關(guān)于住院病房醫(yī)療無(wú)線系統(tǒng)部署中的幾個(gè)問(wèn)題

劉麒麟

（咸寧中心醫(yī)院）

關(guān)于住院病房醫(yī)療無(wú)線系統(tǒng)部署中的幾個(gè)問(wèn)題

劉麒麟

（咸寧中心醫(yī)院）

隨著醫(yī)療信息化的發(fā)展，基于無(wú)線的醫(yī)療應(yīng)用越來(lái)越多，建設(shè)醫(yī)療專(zhuān)用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是各個(gè)三甲醫(yī)院的必選項(xiàng)目。但如何結(jié)合醫(yī)院特點(diǎn)選擇無(wú)線技術(shù)，在無(wú)線系統(tǒng)部署過(guò)程中，應(yīng)該關(guān)注哪些方面，是放在各個(gè)醫(yī)院信息中心面前的一個(gè)問(wèn)題。本文通過(guò)作者負(fù)責(zé)的單位無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試上線過(guò)程中的切身體會(huì)，結(jié)合理論依據(jù)，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)選擇和部署的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題提出了自己的看法。

衰減；頻段干擾；室內(nèi)放裝型AP；室內(nèi)分布型AP；帶機(jī)能力

我院近期進(jìn)行醫(yī)療信息網(wǎng)的升級(jí)，除了有線網(wǎng)絡(luò)改造升級(jí)外，另外一個(gè)重點(diǎn)是隨著醫(yī)療信息平臺(tái)的上線，對(duì)住院病房區(qū)域提出了無(wú)線巡房的需求。為此我院對(duì)多方無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行了考察和評(píng)估，在評(píng)估過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的選擇，有如下幾個(gè)問(wèn)題值得重視。

1　關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理構(gòu)架的選擇

要實(shí)施無(wú)縫的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，至少需要上百個(gè)甚至幾百個(gè)AP無(wú)線設(shè)備，管理和維護(hù)如此大規(guī)模的無(wú)線局域網(wǎng)是一件很頭痛和花時(shí)間的事情。從射頻信號(hào)的覆蓋面，用戶帶寬，用戶認(rèn)證，以及接入安全等，都需要低成本的解決方案。傳統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)的管理和維護(hù)是基于每一個(gè)單獨(dú)的AP進(jìn)行，其大量的管理工作就是要逐一地對(duì)每個(gè)AP進(jìn)行同樣的設(shè)置和更改動(dòng)作，即使是一個(gè)很小的改動(dòng)，也要將全部AP修改一次。如果AP數(shù)量不斷增多時(shí)，維護(hù)量變得非常龐大和煩瑣。再者，無(wú)線局域網(wǎng)本應(yīng)是一個(gè)整體的系統(tǒng)，AP之間需要互相協(xié)調(diào)工作，單獨(dú)改變一個(gè)AP參數(shù)會(huì)引起AP之間的無(wú)線電波干擾、用戶漫游重認(rèn)證和授權(quán)等問(wèn)題。

所以采用集中式管理的瘦無(wú)線AP+集中控制器AC架構(gòu)是非常必要的。該無(wú)線架構(gòu)具有簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的無(wú)線局域網(wǎng)集中式管理功能，AP本身并不存放任何的配置文件，AP的配置是從AC上獲取的，通過(guò)AC就可以統(tǒng)一管理整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的AP。網(wǎng)管人員只需簡(jiǎn)單地配置無(wú)線交換機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)通、管理和維護(hù)所有AP設(shè)備以及移動(dòng)終端，包括無(wú)線電波頻譜、無(wú)線安全、接入認(rèn)證、移動(dòng)漫游以及接入用戶。

2　關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻段及抗干擾的問(wèn)題

無(wú)線干擾按照類(lèi)型可劃分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾是指干擾源發(fā)送的RF信號(hào)也符合802.11標(biāo)準(zhǔn)，除此之外都是非WLAN干擾。對(duì)WLAN干擾，可進(jìn)一步按照頻率范圍分為同頻干擾和鄰頻干擾。按照來(lái)源劃分，可分為WLAN網(wǎng)絡(luò)自身的互干擾和網(wǎng)絡(luò)外的干擾。

