基于虛擬化的移動醫(yī)療無線漫游技術(shù)研究與實現(xiàn)

張碧仙 陳懋

摘 要：隨著智慧醫(yī)療概念的提出，越來越多的無線移動醫(yī)療系統(tǒng)被應(yīng)用于醫(yī)院臨床工作中。由于移動醫(yī)療系統(tǒng)的“移動”特性，如何保證終端在頻繁移動過程中正常進行醫(yī)療業(yè)務(wù)而不中斷成為痛點。本文提了出一種基于虛擬技術(shù)的無線漫游方法，通過虛擬技術(shù)，實現(xiàn)由無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制終端進行無縫漫游，并介紹了沖突控制降低同頻干擾的方法。測試結(jié)果表明，所提方法有效解決終端頻繁漫游導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷問題，并屏蔽不同醫(yī)療終端的漫游差異。

關(guān)鍵詞：移動醫(yī)遼系統(tǒng)；無線局域網(wǎng)；無縫漫游；虛擬化

中圖分類號：TP393.1 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-1472（2018）-07-17-03

1 引言（Introduction）

從20世紀(jì)60—70年代，遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)（Tele-medicine）和遠(yuǎn)程醫(yī)療（Tele-health）概念的提出，到近年移動醫(yī)護[1，2]、智慧醫(yī)療新概念日益為人們所熟知。隨著國家不斷推進對醫(yī)療衛(wèi)生的改革，移動醫(yī)療逐漸成為醫(yī)療行業(yè)推廣的新模式。美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）定義為“移動醫(yī)療是在移動平臺上使用軟件程序，或?qū)橐苿悠脚_使用Web軟件?！笨傊?，移動醫(yī)療系統(tǒng)是利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和平板電腦的移動性、靈活性和快捷性，幫助醫(yī)護人員準(zhǔn)確、快速、高效地獲取病歷信息，把醫(yī)療服務(wù)延伸到病床邊，可見無線網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)移動醫(yī)療的基礎(chǔ)。

在移動醫(yī)遼場景下，無線網(wǎng)絡(luò)只對醫(yī)院護士、醫(yī)生等特定用戶開放，醫(yī)護人員需要手持移動終端進行移動醫(yī)護、無線查房、無線體征監(jiān)護等業(yè)務(wù)。因此，如何保證終端在頻繁移動過程中正常進行醫(yī)療業(yè)務(wù)而不中斷成為“用戶”的痛點。因此，提出一種基于虛擬化技術(shù)的漫游方案研究，通過虛擬化移動AP機制，實現(xiàn)終端無縫漫游，旨在解決終端頻繁漫游導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷問題。

2 傳統(tǒng)無線漫游方案介紹（Introduction of traditional wireless roaming scheme）

在無線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)框架中，當(dāng)終端想要連接到無線訪問接入點（Wireless Access Point）上，則需要與AP實現(xiàn)認(rèn)證、關(guān)聯(lián)的雙向交互過程。AP和終端的報文交互過程，通過源目的地址來識別報文的雙向目標(biāo)。每個無線訪問接入點的報文，都有唯一的基本服務(wù)集標(biāo)識（Basic Service Set Identifier，BSSID）地址，來表征當(dāng)前AP所部署的WLAN。因此，當(dāng)終端從舊AP移動到新AP，則需要與新的BSSID地址的目的方通信，重新進行認(rèn)證、關(guān)聯(lián)過程，即發(fā)生漫游過程。傳統(tǒng)WLAN組網(wǎng)下，無線終端移動漫游[3]過程如圖1所示。

可見，終端從AP1漫游到AP2需要由終端主動發(fā)起重關(guān)聯(lián)請求，若在加密或認(rèn)證環(huán)境下還需要重復(fù)密鑰交互及認(rèn)證的過程，漫游過程交互的報文數(shù)為2—6，甚至更多，極易受外部射頻環(huán)境干擾導(dǎo)致漫游時延增大或漫游失敗，造成業(yè)務(wù)中斷。

在移動醫(yī)療場景下，醫(yī)療業(yè)務(wù)需要在不斷移動中進行，一般采用PDA等移動終端。分析總結(jié)移動醫(yī)療場景特點、終端特性，傳統(tǒng)無線漫游方案存在以下問題：

（1）醫(yī)療客戶端系統(tǒng)對報文時延敏感性極高，在進行移動作業(yè)過程中，終端需要頻繁漫游，傳統(tǒng)無線漫游時延較大或丟包導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷。

（2）部分移動醫(yī)療終端漫游靈敏度較低，難以主動漫游，導(dǎo)致漫游失敗業(yè)務(wù)中斷。

（3）移動醫(yī)療終端多樣性[4]，不同終端廠商采用不同的芯片解決方案，使用不同應(yīng)用及操作系統(tǒng)都會影響漫游性能，傳統(tǒng)無線漫游方案無法很好地兼容。

（4）傳統(tǒng)無線漫游方案采用異頻蜂窩組網(wǎng)方式，需提前根據(jù)點位進行AP的信道規(guī)劃，前期部署麻煩，施工要求嚴(yán)格，后期維護和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成本高。

