Los Organismos nacionales e internacionales asignan diferentes frecuencias para usos específicos, y en la mayoría de los casos licencia de derechos de transmisión a estas frecuencias. Este proceso de asignación de frecuencias crea un Plan de Frecuencias, por razones técnicas se asignan espacios en blanco entre bandas o entre canales adyacentes para evitar interferencia destructiva. Además de este espacio en blanco asignado por razones técnicas, también hay espectro de radio no utilizada o que se está convirtiendo en libre como resultado algunos cambios técnicos. De manera particular, la transición a la televisión digital libera grandes áreas del espectro, aproximadamente entre 50 MHz y 700 MHz. Esto se debe a que las transmisiones digitales pueden ser transmitidas en canales adyacentes, mientras que los analógicos no.
En base al antecedente se puede definir a TV White Space (TVWS) como el término común usado para referirse a las zonas en el espectro radioeléctrico que no se utilizan debido a bandas de guarda existentes o a la digitalización de la Televisión Terrestre, con el fin de formar redes Wi-Fi de banda ancha, Figura 1.
En base al antecedente se puede definir a TV White Space (TVWS) como el término común usado para referirse a las zonas en el espectro radioeléctrico que no se utilizan debido a bandas de guarda existentes o a la digitalización de la Televisión Terrestre, con el fin de formar redes Wi-Fi de banda ancha, Figura 1.
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| Fig. 1 TVWS |
Las normas formales para este propósito son IEEE 802.11af (White-Fi) e IEEE 802.22 (Wi-Far ™). Hay varias ventajas muy atractivas para la reutilización de este ancho de banda, como punto fundamental es el alcance que se podría obtener en estas frecuencias, una cobertura aproximada de varios kilómetros. Si se realiza una breve comparación, en un hogar típico, Wi-Fi puede viajar a través de dos paredes, White Space puede viajar hasta 100 kilómetros, Figura 2, a través de vegetación, edificios y otros obstáculos, de tal manera que las tabletas, teléfonos y computadoras puedan acceder a esta conexión inalámbrica a Internet utilizando el “espacio blanco” a través de centrales fijas o portátiles [7]. En el año 2010, la FCC (Federal Communication Commission) hizo de este espectro subutilizado de alta calidad, disponible para uso público sin licencia. La tecnología de Tv White Space es una opción altamente efectiva para las zonas rurales, especialmente porque la señal de UHF puede atravesar follaje y trabajar bien en terreno dificultoso.
Los Enlaces de microondas requieren para su conexión línea de vista (LOS), en las zonas rurales con muchos árboles o terreno accidentado, son necesarias torres altas para proporcionar esta conexión de línea de vista, haciendo que microondas sea una solución costosa e inviable. La tecnología de TV White Space, por otra parte, ofrece una alternativa eficaz a microondas porque la señal UHF de baja frecuencia puede penetrar obstáculos y cubrir terreno irregular sin necesidad de infraestructura adicional, hacienda de esta una opción muy eficaz para las comunidades rurales, sobre todo porque la señal UHF puede penetrar el follaje y funcionar adecuadamente en terrenos difíciles.
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TV White Space es una solución Smart para Wireless Internet Service Providers (WISPs) o agencias de seguridad pública que buscan una capacidad de ancho de banda mayor que la que puede proporcionar WiMAX o Wi-Fi. Esta innovadora tecnología fue apodada "Super Wi-Fi" debido a su gama superior y su capacidad para penetrar obstáculos como árboles, edificios y terrenos difíciles. Aunque Wi-Fi tiene un alcance relativamente limitado y puede ser bloqueado por las paredes y otros obstáculos, una red que utiliza la tecnología de TV White Space puede cubrir un área mayor que Wi-Fi mientras que requiere menos equipo [3].