同頻干擾是指兩個(gè)工作在相同頻率上的WLAN設(shè)備之間的相互干擾。WLAN工作ISM（Industry， Science and Medicine）頻段，包括2.4G和5G兩個(gè)頻段。對(duì)某些國(guó)家或地區(qū)來(lái)說(shuō)，僅有2.4G頻段可用。在2.4G頻段上，互不干擾的頻段十分有限，通常只有1、6、11信道（如圖1所示）。

圖1　2.4G頻段信道劃分示意圖

因此，對(duì)一個(gè)大的WLAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，尤其是高密度部署的網(wǎng)絡(luò)，同一信道常常需要被不同AP使用。而這些AP之間存在著重復(fù)區(qū)域時(shí)，就存在互相干擾問(wèn)題。下圖2是一幅病房大樓的AP部署信道排列圖，由于墻壁隔離度差，不僅同一層樓的同信道AP之間可見(jiàn)，上下樓層之間的同信道AP也存在互相干擾的情況。

同頻AP之間如果可見(jiàn)，以802.11為基礎(chǔ)的WLAN，空口是所有設(shè)備的公共傳輸媒介，兩個(gè)AP之間將根據(jù)CSMA/CA原則，進(jìn)行互相退避，這勢(shì)必會(huì)大大降低性能，兩個(gè)AP的總性能將不會(huì)超過(guò)一個(gè)信道的性能。

如果同頻AP之間不可見(jiàn)但覆蓋區(qū)域有交集，則對(duì)處于交集區(qū)域的Client而言可能會(huì)形成隱藏節(jié)點(diǎn)或暴露節(jié)點(diǎn)問(wèn)題。隱藏節(jié)點(diǎn)和暴露節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的問(wèn)題，其一是報(bào)文發(fā)送時(shí)需要退避或不斷重傳；其二是由于報(bào)文重傳時(shí)會(huì)降低報(bào)文發(fā)送的物理速率，導(dǎo)致同一AP的影響范圍擴(kuò)大，也使得報(bào)文發(fā)送占用更多的空口時(shí)長(zhǎng)，沖突幾率加大，引起更多的重傳。

根據(jù)802.11標(biāo)準(zhǔn)，RF信號(hào)發(fā)送時(shí)其頻譜寬度有一定的要求。以2.4G為例，信號(hào)的頻譜掩碼如圖3所示：

圖2　醫(yī)院AP部署信道排列圖

圖3　2.4G信號(hào)的頻譜掩碼

其發(fā)射頻寬為22MHz，在距離中心頻率11MHz之外時(shí)，要求衰減超過(guò)30dB。對(duì)任何WLAN發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，在發(fā)射頻寬之外，信號(hào)也不可能馬上降低為0，而是逐漸衰減。如果兩個(gè)中心頻率不同的WLAN設(shè)備之間的發(fā)射頻寬有重疊的部分，就會(huì)產(chǎn)生相互影響，形成了鄰頻干擾。即使對(duì)不重疊的相鄰信道（如2.4G的1、6信道，11a的161、162信道），如果兩個(gè)設(shè)備之間距離過(guò)近且發(fā)送功率比較大，也會(huì)產(chǎn)生影響。

對(duì)一個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，鄰頻干擾包括自身的鄰頻干擾和來(lái)自鄰居網(wǎng)絡(luò)的鄰頻干擾。WLAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)首先避免自身的鄰頻干擾，所有設(shè)備建議部署在不重疊的信道上，并且設(shè)備之間避免過(guò)近。對(duì)5G來(lái)說(shuō)，相鄰設(shè)備最好部署為不相鄰的信道，完全避免相鄰信道之間可能產(chǎn)生的干擾。