通過分析傳統(tǒng)無線漫游方法可知，促使無線終端產(chǎn)生漫游主要原因是每個AP信號覆蓋范圍有限，終端在移動過程中需要在不同AP覆蓋的無線信號之間進行切換，而標(biāo)識不同無線信號的關(guān)鍵是BSSID地址。因此，提出虛擬化無線漫游方法，通過虛擬技術(shù)[5]，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分或所有AP虛擬成一個“大AP”，保證所有AP發(fā)出相同信號，即可實現(xiàn)對終端屏蔽無線信號的差異，為“無縫漫游”可行性創(chuàng)造條件。

3 基于虛擬化的無線漫游方法（Wireless roaming method based on virtualization）

虛擬化無線漫游方法是針對在移動醫(yī)療場景下，醫(yī)療終端頻繁漫游而引起業(yè)務(wù)中斷問題所提出的解決方案。主要思想是采用同頻組網(wǎng)[6]部署方式，以虛擬技術(shù)為核心，網(wǎng)絡(luò)中指定的AP發(fā)出相同的服務(wù)集標(biāo)識（Service Set Identifier，SSID）信號，同時發(fā)出相同的BSSID。對終端來說，可把整網(wǎng)中發(fā)出相同SSID信號的所有AP看成一個“虛擬的大AP”，即虛擬AP機制。這臺“虛擬AP”實際包含數(shù)百甚至數(shù)千臺物理AP，實現(xiàn)對一層病房甚至整棟樓的信號覆蓋，終端在該“虛擬AP”覆蓋范圍內(nèi)移動切換過程BSSID不變，相當(dāng)于一直關(guān)聯(lián)在同一臺AP，不存在主動漫游行為。而終端具體工作在哪一臺AP則由無線核心控制器AC根據(jù)切換算法決定，終端本身無法感知，實現(xiàn)“無縫漫游”，如圖2所示。

3.1 虛擬AP機制

虛擬AP機制是虛擬漫游方法的核心機制，保證了終端在不同AP之間進行移動的過程中，無需觸發(fā)漫游，終端也感知不到自己在不同AP間發(fā)生切換。虛擬AP主要解決三個問題：BSSID生成、信標(biāo)幀信息同步和重復(fù)幀過濾。

與傳統(tǒng)無線漫游方案，每個AP擁有獨立的BSS不同，在虛擬漫游方案中，將WLAN系統(tǒng)劃分成多個虛擬AP組，加入相同虛擬AP組和相同WLAN的所有AP及其關(guān)聯(lián)的終端構(gòu)成一個虛擬的BSS，共享一個BSSID，由AC生成并統(tǒng)一下發(fā)到AP。BSSID算法生成原則包括：

（1）選擇基于無線核心控制器AC的MAC地址來生成BSSID。

（2）由于2.4G和5G可以分別組網(wǎng)，因此兩者的BSSID要不一致。

（3）不同虛擬AP組BSSID要不一致，因此算法中因考慮虛擬AP的組標(biāo)識號。

通過算法確保該WLAN在同一個虛擬AP組內(nèi)所有AP上擁有相同的BSSID的。再通過配置約束，保證所有AP擁有相同的信道和SSID。如此對于終端來說，可以把整網(wǎng)中發(fā)出同一個SSID信號的所有AP看成一個“虛擬的大AP”。

此外，由于終端需要被動掃描Beacon信標(biāo)幀獲悉加入某個BSS所需的參數(shù)，包括數(shù)據(jù)待傳指示信息TIM及時間戳Timestamp字段，以便進行通信，因此由無線核心控制器分別下發(fā)終端的節(jié)電狀態(tài)及Timestamp值給同虛擬AP組內(nèi)的AP，以保證每臺AP發(fā)出的信標(biāo)幀攜帶信息一致。

最后，還需考慮重復(fù)幀問題，由于同一虛擬AP組、同SSID下AP的BSSID都一樣，因此終端發(fā)送的報文會被多個物理AP射頻口收到。若每臺AP都處理并回復(fù)，會引起終端關(guān)聯(lián)難、丟包等問題，因此在軟硬件上對上行重復(fù)幀、下行重復(fù)幀、重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)表項進行過濾處理，保證同一時間內(nèi)只處理一份來自終端的不重復(fù)報文。

通過上述三部分實現(xiàn)完整的虛擬AP機制，使終端無論在網(wǎng)絡(luò)中的哪個位置，都能關(guān)聯(lián)到同一個虛擬AP。

3.2 網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)無感知切換

在虛擬化漫游方案中，由于采用虛擬AP機制，終端在移動過程中，不再感知到BSSID的變化。因此，終端漫游切換完全由無線核心控制器和AP在后臺共同完成，必須實時跟蹤每個終端的位置，才能確定切換時機，保證漫游切換的成功率。本文提出了以下實現(xiàn)方法：對于正在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端，通過各個AP收到該終端報文，以及信號的強弱，即可判斷終端離哪個AP更近一些，因此要求AP端定時向核心控制器上傳接收報文的RSSI信息。考慮長時間沒有流量或處于休眠模式的終端，則由AP定期發(fā)送探測（Null Function）幀，并通過終端回復(fù)的ACK幀來確定其位置。如此AC端可實時跟蹤到終端在不同AP上的動向。

