Qu'est-ce qu'une antenne TVWS ? Guide complet

La technologie de l'espace blanc télévisuel (TVWS) est un moyen innovant de relier les zones mal desservies dans le paysage évolutif de la communication sans fil. Mais quel est le point d'ancrage de cette technologie ? L'élément essentiel est l'antenne TVWS, qui utilise des fréquences de radiodiffusion inutilisées pour fournir une couverture internet solide et étendue. Examinons le fonctionnement de ces antennes et leur importance pour combler le fossé numérique.

Le concept, le fonctionnement, les utilisations des antennes TVWS et les éléments essentiels de l'utilisation de ce spectre sont abordés dans cet article. Les antennes TVWS apportent des réponses fiables et adaptables aux problèmes modernes de communication, allant du haut débit rural à la connexion urbaine et aux déploiements de l'Internet des objets. Cet article offre un aperçu complet des antennes TVWS et de leurs effets révolutionnaires sur la connexion, en particulier dans les zones mal desservies, en examinant leurs variétés, leurs avantages et leurs problèmes de conception.

Introduction à l'espace blanc TV (TVWS)

Qu'est-ce que la TVWS ?

Le spectre de fréquences radio sous-utilisé ou inutilisé qui a été initialement réservé à la radiodiffusion télévisuelle est connu sous le nom d'"espace blanc télévisuel". Afin d'éviter les interférences entre les stations de télévision, plusieurs fréquences entre les canaux ont été laissées inoccupées. Ces zones blanches sont désormais ouvertes à diverses applications de communication sans fil, suite au passage de la télévision analogique à la télévision numérique. Il existe plusieurs utilisations de l'espace blanc de la télévision, notamment la communication machine-machine, l'accès internet sans fil à large bande et d'autres applications sans fil.

Une partie du spectre est consacrée à des stations de télévision régionales qui sont inutilisées dans certains endroits, et il y a du spectre sous-utilisé principalement en raison de la distance géographique qui doit être maintenue entre les stations de télévision sur le même canal. Par exemple, il n'est pas possible d'avoir une station Channel 4 diffusant depuis Paris et une autre depuis Versailles en raison des interférences. Microsoft encourage l'utilisation des espaces blancs pour des services exempts de licence (tels que le Wi-Fi) à l'échelle mondiale. Notamment, il n'y a généralement que peu ou pas d'espace blanc TV dans les zones géographiques souhaitables/potentielles, telles que les grandes zones urbaines et les zones suburbaines.

Importance de l'utilisation des fréquences inutilisées du spectre TV

Le besoin croissant de communication sans fil a rendu essentielle l'utilisation efficace du spectre. Sans interférer avec les émissions télévisées actuelles, le TVWS offre une option inexploitée pour améliorer la connexion. Il est particulièrement bien adapté pour réduire la fracture numérique et améliorer la connectivité dans les endroits où le terrain est difficile ou l'infrastructure insuffisante, en raison de ses propriétés de propagation, qui comprennent des capacités de longue portée et de pénétration des obstacles. En outre, l'utilisation des TVWS peut contribuer à créer une connectivité mondiale plus inclusive et plus durable.

Dans ce cas, les fréquences ont été attribuées pour une certaine application, comme une bande de garde, même si elles ne sont pas utilisées. Mais ces espaces blancs sont généralement présents naturellement entre les canaux qui sont utilisés, car l'attribution d'émissions voisines à des canaux qui sont juste à côté l'un de l'autre peut interagir avec les deux canaux d'une manière préjudiciable.

Il existe un spectre radioélectrique inutilisé qui n'a jamais été utilisé ou qui se libère en raison des progrès technologiques, en plus de l'espace blanc qui a été attribué pour des raisons techniques. Le passage à la télévision numérique, en particulier, libère beaucoup d'espace entre environ 50 MHz et 700 MHz. En effet, les transmissions analogiques ne peuvent pas être regroupées dans des canaux adjacents, contrairement aux transmissions numériques. Cela signifie qu'il est possible de diffuser davantage d'émissions tout en comprimant la bande en moins de canaux.

Qu'est-ce qu'une antenne TVWS ?

