本期內容包括：

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. 互聯醫療的未來發展趨勢

5. 結論

作者

Pelle Svensson

u-blox 歐洲、中東及非洲區互聯健康部門經理

醫療物聯網（IoMT）在改變醫療保健行業方面有著巨大的潛力。聯網醫療設備、高性能硬件基礎設施和創新應用軟件的結合能夠讓病人的數據得到更好的利用，并且還能加強各醫療學科和部門之間的協作。從遠程監控病人到簡化醫院、診所的運營，物聯網醫療技術都有望提升醫療質量、可及性和效率。

然而，與更廣泛的物聯網概念一樣，IoMT的成功部署取決于可靠的基礎設施。事實上，一些無線技術已經提供了連接和通信功能，使醫療設備和應用能夠相互聯通和傳輸數據。這些技術包括蜂窩網絡、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據。它還能向下兼容使用比較傳統Wi-Fi協議的設備。

在快速發展的無線通信領域，Wi-Fi 6帶來了一系列創新功能，如OFDMA、TWT、MU-MIMO、BSS Coloring、1024-QAM等技術和功能。這些技術和功能囊括了基本的連接構件，使產品開發人員能夠提供先進的功能。

本文旨在闡明這些技術和功能的意義，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Wi-Fi 5時，側重點主要是提高數據傳輸速率，以支持更快、更高質量的數字服務。然而，在醫院環境中，Wi-Fi連接的設備越來越多，有大量的數據從網絡到服務器再到設備之間來回傳輸。

因此，在使用這種Wi-Fi和前幾代Wi-Fi時，醫院出現擁塞的可能性非常大。為了解決這個問題并提高網絡的數據傳輸速率和累積數據傳輸速率，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網或中央服務器。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衡，這對于無線連接的重癥監護設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備，這意味著它必須按順序與網絡中的所有客戶端設備進行通信。在醫院環境中，這所帶來的延遲有時會很不理想，例如，在醫院環境中需要毫不延遲地發送警報。為了避免信道擁擠，醫院需要使用多個接入點，并將設備分隔在不同的信道上。

網絡安全

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企業版”使用可擴展身份驗證協議（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，但它現在也存在一些漏洞和薄弱環節。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聯盟為克服這些弱點而推出的，它為驗證加入網絡的設備提供了增強的安全措施。然而，許多老式設備不支持WPA3，而且由于Wi-Fi 5并非必須采用WPA3，因此它經常不被采用，導致許多Wi-Fi 5網絡容易受到攻擊。

電池壽命

Wi-Fi連接往往會耗盡客戶端設備的電池電量儲備，因為它們經常監聽接入點。雖然這一功能對于需要在接入點之間轉換時持續連接的智能手機用戶來說是有利的，但對于使用電池的醫療保健物聯網設備來說，它可能會帶來挑戰。因為這些設備并不總是需要持續的活動連接，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，對更高數據傳輸速率和更低延遲的需求變得越來越強烈顯著，例如醫療保健專業人員可以通過高質量流媒體視頻遠程實時觀察手術情況，這為增強現實（AR）技術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，克服了前幾代產品的局限性，醫院現在可以引進更多以電池供電的設備。

較低的延遲還能快速傳輸高清醫療圖像，并促進虛擬現實（VR）設備和AR的應用。例如，AR護目鏡可用于遠程實時觀察手術，或為住院醫生或護理助理提供特定程序的培訓。

每個時間單位內支持更多的客戶端設備

新的Wi-Fi 6的主要目的是確保在網絡規模相同的情況下，能夠處理更多的客戶端設備。這意味著醫院中相同數量的接入點每個時間單位可處理的客戶端數量是以前的四倍，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（OFDMA）實現的，該技術可在一個時隙內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個下行鏈路數據流，可為多個用戶提供多達8個下行鏈路和上行鏈路數據流，有助于提供更低的延遲。這樣就能實現更佳的網絡性能表現，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，最小延遲還為醫療保健領域的增強現實應用提供了新的可能性，例如加強對學生和外科醫生的培訓。

延長電池壽命

Wi-Fi連接往往會耗盡客戶端設備的電池電量儲備，因為它們經常監聽接入點。Wi-Fi 6通過“目標喚醒時間”（TWT）解決了這一問題，它允許設備使用電池工作更長時間。有了TWT，使用電池的客戶端設備就不必持續發送數據，從而可以更長時間地進入睡眠模式，節省電量的用量。

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設備來說，持續監聽這些信標幀會耗損大量電池壽命。TWT可使IoMT設備進入低功耗睡眠狀態，僅在指定的TWT會話中喚醒，從而有效降低功耗，減少持續主動監聽的需要，延長電池壽命。

更高數據傳輸速率

另一個好處是，與Wi-Fi 5相比，Wi-Fi 6的數據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：與以前的協議相比，Wi-Fi 6的1024-QAM調制技術有了顯著改進（來源：u-blox）

利用1024-QAM，在特定時間間隔內發送的每個符號都包含更多信息，從而提高了數據傳輸速率。與Wi-Fi 6中集成的其他創新技術相結合，網絡速度可比同類Wi-Fi 5網絡快40%。