AC端收到上傳RSSI信息后建立可選AP列表，定時遍歷所有虛擬AP組下的所有終端，比較該終端在不同AP上的信號強度，選擇信號最強的AP，若不是當(dāng)前關(guān)聯(lián)的AP，則發(fā)起切換。切換時，由AC向新AP發(fā)送命令，并將終端當(dāng)前所屬AP的基本信息發(fā)送給新AP，以在新AP上虛擬出AP。AC向舊AP發(fā)送命令，讓其停止為該終端服務(wù)。此外，為了避免頻繁切換，需定義切換閾值，在進行信號強度比較，只有當(dāng)舊AP與信號最強AP之間信號強度差大于等于切換閾值時，才進行切換。

綜上，在虛擬AP機制基礎(chǔ)上，實現(xiàn)由無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主動控制終端進行無感知漫游切換，將由終端主導(dǎo)的漫游切換轉(zhuǎn)變?yōu)橛商摂M網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)，實現(xiàn)無縫漫游。整個過程對終端是透明的，也就無需關(guān)心終端類型差異了，解決了醫(yī)療終端漫游靈敏不一，終端漫游表現(xiàn)差異化明顯的問題。

3.3 沖突控制降低同頻干擾

虛擬化漫游方案中，由于虛擬AP組內(nèi)所有AP都工作在同一信道上，導(dǎo)致同信道干擾將十分嚴(yán)重，為了降低同頻干擾對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，采用對AP發(fā)包進行沖突控制[7]方法降低同頻干擾[8]，提高整網(wǎng)性能，提升業(yè)務(wù)體驗。對于AP發(fā)送報文，通過無線核心控制器AC進行調(diào)度控制，保證相鄰AP不會同時發(fā)送報文。首先，通過在信標(biāo)幀Beacon幀中增加AP MAC地址，每個AP接收并解析出其他AP Beacon幀中的MAC地址，來構(gòu)建所有AP鄰居關(guān)系；其次，AC控制轉(zhuǎn)發(fā)報文，錯開發(fā)送兩個相鄰AP。具體描述為在Fit-AP架構(gòu)的AC集中轉(zhuǎn)發(fā)模式下，通過控制AC在轉(zhuǎn)發(fā)報文時，優(yōu)先發(fā)送那些目標(biāo)AP與前一個目標(biāo)AP不相鄰的報文來實現(xiàn)。通過該方案，降低虛擬AP網(wǎng)絡(luò)中存在的同頻干擾問題，保證網(wǎng)絡(luò)性能不受到大的影響。

4 測試驗證（Test and verification）

為測試虛擬化漫游方案的漫游性能，模擬移動醫(yī)療行業(yè)場景，測試多隔間環(huán)境下終端在多AP下移動過程中醫(yī)療終端的網(wǎng)絡(luò)使用情況[9]。模擬測試拓?fù)淙鐖D3所示，特點是建筑內(nèi)部存在較多小隔間，部署放裝AP來保證信號的覆蓋，終端數(shù)相對較少。

由于移動醫(yī)療業(yè)務(wù)多為病例讀取、醫(yī)囑查看、病人體征上傳等，對網(wǎng)絡(luò)吞吐性能要求不高，但是需保證業(yè)務(wù)穩(wěn)定，且要求移動過程中業(yè)務(wù)不會發(fā)生中斷。并且根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，漫游切換過程，報文時延是衡量漫游切換性能的關(guān)鍵指標(biāo)，同時為了驗證虛擬漫游方案對終端的兼容性表現(xiàn)，設(shè)計以下測試方案：在以上測試環(huán)境內(nèi)選擇醫(yī)療行業(yè)常用的六款終端，按照如圖3所示的測試拓?fù)洌瑥母糸g1依次移動到隔間6，進行步速或快跑移動測試，測試移動切換成功率，ping平均時延，并觀察FTP/HTTP業(yè)務(wù)是否中斷。

由表1可見，各款終端移動過程漫游切換成功率100%，業(yè)務(wù)未發(fā)生中斷，漫游切換過程ping報文平均時延較低，基本在20ms以內(nèi)，不同終端漫游切換表現(xiàn)差異不大?？梢?，虛擬化漫游方法能夠解決由于終端頻繁引入業(yè)務(wù)中斷問題，并有效屏蔽了終端漫游靈敏度、主動性、性能的差異性。

5 結(jié)論（Conclusion）

提出了AP虛擬化方法和網(wǎng)絡(luò)控制終端漫游切換的方法，通過分析傳統(tǒng)漫游方法，使通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)漫游無縫切換具備了可行性。模擬測試結(jié)果表明，本方法有效提升了漫游切換的成功率，得到漫游切換中報文時延較低的特點，并有效屏蔽了終端漫游靈敏度、主動性、性能的差異性。

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作者簡介：

張碧仙（1986-），女，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：計算機網(wǎng)絡(luò).

陳 懋（1981-），男，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：計算機網(wǎng)絡(luò)，大數(shù)據(jù)云計算.本文通訊作者.