O que é uma antena TVWS? Guia completo

A tecnologia Television White Space (TVWS) é uma forma inovadora de ligar áreas mal servidas no panorama em evolução das comunicações sem fios. Mas o que é que serve de âncora a esta tecnologia? A parte essencial é a antena TVWS, que utiliza frequências de transmissão não utilizadas para fornecer uma cobertura forte e alargada da Internet. Vamos explorar o funcionamento destas antenas e a sua importância crucial para colmatar o fosso digital.

O conceito, o funcionamento e a utilização das antenas TVWS e as partes essenciais da utilização deste espetro são abordados neste artigo. As antenas TVWS fornecem respostas fiáveis e adaptáveis aos problemas de comunicação modernos, desde a banda larga rural à ligação urbana e às implementações da Internet das Coisas. Este artigo oferece uma panorâmica completa das antenas TVWS e dos seus efeitos revolucionários na ligação, especialmente em áreas mal servidas, examinando as suas variedades, vantagens e preocupações de conceção.

Introdução ao Espaço em Branco da TV (TVWS)

O que é o TVWS?

O espetro de radiofrequências subutilizado ou não utilizado que foi inicialmente reservado para a radiodifusão televisiva é conhecido como "espaço em branco da televisão". Para evitar interferências entre estações de televisão, várias frequências entre canais foram deixadas desocupadas. Estas áreas brancas estão agora abertas a várias aplicações de comunicação sem fios, em resultado da mudança da televisão analógica para a digital. Existem várias utilizações para o espaço em branco da televisão, incluindo a comunicação máquina-a-máquina, o acesso sem fios à Internet de banda larga e outras aplicações sem fios.

Uma parte do espetro é dedicada a estações de televisão regionais que não são utilizadas em alguns locais, e há espetro subutilizado principalmente devido à distância geográfica que deve ser mantida entre as estações de televisão do mesmo canal. Por exemplo, não se pode ter uma estação do Canal 4 a emitir a partir de Paris e outra a partir de Versalhes devido a interferências. A Microsoft está a promover a utilização de espaços brancos para serviços isentos de licença (como o Wi-Fi) à escala global. Nomeadamente, normalmente há pouco ou nenhum espaço branco de TV em áreas geográficas desejáveis/potenciais, como as grandes áreas urbanas e suburbanas.

Importância da utilização de frequências não utilizadas do espetro de televisão

A necessidade crescente de comunicações sem fios tornou essencial a utilização eficaz do espetro. Sem interferir com as actuais emissões de televisão, o TVWS constitui uma opção inexplorada para aumentar a ligação. É especialmente adequado para colmatar o fosso digital e melhorar a conetividade em locais com terreno difícil ou infra-estruturas insuficientes devido às suas propriedades de propagação, que incluem capacidades de longo alcance e penetração em obstáculos. Além disso, a utilização do TVWS pode ajudar a criar uma conetividade global mais inclusiva e sustentável.

Nesta situação, as frequências foram atribuídas para uma determinada aplicação, como uma banda de guarda, embora não estejam a ser utilizadas. Mas estes espaços brancos estão normalmente presentes de forma natural entre canais que são utilizados, uma vez que a atribuição de emissões vizinhas a canais que estão mesmo ao lado um do outro pode interagir com ambos os canais de forma prejudicial.

Existe um espetro radioelétrico não utilizado que nunca foi utilizado ou que está a ficar livre devido aos avanços tecnológicos, para além do espaço branco que foi atribuído por razões técnicas. A transição para a televisão digital, em particular, liberta muito espaço entre cerca de 50 MHz e 700 MHz. Isto deve-se ao facto de as transmissões analógicas não poderem ser agrupadas em canais adjacentes, como acontece com as transmissões digitais. Isto significa que podem ser efectuadas mais emissões e que a banda pode ser comprimida em menos canais.

O que é uma antena TVWS?

