¿Qué es una antena TVWS? Guía completa

La tecnología del espacio en blanco de televisión (TVWS) es una forma innovadora de conectar zonas desatendidas en el panorama de las comunicaciones inalámbricas, en constante evolución. Pero, ¿para qué sirve esta tecnología de anclaje? La parte esencial es la antena TVWS, que aprovecha las frecuencias de emisión no utilizadas para proporcionar una cobertura de Internet potente y amplia. Exploremos el funcionamiento de estas antenas y lo cruciales que son para salvar la brecha digital.

En este artículo se explica el concepto, el funcionamiento, los usos de las antenas TVWS y los aspectos esenciales de la utilización de este espectro. Las antenas TVWS ofrecen respuestas fiables y adaptables a los problemas de comunicación modernos, desde la banda ancha rural hasta la conexión urbana y los despliegues del Internet de las Cosas. Este artículo ofrece una visión completa de las antenas TVWS y sus revolucionarios efectos en la conexión, especialmente en zonas desatendidas, examinando sus variedades, ventajas y problemas de diseño.

Introducción al espacio en blanco de televisión (TVWS)

¿Qué es TVWS?

El espectro de radiofrecuencias infrautilizado o no utilizado que se reservó inicialmente para la radiodifusión televisiva se conoce como "espacio en blanco de la televisión". Para evitar interferencias entre cadenas de televisión, se dejaron desocupadas varias frecuencias entre canales. Estas zonas blancas están ahora abiertas a diversas aplicaciones de comunicación inalámbrica como consecuencia del paso de la televisión analógica a la digital. El espacio en blanco de la televisión tiene varios usos, como la comunicación entre máquinas, el acceso inalámbrico a Internet de banda ancha y otras aplicaciones inalámbricas.

Una parte del espectro se dedica a emisoras de televisión regionales que no se utilizan en algunos lugares, y hay espectro infrautilizado debido sobre todo a la distancia geográfica que hay que mantener entre emisoras de televisión del mismo canal. Por ejemplo, no se puede tener una emisora del Canal 4 emitiendo desde París y otra desde Versalles debido a las interferencias. Microsoft promueve el uso de espacios en blanco para servicios exentos de licencia (como Wi-Fi) a escala mundial. En particular, suele haber poco o ningún espacio blanco de televisión en zonas geográficas deseables o potenciales, como grandes áreas urbanas y suburbanas.

Importancia de utilizar las frecuencias no utilizadas del espectro de TV

La creciente necesidad de comunicación inalámbrica ha hecho esencial el uso eficaz del espectro. Sin interferir con las emisiones de televisión actuales, TVWS ofrece una opción sin explotar para aumentar la conexión. Es especialmente adecuada para salvar la brecha digital y mejorar la conectividad en lugares con terrenos difíciles o infraestructuras insuficientes gracias a sus propiedades de propagación, que incluyen capacidades de largo alcance y penetración de obstáculos. Además, el uso de TVWS puede ayudar a crear una conectividad global más inclusiva y sostenible.

En esta situación, las frecuencias se han asignado para una determinada aplicación, como una banda de guarda, aunque no se estén utilizando. Pero estos espacios en blanco suelen estar presentes de forma natural entre los canales que se utilizan, ya que asignar emisiones vecinas a canales que están justo al lado puede interactuar con ambos canales de forma perjudicial.

Existe un espectro radioeléctrico no utilizado que o bien no se ha utilizado nunca o se está liberando debido a los avances tecnológicos, además del espacio en blanco que se ha asignado por razones técnicas. La transición a la televisión digital, en particular, libera mucho espacio entre aproximadamente 50 MHz y 700 MHz. Esto se debe al hecho de que las transmisiones analógicas no pueden empaquetarse en canales adyacentes como las digitales. Esto implica que se pueden hacer más emisiones mientras que la banda se puede comprimir en menos canales.

¿Qué es una antena TVWS?

