Что такое антенна TVWS? Полное руководство

Технология "белого" телевизионного пространства (TVWS) - это новаторский способ подключения недостаточно обслуживаемых районов в развивающемся ландшафте беспроводной связи. Но что служит якорем этой технологии? Важнейшей ее частью является антенна TVWS, которая использует неиспользуемые частоты вещания для обеспечения мощного и обширного интернет-покрытия. Давайте разберемся, как работают эти антенны и насколько они важны для преодоления цифрового разрыва.

В этой статье мы рассмотрим концепцию, принцип работы антенн TVWS и основные аспекты использования этого спектра. Антенны TVWS обеспечивают надежные и адаптируемые ответы на современные проблемы связи, начиная от широкополосной связи в сельской местности и заканчивая городским подключением и развертыванием Интернета вещей. В этой статье представлен подробный обзор антенн TVWS и их революционного влияния на связь, особенно в недостаточно обслуживаемых районах, с рассмотрением их разновидностей, преимуществ и проблем проектирования.

Введение в белое телевизионное пространство (TVWS)

Что такое TVWS?

Неиспользуемый или малоиспользуемый радиочастотный спектр, который изначально был зарезервирован для телевизионного вещания, известен как "белое ТВ-пространство". Чтобы избежать помех между телевизионными станциями, несколько частот между каналами были оставлены незанятыми. В результате перехода от аналогового к цифровому телевидению эти белые зоны теперь открыты для различных приложений беспроводной связи. Существует несколько вариантов использования "белого" телевизионного пространства, включая межмашинную связь, беспроводной широкополосный доступ в Интернет и другие беспроводные приложения.

Часть спектра отведена под региональные телестанции, которые в некоторых местах не используются, а неполное использование спектра обусловлено прежде всего географическим расстоянием, которое должно сохраняться между телестанциями, вещающими на одном и том же канале. Например, из-за помех нельзя, чтобы одна станция 4-го канала вещала из Парижа, а другая - из Версаля. Microsoft продвигает использование "белых пространств" для услуг, не требующих лицензии (например, Wi-Fi), в глобальном масштабе. Примечательно, что в желаемых/потенциальных географических зонах, таких как крупные города и пригородные районы, телевизионного белого пространства обычно практически нет.

Важность использования неиспользуемых частот телевизионного спектра

Растущая потребность в беспроводной связи делает эффективное использование спектра необходимым. Не создавая помех текущему телевизионному вещанию, TVWS предоставляет неиспользованную возможность для повышения качества связи. Благодаря своим свойствам распространения, включающим дальность действия и проникновение через препятствия, он особенно хорошо подходит для преодоления цифрового разрыва и улучшения связи в местах со сложным рельефом или недостаточной инфраструктурой. Кроме того, использование TVWS может помочь создать более инклюзивную и устойчивую глобальную связь.

В этой ситуации частоты были выделены для определенного применения, как защитная полоса, хотя они и не используются. Но эти "белые" пространства обычно естественным образом присутствуют между используемыми каналами, поскольку назначение соседних передач на каналы, расположенные рядом друг с другом, может пагубно повлиять на оба канала.

Помимо белого пространства, которое было выделено по техническим причинам, существует неиспользуемый радиочастотный спектр, который либо никогда не использовался, либо становится свободным в связи с развитием технологий. В частности, при переходе на цифровое телевидение освободилось много места между примерно 50 MHz и 700 MHz. Это связано с тем, что аналоговые передачи не могут быть упакованы в соседние каналы, как это могут сделать цифровые передачи. Это означает, что можно сделать больше передач, а полосу можно сжать в меньшее количество каналов.

Что такое антенна TVWS?

Антенна TVWS - это тип специализированной антенны, предназначенной для работы в частотном диапазоне TV White Space, который в основном находится между 470 и 698 MHz. Эти антенны необходимы для передачи и приема сигналов в системах TVWS, что позволяет использовать их в самых разных целях, включая экстренную связь, широкополосный доступ в Интернет и подключение к Интернету вещей. Благодаря тщательно продуманной конструкции, обеспечивающей максимальную производительность на низких частотах, антенны TVWS обеспечивают надежное и прочное соединение на больших расстояниях, сохраняя при этом высокое качество связи. Эти антенны также играют важную роль в передаче и приеме сигналов, которые могут проходить через различные барьеры, обеспечивая надежный канал связи в сельских и удаленных районах.