Uma antena TVWS é um tipo de antena especializada concebida para funcionar na banda de frequência TV White Space, que se situa maioritariamente entre 470 e 698 MHz. Estas antenas são essenciais para enviar e receber sinais em sistemas TVWS, permitindo uma variedade de utilizações, incluindo comunicações de emergência, acesso à Internet de banda larga e conetividade à Internet das coisas. Com um design cuidadoso para maximizar o desempenho em frequências mais baixas, as antenas TVWS fornecem conexões fortes e confiáveis em longas distâncias, preservando comunicações de alta qualidade. Essas antenas também são cruciais para enviar e receber sinais que podem passar por uma variedade de barreiras, fornecendo um canal de comunicação confiável em áreas rurais e remotas.

Como funciona a tecnologia TVWS

Noções básicas de funcionamento em frequência do TVWS

O TVWS funciona nas gamas de frequência mais baixas do espetro UHF, que são normalmente de 470 MHz a 698 MHz. Em comparação com as bandas de frequência mais alta, como Wi-Fi ou redes celulares, essas frequências permitem que os sinais viajem mais longe e passem por obstruções como paredes, edifícios e vegetação com mais sucesso. O TVWS é a melhor opção para uma comunicação fiável devido à natureza subutilizada deste espetro, o que também reduz a possibilidade de interferências.

Caraterísticas de propagação de frequências mais baixas

Como as transmissões de TV ocorrem em frequências mais baixas (VHF e UHF inferior, 54 a 698 MHz), as TVWS têm capacidades excepcionais de propagação a longa distância. Têm um grande potencial para aplicações sem fios que exigem um grande alcance de transmissão, porque podem facilmente atravessar paredes e outros obstáculos. Além disso, as TVWS podem ser geralmente acessíveis na maioria dos locais. Dado que há menos estações de televisão oficiais nas zonas rurais e suburbanas do que nas áreas metropolitanas, estes locais oferecem estatisticamente uma maior variedade de TVWS. Para aplicações que exigem muita largura de banda e uma elevada taxa de bits, os TVWS podem também oferecer uma variedade de opções de largura de banda.

• Alcance alargado - A cobertura pode estender-se por vários quilómetros, reduzindo drasticamente a necessidade de várias estações de base ou repetidores.
• Penetração de obstáculos - Os sinais TVWS podem atravessar paredes, árvores e outras barreiras físicas, tornando-os adequados para implantação em áreas rurais, suburbanas e urbanas.
• Interferência reduzida - O funcionamento em bandas de espetro menos congestionadas garante ligações estáveis e sem interferências, mesmo em ambientes densos.

Para que é utilizada uma antena TVWS? (Aplicações)

As frequências não utilizadas ou desocupadas do espetro de radiodifusão televisiva podem ser acedidas e exploradas com uma antena TVWS. Os dispositivos IoT (Internet das Coisas), a ligação rural, o acesso à Internet de banda larga sem fios e outros sistemas de comunicação sem fios podem beneficiar dos sinais que estas antenas são concebidas para receber e enviar nestes espaços brancos.

• Acesso rural à Internet de banda larga

Uma resposta potencial aos problemas de fornecimento de ligações de banda larga fiáveis e a preços razoáveis em zonas mal servidas e rurais é a tecnologia do espaço branco televisivo. A tecnologia TVWS alarga a cobertura, utiliza espetro não licenciado e aproveita a infraestrutura existente para fornecer conetividade à Internet em locais onde as soluções tradicionais com fios podem não ser práticas ou acessíveis.

• Conectividade urbana/suburbana à Internet

As antenas TVWS ajudam a colmatar as lacunas de cobertura em áreas urbanas e suburbanas onde os sinais de telemóvel ou Wi-Fi são irregulares ou pouco fiáveis. A título de exemplo, a utilização do espaço em branco da TV para aumentar a conetividade envolveu a ligação de bairros rurais, mas um projeto recente da Microsoft Research utilizou a base de dados TVWS para ligar as pessoas num conjunto habitacional urbano que não dispunha de Internet. Faz sentido que as mais de trinta pessoas que vivem na habitação social subsidiada pelo governo de Cambridge tenham considerado que a sua ligação gratuita à Internet mudou a sua vida, sublinhando a importância de prestar atenção às questões da conetividade urbana.

