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网络优化论文:无线网节点改良配备探究

2013/02/17 阅读:

作者:李景格庄军张楠单位:河北医科大学第四医院外事办公室信息管理处石家庄职业技术学院机电工程系

网络无线化是近几年医院信息化建设的热点,研究者们把主要精力放到了如何利用无线网络更好地开展医疗业务方面,对于无线网线的安装、实施并没有给予过多的关注.无线网络安装位置的好坏影响无线网络的使用效果.目前,无线网络采用IEEE802.11n协议、无线频率为2.4GHz的无线电波传输数据.它的传输速度理论最高可达到54MB/s,且当信号受到的干扰较强时,协议会自动将传输速度下调,以保证网络始终连通.2.4GHz为无线网络传输专用频段,因此不容易受其他无线设备的影响,并且无线网络设备本身的发射功率不大,通常也不会对其他医疗设备产生干扰.相比传统的有线网络,无线网络最大的优点是灵活性强.特别是无线终端,由于没有线缆的限制,终端可以自由在无线信号覆盖范围内移动而不会与服务器失去联系.

如果在病房实施无线网络,医生便能随时利用移动终端(如支持802.11b/n无线协议的笔记本,支持WI-FI的平板电脑等),在每次查房时,在病人床旁实现病历的实时录入以及修改,从而省去纸张记录然后再由计算机录入这个过程,不但节约了时间和减少了纸张消耗,也极大地提高了病历的准确性.有研究者认为,无线网络不但能够提升医院信息系统的效率,而且对于医院电子病历系统也有实际意义.但是无线网络也存在问题:无线AP(AccessPoint,无线访问节点)作为无线网络重要的组成部分,对无线终端与服务器连接有重要影响.它的作用是连接无线终端和主干网络以实现终端同服务器的连接.虽然近些年无线网络技术得到了迅猛发展,可用性、安全性不断提高,但是因为2.4GHz无线网络信号自身的特性导致其容易受外界物体影响.通常有3种情况会导致无线网络信号受到干扰:一是当无线终端远离AP点达到一定距离使得无线信号衰减到移动终端无法识别的程度.二是无线信号在室内环境传播时,建筑物的结构以及使用的材质对信号的传播有很大的影响.当无线信号穿过某些材质的墙体等物体时,无线信号会有明显的衰减,所以会出现移动终端进入房间后与服务器失去联系的现象.三是AP是否桥接.当AP不桥接时,每一个AP与相临的AP要处于不同的信道,如果为相同信道且两个AP覆盖范围叠加时,无线终端从一个AP影响范围内移动到叠加区域时,会出现信号不稳的现象,而进入不同信道的AP范围时,移动终端会有短暂的重新连接过程.

蒋华龙等人的研究表明,这种干扰对于无线网络的使用者来说会产生一定的影响.无论是哪种情况,在使用信息系统的过程中,与服务器失去连接的过程无论多么短暂都是不可接受的,所以我们对所有的AP都采用桥接方式,以保证同一楼层的每个AP都在同一个信道下.因此,在本次研究中我们只考虑前2个影响因素.在组建无线网络设置AP时,根据经验和现场测试选定的AP位置不一定是当前环境下的最佳安放位置,而且整个过程需要多次安装测试,不但干扰病人的治疗和休息,对医生和护士的工作也会产生很大的影响.因此,如何在对现场影响最小的情况下,找出当前医疗环境下效率最高的AP配置方案,既保证无线信息最大限度地覆盖工作区,也保证所需费用最小且无线信息受到干扰最小为本研究的主要目标.

数据分析及方法

河北医科大学第四医院是一家三级甲等综合医院,拥有病床1200张.医院于2004开始实施医院信息系统(HIS)并于当年下半年将所有医疗流程电子化.目前,每个病区都配置了医生工作站和护士工作站.为了能更好地提高效率以及安全性,医院考虑在病区实施无线网络系统并使信息终端移动化.图1为河北医科大学第四医院病房大楼某层病区的平面图.楼体外墙为混凝土材质,各个房间的间隔墙为厚陶粒空心砖.病房前走廊宽约2.1m,长约55m,病房长约7.2m,宽约3.6m.该层拥有病房18间,可接收病人54名,建筑面积为1383m2.根据姚晔以及华为公司的相关研究和报告,我们总结出了各种常见建筑材质对2.4GHz无线信号衰减的影响,具体情况见表1.根据中国H3C公司的无线信号研究报告,无线信号衰减公式为PathLoss(dB)=46+10*n*Ln(D).其中,D为传播路径(m),n为衰减因子.根据环境不同,n的取值范围为2.0~3.5,通常在全封闭的环境下n取3.0.近几年来,地理信息软件经常被应用于流行病学地域性研究中,人们利用该软件强大的空间分析特性来寻找疾病与各种环境因素之间可能的关联.但地理信息软件不应仅仅局限在针对地域性流行病学这种大范围的研究中,还可以应用到更小范围的其他学科中.在此次研究中,我们利用地理信息软件将医院病区平面构造电子化,并将各种影响无线信号传送的因素一并考虑,比如不同材质的墙体、网络布线分布、房间分布等因素,要比传统的纸质图纸更加直观方便,不但可以按研究者的需要显示各个层面,而且可以利用软件本身强大的空间分析功能得到更加准确的结果.在此次研究中,我们即利用此软件来确定AP无线信号的覆盖范围以及信号在不同位置的衰减程度.