Принцип работы технологии TVWS

Основы работы на частоте TVWS

TVWS работает в нижних частотных диапазонах спектра UHF, которые обычно составляют от 470 MHz до 698 MHz. По сравнению с более высокочастотными диапазонами, такими как Wi-Fi или сотовые сети, эти частоты позволяют сигналам распространяться на большие расстояния и успешнее преодолевать такие препятствия, как стены, здания и растительность. TVWS - лучший вариант для надежной связи, поскольку этот спектр используется недостаточно активно, что также снижает вероятность помех.

Характеристики распространения на низких частотах

Поскольку телевизионные передачи ведутся на более низких частотах (VHF и нижние UHF, от 54 до 698 MHz), ТВВС обладают исключительными возможностями распространения на большие расстояния. Они обладают большим потенциалом для беспроводных приложений, требующих широкого диапазона передачи, поскольку легко проходят сквозь стены и другие препятствия. Кроме того, TVWS могут быть общедоступны в большинстве мест. Поскольку в сельских и пригородных районах меньше официальных телестанций, чем в мегаполисах, в этих местах, по статистике, предлагается более широкий выбор TVWS. Для приложений, требующих большой пропускной способности и высокого битрейта, TVWS также может предлагать различные варианты пропускной способности.

• Увеличенный радиус действия - покрытие может простираться на несколько километров, что значительно снижает необходимость в использовании нескольких базовых станций или ретрансляторов.
• Проникновение через препятствия - сигналы TVWS могут преодолевать стены, деревья и другие физические барьеры, что делает их пригодными для развертывания в сельских, пригородных и городских районах.
• Снижение помех - работа в менее перегруженных диапазонах спектра обеспечивает стабильное соединение без помех даже в условиях плотной окружающей среды.

Для чего используется антенна TVWS? (Приложения)

Неиспользуемые или незанятые частоты спектра телевизионного вещания могут быть доступны и использованы с помощью антенны TVWS. Устройства IoT (Интернет вещей), связь в сельской местности, беспроводной широкополосный доступ в Интернет и другие системы беспроводной связи могут воспользоваться сигналами, которые эти антенны принимают и передают в этих белых зонах.

• Широкополосный доступ в Интернет в сельской местности

Потенциальным решением проблемы обеспечения надежной и доступной по цене широкополосной связи в малообслуживаемых и сельских районах является технология телевизионного белого пространства. Технология TVWS расширяет зону покрытия, использует нелицензируемый спектр и задействует существующую инфраструктуру для обеспечения подключения к Интернету в местах, где традиционные проводные решения могут оказаться непрактичными или недоступными.

• Подключение к Интернету в городах и пригородах

Антенны TVWS помогают устранить пробелы в покрытии в городских и пригородных районах, где сигналы сотовой связи или Wi-Fi неравномерны или ненадежны. В качестве примера использования телевизионного белого пространства для расширения возможностей подключения можно привести сельские районы, но в недавнем проекте Microsoft Research база данных TVWS была использована для подключения людей в городском жилом комплексе, где раньше не было интернета. Вполне логично, что более тридцати человек, проживающих в социальном жилье, субсидируемом правительством Кембриджа, сочли бесплатное подключение к Интернету судьбоносным, что подчеркивает важность внимания к проблемам городской связи.

• Сети экстренной связи

Антенны TVWS создают надежные коммуникационные сети для спасателей и пострадавших во время чрезвычайных ситуаций, стихийных бедствий и крупных событий. Например, сеть на базе TVWS была развернута во время тайфуна, обрушившегося на центральную часть Филиппин, чтобы обеспечить спасателей и жертв стихийного бедствия сетью связи на месте. Поскольку радиус действия TVWS гораздо больше, точки доступа можно размещать на расстоянии до нескольких километров от командного центра, что обычно и происходит. В результате контролировать движение вокруг командного центра становится гораздо проще. Кроме того, антенны TVWS можно размещать в помещениях.

• Развертывание систем Интернета вещей (IoT)

Устройства IoT в таких отраслях, как "умные города", сельское хозяйство и мониторинг окружающей среды, подключаются с помощью антенн TVWS. Их дальнобойность и способность преодолевать препятствия повышают производительность и устойчивость в различных отраслях, позволяя использовать такие приложения, как интеллектуальное земледелие, отслеживание диких животных, мониторинг качества воздуха и управление дорожным движением. Сети IoT на базе TVWS могут поддерживать гораздо большее количество устройств одновременно и большие объемы передачи на одно устройство в малонаселенных районах, когда доступны более широкие полосы пропускания.