• Redes de comunicação de emergência

As antenas TVWS criam redes de comunicação fiáveis para as equipas de emergência e para as pessoas afectadas durante emergências, catástrofes naturais ou grandes eventos. Por exemplo, uma rede baseada em TVWS foi implantada durante o tufão que atingiu a região central das Filipinas para fornecer aos trabalhadores de socorro e às vítimas do desastre uma rede de comunicações imediata no local. Como o TVWS tem um alcance muito maior, os pontos de acesso podem ser colocados a vários quilómetros do centro de comando, o que é normalmente o caso. O controlo do tráfego em torno do centro de comando é, por isso, muito mais simples. Para além disso, as antenas do TVWS podem ser colocadas em espaços interiores.

• Implantações de Internet das Coisas (IoT)

Os dispositivos IoT em sectores como as cidades inteligentes, a agricultura e a monitorização ambiental estão ligados por antenas TVWS. As suas capacidades de longo alcance e de penetração de obstáculos melhoram a produtividade e a sustentabilidade numa variedade de indústrias, permitindo aplicações como a agricultura inteligente, o rastreio da vida selvagem, a monitorização da qualidade do ar e o controlo do tráfego. As redes IoT baseadas em TVWS podem suportar muitos mais dispositivos de uma só vez e tamanhos de transmissão maiores por dispositivo em áreas menos povoadas quando estão disponíveis faixas mais amplas dessa largura de banda.

• Sistemas de vigilância por vídeo e segurança

Em vários países, o TVWS é amplamente utilizado na investigação e noutros sistemas de comunicação de I&D para criar a futura transmissão 5G. Quando comparado com outros canais de comunicação, o TVWS oferece as vantagens de um maior alcance e de uma velocidade de transmissão mais rápida. É utilizado para o novo método de vigilância que detecta movimentos num local remoto onde é difícil estabelecer uma ligação com fios. O proprietário da propriedade, que pode estar localizado a vários quilómetros de distância, recebe uma imagem do movimento que foi detectado.

• Comunicação marítima

O TVWS funciona como o espetro de comunicação à distância que se situa entre os pontos de acesso (AP). O AP oferece conetividade Ethernet com fios e WIFI sem fios para o equipamento terminal e efectua a troca de dados entre o TVWS e o WIFI. Para além de implementar GPS, transmissão de caracteres e imagens, comunicação áudio e vídeo, monitorização de câmaras e outras funcionalidades, o sistema de comunicação utiliza o protocolo de transmissão socket para estabelecer uma ligação de extremo a extremo. Utiliza também o formato de compressão de vídeo H264 para assegurar uma comunicação de vídeo sem problemas.

Tipos de antenas TVWS

• Antenas TVWS Yagi-Uda

As antenas Yagi são antenas direcionais com um ganho elevado que funcionam bem para ligações ponto-a-ponto de longa distância. São frequentemente utilizadas em locais remotos quando é necessária uma transmissão de sinal TVWS de longa distância.

• Antenas TVWS omnidireccionais em fibra de vidro

A cobertura de 360 graus é assegurada por antenas omnidireccionais, que irradiam o sinal em todas as direcções. Quando existem várias estações de base TVWS numa área urbana e o sinal tem de chegar a vários dispositivos em várias direcções, estas antenas são normalmente utilizadas. Devido à sua cobertura de 360 graus, estas antenas são perfeitas para utilizações como instalações IoT e banda larga rural que necessitam de uma distribuição de sinal consistente.

