Che cos'è un'antenna TVWS? Guida completa

La tecnologia Television White Space (TVWS) è un modo innovativo per collegare le aree poco servite nel panorama in evoluzione delle comunicazioni wireless. Ma a cosa serve l'ancora di questa tecnologia? La parte essenziale è l'antenna TVWS, che sfrutta le frequenze di trasmissione inutilizzate per fornire una copertura Internet forte ed estesa. Esploriamo il funzionamento di queste antenne e quanto siano cruciali per colmare il divario digitale.

In questo articolo vengono illustrati il concetto, il funzionamento e l'utilizzo delle antenne TVWS e le parti essenziali dell'utilizzo di questo spettro. Le antenne TVWS forniscono risposte affidabili e adattabili ai moderni problemi di comunicazione, che vanno dalla banda larga rurale alla connessione urbana e all'implementazione dell'Internet degli oggetti. Questo articolo offre una panoramica completa delle antenne TVWS e dei loro effetti rivoluzionari sulla connessione, soprattutto nelle aree poco servite, esaminandone le varietà, i vantaggi e le problematiche di progettazione.

Introduzione allo spazio bianco televisivo (TVWS)

Che cos'è il TVWS?

Lo spettro di radiofrequenze sottoutilizzato o inutilizzato, inizialmente riservato alle trasmissioni televisive, è noto come "spazio bianco televisivo". Per evitare interferenze tra le stazioni televisive, diverse frequenze tra i canali sono state lasciate libere. Queste aree bianche sono ora aperte a varie applicazioni di comunicazione wireless a seguito del passaggio dalla televisione analogica a quella digitale. Gli usi dello spazio bianco televisivo sono molteplici, tra cui la comunicazione tra macchine, l'accesso wireless a Internet a banda larga e altre applicazioni wireless.

Una parte dello spettro è dedicata alle stazioni televisive regionali, che in alcuni luoghi sono inutilizzate, e lo spettro è sottoutilizzato soprattutto a causa della distanza geografica che deve essere mantenuta tra le stazioni televisive dello stesso canale. Ad esempio, non è possibile avere una stazione di Canale 4 che trasmette da Parigi e un'altra da Versailles a causa delle interferenze. Microsoft sta promuovendo l'uso degli spazi bianchi per servizi esenti da licenza (come il Wi-Fi) su scala globale. In particolare, di solito gli spazi bianchi televisivi sono scarsi o inesistenti nelle aree geografiche desiderabili/potenziali, come le grandi aree urbane e le zone suburbane.

Importanza dell'utilizzo delle frequenze dello spettro televisivo non utilizzate

La crescente necessità di comunicazioni wireless ha reso essenziale un uso efficace dello spettro. Senza interferire con le attuali trasmissioni televisive, il TVWS offre un'opzione non sfruttata per aumentare la connessione. È particolarmente adatto a colmare il divario digitale e a migliorare la connettività in luoghi con terreni difficili o infrastrutture insufficienti, grazie alle sue proprietà di propagazione, che includono capacità a lungo raggio e penetrazione degli ostacoli. Inoltre, l'uso dei TVWS può contribuire a creare una connettività globale più inclusiva e sostenibile.

In questa situazione, le frequenze sono state assegnate per una determinata applicazione, come una banda di guardia, anche se non vengono utilizzate. Tuttavia, questi spazi bianchi sono di solito presenti naturalmente tra i canali utilizzati, poiché l'assegnazione di trasmissioni vicine a canali che si trovano l'uno accanto all'altro può interagire con entrambi i canali in modo dannoso.

Esiste uno spettro radio inutilizzato che non è mai stato utilizzato o che si sta liberando a causa dei progressi tecnologici, oltre allo spazio bianco che è stato assegnato per motivi tecnici. Il passaggio alla televisione digitale, in particolare, libera molto spazio tra circa 50 MHz e 700 MHz. Ciò è dovuto al fatto che le trasmissioni analogiche non possono essere collocate in canali adiacenti come le trasmissioni digitali. Ciò significa che è possibile effettuare un maggior numero di trasmissioni, mentre la banda può essere compressa in un minor numero di canali.

