10 ～ 15 年前でも、ほとんどの病院の Wi-Fi ネットワークはコンピュータとノートパソコン、そしておそらく珍しい PDA や医療機器に接続されていました。今日、接続される医療機器の数は 数百万台に急増し、その多くが院内での Wi-Fi 接続を必要としています。同時に、COVID を背景にした遠隔医療は 2025 年までに 7 倍に成長すると予想され、Wi-Fi ネットワークに対する需要がさらに高まります。

医療機器と遠隔医療が患者のケアと業務効率にもたらすメリットに疑いはありません。しかし、より多くの Wi-Fi デバイス、より多くのアクセスポイント、より多くの帯域幅要件の組み合わせにより、医療施設の Wi-Fi インフラストラクチャに対する新たな需要が増加しています。

幸いなことに、Wi-Fi の規格と技術に貢献する企業が採用した先進的な開発戦略により、Wi-Fi 6 と 6E は IoMT と遠隔医療によって課される多くの技術的課題に対処するように設計されました。この記事では、これらの課題と、医療施設がこれらの課題に対応できるようにする Wi-Fi 6 および 6E の新機能と能力を明らかにします。

Wi-Fi 6 および 6E について

ワイヤレスローカルエリアネットワーク（WLAN）の規格は、Wi-Fi Alliance によって正式に Wi-Fi 6 として販売されており、2.4 および 5 GHz の周波数帯域で動作します。Wi-Fi 6E も 802.11ax 規格に基づいており、Wi-Fi 6 の拡張版として 6 GHz 無線周波数帯での動作もサポートしています。

すべての Wi-Fi 世代と同様、Wi-Fi 6 は最大データ転送速度が Wi-Fi 5 の約 3 倍（3.5 Gbps に対し 9.6 Gbps）と、大幅に高速化されています。しかし、Wi-Fi 6 のもう一つの主な焦点は、複数のデバイスがネットワークアクセスを争う際の効率を改善し、同じビルやオフィスに複数のルーターが設置されている場合の競合を最小限に抑えることでした。  「高密度環境におけるユーザー 1 人当たりの平均スループットを 4 倍以上」向上させるという目標もあれば、 レイテンシ を 75% 短縮するという目標もありました。このため、Wi-Fi 6 は「高効率 Wi-Fi」とも呼ばれます。

このような成果を達成するために実装された機能により、Wi-Fi 6 および 6E は医療環境での展開に最適な性能を発揮します。医療関連の Wi-Fi に関する一般的な課題と、Wi-Fi 6 がそれらを克服できるようにする機能について見ていきましょう。

図 1：複数の医療機器に接続されており、その多くは Wi-Fi を使用しています。

シナリオ 1：Wi-Fi アクセスを求める複数のデバイス

平均的な病室には 15～20 台の接続 デバイスがあり、その多くは Wi-Fi を使用していますが、Bluetooth のような他の通信技術を使用しているものもあります。心拍数モニターが 1 分間に数バイトのデータをプッシュする一方で、X 線検査やその他のスキャンを行うノートパソコンがメガバイトのデータをできるだけ早くダウンロードする必要があるなど、比較的軽い負荷のものもあります。すべてのデバイスはミッションクリティカルです。

旧世代の Wi-Fi は、固定帯域幅のパケットを使用して各デバイスにシーケンシャルに通信します。このため、使用可能なデータがパケットの容量よりも小さい場合は帯域幅が浪費され、複数のクライアントにサービスを提供する場合は遅延が増加し、すべてのクライアントがパケットを送受信するまで待機しなければなりませんでした。図 2 の上部に示されています。

Wi-Fi 6 の主要な新機能の 1 つに、直交周波数分割多重アクセス（OFDMA）があります。 これは、最大 37 のクライアントが同時に 80 MHz チャンネル を共有できるようにするもので、さまざまなパケットサイズを使用します。心拍数モニターが送信するデータはわずか数バイトで、ダウンロード中の X 線はより多くの帯域幅を消費できます。図 1 の下部に示されているように、これによってネットワークはより多くのデバイスにより効率的にサービスを提供し、ネットワーク関連のレイテンシを削減することができます。

図 2.OFDMA がどのようにスループット、周波数効率、マルチデバイストラフィック容量を向上させるか（ こちらから）。

また、Wi-Fi 6 では、複数のアンテナを備えた Wi-Fi アクセスポイントが複数のデバイスと同時に通信できる MIMO（Multi-Input Multiple-Output）技術の容量も拡大しました。Wi-Fi 5 では、4 つのアンテナを持つアクセスポイントは 4 つのデバイスに同時に送信できますが、アクセスポイントは一度に 1 つのアップロードしか受け入れられませんでした。Wi-Fi 6 は、ダウンロードとアップロードの両方で最大 8 アンテナをサポートし、レイテンシをさらに低減し、複数デバイスのサポートを向上させます。