• Antenas TVWS de painel direcional

Em contraste com as antenas Yagi, as antenas de painel oferecem uma maior largura de feixe, mas continuam a ser direcionais. São utilizadas em situações em que é necessária uma cobertura multidirecional e de longa distância. Em áreas suburbanas com várias estações de base TVWS e onde o sinal tem de percorrer diferentes distâncias e em diferentes direcções para chegar aos dispositivos, as antenas de painel são frequentemente utilizadas. Compactas e eficazes, as antenas de painel direcionais proporcionam uma cobertura direcionada para sistemas de comunicação ponto-a-ponto ou ponto-a-multiponto. A sua construção leve torna a instalação simples.

• Antenas TVWS de sector

As antenas de sector optimizam o consumo de espetro em locais com muitos utilizadores ou dispositivos, dividindo a cobertura em sectores discretos. Estas funcionam especialmente bem em ambientes industriais ou urbanos congestionados.

Principais vantagens das antenas TVWS

O TVWS proporciona uma forma económica, prática e adaptável de aumentar as ligações e dar às comunidades carenciadas acesso à Internet, com os seguintes benefícios

1. Melhoria da conetividade: As TVWS podem fornecer conetividade de banda larga a zonas rurais e remotas onde as tecnologias tradicionais com ou sem fios podem não estar disponíveis ou ser economicamente viáveis. Pode colmatar o fosso digital e levar o acesso à Internet a comunidades mal servidas.

2. Aumento da largura de banda: A tecnologia TVWS oferece a vantagem de frequências de transmissão de TV que estão subutilizadas ou indisponíveis, normalmente encontradas nas bandas de frequência mais baixas. As larguras de banda maiores podem estar disponíveis nestas frequências mais baixas, conduzindo a ligações à Internet mais rápidas e fiáveis.

3. Cobertura alargada: Em comparação com as transmissões de frequência mais elevada, os sinais TVWS podem ir mais longe e atravessar obstruções como árvores e edifícios de forma mais eficaz. Este facto possibilita áreas de cobertura mais amplas, o que o torna adequado para estabelecer conetividade em locais de difícil acesso ou em locais com poucas pessoas.

4. Rentável: A implantação de redes TVWS pode ser menos dispendiosa do que a instalação de novos cabos ou torres de telemóveis. Aproveitar a atual infraestrutura de radiodifusão televisiva pode diminuir a necessidade de despesas adicionais.

5. Acesso dinâmico ao espetro: Para encontrar e aceder às frequências disponíveis numa determinada área, os dispositivos TVWS utilizam uma base de dados do espetro. Este acesso dinâmico ao espetro maximiza a utilização dos recursos disponíveis, permitindo uma utilização eficaz e sem interferências do espetro.

6. Atenuação das interferências: Os dispositivos TVWS são concebidos para funcionar sem interferir com os serviços licenciados ou com as emissões de televisão actuais. Para garantir um funcionamento sem interferências, utilizam métodos como a pesquisa do espetro e bases de dados de geolocalização.

7. Versatilidade: As aplicações da tecnologia TVWS incluem o acesso à Internet, o suporte de dispositivos IoT (Internet das Coisas), a agricultura inteligente, as comunicações de emergência e a melhoria da cobertura Wi-Fi urbana.

Considerações de conceção para antenas TVWS

Suporte de gama de frequências e largura de banda

As antenas TVWS têm de oferecer largura de banda suficiente para as aplicações pretendidas e funcionar com a gama de frequências permitida na zona. Isto garante o máximo desempenho e a conformidade com os regulamentos.
A potência de transmissão da antena, a frequência utilizada, a topografia e quaisquer obstruções ambientais são algumas das variáveis que podem afetar o alcance das antenas TVWS. O alcance das antenas TVWS pode normalmente ser de vários quilómetros, mas é importante lembrar que variáveis como interferências, obstáculos na linha de visão e as caraterísticas da propagação do sinal na frequência específica utilizada podem ter impacto.