Una antena TVWS es un tipo de antena especializada que está diseñada para funcionar en la banda de frecuencias del espacio en blanco de la televisión, que se encuentra principalmente entre 470 y 698 MHz. Estas antenas son esenciales para enviar y recibir señales en sistemas TVWS, lo que permite diversos usos, como comunicaciones de emergencia, acceso a Internet de banda ancha y conectividad a Internet de las Cosas. Con un diseño cuidadoso para maximizar el rendimiento en las frecuencias más bajas, las antenas TVWS proporcionan conexiones fiables y fuertes a largas distancias, preservando al mismo tiempo las comunicaciones de alta calidad. Estas antenas también son cruciales para enviar y recibir señales que pueden atravesar una variedad de barreras, proporcionando un canal de comunicación fiable en zonas rurales y remotas.

Cómo funciona la tecnología TVWS

Funcionamiento básico de la frecuencia TVWS

TVWS funciona en los rangos de frecuencia más bajos del espectro UHF, que normalmente van de 470 MHz a 698 MHz. En comparación con las bandas de frecuencias más altas, como Wi-Fi o las redes celulares, estas frecuencias permiten que las señales viajen más lejos y atraviesen obstáculos como paredes, edificios y vegetación con más éxito. TVWS es la mejor opción para una comunicación fiable por la naturaleza infrautilizada de este espectro, que también reduce la posibilidad de interferencias.

Características de propagación de las frecuencias más bajas

Como las transmisiones de TV tienen lugar a frecuencias más bajas (VHF y UHF inferior, 54 a 698 MHz), las TVWS tienen una capacidad excepcional de propagación a larga distancia. Tienen mucho potencial para las aplicaciones inalámbricas que requieren un amplio alcance de transmisión porque pueden atravesar fácilmente paredes y otros obstáculos. Además, las TVWS pueden ser generalmente accesibles en la mayoría de los lugares. Dado que en las zonas rurales y suburbanas hay menos emisoras de televisión oficiales que en las metropolitanas, estos lugares ofrecen estadísticamente una mayor variedad de TVWS. Para aplicaciones que requieren mucho ancho de banda y un bitrate alto, TVWS también puede ofrecer una variedad de opciones de ancho de banda.

• Alcance ampliado: la cobertura puede extenderse varios kilómetros, lo que reduce drásticamente la necesidad de múltiples estaciones base o repetidores.
• Penetración de obstáculos: las señales TVWS pueden atravesar muros, árboles y otras barreras físicas, lo que las hace adecuadas para su despliegue en zonas rurales, suburbanas y urbanas por igual.
• Interferencias reducidas: el funcionamiento en bandas de espectro menos congestionadas garantiza conexiones estables y sin interferencias, incluso en entornos densos.

¿Para qué sirve una antena TVWS? (Aplicaciones)

Con una antena TVWS se puede acceder y explotar las frecuencias no utilizadas o desocupadas del espectro de radiodifusión televisiva. Los dispositivos IoT (Internet de las cosas), la conexión rural, el acceso inalámbrico a Internet de banda ancha y otros sistemas de comunicación inalámbrica pueden beneficiarse de las señales que estas antenas están hechas para recibir y enviar en estos espacios en blanco.

• Acceso rural a Internet de banda ancha

Una posible respuesta a los problemas de conexión de banda ancha fiable y a un precio razonable en zonas rurales y desatendidas es la tecnología de espacios en blanco de televisión. La tecnología TVWS amplía la cobertura, utiliza espectro sin licencia y aprovecha la infraestructura existente para ofrecer conectividad a Internet en lugares donde las soluciones tradicionales por cable podrían no ser prácticas o asequibles.