図 3.遠隔医療は、Wi-Fi システムに大きな要求を課す非常に広帯域の双方向メディアです。

遠隔医療

ビデオ会議は、アップロードとダウンロードの両方に非常に要求の厳しいアプリケーションです。明らかに、Wi-Fi 6 の高速化は双方向で恩恵をもたらしますが、その他の先進 Wi-Fi 技術もパフォーマンスの向上に貢献しています。

MIMO の増加もその 1 つです。すでに 802.11ac で定義されているように、802.11ax では、複数のアンテナを持つアクセスポイントが複数のデバイスと同時に通信できる（ダウンリンク、DL、MU-MIMO）ことに加え、802.11ax では、デバイスが複数のアンテナを使用してアクセスポイントと通信することもできます（アップリンク、UL、MU-MIMO）。そのため、2 つのアンテナを備えたネットワークカードを搭載したコンピュータは、2 つのアンテナで通信することで、Wi-Fi 帯域幅を 2 倍にすることができます。

また、Wi-Fi 6 はビームフォーミングと呼ばれる技術を採用し、信号を特定のクライアントに向けることで、スループットと通信距離の両方を向上させています。ビームフォーミングは Wi-Fi 5 の一部でしたが、4 ユーザーにしか対応しておらず、Wi-Fi 6 では 8 ユーザーに増えました。もう一つの効率化技術は 1024-QAM で、Wi-Fi 信号が伝える情報を 8 ビットから 10 ビットに増やし、スループットを 25% 向上させます。

最後に、Wi-Fi 6E 対応デバイスは、Wi-Fi 6 が対応する 2.4/5 GHz チャンネルに、14 の 80 MHz チャンネルと 7 の 160 MHz チャンネルを追加した 6 GHz 無線周波数帯にもアクセスできます。6GHz の周波数は以前の Wi-Fi 世代では使用されていないため、これらのリソースの競合は少なくなります。この新しい広帯域周波数帯が利用可能になることで、レガシーデバイスからの干渉が少なく、より高速な接続が可能になり、ビデオ会議や同様の双方向メディア向けのサービスも向上します。

図 4.同じ場所に複数のネットワークがあると、BSS カラーリングを使わなくてもレイテンシが大幅に増加する可能性があります。

複数のネットワークとアクセスポイント

多くの医療施設には、ゲストや社内スタッフなど、さまざまな部門や異なるクラスのユーザーにサービスを提供するさまざまなアクセスポイントを持つ複数のネットワークがあります。各アクセスポイントは、正しくログインしているクライアントにのみサービスを提供しますが、すべてのアクセスポイントは同じ周波数を共有しているため、デバイスが個々のネットワーク内で接続を争う際にレイテンシが発生する可能性があります。

BSS カラーリングと呼ばれる新しい Wi-Fi 6 機能により、アクセスポイントはネットワーク内のデバイスをすばやく識別し、他のネットワーク内のデバイスを無視できます。混雑した Wi-Fi 環境において、BSS カラーリングはスループットを劇的に向上させ、レイテンシを減少させることができるため、すべてのユーザーにとって Wi-Fi の全体的な効率が向上します。

図 5.ターゲットウェイクタイムは、バッテリー駆動の監視デバイスのバッテリー寿命を維持します。画像： こちらをご覧ください。

医療機器のバッテリー寿命の維持

院内および遠隔での患者モニタリングは、多くの場合バッテリー式デバイスで行われ、継続的にデータを送信するために持続的な接続を必要とするものもあれば、データを収集して定期的に更新を送信できるものもあります。後者の場合、ターゲットウェイクアップ時間と呼ばれる新しい Wi-Fi 6 機能により、デバイスはこれらの定期的なアップロードの時間をスケジュールできます。これらの転送中以外は Wi-Fi データ転送を有効にする必要がないため、バッテリー寿命が延び、Wi-Fi の混雑が軽減されます。

Wi-Fi イノベーションへの資金提供

医療やその他の市場では、ますます厳しくなる環境下での性能と信頼性の向上が求められており、Wi-Fi 開発コミュニティは、これらの要件を満たし、それを上回るために研究開発への投資を続けています。シズベルはパテントプールの管理者として、この研究開発に資金を拠出する企業が投資を回収できるよう支援し、さらなる研究を行って将来のバージョンでさらに多くの利点を提供できるようにします。