Requisitos indispensables para TV White Space
De una forma más precisa, un TVWS es el conjunto de ubicaciones espaciales U tales que para un canal F de televisión se deben verifican los siguientes requisitos:
- La potencia recibida Pr del canal F en U es menor que la sensibilidad, S, del receptor de TV menos un margen de protección especificado, MP. Es decir:
- La potencia recibida Pr en los canales adyacentes de F, a consecuencia de una emisión de P watios por un usuario secundario en el canal F y en la ubicación U, para cualquier otra ubicación U´≠U, es menor que la sensibilidad, S, del receptor de TV (que suponemos sin efectos no lineales, a efectos de brevedad) menos un margen de protección especificado, MP, mas la selectividad del receptor al canal adyacente, ACS, es decir [9]:
APLICACIONES
Las aplicaciones de los espacios en blanco o TVWS (“TV White Spaces”) que se han ido proponiendo para los TVWS desde diferentes fuentes. Se tiene los siguientes [9].
Super Wi-Fi
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| Fig.3 Super Wi.Fi |
El nuevo uso de las bandas de frecuencia en los TVWS permitiría tranquilizar la ya muy congestionada Wi-Fi en las bandas de 2.4Ghz en particular. Uno de los usos de los TVWS puede por otra parte agrandar el alcance y la penetración hasta en 3 veces en comparación con la operación en las bandas ISM, al presentar una menor atenuación a las paredes y enlaces de visión no directa en general. Estas características son deseables para los despliegues metropolitanos y de interior-exterior.
Backhaul inalámbrico
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| Fig. 4 Backhaul Inalámbrico |
La entrega de enlaces fijos entre estaciones de base y con el núcleo de red puede ser un problema real en áreas que no cuenten con conexiones ADSL/cable y en las que se pretendan desplegar pico-celdas o femto-celdas, Figura 4. Incluso aun contando con infraestructura fija como ADSL, ésta puede no ser suficiente para que circulen anchos de bandas muy altos en aplicaciones de banda ancha, por lo que los TVWS también constituyen una solución adecuada para hacer frente a esta problemática, por eso se puede hacer enlaces inalámbricos punto a punto para sustituir la infraestructura cableada.
M2M (Máquina a máquina)
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| Fig. 5 M2M |
Consiste en transmisores de muy baja potencia usados para transmitir una baja
tasa de datos de uso comercial o industrial entre dos máquinas para realizar
control monitoreo bajo el concepto de
Máquinas inteligentes recientemente se
han estado haciendo pruebas para que esta comunicación se en las bandas de frecuencia
de televisión abierta como vemos no debemos tener grandes anchos de banda para
estas aplicaciones y con eso podemos optimizar el espectro radioeléctrico
El uso de los TVWS para comunicaciones M2M parece ser una buena opción dada la explosión que se prevé en el futuro próximo de dispositivos M2M, Figura 5. Varios de estos dispositivos requieren una baja latencia y conectividad garantizada, pero la mayoría no requieren de una operación estricta en tiempo real y son compatibles con los protocolos de acceso oportunistas. Una ventaja adicional de los TVWS para estas comunicaciones es su mayor alcance frente a otras opciones que operan en bandas de frecuencia más altas.
Banda Ancha Rural
Las zonas rurales, donde las personas no han recibido muy buenos servicios de banda ancha en el pasado y el presente, son los lugares perfectos para empezar a utilizar la tecnología White Space, dijo el Dr. Apurva N. Mody, presidente de la Alianza WhiteSpace, una organización que estudia y promueve el despliegue de White Space para Internet de banda ancha. "Uno de los problemas más grandes en las zonas rurales son las distancias, por lo general las casas están separadas por distancias más largas y es muy difícil para el cable de fibra óptica cumplir con estos requerimientos", agregó. "Las estructuras tradicionales sólo pueden continuar por cinco kilómetros o menos." Con una antena de telefonía móvil u otro dispositivo, la tecnología White Space puede viajar 10 kilómetros y brindar el servicio a muchos más clientes a la vez, Figura 6. La FCC no tiene datos sobre cada localización individual de los dispositivos ya que el uso es de forma no autorizada, pero dos fabricantes Carlson Wireless y Adaptrum, Inc. están invirtiendo en esta tecnología en las zonas rurales.