Che cos'è un'antenna TVWS?

Un'antenna TVWS è un tipo di antenna specializzata progettata per operare nella banda di frequenza TV White Space, che è per lo più compresa tra 470 e 698 MHz. Queste antenne sono essenziali per l'invio e la ricezione di segnali nei sistemi TVWS, consentendo una varietà di usi, tra cui le comunicazioni di emergenza, l'accesso a Internet a banda larga e la connettività Internet of Things. Grazie a un'attenta progettazione per massimizzare le prestazioni alle frequenze più basse, le antenne TVWS forniscono connessioni affidabili e forti su lunghe distanze, preservando comunicazioni di alta qualità. Queste antenne sono inoltre fondamentali per l'invio e la ricezione di segnali in grado di superare una serie di barriere, fornendo un canale di comunicazione affidabile nelle aree rurali e remote.

Come funziona la tecnologia TVWS

Nozioni di base sul funzionamento della frequenza TVWS

Il TVWS funziona nelle gamme di frequenza più basse dello spettro UHF, che normalmente vanno da 470 MHz a 698 MHz. Rispetto alle bande di frequenza più alte, come le reti Wi-Fi o cellulari, queste frequenze consentono ai segnali di viaggiare più lontano e di superare meglio ostacoli come muri, edifici e vegetazione. Il TVWS è l'opzione migliore per una comunicazione affidabile grazie alla natura sottoutilizzata di questo spettro, che riduce anche la possibilità di interferenze.

Caratteristiche di propagazione delle frequenze più basse

Poiché le trasmissioni televisive avvengono a frequenze più basse (VHF e UHF inferiori, da 54 a 698 MHz), le TVWS hanno eccezionali capacità di propagazione a lunga distanza. Hanno un grande potenziale per le applicazioni wireless che richiedono un'ampia portata di trasmissione, perché possono facilmente attraversare muri e altri ostacoli. Inoltre, le TVWS potrebbero essere generalmente accessibili nella maggior parte dei luoghi. Poiché nelle aree rurali e suburbane ci sono meno stazioni televisive ufficiali rispetto a quelle metropolitane, questi luoghi offrono statisticamente una maggiore varietà di TVWS. Per le applicazioni che richiedono molta larghezza di banda e un'alta velocità di trasmissione, i TVWS possono anche offrire una varietà di opzioni di larghezza di banda.

• Portata estesa - La copertura può estendersi per diversi chilometri, riducendo drasticamente la necessità di più stazioni base o ripetitori.
• Penetrazione degli ostacoli - I segnali TVWS possono attraversare muri, alberi e altre barriere fisiche, rendendoli adatti alla distribuzione in aree rurali, suburbane e urbane.
• Riduzione delle interferenze - Il funzionamento in bande di spettro meno congestionate garantisce connessioni stabili e prive di interferenze, anche in ambienti densi.

A cosa serve un'antenna TVWS? (Applicazioni)

Le frequenze inutilizzate o non occupate dello spettro televisivo possono essere accessibili e sfruttate con un'antenna TVWS. I dispositivi IoT (Internet of Things), la connessione rurale, l'accesso wireless a Internet a banda larga e altri sistemi di comunicazione wireless possono beneficiare dei segnali che queste antenne sono in grado di ricevere e inviare in questi spazi bianchi.

• Accesso a Internet a banda larga nelle zone rurali

Una potenziale risposta ai problemi di fornitura di connessioni a banda larga affidabili e a prezzi ragionevoli nelle aree rurali e poco servite è la tecnologia TV white space. La tecnologia TVWS estende la copertura, utilizza lo spettro senza licenza e sfrutta le infrastrutture esistenti per fornire la connettività Internet in luoghi in cui le soluzioni cablate tradizionali potrebbero non essere pratiche o convenienti.