Une antenne TVWS est un type d'antenne spécialisée conçue pour fonctionner dans la bande de fréquences TV White Space, qui se situe principalement entre 470 et 698 MHz. Ces antennes sont essentielles pour envoyer et recevoir des signaux dans les systèmes TVWS, permettant une variété d'utilisations, y compris les communications d'urgence, l'accès à l'internet à haut débit et la connectivité de l'internet des objets. Grâce à une conception minutieuse visant à maximiser les performances aux basses fréquences, les antennes TVWS fournissent des connexions fiables et solides sur de longues distances tout en préservant des communications de haute qualité. Ces antennes sont également cruciales pour l'envoi et la réception de signaux qui peuvent passer à travers une variété de barrières, fournissant un canal de communication fiable dans les zones rurales et éloignées.

Comment fonctionne la technologie TVWS

Notions de base sur le fonctionnement des fréquences TVWS

Le TVWS fonctionne dans les gammes de fréquences inférieures du spectre UHF, qui vont normalement de 470 MHz à 698 MHz. Par rapport aux bandes de fréquences plus élevées telles que les réseaux Wi-Fi ou cellulaires, ces fréquences permettent aux signaux de voyager plus loin et de traverser plus facilement les obstacles tels que les murs, les bâtiments et la végétation. Le TVWS est la meilleure option pour une communication fiable en raison de la nature sous-utilisée de ce spectre, qui réduit également les risques d'interférence.

Caractéristiques de propagation des basses fréquences

Étant donné que les transmissions télévisées ont lieu à des fréquences plus basses (VHF et UHF inférieures, 54 à 698 MHz), les TVWS ont des capacités exceptionnelles de propagation sur de longues distances. Ils présentent un grand potentiel pour les applications sans fil qui nécessitent une large portée de transmission, car ils peuvent facilement traverser les murs et d'autres obstacles. En outre, les TVWS pourraient être généralement accessibles dans la plupart des endroits. Comme il y a moins de stations de télévision officielles dans les zones rurales et suburbaines que dans les zones métropolitaines, ces endroits offrent statistiquement une plus grande variété de TVWS. Pour les applications qui nécessitent une grande largeur de bande et un débit élevé, les TVWS peuvent également offrir une grande variété d'options de largeur de bande.

• Portée étendue - La couverture peut s'étendre sur plusieurs kilomètres, ce qui réduit considérablement le besoin de stations de base multiples ou de répéteurs.
• Pénétration des obstacles - Les signaux TVWS peuvent traverser les murs, les arbres et d'autres obstacles physiques, ce qui permet de les déployer dans les zones rurales, suburbaines et urbaines.
• Réduction des interférences - Le fonctionnement dans des bandes de fréquences moins encombrées garantit des connexions stables et sans interférences, même dans des environnements denses.

A quoi sert une antenne TVWS ? (Applications)

Les fréquences inutilisées ou inoccupées du spectre de radiodiffusion télévisuelle sont accessibles et exploitables avec une antenne TVWS. Les appareils IoT (Internet des objets), la connexion rurale, l'accès à l'internet haut débit sans fil et d'autres systèmes de communication sans fil peuvent tous bénéficier des signaux que ces antennes sont conçues pour recevoir et envoyer dans ces espaces blancs.

• Accès rural à l'internet à large bande

La technologie de l'espace blanc TV constitue une réponse potentielle aux problèmes de fourniture d'une connexion à large bande fiable et à un prix raisonnable dans les zones rurales et mal desservies. La technologie TVWS étend la couverture, utilise le spectre sans licence et tire parti de l'infrastructure existante pour fournir une connectivité internet dans des endroits où les solutions câblées traditionnelles ne seraient pas pratiques ou abordables.