來(lái)自WLAN網(wǎng)絡(luò)外部的干擾也分為WLAN干擾和非WLAN干擾。WLAN干擾主要包括Rogue設(shè)備、鄰居WLAN網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)等。WLAN工作在ISM頻段，除了WLAN設(shè)備外，還有許多非WLAN設(shè)備也工作在該頻段，如微波爐、無(wú)繩電話、藍(lán)牙設(shè)備、無(wú)線攝像機(jī)、戶外微波鏈路、無(wú)線游戲控制器、Zigbee、WiMax等等。非WLAN干擾源會(huì)干擾WLAN信號(hào)，導(dǎo)致WLAN信號(hào)無(wú)法被正確接收。還有一些非ISM頻段上的設(shè)備會(huì)在ISM頻段上產(chǎn)生射頻信號(hào)泄露，當(dāng)臨近距離很近的情況下，會(huì)對(duì)WLAN設(shè)備形成干擾。如3G基站，當(dāng)和WLAN共存于一個(gè)機(jī)架，或者共用室內(nèi)饋路系統(tǒng)時(shí)，就會(huì)形成較強(qiáng)干擾。

對(duì)無(wú)線干擾的避免和消減，目前有以下5種措施：

3　關(guān)于病區(qū)內(nèi)各種物體對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度的影響

住院病房區(qū)域包括病房、護(hù)士站、走廊、配藥室、隔離病房、醫(yī)生辦公室等，功能區(qū)眾多，根據(jù)不同的病房格局，某些病房門(mén)口的衛(wèi)生間成為了Wi-Fi信號(hào)最大的障礙。智能終端原本就已經(jīng)不是很強(qiáng)的Wi-Fi信號(hào)，在穿越兩層墻體后，信號(hào)已經(jīng)衰減了很多，很難支撐正常的智能終端對(duì)信號(hào)的要求。

2.4GHz電磁波對(duì)于各種建筑材質(zhì)的穿透損耗的經(jīng)驗(yàn)值如下：

表1　

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，我們結(jié)合實(shí)際調(diào)減進(jìn)行了一定的測(cè)試，測(cè)試后已知物體對(duì)無(wú)線信號(hào)衰減影響程度如下表1：

同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)在衡量墻壁等對(duì)于AP信號(hào)的穿透損耗時(shí)，也需要考慮AP信號(hào)入射角度（如下圖4所示）。

例如，一面0.5米厚的墻壁，當(dāng)AP信號(hào)和覆蓋區(qū)域之間直線連接呈45°角入射時(shí)，無(wú)線信號(hào)相當(dāng)于穿透近1米厚的墻壁；在2°角時(shí)相當(dāng)于超過(guò)14米厚的墻壁，所以要獲取更好的覆蓋效果應(yīng)盡量使AP信號(hào)能夠垂直的穿過(guò)墻壁。

防止病房?jī)?nèi)出現(xiàn)信號(hào)死角，需要詳細(xì)規(guī)劃信號(hào)的覆蓋。

4　關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋方式

目前無(wú)線信號(hào)覆蓋方式分為兩種，一種稱(chēng)為室內(nèi)放裝型AP，一種稱(chēng)為室內(nèi)分布型AP。

室內(nèi)放裝型AP主要指天線與AP本體不可分離，AP采用大功率發(fā)射模塊，在指定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的覆蓋。

室內(nèi)分布型AP主要指天線與AP本體可以分離，天線可以部署在各個(gè)內(nèi)，AP和天線通過(guò)饋管進(jìn)行連接。

采用室內(nèi)放裝型AP方式，AP一般都部署在走廊內(nèi)向房間覆蓋，由于病房區(qū)域房間較多，隔墻也多，根據(jù)前面的分析，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和均勻度會(huì)有較大影響，因而結(jié)合醫(yī)院病房特點(diǎn)，選擇室內(nèi)分布型AP，將天線直接伸入房間，實(shí)現(xiàn)每房間1天線或者2天線的方案，從測(cè)試的實(shí)際效果來(lái)看，相對(duì)于室內(nèi)放裝型AP覆蓋更加均勻，信號(hào)強(qiáng)度更好。