• Connettività Internet urbana/suburbana

Le antenne TVWS aiutano a colmare le lacune di copertura nelle aree urbane e suburbane dove i segnali cellulari o Wi-Fi sono discontinui o inaffidabili. Per esempio, l'utilizzo dello spazio bianco televisivo per aumentare la connettività ha riguardato il collegamento di quartieri rurali, ma un recente progetto di Microsoft Research ha utilizzato il database TVWS per collegare le persone all'interno di un piano di edilizia residenziale urbana che prima era privo di Internet. È logico che per le oltre trenta persone che vivono nelle case popolari sovvenzionate dal governo di Cambridge la connessione gratuita a Internet abbia cambiato la vita, sottolineando l'importanza di prestare attenzione ai problemi di connettività urbana.

• Reti di comunicazione di emergenza

Le antenne TVWS creano reti di comunicazione affidabili per i soccorritori e le persone colpite durante le emergenze, i disastri naturali o i grandi eventi. Ad esempio, durante il tifone che ha colpito le Filippine centrali è stata implementata una rete basata su TVWS per fornire agli operatori dei soccorsi e alle vittime del disastro una rete di comunicazione immediata sul campo. Poiché il TVWS ha un raggio d'azione molto più lungo, i punti di accesso possono essere posizionati fino a diversi chilometri dal centro di comando, come avviene di solito. Il controllo del traffico intorno al centro di comando è quindi molto più semplice. Inoltre, le antenne TVWS possono essere collocate in ambienti chiusi.

• Implementazioni dell'Internet degli oggetti (IoT)

I dispositivi IoT in settori quali le città intelligenti, l'agricoltura e il monitoraggio ambientale sono collegati da antenne TVWS. Le loro capacità di penetrazione degli ostacoli e di lungo raggio migliorano la produttività e la sostenibilità in una varietà di settori, consentendo applicazioni come l'agricoltura intelligente, il monitoraggio della fauna selvatica, il monitoraggio della qualità dell'aria e il controllo del traffico. Le reti IoT basate su TVWS possono supportare un numero maggiore di dispositivi contemporaneamente e dimensioni di trasmissione maggiori per dispositivo nelle aree meno popolate, quando sono disponibili ampie fasce di larghezza di banda.

• Sistemi di videosorveglianza e sicurezza

In diversi Paesi, il TVWS è ampiamente utilizzato nella ricerca e in altri sistemi di comunicazione R&S per creare la futura trasmissione 5G. Rispetto ad altri canali di comunicazione, il TVWS offre i vantaggi di una portata maggiore e di una velocità di trasmissione più elevata. Questo viene utilizzato per il nuovo metodo di sorveglianza che rileva il movimento in un luogo remoto dove è difficile stabilire una connessione via cavo. Il proprietario della proprietà, che può trovarsi a diversi chilometri di distanza, riceve un'immagine del movimento rilevato.

• Comunicazione marittima

Il TVWS funge da spettro di comunicazione a distanza tra gli Access Point (AP). L'AP offre connettività cablata Ethernet e wireless WIFI per le apparecchiature terminali ed esegue lo scambio di dati tra TVWS e WIFI. Oltre a implementare il GPS, la trasmissione di caratteri e immagini, la comunicazione audio e video, il monitoraggio delle telecamere e altre funzioni, il sistema di comunicazione utilizza il protocollo di trasmissione socket per stabilire una connessione end-to-end. Utilizza inoltre il formato di compressione video H264 per garantire una comunicazione video fluida.

Tipi di antenne TVWS

• Antenne TVWS Yagi-Uda

Le antenne Yagi sono antenne direzionali con un elevato guadagno che funzionano bene per collegamenti punto-punto a lunga distanza. Sono spesso utilizzate in luoghi remoti quando è necessaria una trasmissione del segnale TVWS a lunga distanza.

• Antenne TVWS omnidirezionali in fibra di vetro

La copertura a 360 gradi è garantita da antenne omnidirezionali, che irradiano il segnale in tutte le direzioni. Quando ci sono diverse stazioni base TVWS in un'area urbana e il segnale deve raggiungere numerosi dispositivi in varie direzioni, di solito vengono utilizzate queste antenne. Grazie alla loro copertura a 360 gradi, queste antenne sono perfette per usi quali le installazioni IoT e la banda larga rurale che necessitano di una distribuzione uniforme del segnale.

