到解決漏洞、錯(cuò)誤修復(fù)和其他問題的更新或升級(jí)，因此現(xiàn)在是用Wi-Fi 6接入點(diǎn)替換它們的理想時(shí)機(jī)。

未來幾年，我們將看到這些變化的發(fā)生。在這一過渡時(shí)期，Wi-Fi 6設(shè)備既可以在最新的Wi-Fi 6接入點(diǎn)上運(yùn)行，也可以在現(xiàn)有的傳統(tǒng)頻段上運(yùn)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(luò)的兼容性，同時(shí)為即將到來的新一代IoMT網(wǎng)絡(luò)做好設(shè)備的未來準(zhǔn)備。

互聯(lián)醫(yī)療的未來發(fā)展趨勢(shì)

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(yuǎn)程培訓(xùn)）應(yīng)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)的遠(yuǎn)程交互，為醫(yī)療成像、診斷和使用VR/AR技術(shù)的遠(yuǎn)程手術(shù)帶來新的發(fā)展機(jī)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(gè)頻率上同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，從而增強(qiáng)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(duì)那些嚴(yán)重依賴無線通信的高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)能力將是它們發(fā)展的重要推動(dòng)因素。此外，它還有助于減輕因設(shè)備數(shù)量不斷增加而導(dǎo)致的干擾加劇所帶來的負(fù)面影響。

結(jié)論

轉(zhuǎn)換到Wi-Fi 6可以改善醫(yī)療機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，但前提是需要仔細(xì)規(guī)劃。u-blox提供了一套完備的資料包，能夠?yàn)獒t(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(rèn)證模塊、網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)、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(dòng)創(chuàng)新，提高IoMT實(shí)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(fù)雜的應(yīng)用，如用于醫(yī)療成像和診斷的AI/ML以及用于遠(yuǎn)程手術(shù)和培訓(xùn)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(wù)系統(tǒng)的效率。

/關(guān)于u-blox公司/

瑞士u-blox公司（SIX:UBXN）專注于為客戶提供豐富的芯片和模塊產(chǎn)品以及全面的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，賦能客戶以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與萬物互聯(lián)。我們憑借業(yè)界領(lǐng)先的解決方案持續(xù)推動(dòng)未來汽車與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的創(chuàng)新升級(jí)。u-blox公司總部設(shè)于瑞士蘇黎世塔爾維爾，目前全球員工約1,400名，可為客戶量身打造出兼具精準(zhǔn)、智能和可持續(xù)性的解決方案。