根據(jù)對(duì)各家AP的測(cè)試，我們最終選擇AP在樓道部署放裝，并且由AP上伸出多根天線進(jìn)入病房，每個(gè)病房一根入室天線，過(guò)道需要視信號(hào)強(qiáng)度確定天線數(shù)量，固定在天花板或者墻壁上（見(jiàn)下圖5）。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以保證病房Wi-Fi信號(hào)的強(qiáng)度均勻，因?yàn)槊總€(gè)病房都有天線進(jìn)入，所以房間內(nèi)沒(méi)有死角。此外，單AP覆蓋范圍較大，終端漫游次數(shù)較少，減少了因?yàn)槁味霈F(xiàn)的一些使用問(wèn)題。AP和天線整體部署圖如下圖6：

圖5　X分方案部署示意

5　關(guān)于無(wú)線AP的帶機(jī)能力

關(guān)于無(wú)線AP的帶機(jī)能力，我們定義為單個(gè)AP可以同時(shí)支持連接，并持續(xù)無(wú)障礙運(yùn)行各種應(yīng)用系統(tǒng)的終端數(shù)量。

這個(gè)問(wèn)題開(kāi)始我們一直沒(méi)有注意到，直到進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)候，各家AP帶機(jī)量差別較大，這個(gè)問(wèn)題才暴露出來(lái)。從我們測(cè)試的實(shí)際情況和交流溝通看，在這個(gè)問(wèn)題上，某些廠家諱莫如深，一味強(qiáng)調(diào)無(wú)線AP的共享帶寬分配和無(wú)線巡房所需理論數(shù)據(jù)通道之間的關(guān)系，從而可以很簡(jiǎn)單的得出一個(gè)AP可以承載50-100個(gè)手持終端的結(jié)論。

在后面我們的壓力測(cè)試過(guò)程中，我們可以明顯發(fā)現(xiàn)這樣得出結(jié)論的計(jì)算是較為不準(zhǔn)確的。

根據(jù)我們的了解和實(shí)際測(cè)試情況，無(wú)線AP的帶機(jī)能力與AP本身提供的帶寬（a/b/g/n/ac），天線制式（3*3 MIMO或者更高）、AP的CPU、內(nèi)存、甚至無(wú)線頻段的污染和復(fù)雜程度都密切相關(guān)，這是一個(gè)較為綜合的問(wèn)題。

如果我們簡(jiǎn)單來(lái)看，在一般干擾較少的環(huán)境內(nèi)，如各種AP帶寬和天線制式相同或者接近，那么與無(wú)線AP帶機(jī)量直接相關(guān)的就是AP本身的CPU能力和內(nèi)存大小，以及算法相關(guān)。但很遺憾，這些數(shù)據(jù)一般廠商都引為商業(yè)機(jī)密，無(wú)從提供，因此我們選擇了進(jìn)行壓力測(cè)試，同時(shí)采信泰爾實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)報(bào)告作為輔助。

6　小結(jié)

上述的關(guān)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理構(gòu)架、頻段及抗干擾、物體對(duì)信號(hào)強(qiáng)度影響、覆蓋方式以及帶機(jī)能力這五個(gè)問(wèn)題，是我們?cè)跓o(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署過(guò)程中比較關(guān)注的，當(dāng)然無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的選擇不僅僅是這些，也有諸如AP的帶寬，SSID部署方式、QoS、無(wú)線安全的其他方面，本文僅就我們較為關(guān)心的問(wèn)題進(jìn)行探討。

Several issues on the deployment of medical wireless system in hospital ward

Liu Qilin
（Central Hospital of Xianning）

With the development of medical information，based on the wireless medical applications more and more，the construction of medical special wireless network is three hospitals all required items.But how to combine the characteristics of the hospital to choose the wireless technology，in the process of wireless system deployment，should pay attention to what aspects，is placed in front of each hospital information center a problem.In this paper，the author is responsible for the unit of wireless network testing on-line personal experience in the process，combined with the theoretical basis，has put forward his own views on the wireless network selection and deployment of several key issues.

attenuation；band interference；indoor AP；indoor distributed AP；band machine capability

圖6