• Antenne TVWS direzionali a pannello

A differenza delle antenne Yagi, le antenne a pannello offrono una maggiore ampiezza del fascio, ma sono comunque direzionali. Vengono utilizzate in situazioni in cui è necessaria una copertura multidirezionale e a lunga distanza. Nelle aree suburbane con diverse stazioni base TVWS e dove il segnale deve percorrere diverse distanze e direzioni per raggiungere i dispositivi, le antenne a pannello sono spesso utilizzate. Compatte ed efficaci, le antenne direzionali a pannello forniscono una copertura mirata per sistemi di comunicazione punto-punto o punto-multipunto. La loro struttura leggera semplifica l'installazione.

• Antenne TVWS a settore

Le antenne a settore ottimizzano il consumo dello spettro in luoghi con numerosi utenti o dispositivi, dividendo la copertura in settori distinti. Queste antenne funzionano particolarmente bene in ambienti industriali o urbani congestionati.

Vantaggi principali delle antenne TVWS

I TVWS rappresentano un modo economico, pratico e adattabile per aumentare le connessioni e dare alle comunità meno servite l'accesso a Internet con i seguenti vantaggi.

1. Miglioramento della connettività: I TVWS possono fornire connettività a banda larga alle aree rurali e remote, dove le tecnologie tradizionali via cavo o wireless potrebbero non essere disponibili o economicamente convenienti. Può colmare il divario digitale e portare l'accesso a Internet alle comunità meno servite.

2. Aumento della larghezza di banda: La tecnologia TVWS offre il vantaggio delle frequenze di trasmissione TV sottoutilizzate o non disponibili, che di solito si trovano nelle bande di frequenza più basse. A queste frequenze più basse possono essere disponibili larghezze di banda maggiori, che portano a connessioni Internet più veloci e affidabili.

3. Copertura estesa: Rispetto alle trasmissioni a frequenza più alta, i segnali TVWS possono arrivare più lontano e superare più efficacemente ostacoli come alberi ed edifici. Ciò consente di ottenere aree di copertura più ampie, il che lo rende adatto a stabilire la connettività in luoghi difficili da raggiungere o in luoghi con poche persone.

4. Efficienza dei costi: L'installazione di reti TVWS può essere meno costosa dell'installazione di nuovi cavi o torri cellulari. Sfruttare l'attuale infrastruttura di trasmissione televisiva può ridurre la necessità di spese aggiuntive.

5. Accesso dinamico allo spettro: Per trovare e accedere alle frequenze disponibili in una determinata area, i dispositivi TVWS utilizzano un database dello spettro. Questo accesso dinamico allo spettro massimizza l'uso delle risorse disponibili, consentendo un utilizzo efficace e senza interferenze dello spettro.

6. Attenuazione delle interferenze: I dispositivi TVWS sono realizzati per funzionare senza interferire con i servizi autorizzati o con le trasmissioni televisive in corso. Per garantire un funzionamento privo di interferenze, utilizzano metodi come la scansione dello spettro e i database di geolocalizzazione.

7. Versatilità: Le applicazioni della tecnologia TVWS comprendono l'accesso a Internet, il supporto ai dispositivi IoT (Internet of Things), l'agricoltura intelligente, le comunicazioni di emergenza e il potenziamento della copertura Wi-Fi urbana.

Considerazioni sulla progettazione delle antenne TVWS

Gamma di frequenza e supporto della larghezza di banda

Le antenne TVWS devono offrire una larghezza di banda sufficiente per le applicazioni previste e lavorare con la gamma di frequenze consentite nell'area. Questo garantisce prestazioni ottimali e conformità alle normative.
La potenza di trasmissione dell'antenna, la frequenza utilizzata, la topografia ed eventuali ostacoli ambientali sono alcune delle variabili che possono influenzare la portata delle antenne TVWS. La portata delle antenne TVWS può essere in genere di diversi chilometri, ma è importante ricordare che variabili come le interferenze, gli ostacoli nella linea di vista e le caratteristiche di propagazione del segnale alla particolare frequenza utilizzata possono avere un impatto.