• Connectivité Internet dans les zones urbaines et suburbaines

Les antennes TVWS permettent de combler les lacunes de couverture dans les zones urbaines et suburbaines où les signaux cellulaires ou Wi-Fi sont ponctuels ou peu fiables. Par exemple, l'utilisation de l'espace blanc de la télévision pour accroître la connectivité a permis de connecter des quartiers ruraux, mais un récent projet de Microsoft Research a utilisé la base de données TVWS pour connecter les habitants d'un ensemble de logements urbains qui n'avaient pas accès à l'internet. Il est logique que la trentaine de personnes vivant dans les logements sociaux subventionnés par le gouvernement de Cambridge aient trouvé que leur connexion gratuite à l'internet avait changé leur vie, soulignant ainsi l'importance de prêter attention aux problèmes de connectivité urbaine.

• Urgence Co1TP7Réseaux de communication

Les antennes TVWS créent des réseaux de communication fiables pour les intervenants d'urgence et les personnes touchées par des situations d'urgence, des catastrophes naturelles ou des événements majeurs. Par exemple, un réseau basé sur les TVWS a été déployé lors du typhon qui a frappé le centre des Philippines pour permettre aux secouristes et aux victimes de la catastrophe de disposer d'un réseau de communications immédiat sur le terrain. Le TVWS ayant une portée beaucoup plus longue, les points d'accès peuvent être placés à plusieurs kilomètres du centre de command, ce qui est généralement le cas. Le contrôle du trafic autour du centre de command est donc beaucoup plus simple. En outre, les antennes TVWS peuvent être placées à l'intérieur.

• Déploiement de l'internet des objets (IoT)

Les dispositifs IoT dans des secteurs tels que les villes intelligentes, l'agriculture et la surveillance de l'environnement sont connectés par des antennes TVWS. Leurs capacités de longue portée et de pénétration des obstacles améliorent la productivité et la durabilité dans une variété d'industries en permettant des applications telles que l'agriculture intelligente, le suivi de la faune, la surveillance de la qualité de l'air et le contrôle du trafic. Les réseaux IoT basés sur les TVWS peuvent prendre en charge beaucoup plus d'appareils à la fois et des tailles de transmission plus importantes par appareil dans les zones moins peuplées lorsque des bandes passantes plus larges sont disponibles.

• Systèmes de vidéosurveillance et de sécurité

Dans plusieurs pays, le TVWS est largement utilisé dans la recherche et d'autres systèmes de communication R&D pour créer la future transmission 5G. Comparé à d'autres canaux de communication, le TVWS offre les avantages d'une plus grande portée et d'une vitesse de transmission plus rapide. Il est utilisé pour la nouvelle méthode de surveillance qui détecte les mouvements dans un endroit éloigné où il est difficile d'établir une connexion filaire. Le propriétaire, qui peut se trouver à plusieurs kilomètres, reçoit une image du mouvement détecté.

• Maritime Communication

Le TVWS sert de spectre de communication de distance entre les points d'accès (AP). Le point d'accès offre une connectivité filaire Ethernet et une connectivité sans fil WIFI pour l'équipement terminal et assure l'échange de données entre le TVWS et le WIFI. Outre la mise en œuvre du GPS, de la transmission de caractères et d'images, de la communication audio et vidéo, de la surveillance des caméras et d'autres fonctions, le système de communication utilise le protocole de transmission par socket pour établir une connexion de bout en bout. Il utilise également le format de compression vidéo H264 pour assurer une communication vidéo fluide.

Types d'antennes TVWS

• Antennes TVWS Yagi-Uda

Les antennes Yagi sont des antennes directionnelles à gain élevé qui fonctionnent bien pour les connexions point à point sur de longues distances. Elles sont souvent utilisées dans des endroits éloignés lorsqu'une transmission de signal TVWS sur une longue distance est nécessaire.

• Antennes TVWS omnidirectionnelles en fibre de verre

La couverture à 360 degrés est assurée par des antennes omnidirectionnelles, qui diffusent le signal dans toutes les directions. Elles sont généralement utilisées lorsqu'il y a plusieurs stations de base TVWS dans une zone urbaine et que le signal doit atteindre de nombreux appareils dans différentes directions. Grâce à leur couverture à 360 degrés, ces antennes sont parfaites pour des utilisations telles que les installations IoT et le haut débit rural qui nécessitent une distribution cohérente du signal.