Ganho e directividade

A capacidade de uma antena para concentrar energia numa determinada direção é medida pelo seu ganho de antena. Normalmente, são utilizados decibéis (dB) para o medir. Um sinal mais forte provém de um feixe mais pequeno de energia concentrada por uma antena de maior ganho.

O alcance e a fiabilidade da ligação sem fios devem ser maximizados nos sistemas TVWS porque o espetro disponível é limitado. Isto é especialmente verdade em zonas rurais e remotas, onde os utilizadores podem estar longe das estações de base.

As distâncias mais longas entre o utilizador e a estação de base são possíveis através da utilização de antenas de maior ganho, que aumentam a intensidade do sinal. Quando se trata de dar a áreas mal servidas o acesso à Internet de banda larga, isto pode ser especialmente útil.

As antenas com maior ganho também podem diminuir a interferência de outros dispositivos que utilizam a mesma gama de frequências. A antena pode diminuir o efeito da interferência de dispositivos próximos, concentrando a energia numa determinada direção.

É importante lembrar que as antenas com maior ganho também têm uma largura de feixe menor. Isto implica que, para obter o sinal mais forte, a antena e a estação de base devem estar corretamente alinhadas. A intensidade do sinal pode ser consideravelmente reduzida se a antena não estiver corretamente posicionada.

Tamanho e peso

As antenas compactas e leves simplificam a instalação e o transporte, especialmente para implantações remotas. Estes atributos também facilitam a integração na infraestrutura existente.

Tipo de conetor

Para garantir uma integração harmoniosa com os sistemas e dispositivos de comunicação, as antenas TVWS têm de ter conectores compatíveis. Isso inclui a compatibilidade com formatos e padrões amplamente utilizados. Por exemplo, as antenas de sector TVWS utilizam um conetor TNC de 1x e a antena Yagi TVWS é fornecida com conectores coaxiais de 24″ com conectores N-male, de acordo com a KP Performance Antennas.

Comparação do TVWS com outras tecnologias de comunicação

Wi-Fi (2.4 GHz e 5 GHz)

O TVWS é uma ligação sem fios, tal como o Wi-Fi, embora utilize gamas de frequência diferentes. O Wi-Fi utiliza as frequências 2,4 e 5 GHz, enquanto o TVWS utiliza as gamas 470 MHz a 698 MHz. O fornecedor, o comprimento da antena, o modelo de rádio e outras variáveis afectam a velocidade de transferência de dados. Os novos rádios podem suportar mais de 50 Mbit/s. Da mesma forma, a velocidade do Wi-Fi depende de uma série de variáveis, incluindo linha de visão, alcance e outras, mas pode atingir até 1000 Mbit/s ao utilizar o padrão IEEE 802.11ac. Uma diferença significativa entre o espaço em branco da TV e o Wi-Fi é o alcance. O alcance do espaço em branco da TV é, normalmente, de 6 milhas, mas pode variar com base em vários factores, incluindo a linha de visão e os níveis de ruído.

A Carlson Wireless, um dos três principais produtores de espaço branco de TV, afirma que os seus rádios têm um alcance de até 24,8 milhas. Ambos utilizam muito pouca energia, entre 20 e 100 watts, dependendo do fornecedor, do dispositivo e do comprimento da antena, entre outros factores. Os critérios de segurança governamentais, como a conformidade com FIPS 197 (critérios de encriptação avançada), são cumpridos por ambos os métodos. Enquanto o Wi-Fi funciona eficazmente nas cidades, o espaço branco de TV funciona bem nas zonas rurais.

• Alcance - O TVWS oferece um alcance significativamente maior do que o Wi-Fi, tornando-o adequado para aplicações de área ampla.
• Interferência - O TVWS sofre menos interferências devido ao seu funcionamento em bandas de espetro subutilizadas, enquanto o Wi-Fi enfrenta desafios em ambientes congestionados.
• Aplicações - Enquanto o Wi-Fi é excelente em cenários interiores de alta densidade, o TVWS é mais adequado para conetividade exterior de longo alcance.