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| Fig. 6 TVWS en zonas rurales |
- El alcance variará dependiendo del terreno, obstáculos en cada lugar, número de estaciones de clientes y otros factores, en una ubicación sin línea de vista (NLOS) los usuarios normalmente pueden esperar un área de alto rendimiento que se extiende 3.7 kilómetros de la estación base, soportando 12.3 Mb/s (16.8 Mb/s OTA).
- La cantidad de clientes conectados al punto de acceso RuralConnect por estación base depende en gran medida de la aplicación. Para el servicio de banda ancha rural con 4 Mbps de bajada y 1,5 Mbps, se aconseja un máximo de 10 a 12 clientes. Para una aplicación de telemetría tales como datos de pozos de petróleo y gas, de 30 a 40 clientes pueden utilizarlo simultáneamente.
- Para una conexión rural con White space se puede utilizar antenas omnidireccionales y sectoriales, además de equipo con capacidad PoE. Es compatible con la banda de frecuencia UHF, que va desde 470 MHz a 786 MHz. Channel bonding no es posible en la actualidad, aunque esta función está prevista para el desarrollo en un futuro próximo [4]
Extensión de cobertura, capacidad y off-loading en redes celulares
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| Fig. 7 Extensión de cobertura |
El crecimiento excesivo del tráfico de datos en redes móviles hace pensar que los TVWS pueden ser un buen complemento a utilizar en situaciones en las que se presentan picos de tráfico, a base de agregar portadoras, o simplemente para extender la cobertura, beneficiando comunicaciones directas entre terminales dentro del área de cobertura con otros que no lo están. El “offloading” consistiría en el desvío de tráfico desde las infraestructuras celulares convencionales a puntos de acceso, por ejemplo Wi-Fi, operados en bandas de TVWS, lo que permitiría aliviar situaciones de congestión que pudieran surgir en las redes celulares, Figura 7.
ESTANDARIZACIÓN
Las atractivas características de los TVWS han motivado una actividad abrumadora hacia su estandarización, que se inicia con el IEEE 802.22 en 2004.
Son varios los países que permiten el uso de los TVWS, por lo cual deben establecer un marco regulatorio que rija el comportamiento de los usuarios secundarios. Todos hacen uso de un Marco Regulatorio creado por ellos mismos, el cual busca obtener una visión razonablemente sobre el estado de regulación de los TV White Spaces.
El Reino Unido y los Estados Unidos son los representantes más influyentes en lo que respecta al acceso de los usuarios secundarios a los TVWS.
Estados Unidos: El FCC (Federal Communication Commission) propone en el 2004 que los dispositivos Cognitive Radio puedan acceder a las bandas de televisión; en noviembre del 2008, el FCC permite el uso de los TV White Spaces por parte de los usuarios secundarios (tanto fijos como móviles). Además, se decidió que para la protección de los usuarios primarios serian usadas ambas técnicas, geo-localización y detección de espectro.
Sin embargo, en la publicación más reciente (septiembre del 2010), el FCC elimina el requisito de detección para los usuarios secundarios con la capacidad de geolocalización.
Reino Unido: Ofcom, ha sido el promotor vanguardista en el acceso por parte de usuarios secundarios a los TV White Spaces en Europa, emitiendo una declaración el 13 de diciembre de 2007 considerando por primera vez el uso de los TV White Spaces siempre y cuando no cause interferencia perjudicial a los usuarios primarios.
Posteriormente, para su nueva publicación en julio de 2009, Ofcom evaluó tres mecanismos para poder identificar los TV White Spaces: detección del espectro, geolocalización y beacons. En él se concluye que la transmisión de beacons no será considerada para el futuro, debido a que se requiere una costosa infraestructura sin poder garantizar que la interferencia perjudicial pueda ser evitada todo el tiempo a los usuarios primarios. Además, observa que existen desventajas para los otros dos mecanismos, beacons y geo-localización, decidiendo así trabajar con ellos. No obstante, a corto plazo concluye que el mecanismo más importante es la geolocalización.