• Conectividad urbana/suburbana a Internet

Las antenas TVWS ayudan a colmar lagunas de cobertura en zonas urbanas y suburbanas donde las señales de telefonía móvil o Wi-Fi son irregulares o poco fiables. Por ejemplo, el uso del espacio en blanco de televisión para aumentar la conectividad ha supuesto la conexión de barrios rurales, pero un reciente proyecto de Microsoft Research utilizó la base de datos TVWS para conectar a personas de un complejo de viviendas urbanas que antes carecían de Internet. Es lógico que a las más de treinta personas que vivían en las viviendas sociales subvencionadas por el gobierno de Cambridge su conexión gratuita a Internet les cambiara la vida, lo que subraya la importancia de prestar atención a los problemas de conectividad urbana.

• Redes de comunicación de emergencia

Las antenas TVWS crean redes de comunicación fiables para los equipos de socorro y los afectados durante emergencias, catástrofes naturales o grandes acontecimientos. Por ejemplo, durante el tifón que azotó el centro de Filipinas se desplegó una red basada en TVWS para proporcionar a los socorristas y a las víctimas de la catástrofe una red de comunicaciones inmediata sobre el terreno. Como TVWS tiene un alcance mucho mayor, los puntos de acceso pueden situarse hasta a varios kilómetros del centro de mando, que es lo que suele ocurrir. De este modo, el control del tráfico en torno al centro de mando es mucho más sencillo. Además, las antenas TVWS pueden colocarse en interiores.

• Implantaciones de Internet de las Cosas (IoT)

Las antenas TVWS conectan dispositivos IoT en sectores como las ciudades inteligentes, la agricultura y la vigilancia medioambiental. Sus capacidades de largo alcance y penetración de obstáculos mejoran la productividad y la sostenibilidad en diversos sectores al permitir aplicaciones como la agricultura inteligente, el seguimiento de la fauna, la vigilancia de la calidad del aire y el control del tráfico. Las redes IoT basadas en TVWS pueden soportar muchos más dispositivos a la vez y mayores tamaños de transmisión por dispositivo en zonas menos pobladas cuando se dispone de franjas más amplias de dicho ancho de banda.

• Sistemas de videovigilancia y seguridad

En varios países, TVWS se utiliza ampliamente en investigación y otros sistemas de comunicación de I+D para crear la futura transmisión 5G. En comparación con otros canales de comunicación, TVWS ofrece las ventajas de un mayor alcance y una velocidad de transmisión más rápida. Se utiliza para el nuevo método de vigilancia que detecta movimiento en una ubicación remota donde es difícil establecer una conexión por cable. El propietario, que puede encontrarse a varios kilómetros de distancia, recibe una imagen del movimiento detectado.

• Comunicación marítima

TVWS sirve como espectro de comunicación a distancia entre puntos de acceso (AP). El AP ofrece conectividad por cable Ethernet e inalámbrica WIFI para el equipo terminal y realiza el intercambio de datos entre TVWS y WIFI. Además de implementar GPS, transmisión de caracteres e imágenes, comunicación de audio y vídeo, monitorización de cámaras y otras funciones, el sistema de comunicación utiliza el protocolo de transmisión socket para establecer una conexión de extremo a extremo. También utiliza el formato de compresión de vídeo H264 para garantizar una comunicación de vídeo fluida.

Tipos de antenas TVWS

• Antenas TVWS Yagi-Uda

Las antenas Yagi son antenas direccionales con una alta ganancia que funcionan bien para conexiones punto a punto de larga distancia. Se utilizan con frecuencia en lugares remotos cuando se requiere una transmisión de señal TVWS a larga distancia.

• Antenas TVWS omnidireccionales de fibra de vidrio

La cobertura de 360 grados se consigue mediante antenas omnidireccionales, que irradian la señal en todas direcciones. Cuando hay varias estaciones base TVWS en una zona urbana y la señal tiene que llegar a numerosos dispositivos en varias direcciones, se suelen utilizar. Gracias a su cobertura de 360 grados, estas antenas son perfectas para usos como instalaciones IoT y banda ancha rural que necesitan una distribución uniforme de la señal.