• Antennes TVWS à panneau directionnel

Contrairement aux antennes Yagi, les antennes panneaux offrent une plus grande largeur de faisceau mais restent directionnelles. Elles sont utilisées dans les situations où une couverture multidirectionnelle et longue distance est nécessaire. Dans les zones suburbaines où se trouvent plusieurs stations de base TVWS et où le signal doit parcourir différentes distances et dans différentes directions pour atteindre les appareils, les antennes panneaux sont fréquemment utilisées. Compactes et efficaces, les antennes panneau directionnelles offrent une couverture ciblée pour les systèmes de communication point à point ou point à multipoint. Leur construction légère facilite l'installation.

• Antennes TVWS sectorielles

Les antennes sectorielles optimisent la consommation de spectre dans les lieux où se trouvent de nombreux utilisateurs ou appareils en divisant la couverture en secteurs distincts. Elles sont particulièrement efficaces dans les environnements industriels ou urbains encombrés.

Principaux avantages des antennes TVWS

Le TVWS est un moyen abordable, pratique et adaptable d'augmenter les connexions et de permettre aux communautés mal desservies d'accéder à l'internet, avec les avantages suivants.

1. Amélioration de la connectivité : Les TVWS peuvent fournir une connectivité à large bande aux zones rurales et isolées où les technologies traditionnelles avec ou sans fil ne sont pas toujours disponibles ou économiquement viables. Il permet de combler la fracture numérique et d'apporter l'accès à l'internet aux communautés mal desservies.

2. Augmentation de la largeur de bande : La technologie TVWS permet d'exploiter les fréquences de télédiffusion sous-utilisées ou indisponibles, qui se trouvent généralement dans les bandes de fréquences inférieures. Des largeurs de bande plus importantes peuvent être disponibles à ces fréquences inférieures, ce qui permet des connexions internet plus rapides et plus fiables.

3. Couverture étendue : Par rapport aux transmissions à plus haute fréquence, les signaux TVWS peuvent aller plus loin et franchir plus efficacement les obstacles tels que les arbres et les bâtiments. Les zones de couverture sont donc plus étendues, ce qui permet d'établir une connectivité dans des endroits difficiles d'accès ou peu fréquentés.

4. Rentabilité : Il peut être moins coûteux de déployer des réseaux TVWS que d'installer de nouveaux câbles ou des tours cellulaires. L'utilisation de l'infrastructure de télédiffusion actuelle peut réduire la nécessité d'engager des dépenses supplémentaires.

5. Accès dynamique au spectre : Pour trouver les fréquences disponibles dans une zone donnée et y accéder, les appareils TVWS utilisent une base de données du spectre. Cet accès dynamique au spectre maximise l'utilisation des ressources disponibles en permettant une utilisation efficace et sans interférence du spectre.

6. Atténuation des interférences : Les dispositifs TVWS sont conçus pour fonctionner sans interférer avec les services autorisés ou les émissions de télévision en cours. Pour garantir un fonctionnement sans interférence, ils utilisent des méthodes telles que le balayage du spectre et des bases de données de géolocalisation.

7. Polyvalence : Les applications de la technologie TVWS comprennent l'accès à l'internet, la prise en charge des appareils IoT (Internet des objets), l'agriculture intelligente, les communications d'urgence et l'amélioration de la couverture Wi-Fi en milieu urbain.

Considérations relatives à la conception des antennes TVWS

Gamme de fréquences et largeur de bande

Les antennes TVWS doivent offrir une largeur de bande suffisante pour les applications prévues et fonctionner dans la gamme de fréquences autorisée dans la région. Cela garantit des performances optimales et la conformité aux réglementations.
La puissance d'émission de l'antenne, la fréquence utilisée, la topographie et les obstacles environnementaux sont quelques-unes des variables qui peuvent affecter la portée des antennes TVWS. La portée des antennes TVWS est généralement de plusieurs kilomètres, mais il est important de se rappeler que des variables telles que les interférences, les obstacles dans la ligne de visée et les caractéristiques de la propagation du signal à la fréquence particulière utilisée peuvent avoir un impact.