Guadagno e direttività

La capacità di un'antenna di concentrare l'energia in una determinata direzione è misurata dal suo guadagno d'antenna. Di solito si usano i decibel (dB) per misurarlo. Un segnale più forte proviene da un fascio di energia più piccolo concentrato da un'antenna con un guadagno maggiore.

La portata e l'affidabilità della connessione wireless devono essere massimizzate nei sistemi TVWS perché lo spettro disponibile è limitato. Ciò è particolarmente vero nelle aree rurali e remote, dove gli utenti possono essere lontani dalle stazioni base.

Le distanze maggiori tra l'utente e la stazione di base sono rese possibili dall'impiego di antenne con guadagno più elevato, che aumentano la potenza del segnale. Quando si tratta di dare alle aree poco servite l'accesso a Internet a banda larga, questo può essere particolarmente utile.

Le antenne con un guadagno maggiore possono anche ridurre le interferenze di altri dispositivi che utilizzano la stessa gamma di frequenze. L'antenna può ridurre l'effetto delle interferenze provenienti da dispositivi vicini concentrando l'energia in una particolare direzione.

È importante ricordare che le antenne con un guadagno maggiore hanno anche un'ampiezza di fascio minore. Ciò significa che per ottenere il segnale più forte, l'antenna e la stazione base devono essere allineate correttamente. L'intensità del segnale può ridursi notevolmente se l'antenna non è posizionata correttamente.

Dimensioni e peso

Le antenne compatte e leggere semplificano l'installazione e il trasporto, in particolare per le installazioni remote. Queste caratteristiche facilitano inoltre l'integrazione nell'infrastruttura esistente.

Tipo di connettore

Per garantire un'integrazione senza problemi con i sistemi e i dispositivi di comunicazione, le antenne TVWS devono essere dotate di connettori compatibili. Ciò include la compatibilità con i formati e gli standard più diffusi. Ad esempio, le antenne a settore TVWS utilizzano 1 connettore TNC e le antenne Yagi TVWS sono dotate di bobine coassiali da 24″ con connettori N-maschio secondo KP Performance Antennas.

Confronto tra TVWS e altre tecnologie di comunicazione

Wi-Fi (2,4 GHz e 5 GHz)

Il TVWS è una connessione wireless, proprio come il Wi-Fi, anche se utilizza gamme di frequenza diverse. Il Wi-Fi utilizza le frequenze 2,4 e 5 GHz, mentre il TVWS utilizza le gamme da 470 MHz a 698 MHz. Il fornitore, la lunghezza dell'antenna, il modello di radio e altre variabili influiscono sulla velocità di trasferimento dei dati. Le nuove radio possono supportare una velocità superiore a 50 Mbit/s. Analogamente, la velocità del Wi-Fi dipende da una serie di variabili, tra cui la linea di vista, la portata e altre, ma può raggiungere i 1000 Mbit/s quando si utilizza lo standard IEEE 802.11ac. Una differenza significativa tra lo spazio bianco televisivo e il Wi-Fi è la portata. La portata dello spazio bianco televisivo è in genere di 6 miglia, ma può variare in base a una serie di fattori, tra cui la linea di vista e i livelli di rumore.

Carlson Wireless, uno dei tre principali produttori di spazio bianco televisivo, sostiene che le sue radio hanno una portata fino a 24,8 miglia. Entrambe consumano pochissima energia, tra i 20 e i 100 watt, a seconda del fornitore, del dispositivo e della lunghezza dell'antenna, tra gli altri fattori. Entrambi i metodi soddisfano i criteri di sicurezza governativi, come la conformità FIPS 197 (criteri di crittografia avanzata). Mentre il Wi-Fi funziona efficacemente nelle città, lo spazio bianco televisivo funziona bene nelle aree rurali.

• Portata - Il TVWS offre una portata significativamente maggiore rispetto al Wi-Fi, rendendolo adatto ad applicazioni ad ampio raggio.
• Interferenze - Il TVWS subisce meno interferenze grazie al suo funzionamento in bande di spettro sottoutilizzate, mentre il Wi-Fi deve affrontare problemi in ambienti congestionati.
• Applicazioni - Mentre il Wi-Fi eccelle negli scenari interni ad alta densità, il TVWS è più adatto per la connettività esterna a lungo raggio.