• Antenas TVWS direccionales de panel

A diferencia de las antenas Yagi, las antenas de panel ofrecen un mayor ancho de haz, pero siguen siendo direccionales. Se emplean en situaciones en las que se requiere cobertura multidireccional y a larga distancia. En zonas suburbanas con varias estaciones base TVWS y donde la señal debe recorrer distintas distancias y en distintas direcciones para llegar a los dispositivos, se suelen utilizar antenas de panel. Compactas y eficaces, las antenas direccionales de panel proporcionan una cobertura específica para sistemas de comunicación punto a punto o punto a multipunto. Su construcción ligera facilita la instalación.

• Antenas TVWS sectoriales

Las antenas sectoriales optimizan el consumo de espectro en lugares con numerosos usuarios o dispositivos dividiendo la cobertura en sectores discretos. Funcionan especialmente bien en entornos industriales o urbanos congestionados.

Principales ventajas de las antenas TVWS

TVWS ofrece una forma asequible, práctica y adaptable de aumentar las conexiones y dar acceso a Internet a las comunidades desatendidas, con las siguientes ventajas.

1. Conectividad mejorada: TVWS puede proporcionar conectividad de banda ancha a zonas rurales y remotas donde las tecnologías tradicionales por cable o inalámbricas pueden no estar disponibles o no ser económicamente viables. Puede salvar la brecha digital y llevar el acceso a Internet a comunidades desatendidas.

2. Mayor ancho de banda: La tecnología TVWS aprovecha las frecuencias de emisión de televisión infrautilizadas o no disponibles, que suelen encontrarse en las bandas de frecuencia más bajas. En estas frecuencias más bajas puede disponerse de mayores anchos de banda, lo que permite conexiones a Internet más rápidas y fiables.

3. Cobertura ampliada: En comparación con las transmisiones de alta frecuencia, las señales TVWS pueden llegar más lejos y atravesar obstáculos como árboles y edificios con mayor eficacia. Esto permite ampliar las zonas de cobertura, lo que la hace adecuada para establecer conectividad en lugares de difícil acceso o con poca gente.

4. Rentable: Puede resultar menos costoso desplegar redes TVWS que instalar nuevos cables o torres de telefonía móvil. Aprovechar la actual infraestructura de difusión televisiva puede reducir la necesidad de gastos adicionales.

5. Acceso dinámico al espectro: Para encontrar y acceder a las frecuencias disponibles en una zona determinada, los dispositivos TVWS utilizan una base de datos del espectro. Este acceso dinámico al espectro maximiza el uso de los recursos disponibles al permitir una utilización eficaz y sin interferencias del espectro.

6. Mitigación de interferencias: Los dispositivos TVWS están hechos para funcionar sin interferir con los servicios autorizados o las emisiones de televisión en curso. Para garantizar un funcionamiento sin interferencias, utilizan métodos como el escaneo del espectro y las bases de datos de geolocalización.

7. Versatilidad: Entre las aplicaciones de la tecnología TVWS figuran el acceso a Internet, el soporte de dispositivos IoT (Internet de las cosas), la agricultura inteligente, las comunicaciones de emergencia y la mejora de la cobertura Wi-Fi urbana.

Consideraciones sobre el diseño de las antenas TVWS

Gama de frecuencias y ancho de banda

Las antenas TVWS deben ofrecer un ancho de banda suficiente para las aplicaciones previstas y funcionar con la gama de frecuencias permitida en la zona. Esto garantiza el máximo rendimiento y el cumplimiento de la normativa.
La potencia de transmisión de la antena, la frecuencia utilizada, la topografía y los obstáculos del entorno son algunas de las variables que pueden afectar al alcance de las antenas TVWS. El alcance de las antenas TVWS puede ser normalmente de varios kilómetros, pero es importante recordar que variables como las interferencias, los obstáculos en la línea de visión y las características de propagación de la señal en la frecuencia concreta utilizada pueden influir.