Gain et directivité

La capacité d'une antenne à concentrer l'énergie dans une certaine direction est mesurée par son gain d'antenne. Il est généralement mesuré en décibels (dB). Un signal plus fort proviendra d'un faisceau d'énergie plus petit concentré par une antenne à gain plus élevé.

La portée et la fiabilité de la connexion sans fil doivent être maximisées dans les systèmes TVWS car le spectre disponible est limité. Cela est particulièrement vrai dans les zones rurales et isolées où les utilisateurs peuvent être éloignés des stations de base.

Les distances plus longues entre l'utilisateur et la station de base sont rendues possibles par l'utilisation d'antennes à gain plus élevé, qui augmentent la puissance du signal. Cela peut s'avérer particulièrement utile lorsqu'il s'agit de donner aux zones mal desservies l'accès à l'internet à large bande.

Les antennes ayant un gain plus important peuvent également réduire les interférences provenant d'autres appareils utilisant la même gamme de fréquences. L'antenne peut atténuer l'effet des interférences provenant d'appareils proches en concentrant l'énergie dans une direction particulière.

Il est important de se rappeler que les antennes ayant un gain plus important ont également une largeur de faisceau plus petite. Cela signifie que pour obtenir le signal le plus fort, l'antenne et la station de base doivent être correctement alignées. La puissance du signal peut être considérablement réduite si l'antenne n'est pas positionnée correctement.

Taille et poids

Les antennes compactes et légères simplifient l'installation et le transport, en particulier pour les déploiements à distance. Ces caractéristiques facilitent également l'intégration dans l'infrastructure existante.

Type de connecteur

Pour garantir une intégration harmonieuse avec les systèmes et dispositifs de communication co1TP7, les antennes TVWS doivent être dotées de connecteurs compatibles. Il s'agit notamment de la compatibilité avec les formats et les normes les plus répandus. Par exemple, les antennes sectorielles TVWS utilisent un connecteur TNC et les antennes Yagi TVWS sont équipées d'une queue de cochon coaxiale de 24″ avec des connecteurs N-mâles selon KP Performance Antennas.

Comparaison des TVWS avec d'autres technologies de communication Co1TP7

Wi-Fi (2.4 GHz et 5 GHz)

Le TVWS est une connexion sans fil, tout comme le Wi-Fi, bien qu'il utilise des gammes de fréquences différentes. Le Wi-Fi utilise les fréquences 2,4 et 5 GHz, tandis que le TVWS utilise les gammes 470 MHz à 698 MHz. Le fournisseur, la longueur de l'antenne, le modèle de radio et d'autres variables influent sur la vitesse de transfert des données. Les nouvelles radios peuvent prendre en charge plus de 50 Mbit/s. De même, la vitesse du Wi-Fi dépend d'un certain nombre de variables, notamment la ligne de visée et la portée, mais elle peut atteindre 1 000 Mbit/s avec la norme IEEE 802.11ac. Une différence importante entre l'espace blanc de la télévision et le Wi-Fi est la portée. La portée de l'espace blanc TV est généralement de 6 miles, mais elle peut varier en fonction d'un certain nombre de facteurs, notamment la ligne de vue et les niveaux de bruit.

Carlson Wireless, l'un des trois principaux producteurs d'espace blanc pour la télévision, affirme que ses radios ont une portée allant jusqu'à 24,8 miles. Toutes deux consomment très peu d'énergie, entre 20 et 100 watts, en fonction du fournisseur, de l'appareil et de la longueur de l'antenne, entre autres facteurs. Les critères de sécurité gouvernementaux tels que la conformité FIPS 197 (critères de chiffrement avancé) sont respectés par les deux méthodes. Alors que le Wi-Fi fonctionne efficacement dans les villes, l'espace blanc de la télévision fonctionne bien dans les zones rurales.

• Portée - Le TVWS a une portée nettement supérieure à celle du Wi-Fi, ce qui le rend adapté aux applications à grande échelle.
• Interférences - Le TVWS subit moins d'interférences car il fonctionne dans des bandes de fréquences sous-utilisées, alors que le Wi-Fi est confronté à des problèmes dans les environnements encombrés.
• Applications - Alors que le Wi-Fi excelle dans les scénarios d'intérieur à haute densité, le TVWS est mieux adapté à la connectivité extérieure à longue portée.