• Видеонаблюдение и системы безопасности

В ряде стран TVWS широко используется в исследовательских и других системах связи для создания будущей передачи данных 5G. По сравнению с другими каналами связи TVWS имеет преимущества в виде большей дальности и высокой скорости передачи данных. Это используется для нового метода наблюдения, который обнаруживает движение в удаленных местах, где сложно установить проводное соединение. Владелец недвижимости, который может находиться на расстоянии нескольких километров, получает изображение обнаруженного движения.

• Морская связь

TVWS служит в качестве спектра дистанционной связи, который находится между точками доступа (AP). Точка доступа обеспечивает проводное соединение Ethernet и беспроводное соединение WIFI для терминального оборудования и осуществляет обмен данными между TVWS и WIFI. Помимо реализации функций GPS, передачи символов и изображений, аудио- и видеосвязи, мониторинга камер и других, система связи использует протокол передачи сокетов для установления сквозного соединения. Также используется формат сжатия видео H264 для обеспечения плавной видеосвязи.

Типы антенн TVWS

• Антенны Yagi-Uda TVWS

Антенны Yagi - это направленные антенны с высоким коэффициентом усиления, которые хорошо подходят для дальних соединений "точка-точка". Они часто используются в удаленных местах, когда требуется передача сигнала TVWS на большие расстояния.

• Всенаправленные антенны TVWS из стекловолокна

360-градусное покрытие обеспечивается за счет всенаправленных антенн, которые излучают сигнал во всех направлениях. Когда в городской черте расположено несколько базовых станций TVWS и сигнал должен достигать множества устройств в разных направлениях, обычно используются именно эти антенны. Благодаря 360-градусному охвату эти антенны идеально подходят для использования в таких системах, как IoT и сельские широкополосные сети, где требуется постоянное распределение сигнала.

• Направленные панельные антенны TVWS

В отличие от антенн Yagi, панельные антенны обеспечивают большую ширину луча, но при этом остаются направленными. Они используются в ситуациях, когда требуется многонаправленное и дальнее покрытие. В пригородных районах с несколькими базовыми станциями TVWS, где сигнал должен проходить разные расстояния и в разных направлениях, чтобы достичь устройств, часто используются панельные антенны. Компактные и эффективные, направленные панельные антенны обеспечивают целевое покрытие для систем связи "точка-точка" или "точка-многоточка". Их легкая конструкция упрощает установку.

• Секторные антенны TVWS

Секторные антенны оптимизируют использование спектра в местах с большим количеством пользователей или устройств за счет разделения зоны покрытия на отдельные сектора. Они особенно хорошо работают в промышленных или перегруженных городских районах.

Основные преимущества антенн TVWS

TVWS - это доступный, практичный и легко адаптируемый способ увеличить количество подключений и обеспечить доступ к Интернету для малообеспеченных слоев населения, обладающий следующими преимуществами.

1. Улучшенная связь: TVWS может обеспечить широкополосную связь в сельских и отдаленных районах, где традиционные проводные или беспроводные технологии могут быть недоступны или экономически нецелесообразны. Это позволяет преодолеть "цифровой разрыв" и обеспечить доступ к интернету для недостаточно обслуживаемых сообществ.

2. Увеличенная пропускная способность: Технология TVWS позволяет использовать неиспользуемые или недоступные частоты телевизионного вещания, обычно расположенные в нижних частотных диапазонах. На этих низких частотах может быть доступна более широкая полоса пропускания, что приводит к более быстрому и надежному интернет-соединению.

3. Расширенное покрытие: По сравнению с более высокочастотными передачами, сигналы TVWS могут распространяться на большие расстояния и эффективнее преодолевать препятствия, такие как деревья и здания. Благодаря этому увеличивается зона покрытия, что позволяет устанавливать связь в труднодоступных местах или в местах с небольшим количеством людей.

4. Экономичность: Развертывание сетей TVWS может оказаться менее затратным, чем прокладка новых кабелей или установка вышек сотовой связи. Использование существующей инфраструктуры телевещания может снизить необходимость в дополнительных расходах.

5. Динамический доступ к спектру: Для поиска и доступа к доступным частотам в заданном районе устройства TVWS используют базу данных спектра. Такой динамический доступ к спектру позволяет максимально эффективно использовать имеющиеся ресурсы, обеспечивая эффективное использование спектра без помех.