ESTANDARIZACIÓN
Las atractivas características de los TVWS han motivado una actividad abrumadora hacia su estandarización, que se inicia con el IEEE 802.22 en 2004.
- 802.22 – Estándar IEEE para redes WRAN (Wireless Regional Area) haciendo uso de los TV White SpacesIEEE Std 802.22™-2011 es el estándar IEEE 802.22 ya finalizado, que se aplica en zonas con poblaciones pequeñas, la transmisión de datos por medio inalámbrico. Una aplicación típica puede ser la cobertura del área rural alrededor de un pueblo con un radio de cobertura entre 10 km y 30 km.
- 802.11af – Adaptación de Wi-Fi para funcionar sobre los TVWS. Es un estándar que modifica la capa física y MAC del IEEE 802.11 para permitir que los sistemas Wi-Fi puedan acceder a los TVWS satisfaciendo los requerimientos legales de coexistencia. Requiere la necesidad de una base de datos sobre las frecuencias utilizadas en la banda de TV.
- 802.19.1 – Para facilitar la interoperabilidad entre distintos sistemas de WSs. El IEEE 802.19.1TG, que se focaliza en el desarrollo de mecanismos de coexistencia a alto nivel entre potenciales estándares diferentes operando en los TVWS, incluyendo mecanismos para el descubrimiento de otras redes
- El IEEE SCC41 que define las capas por encima del MAC y PHY para habilitar una asignación dinámica de frecuencias.
- Weightless: es un estándar diseñado para proporcionar un costo relativamente bajo de comunicaciones máquina a máquina (M2M) que utiliza los TVWS. Weightless está optimizado para M2M en el sentido de que minimiza el consumo de potencia y aprovecha la buena propagación de los TVWS para tener alcances mucho mayores que los alcanzados con sistemas como Bluetooth, Zigbee, etc., que operan en frecuencias más elevadas.
- 802.16h – Mecanismo mejorado de coexistencia para uso de Wimax sin licencia.
- DYSPAN P1900 – Familia de estándares relacionadas con el acceso dinámico al espectro.
- CEPT-ECC SE 43 – Define las características técnicas y operacionales para los sistemas cognitivos operando en TVWS.
- Estándares Industriales – Cognea.
ORGANISMOS REGULADORES
Son varios los países que permiten el uso de los TVWS, por lo cual deben establecer un marco regulatorio que rija el comportamiento de los usuarios secundarios. Todos hacen uso de un Marco Regulatorio creado por ellos mismos, el cual busca obtener una visión razonablemente sobre el estado de regulación de los TV White Spaces.
Fig. 8 Organismos reguladores en diferentes países
El Reino Unido y los Estados Unidos son los representantes más influyentes en lo que respecta al acceso de los usuarios secundarios a los TVWS.
Estados Unidos: El FCC (Federal Communication Commission) propone en el 2004 que los dispositivos Cognitive Radio puedan acceder a las bandas de televisión; en noviembre del 2008, el FCC permite el uso de los TV White Spaces por parte de los usuarios secundarios (tanto fijos como móviles). Además, se decidió que para la protección de los usuarios primarios serian usadas ambas técnicas, geo-localización y detección de espectro.
Sin embargo, en la publicación más reciente (septiembre del 2010), el FCC elimina el requisito de detección para los usuarios secundarios con la capacidad de geolocalización.
Reino Unido: Ofcom, ha sido el promotor vanguardista en el acceso por parte de usuarios secundarios a los TV White Spaces en Europa, emitiendo una declaración el 13 de diciembre de 2007 considerando por primera vez el uso de los TV White Spaces siempre y cuando no cause interferencia perjudicial a los usuarios primarios.
Posteriormente, para su nueva publicación en julio de 2009, Ofcom evaluó tres mecanismos para poder identificar los TV White Spaces: detección del espectro, geolocalización y beacons. En él se concluye que la transmisión de beacons no será considerada para el futuro, debido a que se requiere una costosa infraestructura sin poder garantizar que la interferencia perjudicial pueda ser evitada todo el tiempo a los usuarios primarios. Además, observa que existen desventajas para los otros dos mecanismos, beacons y geo-localización, decidiendo así trabajar con ellos. No obstante, a corto plazo concluye que el mecanismo más importante es la geolocalización.