Redes celulares (4G/5G)

O TVWS tem uma cobertura mais alargada do que a rede móvel-WLAN devido à sua maior capacidade de penetração e maior alcance de transmissão, o que permite um serviço sem fios sem descontinuidades. A ligação com a estação de base correspondente perde-se quando um utilizador móvel sai da área de serviço da WLAN e não há uma célula celular disponível para fazer a transferência. É possível estabelecer uma ligação sem problemas com o TVWS, o que é crucial porque as WLAN permitem frequentemente uma variedade de tráfego de dados sem fios, especialmente aplicações multimédia com utilização intensiva de largura de banda. O espetro 4G atualmente disponível é, sem dúvida, insuficiente para responder a esta procura. A capacidade da rede pode ser aumentada e a escassez de espetro pode ser atenuada pelo TVWS, proporcionando melhorias na largura de banda até centenas de MHz.

• Cobertura - O TVWS oferece uma cobertura económica para áreas de baixa densidade e mal servidas, enquanto as redes celulares exigem um investimento substancial em infra-estruturas.
• Velocidade - As redes celulares oferecem geralmente velocidades mais elevadas, mas podem ter dificuldades em locais remotos ou obstruídos.
• Utilização do espetro - O TVWS aproveita o espetro não licenciado, reduzindo os custos operacionais e as barreiras regulamentares.

Estudos de caso e implementações no mundo real

• Iniciativa Airband da Microsoft:

Este projeto cobre importantes lacunas de ligação, utilizando o TVWS para fornecer acesso à Internet em regiões rurais dos EUA e de África. Em comparação com a fibra normal, o TVWS pode transmitir a grandes distâncias e através de áreas arborizadas de forma mais rápida e económica. O projeto aborda a necessidade urgente de ação durante a crise da COVID-19, ao mesmo tempo que trabalha para ligar as populações carenciadas e rurais a alternativas de Internet a longo prazo.

• Projeto Loon da Google:

O Projeto Loon da Google, quando aplicado às TVWS, utilizaria essencialmente a sua rede de balões de grande altitude para fornecer conetividade à Internet a zonas remotas, tirando partido do espetro de radiodifusão televisiva não utilizado, expandindo efetivamente o acesso à Internet a regiões mal servidas através da utilização dos espaços brancos disponíveis entre os canais de televisão.

• Projeto de conetividade rural nas Filipinas:

Em zonas desfavorecidas, a implementação do TVWS para ligação à Internet resultou em avanços notáveis no crescimento económico, nos cuidados de saúde e na educação. O potencial do TVWS nas Filipinas não pode ser subestimado, uma vez que estão em curso numerosas iniciativas para aproveitar a tecnologia e a Internet para fornecer serviços e educação àqueles que raramente estão ligados à Internet. Para melhorar a conetividade e oferecer serviços sociais à população, a nação adoptou a utilização do espaço em branco da TV.

Desafios

• Barreiras regulamentares - A regulamentação do espetro varia muito de região para região, o que dificulta a sua adoção generalizada.
• Custos de equipamento - Embora os custos operacionais sejam baixos, as despesas iniciais de implementação podem ser substanciais.
• Partilha do espetro - Garantir uma coexistência harmoniosa com os utilizadores licenciados exige um planeamento e uma coordenação cuidadosos.

Conclusão

As antenas TVWS são importantes para desbloquear o potencial do espetro de televisão não utilizado, permitindo soluções de comunicação transformadoras. A sua cobertura de longo alcance, as capacidades de penetração de obstáculos e a relação custo-eficácia tornam-nas inestimáveis para enfrentar os desafios de conetividade, especialmente em zonas rurais e mal servidas. À medida que os avanços tecnológicos e os enquadramentos regulamentares continuam a evoluir, as antenas TVWS são essenciais para desempenhar um papel central na definição do futuro das redes de comunicação globais, colmatando divisões e promovendo a inclusão.