Réseaux cellulaires (4G/5G)

Le TVWS a une couverture plus large que le WLAN cellulaire en raison de sa capacité de pénétration plus élevée et de sa plus grande portée de transmission, ce qui permet d'offrir un service sans fil transparent. La connexion avec la station de base correspondante sera perdue lorsqu'un utilisateur mobile quitte la zone de service du WLAN et qu'aucune cellule cellulaire n'est disponible pour gérer le transfert. Une connexion fluide peut être établie avec le TVWS, ce qui est crucial car les WLAN permettent souvent un trafic de données sans fil varié, en particulier des applications multimédias gourmandes en bande passante. Le spectre 4G actuellement disponible est sans aucun doute insuffisant pour répondre à cette demande. Le TVWS permet d'augmenter la capacité du réseau et d'atténuer la pénurie de spectre en améliorant la bande passante jusqu'à des centaines de MHz.

• Couverture - Le TVWS offre une couverture rentable pour les zones peu denses et mal desservies, alors que les réseaux cellulaires nécessitent des investissements substantiels dans l'infrastructure.
• Vitesse - Les réseaux cellulaires offrent généralement des vitesses plus élevées, mais ils peuvent avoir des difficultés dans les endroits éloignés ou obstrués.
• Utilisation du spectre - Le TVWS exploite le spectre sans licence, ce qui réduit les coûts opérationnels et les obstacles réglementaires.

Études de cas et déploiements dans le monde réel

• Initiative Microsoft Airband:

Ce projet vise à combler d'importantes lacunes en matière de connexion en utilisant le TVWS pour fournir un accès à l'internet dans les régions rurales des États-Unis et d'Afrique. Par rapport à la fibre optique standard, le TVWS peut transmettre sur de grandes distances et à travers des zones boisées plus rapidement et à moindre coût. Le projet répond au besoin urgent d'action pendant la crise du COVID-19 tout en s'efforçant de connecter les populations rurales et mal desservies à des alternatives internet à long terme.

• Le projet Loon de Google:

Le projet Loon de Google, appliqué au TVWS, utiliserait essentiellement son réseau de ballons à haute altitude pour fournir une connectivité internet aux régions éloignées en exploitant le spectre de diffusion télévisuelle inutilisé, élargissant ainsi l'accès internet aux régions mal desservies en utilisant les espaces blancs disponibles entre les chaînes de télévision.

• Projet de connectivité rurale aux Philippines:

Dans les zones défavorisées, la mise en œuvre des TVWS pour la connexion à l'internet a permis des avancées notables en matière de croissance économique, de soins de santé et d'éducation. Le potentiel des TVWS aux Philippines ne peut être sous-estimé, car de nombreuses initiatives sont en cours pour tirer parti de la technologie et de l'internet afin de fournir des services et une éducation à ceux qui sont rarement connectés à l'internet. Pour améliorer la connectivité et offrir des services sociaux à la population, le pays a adopté l'utilisation de l'espace blanc TV.

Défis

• Obstacles réglementaires - Les réglementations relatives au spectre varient considérablement d'une région à l'autre, ce qui pose des problèmes pour une adoption généralisée.
• Coûts d'équipement - Bien que les coûts opérationnels soient faibles, les dépenses initiales de déploiement peuvent être substantielles.
• Partage du spectre - Assurer une coexistence harmonieuse avec les utilisateurs sous licence nécessite une planification et une coordination minutieuses.

Conclusion

Les antennes TVWS jouent un rôle important dans l'exploitation du potentiel du spectre télévisuel inutilisé, permettant ainsi des solutions de communication transformatrices. Leur couverture à longue distance, leurs capacités de pénétration des obstacles et leur rentabilité les rendent inestimables pour relever les défis de la connectivité, en particulier dans les zones rurales et mal desservies. Alors que les progrès technologiques et les cadres réglementaires continuent d'évoluer, les antennes TVWS sont essentielles pour jouer un rôle central dans le façonnement de l'avenir des réseaux mondiaux de communication en comblant les fossés et en favorisant l'inclusion.