超高數據吞吐能力

多用戶、多輸入、多輸出（MU-MIMO）是單用戶MIMO（SU-MIMO）的一項關鍵改進，且與接入點密切相關。更高級的接入點最多可以有八根天線，這就允許一組設備使用一根天線，另一組設備使用另一根天線。當與OFDMA一起使用時，可顯著提高需要高帶寬設備（如高質量視頻流設備）的數據吞吐量。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備，以提高累積數據傳輸速率。這樣，接入點就能根據環境需要調整其運行模式。這樣做的結果就是改善了設備的連接性，不僅能為多個設備提供更好的連接性，還能為需要更多連接支持的設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備在同一射頻信道上的干擾。

例如，設想兩個相鄰的接入點：接入點A與設備1、2和3相連，距離20米；另一個接入點B與設備5和6相連。接入點A仍有可能接收到客戶端設備5發送的信息，而客戶端設備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備的整個數據包后，才能確定該數據包不是為其準備的，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）著色是一種用于區分同一射頻信道上接入點及其客戶端設備的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據包。甚至無線電芯片也能在很早的時候識別出數據包不是為接入點準備的，并跳過該數據包。

強化安全性

Wi-Fi 6主要通過對最新安全協議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絡上的數據私密性。雖然Wi-Fi 6并不要求WPA3，但WPA3能顯著提高網絡安全性，這對IoMT網絡至關重要。對于希望創建安全可靠的Wi-Fi 6醫療保健物聯網設備的設計人員來說，另一個重要方面是確定具有Wi-Fi聯盟(WFA)認證的解決方案。該認證是一項質量指標，可確保設備能夠有效地與其他Wi-Fi 6設備進行通信和集成。

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設備的可用攻擊面，從而降低遭受網絡攻擊的可能性，從而間接提高安全性。

越來越多的Wi-Fi 6設備還支持新模式“機會無線加密（OWE）”。OWE為公共網絡上的用戶提供個性化數據加密。這意味著，即使連接時不需要密碼，設備與接入點之間交換的數據也會專門為每個用戶加密。與傳統開放式Wi-Fi網絡缺乏加密相比，這是一項重大進步，因為在傳統網絡中，同一網絡中的任何人都有可能截獲和讀取他人的數據。

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，有助于提高數據吞吐量和減少延遲。

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緩解了現有2.4 GHz和5 GHz頻段的擁塞狀況，為設備運行提供了更多非重疊信道。這在擁有大量聯網設備的密集醫療環境中非常適用，可為4K視頻流和AR/VR等帶寬密集型應用以及遠程操作設備等醫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議，可顯著增強對暴力破解攻擊的防護，并提高開放網絡的隱私性。這一要求可確保在6 GHz頻段上運行的所有設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安全協議，因為6 GHz頻段不允許使用這些協議。不支持這些增強安全措施或6 GHz頻段的傳統設備只能在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代設備使用，從而優化了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采用的創新協議功能有助于減少擁堵。

考慮到需要更換的接入點數量，醫院想要完全過渡到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濟投入?？紤]到這一點，醫院在開始這一過程時，將逐步優先考慮較舊的接入點以及手術室等關鍵區域的接入點，因為在這些區域，Wi-Fi 6的優勢能體現得最為顯著。

傳統Wi-Fi接入點在合同終止時將觸發向Wi-Fi 6的升級。當這些合同到期時，醫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生。在這一過渡時期，Wi-Fi 6設備既可以在最新的Wi-Fi 6接入點上運行，也可以在現有的傳統頻段上運行。通過采用Wi-Fi 6，醫療設備開發商可以確保與現有傳統網絡的兼容性，同時為即將到來的新一代IoMT網絡做好設備的未來準備。

互聯醫療的未來發展趨勢

與前幾代產品相比，Wi-Fi 6可為新興的人工智能/ML（醫療成像）和AR/VR（遠程培訓）應用提供更好的支持。更佳的連接性、更快的數據傳輸速率和更低的延遲可實現先進的遠程交互，為醫療成像、診斷和使用VR/AR技術的遠程手術帶來新的發展機遇。

展望未來，Wi-Fi 7將在Wi-Fi 6的基礎上引入多鏈路操作（MLO），允許設備在多個頻率上同時發送和接收數據包，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鍵基礎設施，進一步提升網絡恢復能力將是它們發展的重要推動因素。此外，它還有助于減輕因設備數量不斷增加而導致的干擾加劇所帶來的負面影響。

結論

轉換到Wi-Fi 6可以改善醫療機構的網絡基礎設施，但前提是需要仔細規劃。u-blox提供了一套完備的資料包，能夠為醫療設備開發人員提供有力幫助。其中包括開發板、全球認證模塊、網絡研討會、白皮書和其他在線資源，以幫助開發人員充分使用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，如用于醫療成像和診斷的AI/ML以及用于遠程手術和培訓的VR/AR。無線技術的不斷發展必將在決定互聯醫療的未來方面發揮關鍵作用，從而改善患者的治療效果，提高醫療服務系統的效率。

/關于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品以及全面的物聯網服務，賦能客戶以實現精準定位與萬物互聯。我們憑借業界領先的解決方案持續推動未來汽車與物聯網行業的創新升級。u-blox公司總部設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、智能和可持續性的解決方案。