6. Устранение помех: Устройства TVWS работают без помех для лицензированных услуг или текущего телевизионного вещания. Чтобы гарантировать отсутствие помех, они используют такие методы, как сканирование спектра и базы данных геолокации.

7. Универсальность: Области применения технологии TVWS включают доступ в интернет, поддержку устройств IoT (Интернета вещей), интеллектуальное сельское хозяйство, экстренную связь и расширение зоны покрытия Wi-Fi в городах.

Рекомендации по проектированию антенн TVWS

Поддержка частотного диапазона и полосы пропускания

Антенны TVWS должны обеспечивать достаточную полосу пропускания для предполагаемых приложений и работать в разрешенном в данной местности диапазоне частот. Это гарантирует максимальную производительность и соответствие нормативным требованиям.
Мощность антенны, используемая частота, рельеф местности и любые препятствия - вот некоторые переменные, которые могут влиять на дальность действия антенн TVWS. Дальность действия антенн TVWS обычно составляет несколько километров, но важно помнить, что на это могут влиять такие факторы, как помехи, препятствия в зоне прямой видимости и особенности распространения сигнала на конкретной используемой частоте.

Усиление и направленность

Способность антенны концентрировать энергию в определенном направлении измеряется коэффициентом усиления антенны. Обычно для его измерения используются децибелы (дБ). Более сильный сигнал будет исходить от меньшего пучка энергии, сконцентрированного антенной с большим коэффициентом усиления.

В системах TVWS необходимо максимально увеличить дальность и надежность беспроводного соединения, поскольку доступный спектр ограничен. Это особенно актуально для сельских и отдаленных районов, где пользователи могут находиться далеко от базовых станций.

Увеличение расстояния между пользователем и базовой станцией возможно благодаря использованию антенн с большим коэффициентом усиления, которые повышают уровень сигнала. Когда речь идет о предоставлении доступа к широкополосному интернету в районах с недостаточным уровнем обслуживания, это может быть особенно полезно.

Антенны с большим коэффициентом усиления также могут уменьшить помехи от других устройств, использующих тот же диапазон частот. Антенна может уменьшить влияние помех от соседних устройств, концентрируя энергию в определенном направлении.

Важно помнить, что антенны с большим коэффициентом усиления также имеют меньшую ширину луча. Это означает, что для получения самого сильного сигнала антенна и базовая станция должны быть правильно выровнены. При неправильном расположении антенны уровень сигнала может значительно снизиться.

Размер и вес

Компактные и легкие антенны упрощают установку и транспортировку, особенно при удаленном развертывании. Эти характеристики также способствуют более легкой интеграции в существующую инфраструктуру.

Тип разъема

Чтобы гарантировать беспроблемную интеграцию с коммуникационными системами и устройствами, антенны TVWS должны иметь совместимые разъемы. Это включает в себя совместимость с широко используемыми форматами и стандартами. Например, в секторных антеннах TVWS используется 1х разъем TNC, а антенны TVWS Yagi комплектуются 24″ коаксиальными свинцовыми хвостами с разъемами N-male по данным KP Performance Antennas.

Сравнение TVWS с другими коммуникационными технологиями

Wi-Fi (2,4 GHz и 5 GHz)

TVWS - это беспроводное соединение, такое же, как Wi-Fi, хотя оно использует разные диапазоны частот. Wi-Fi использует частоты 2,4 и 5 GHz, а TVWS - диапазоны 470 MHz - 698 MHz. Производитель, длина антенны, модель радиоприемника и другие параметры влияют на скорость передачи данных. Новые радиостанции могут поддерживать скорость более 50 Мбит/с. Скорость Wi-Fi зависит от множества переменных, в том числе от прямой видимости, дальности действия и других факторов, но при использовании стандарта IEEE 802.11ac она может достигать 1000 Мбит/с. Существенное различие между ТВ-белым пространством и Wi-Fi заключается в радиусе действия. Радиус действия телевизионного белого пространства обычно составляет 6 миль, однако он может варьироваться в зависимости от ряда факторов, в том числе от прямой видимости и уровня шума.

Carlson Wireless, один из трех основных производителей телевизионного белого пространства, утверждает, что радиус действия его радиостанций достигает 24,8 мили. Оба устройства потребляют очень мало энергии - от 20 до 100 ватт, в зависимости от производителя, устройства, длины антенны и других факторов. Правительственные критерии безопасности, такие как соответствие стандарту FIPS 197 (расширенные критерии шифрования), удовлетворяют обоим методам. В то время как Wi-Fi эффективно работает в городах, телевизионное белое пространство хорошо работает в сельской местности.