Ganancia y directividad

La capacidad de una antena para concentrar energía en una dirección determinada se mide por su ganancia de antena. Suele medirse en decibelios (dB). Una señal más potente procederá de un haz de energía más pequeño concentrado por una antena de mayor ganancia.

El alcance y la fiabilidad de la conexión inalámbrica deben maximizarse en los sistemas TVWS porque el espectro disponible es limitado. Esto es especialmente cierto en zonas rurales y remotas, donde los usuarios pueden estar lejos de las estaciones base.

Las distancias más largas entre el usuario y la estación base son posibles gracias al empleo de antenas de mayor ganancia, que aumentan la intensidad de la señal. Cuando se trata de dar acceso a Internet de banda ancha a zonas desatendidas, esto puede ser especialmente útil.

Las antenas con mayor ganancia también pueden reducir las interferencias de otros aparatos que utilizan la misma gama de frecuencias. La antena puede reducir el efecto de las interferencias de aparatos cercanos concentrando la energía en una dirección determinada.

Es importante recordar que las antenas con mayor ganancia también tienen un ancho de haz menor. Esto implica que, para obtener la señal más potente, la antena y la estación base deben estar correctamente alineadas. La intensidad de la señal puede reducirse considerablemente si la antena no está bien colocada.

Tamaño y peso

Las antenas compactas y ligeras simplifican la instalación y el transporte, sobre todo en despliegues remotos. Estos atributos también facilitan la integración en la infraestructura existente.

Tipo de conector

Para garantizar una integración sin problemas con los sistemas y dispositivos de comunicación, las antenas TVWS deben tener conectores compatibles. Esto incluye la compatibilidad con los formatos y estándares más utilizados. Por ejemplo, las antenas sectoriales TVWS utilizan un conector TNC y las antenas Yagi TVWS vienen con pig tails coaxiales de 24″ con conectores N macho, según KP Performance Antennas.

Comparación de TVWS con otras tecnologías de la comunicación

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

TVWS es una conexión inalámbrica, igual que Wi-Fi, aunque utiliza rangos de frecuencia diferentes. Wi-Fi utiliza las frecuencias de 2,4 y 5 GHz, mientras que TVWS utiliza los rangos de 470 MHz a 698 MHz. El proveedor, la longitud de la antena, el modelo de radio y otras variables afectan a la velocidad de transferencia de datos. Las nuevas radios pueden soportar más de 50 Mbit/s. De forma similar, la velocidad Wi-Fi depende de una serie de variables, como la línea de visión, el alcance y otras, pero puede alcanzar hasta 1000 Mbit/s cuando se utiliza el estándar IEEE 802.11ac. Una diferencia significativa entre el espacio en blanco de TV y Wi-Fi es el alcance. El alcance del espacio en blanco de televisión suele ser de 10 kilómetros, pero puede variar en función de varios factores, como la línea de visión y los niveles de ruido.

Carlson Wireless, uno de los tres principales productores de espacios en blanco de TV, afirma que sus radios tienen un alcance de hasta 24,8 millas. Ambas consumen muy poca energía, entre 20 y 100 vatios, según el proveedor, el dispositivo y la longitud de la antena, entre otros factores. Ambos métodos cumplen criterios de seguridad gubernamentales como la conformidad FIPS 197 (criterios de cifrado avanzado). Mientras que el Wi-Fi funciona eficazmente en las ciudades, el espacio en blanco de TV lo hace en las zonas rurales.

• Alcance - TVWS ofrece un alcance significativamente mayor que Wi-Fi, por lo que es adecuado para aplicaciones de área extensa.
• Interferencias - TVWS experimenta menos interferencias debido a su funcionamiento en bandas espectrales infrautilizadas, mientras que Wi-Fi se enfrenta a problemas en entornos congestionados.
• Aplicaciones - Mientras que Wi-Fi destaca en escenarios interiores de alta densidad, TVWS es más adecuado para conectividad exterior de largo alcance.