Reti cellulari (4G/5G)

Il TVWS ha una copertura più ampia rispetto alla WLAN cellulare grazie alla sua maggiore capacità di penetrazione e alla più lunga portata di trasmissione, che consente un servizio wireless senza interruzioni. La connessione con la stazione base corrispondente si perde quando un utente mobile lascia l'area di servizio della WLAN e non è disponibile una cella cellulare per gestire il passaggio di consegne. Con il TVWS è possibile stabilire una connessione senza problemi, il che è fondamentale perché le WLAN spesso consentono un traffico di dati wireless di vario tipo, in particolare applicazioni multimediali ad alta intensità di banda. Lo spettro 4G attualmente disponibile è senza dubbio insufficiente per soddisfare questa domanda. La capacità della rete può essere aumentata e la carenza di spettro può essere alleviata dai TVWS, che forniscono un miglioramento della larghezza di banda fino a centinaia di MHz.

• Copertura - I TVWS forniscono una copertura economica per le aree a bassa densità e poco servite, mentre le reti cellulari richiedono ingenti investimenti infrastrutturali.
• Velocità - Le reti cellulari offrono generalmente velocità più elevate, ma possono avere difficoltà in luoghi remoti o ostruiti.
• Uso dello spettro - I TVWS sfruttano lo spettro senza licenza, riducendo i costi operativi e le barriere normative.

Casi di studio e applicazioni reali

• Iniziativa Microsoft Airband:

Questo progetto copre importanti lacune di connessione utilizzando le TVWS per fornire accesso a Internet nelle regioni rurali degli Stati Uniti e dell'Africa. Rispetto alla fibra standard, il TVWS può trasmettere su grandi distanze e attraverso aree boschive in modo più rapido e conveniente. Il progetto risponde all'urgente necessità di intervenire durante la crisi del COVID-19 e al tempo stesso lavora per collegare le popolazioni rurali e poco servite ad alternative internet a lungo termine.

• Progetto Loon di Google:

Il Project Loon di Google, applicato ai TVWS, utilizzerebbe essenzialmente la sua rete di palloni aerostatici ad alta quota per fornire connettività Internet alle aree remote sfruttando lo spettro televisivo inutilizzato, espandendo di fatto l'accesso a Internet alle regioni poco servite utilizzando gli spazi bianchi disponibili tra i canali televisivi.

• Progetto di connettività rurale nelle Filippine:

Nelle aree svantaggiate, l'implementazione dei TVWS per la connessione a Internet ha portato a notevoli progressi nella crescita economica, nell'assistenza sanitaria e nell'istruzione. Il potenziale dei TVWS nelle Filippine non può essere sottovalutato, poiché sono in corso numerose iniziative per sfruttare la tecnologia e Internet per fornire servizi e istruzione a coloro che sono raramente connessi a Internet. Per migliorare la connettività e offrire servizi sociali alla popolazione, la nazione ha adottato l'uso dello spazio bianco televisivo.

Sfide

• Ostacoli normativi - Le normative in materia di spettro variano notevolmente da una regione all'altra, ponendo delle sfide per un'adozione diffusa.
• Costi delle apparecchiature - Sebbene i costi operativi siano bassi, le spese iniziali di installazione possono essere notevoli.
• Condivisione dello spettro - Garantire una coesistenza armoniosa con gli utenti autorizzati richiede un'attenta pianificazione e coordinamento.

Conclusione

Le antenne TVWS sono importanti per liberare il potenziale dello spettro televisivo inutilizzato, consentendo soluzioni di comunicazione trasformative. La loro copertura a lungo raggio, la capacità di penetrare gli ostacoli e l'economicità le rendono preziose per affrontare le sfide della connettività, in particolare nelle aree rurali e poco servite. Con i progressi tecnologici e i quadri normativi in continua evoluzione, le antenne TVWS sono essenziali per svolgere un ruolo centrale nel plasmare il futuro delle reti di comunicazione globali, colmando i divari e promuovendo l'inclusività.