• Дальность действия - TVWS обладает значительно большей дальностью действия, чем Wi-Fi, что делает его пригодным для применения в широких зонах.
• Помехи - TVWS испытывает меньше помех благодаря работе в малоиспользуемых диапазонах спектра, в то время как Wi-Fi сталкивается с проблемами в перегруженных средах.
• Области применения - В то время как Wi-Fi отлично подходит для использования в помещениях с высокой плотностью населения, TVWS лучше подходит для подключения на улице и на больших расстояниях.

Сотовые сети (4G/5G)

TVWS имеет более широкое покрытие, чем сотовая сеть WLAN, благодаря более высокой проникающей способности и большему радиусу передачи, что обеспечивает бесперебойную работу беспроводной сети. Соединение с соответствующей базовой станцией будет потеряно, когда один из мобильных пользователей покинет зону обслуживания WLAN, а ни одна сотовая ячейка не будет доступна для передачи данных. Бесперебойное соединение может быть обеспечено с помощью TVWS, что очень важно, поскольку в беспроводных локальных сетях часто передается различный трафик данных, особенно мультимедийные приложения, требующие большой пропускной способности. Доступный сейчас спектр 4G, несомненно, недостаточен для удовлетворения этого спроса. Пропускная способность сети может быть увеличена, а дефицит спектра ослаблен с помощью TVWS, обеспечивающего увеличение пропускной способности до сотен MHz.

• Покрытие - TVWS обеспечивает экономически эффективное покрытие для районов с низкой плотностью населения и недостаточным уровнем обслуживания, в то время как сотовые сети требуют значительных инвестиций в инфраструктуру.
• Скорость - сотовые сети обычно обеспечивают более высокую скорость, но в отдаленных или труднодоступных местах могут возникнуть проблемы.
• Использование спектра - TVWS использует нелицензируемый спектр, снижая эксплуатационные расходы и нормативные барьеры.

Тематические исследования и реальные развертывания

• Инициатива Microsoft Airband:

В рамках этого проекта с помощью технологии TVWS устраняются серьезные пробелы в связи для обеспечения доступа в Интернет в сельских районах США и Африки. По сравнению со стандартным оптоволокном, TVWS может передавать данные на большие расстояния и через лесные массивы быстрее и дешевле. Проект решает проблему срочной необходимости принятия мер во время кризиса COVID-19 и одновременно работает над подключением малообслуживаемого и сельского населения к долгосрочным интернет-альтернативам.

• Проект "Луна" от Google:

Проект Project Loon от Google, если его применить к TVWS, по сути, будет использовать сеть высотных воздушных шаров для доставки интернета в удаленные районы за счет использования неиспользуемого спектра телевещания, эффективно расширяя доступ к интернету в недостаточно обслуживаемых регионах за счет использования свободного белого пространства между телеканалами.

• Проект по обеспечению связи с сельскими районами Филиппин:

В бедных районах внедрение TVWS для подключения к Интернету привело к заметному прогрессу в экономическом росте, здравоохранении и образовании. Потенциал TVWS на Филиппинах нельзя недооценивать, поскольку в настоящее время реализуются многочисленные инициативы по использованию технологий и Интернета для предоставления услуг и образования тем, кто редко подключается к Интернету. Чтобы улучшить связь и предложить социальные услуги населению, страна приняла решение использовать ТВ-белое пространство.

Вызовы

• Нормативно-правовые барьеры - Регулирование спектра сильно различается в разных регионах, что создает проблемы для широкого внедрения.
• Затраты на оборудование - Несмотря на низкую стоимость эксплуатации, первоначальные расходы на развертывание могут быть значительными.
• Совместное использование спектра - Обеспечение гармоничного сосуществования с лицензированными пользователями требует тщательного планирования и координации.

Заключение

Антенны TVWS играют важную роль в раскрытии потенциала неиспользуемого телевизионного спектра, позволяя реализовать революционные коммуникационные решения. Благодаря дальнему радиусу действия, способности преодолевать препятствия и экономичности они играют неоценимую роль в решении проблем подключения, особенно в сельских районах и районах с недостаточным уровнем обслуживания. По мере развития технологий и нормативно-правовой базы антенны TVWS должны играть центральную роль в формировании будущего глобальных коммуникационных сетей, преодолевая разрывы и способствуя инклюзивности.