LIMITACIONES PARA EL USO DE TVWS
En
cualquier lugar, dado el número de canales disponibles de espacios blancos es función de la potencia de transmisión
requerida por los dispositivos de espacios blancos y el
número de canales de televisión que deben ser cubiertos
en la zona. Los dispositivos de bajo consumo para espacio en blanco tales como acceso a
redes para el hogar punto a punto, por ejemplo, se podría esperar para encontrar canales mucho
más eficientes para aplicaciones de mayor potencia utilizando
una antena externa en la azotea. Esto fue confirmado por Cálculos de la BBC.
Hay
muchos teatros, estudios y otros lugares donde los micrófonos inalámbricos tienen licencia para utilizar los espacios blancos de televisión y que debe ser protegido
de interferencias.
Esto
limita la disponibilidad del espectro de espacios
blancos en esos lugares. Cambridge ensayo e incluyó
el análisis y mediciones de los requisitos de protección que deben tomarse para aplicaciones PMSE.
CAPACIDADES DE TVWS
·
La TVWS permite Cubrir un área mayor a un
menor costo.
·
Sin línea de visión directa ofrece la
capacidad de penetrar obstáculos tales como árboles, edificios y terreno.
A
fin de utilizar esta banda de espectro sin licencia, dispositivos de televisión
deben comunicarse con una base de datos para obtener una lista de canales de
espacio en blanco que actualmente están disponibles. Las solicitudes se hacen
por una radio a un gestor autorizado de espacio en blanco. El gestor de espacio
en blanco ofrece automáticamente los datos de los canales disponibles, el
requisito más importante es evitar las zonas donde las estaciones de TV operan,
después un radio recibe un mapa de canales, la selección del canal final es
tomado por el radio. Esta decisión se basa en reglas, tecnología de la radio y
el mapa de canales ofrecidos. Esta tecnología se basa en la radio cognitiva.
El concepto de espacios en blanco se lo
puede aplicar en:
· Al espectro
asignado a la emisión de televisión pero que actualmente no se utiliza. Esto se
aplica en particular a los países en desarrollo, en donde no ha habido ningún
incentivo económico para que las emisoras usen todos los canales de TV
disponibles.
· Al espectro
que se debe dejar libre entre dos canales de televisión adyacentes para evitar
interferencias.
· Al espectro
recuperado al hacerse efectiva la transición a la televisión digital terrestre.
Esto se aplica actualmente a los países desarrollados, pero pronto se aplicará
también a los países en desarrollo.
ADMINISTRACIÓN DE LA BASE DE DATOS DE WHITE SPACE
En Junio de este año la FCC certificó a Google para operar la base de datos nacional de Estados Unidos, decidiendo qué partes del espectro de White Space se pueden utilizar para conexiones inalámbricas. El software utiliza una interfaz de programación de aplicaciones (API) que permite a los dispositivos encontrar detalles sobre los canales disponibles para White Space, Figura 8.
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| Fig. 9 Base de datos en Google para TVWS |
El API es libre para individuos, sin embargo Google ofrece una licencia comercial para las empresas. Microsoft ha puesto en marcha proyectos de White Space en toda Asia, incluyendo un despliegue reciente en Singapur a través de asociaciones con agencias de investigación del gobierno de Singapur y un proveedor de servicios móviles del Reino Unido en las zonas donde la vegetación hace que el acceso inalámbrico sea difícil.
En conjunto con sus proyectos en Europa, Microsoft también está creando una base de datos para White Space en EE.UU., al igual que la de Google [5]. Existe una serie de herramientas en línea gratuitas diseñada para determinar los canales disponibles en un área determinada, por ejemplo Spectrum Bridge's lo realiza a través de My White Space, Figura 9 y Telcordia's con la herramienta Contour Visualization Tool [4].