Redes celulares (4G/5G)

TVWS tiene una cobertura más amplia que Cellular-WLAN por su mayor capacidad de penetración y alcance de transmisión, lo que permite un servicio inalámbrico sin fisuras. La conexión con la estación base correspondiente se perderá cuando un usuario móvil abandone el área de servicio de la WLAN y no haya ninguna célula celular disponible para gestionar el traspaso. Con TVWS puede establecerse una conexión fluida, lo que es crucial porque las WLAN suelen permitir una gran variedad de tráfico de datos inalámbricos, especialmente aplicaciones multimedia que requieren un gran ancho de banda. El espectro 4G disponible actualmente es sin duda insuficiente para satisfacer esta demanda. TVWS puede aumentar la capacidad de la red y paliar la escasez de espectro proporcionando mejoras de ancho de banda de hasta cientos de MHz.

• Cobertura - TVWS ofrece una cobertura rentable para zonas de baja densidad e insuficientemente atendidas, mientras que las redes celulares requieren importantes inversiones en infraestructura.
• Velocidad: las redes celulares suelen ofrecer velocidades más altas, pero pueden tener problemas en lugares remotos o con obstáculos.
• Uso del espectro: TVWS aprovecha el espectro sin licencia, lo que reduce los costes operativos y las barreras normativas.

Casos prácticos e implantaciones reales

• Iniciativa Airband de Microsoft:

Este proyecto cubre importantes lagunas de conexión utilizando TVWS para proporcionar acceso a Internet en regiones rurales de Estados Unidos y África. En comparación con la fibra estándar, TVWS puede transmitir a grandes distancias y a través de zonas boscosas de forma más rápida y asequible. El proyecto responde a la urgente necesidad de actuar durante la crisis de COVID-19 al tiempo que trabaja para conectar a las poblaciones rurales y desatendidas a alternativas de internet a largo plazo.

• Proyecto Loon de Google:

El Proyecto Loon de Google, cuando se aplica a TVWS, utilizaría esencialmente su red de globos a gran altitud para ofrecer conectividad a Internet a zonas remotas aprovechando el espectro de emisión de televisión no utilizado, ampliando efectivamente el acceso a Internet a regiones desatendidas mediante la utilización de los espacios en blanco disponibles entre los canales de televisión.

• Proyecto de conectividad rural en Filipinas:

En zonas desfavorecidas, la implantación de TVWS para la conexión a Internet ha dado lugar a notables avances en crecimiento económico, sanidad y educación. No se puede subestimar el potencial de TVWS en Filipinas, ya que hay numerosas iniciativas en marcha para aprovechar la tecnología e Internet para ofrecer servicios y educación a quienes raramente están conectados a la Red. Para mejorar la conectividad y ofrecer servicios sociales a la población, el país adoptó el uso del espacio en blanco de televisión.

Desafíos

• Obstáculos normativos - La normativa sobre el espectro varía mucho de una región a otra, lo que dificulta su adopción generalizada.
• Costes de equipamiento - Aunque los costes operativos son bajos, los gastos iniciales de implantación pueden ser considerables.
• Uso compartido del espectro - Garantizar una coexistencia armoniosa con los usuarios con licencia exige una planificación y coordinación cuidadosas.

Conclusión

Las antenas TVWS son importantes para liberar el potencial del espectro de televisión no utilizado, permitiendo soluciones de comunicación transformadoras. Su cobertura de largo alcance, su capacidad para atravesar obstáculos y su rentabilidad las hacen inestimables para afrontar los retos de la conectividad, sobre todo en zonas rurales y desatendidas. A medida que evolucionan los avances tecnológicos y los marcos normativos, las antenas TVWS son esenciales para desempeñar un papel central en la configuración del futuro de las redes de comunicación mundiales, salvando las distancias y fomentando la inclusión.