对准备实施无线网络的现场进行调查发现,医院的病房、医生办公室、护士办公室的墙体为陶粒墙,可近似看作混凝土墙,对于无线信号的影响比较大.所以在本次研究中,我们根据表1中混凝土墙对无线信号的影响,将陶粒墙对无线信号的衰减数值设定为10.由于无线信号在一个放置有多个物体的封闭空间内传递,所以将无线信号的衰减因子设定为3.0.根据研究,在放置很多物体的空间内,无线信号的有效距离为半径30m的圆形辐射区.

AP位置的确立

理论上认为,在室内无线AP的影响范围可达100m,但是因为室内空间摆放的物体以及建筑结构等因素,无线AP的有效范围为30m左右.假设单个无线AP的信号影响范围是半径30m的圆形空间.我们首先从整个楼层的最边缘房间向走廊上的网线位置延伸30m,将这条虚拟线与网线交点设定为一个假设AP放置点.利用这种方法,我们检测了从楼头房间与网线直线间隔30m的位置,发现如果在中心位置设置一个AP,其半径30m的影响范围包括整个楼层,见图2.为了更准确地检验此方案的可行性,我们计算了几个房间内的无线信号强度.假设采用的无线AP天线输出功率为20dB.

首先观察到在中心区域的医生示教室、护士站、护士办公室以及治疗室的信号强度比较好.根据无线信号衰减公式我们得到,医生示教室中心点无线信号强度为-66dB,护士站的信号强度为-44.06dB,治疗室为-61.35dB,但是在远离AP点的位置,如东北角的医生办公室的信号强度为-66.97dB,从AP发出的信号要穿过两面墙才能达到医生办公室.而无线信号要达到在西楼头位置的南边病房,需要穿过至少3面墙,而每面墙都会使无线信号降低10dB,所以当无线信号达到该房间时,其信号强度降为-98.94dB,在这种信号强度下,无线网络的速度无法维持在54MB/s,必然要降低速度以保证连接.因此,此方案仅能保证在楼层的核心位置有很强的无线信号,而周边区域则无法保证.理论上单个AP足以覆盖整个楼层,但在实际条件下,无线网络无法很好地完成数据传输工作,需要增加更多的AP.

如果要增加信号强度,一方面是缩短AP到各个房间的直线距离,另一方面是减少无线信号穿越的墙数.根据测算,当距离为9m时,在病房区域单个AP仅负责6个房间,无线信号最多仅需要穿过两面墙,见图3.此时,病房1内的无线信号强度为-66.97dB,病房2内的无线信号强度为-56.97dB,病房3的信号强度为-66.97dB,此时的信号强度可以保证54MB/s的无线传输速度.图4表示当假设无线AP有效距离为9m时,每个无线AP所能覆盖的范围.此时我们共使用了6个无线AP,其中5个AP设置到病区、护士站及治疗室.

余下1个AP放置到医生示教室内并且稍微向东,因为东边的医生办公室的面积要大于西边的办公室的面积,两条走廊中间区域没有设置AP,因为在中间区域没有任何障碍物,两条走廊之间的距离为9m,远远小于30m的无线信号室内有效传输距离.在这个距离上,从护士工作站上方AP发出的信号可以不受任何干扰地传送到医生办公室前走廊.此时,在东、西楼头的病房内的无线信号也可以达到-66.97dB,而且主要医务人员工作区都被多个无线AP覆盖,在主要活动区域都能保证有无线信号覆盖.此时,移动终端无论移动到哪里,都不会出现数据传输失败或与服务器失去联系的情况。

结论

无线网络正被越来越多的医院所采用,其快捷性、便利性深受医疗工作者的青睐.但是设置无线网络AP点的好坏直接影响无线网络的实用性.每个医院的工作环境是不同的,而不同的工作环境对于无线网络信号的影响也不同,特别是建筑材料对无线信号的影响很大.在本次研究中,如果不考虑建筑材料的因素,仅需要5个AP就可以将整个病区完美覆盖,但是因为建筑材料的影响,使得无线信号达不到期待的数值.如果按照理论设计进行施工,无线网络达不到预期的效果,而且会对日常医疗活动产生不良影响.

在研究中,我们借助地理信息系统软件将医疗环境电子化,在得到建筑材料相关信息的条件下,根据不同材质对无线信号的影响,利用无线信号衰减公式得出无线信号衰减范围,从而准确地得到了无线AP的最佳放置点.其优点是:可以在对现场影响最小的条件下得到AP最佳点,不但减少了对繁忙的日常医疗活动的干扰,也减少了大规模无线信号测试带来的时间、金钱上的花费.需要注意的是,利用软件进行辅助决策并不能完全取代现场测试,当希望在多个地方实施无线网络时,在较小区域进行测试就能修正建筑物对无线信号的衰减系数,再利用地理信息软件进行设计会使结果更加准确。

网络优化论文:无线网节点改良配备探究

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