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| Fig. 10 interfaz de "My White Space" |
CONCLUSIONES
- Nunca antes se hubiese pensado que el espectro electromagnético tendría bondades finitas, en la actualidad debido al sin número de aplicaciones y comunicaciones que se pueden dar alrededor del mismo, es necesario una inspección de cómo está distribuido el espectro y sacarle provecho a regiones que estén mal utilizadas o en desuso; de tal manera que en un futuro no se tenga limitaciones por un desperdicio de frecuencias.
- En los países de primer mundo se manejan solamente pruebas al respecto, lo que hace pensar que esta tecnología al obtener su desarrollo totalmente tendrá una lenta penetración en el resto del mundo por lo que implica su manejo.
- Como punto importante se debe entender que esta tecnología va a tener un comportamiento diferente dependiendo de la ubicación geográfica y la densidad poblacional, se puede evidenciar que existe mayor demanda en zonas con un mayor número de habitantes, por ejemplo, si varios usuarios requieren el espectro al mismo tiempo y en la misma ubicación, ya no va a ser posible garantizar un grado suficiente de calidad de servicio (QoS) como ya ocurre actualmente con los sistemas Wi-Fi, donde los usuarios demandan cada vez más calidad en sus servicios y aplicaciones, y por ende una mayor tasa de transmisión en las comunicaciones inalámbricas. Este es uno de los motivos por lo que se ve la necesidad de limitar el acceso y el radio de cobertura. No obstante la falta de predictibilidad, radio de cobertura y en definitiva QoS, lo que supone serias limitaciones para los TVWS o similares en un futuro, se vislumbran los TVWS como un espectro muy interesante para usar en muchas situaciones y escenarios, contando necesariamente con su aportación para abordar el enorme incremento de tráfico de datos previsible (x1000) para un horizonte 2020.
Referencias Bibliográficas:
[1] STI International, “The future Internet: Service Web 3.0”. Octubre 2009. [Online].
Disponible en:
https://www.youtube.com/watch?v=off08As3siM
[2] K. DePaul
& otros (2011). “White Spaces and Mobile Communications Unleashing the full potential of the mobile Internet”. Alcatel-Lucent.
[3] Carlson Wireless Technologies,
Inc.
“TV White Space:
Frequently Asked Questions” [Online]. Disponible en:
http://www.carlsonwireless.com/solutions/tv-white-space-rural- broadband/tv-white-space-faq.html
[4] Carlson Wireless Technologies, Inc. “TV White Space - Breakthrough
Technology” [Online]. Disponible en: http://www.carlsonwireless.com/solutions/tv-white-space-rural- broadband.html
[5] L. Gilpin (2011, Marzo). “White Space, the next internet disruption: 10 things to know” [Online]. Disponible en:
http://www.techrepublic.com/article/white-space-the-next-internet- disruption-10-things-to-know/
[6] Google. Spectrum Database [Online]. Disponible en:
[7] P. Flynn (2013, Enero). “White Space – Potentials and Realities”. Texas Instruments [Online]. Disponible en:
http://www.ti.com/lit/wp/spry227/spry227.pdf
[8] Rohan
Murty, Ranveer
Chandra,Thomas Moscibroda,
Paramvir Bah “SenseLess: A Database-Driven White Spaces Network, IEEE Dyspan 2011, Aachen
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5936197&tag=1
[9] Colegio Oficial de
Ingenieros de
Telecomunicación
(2013,
Abril). “Introducción al estado de la situación de los “TV White Spaces” y “LSA” propiciados por la Radio Cognitiva” [Online]. Disponible en:
https://www.coit.es/descargar.php?idfichero=6055
[10] Tecnalia Inspiring Business “Gestión eficiente del Espectro: Luces y
Sombras de los
Whitespaces” [Online]. Disponible en:
http://www.tecnalia.com/images/stories/H&W_05_IntroGestionEficient eEspectro_AsierAlonso_Tecnalia.pdf
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