Последняя миля или последний километр в телекоммуникационной , кабельной и интернет -отраслях относится к последнему отрезку телекоммуникационной сети , которая предоставляет телекоммуникационные услуги розничным конечным пользователям (клиентам). Более конкретно, последняя миля описывает часть цепочки телекоммуникационной сети, которая физически достигает помещений конечного пользователя. Примерами являются абонентские линии с медным проводом, соединяющие стационарные телефоны с местной телефонной станцией ; коаксиальные кабельные линии, передающие сигналы кабельного телевидения от столбов электропередач до домов абонентов, и вышки сотовой связи, соединяющие местные сотовые телефоны с сотовой сетью . Слово «миля» используется метафорически; длина последней мили может быть больше или меньше мили. Поскольку последняя миля сети до пользователя, наоборот, является первой милей от помещений пользователя до внешнего мира, когда пользователь отправляет данные, термин « первая миля» также используется в качестве альтернативы.
Последняя миля обычно является узким местом в сетях связи; ее пропускная способность фактически ограничивает объем данных, которые могут быть доставлены клиенту. Это связано с тем, что розничные телекоммуникационные сети имеют топологию « деревьев », с относительно небольшим количеством высокопроизводительных «магистральных» каналов связи, разветвляющихся для питания многих «ветвей» конечной мили. Связи конечной мили, являющиеся самой многочисленной и, следовательно, самой дорогой частью системы, а также имеющие интерфейс с широким спектром пользовательского оборудования, являются наиболее сложными для модернизации до новой технологии. Например, телефонные магистральные линии , по которым передаются телефонные звонки между коммутационными центрами, сделаны из современного оптоволокна , но последняя миля, как правило, представляет собой витую пару проводов, технологию, которая по сути оставалась неизменной более столетия с момента первоначальной прокладки медных телефонных кабелей.
В последние годы использование термина «последняя миля» расширилось за пределы отраслей связи, включив в него другие распределительные сети, которые доставляют товары клиентам, такие как трубы, по которым вода и природный газ поступают в помещения клиентов, а также конечные этапы доставки почты и посылок . [1] Этот термин также использовался для описания поставщиков услуг образования и обучения, которые более тесно связывают людей с возможностями трудоустройства. [2] [3]
Растущий во всем мире спрос на быструю, малозадерживаемую и объемную передачу информации для домов и предприятий сделал экономичное распространение и доставку информации все более важными. По мере роста спроса, особенно подстегиваемого широким распространением Интернета , также возросла потребность в экономичном высокоскоростном доступе для конечных пользователей, находящихся в миллионах мест.
Поскольку требования изменились, существующие системы и сети, которые изначально были задействованы для этой цели, оказались неадекватными. На сегодняшний день, хотя было испробовано несколько подходов, единого четкого решения «проблемы последней мили» не появилось.
Как выражено уравнением Шеннона для информационной емкости канала , вездесущность шума в информационных системах устанавливает минимальное требование к отношению сигнал/шум (сокращенно S/N) в канале, даже когда доступна адекватная спектральная полоса пропускания . Поскольку интеграл скорости передачи информации по времени является количеством информации, это требование приводит к соответствующей минимальной энергии на бит . Проблема отправки любого заданного количества информации по каналу может, таким образом, рассматриваться с точки зрения отправки достаточного количества энергии, переносящей информацию (ICE). [ необходима цитата ] По этой причине концепция «трубы» или «проводника» ICE является актуальной и полезной для изучения существующих систем.
Распространение информации среди большого числа широко разнесенных конечных пользователей можно сравнить с распространением многих других ресурсов. Вот некоторые знакомые аналогии:
Все они имеют общие каналы, которые переносят относительно небольшое количество ресурса на короткое расстояние к очень большому количеству физически разделенных конечных точек. Также распространены каналы, поддерживающие более объемный поток, которые объединяют и переносят множество отдельных порций на гораздо большие расстояния. Более короткие каналы с меньшим объемом, которые по отдельности обслуживают только одну или небольшую часть конечных точек, могут иметь гораздо большую общую длину, чем каналы с большей пропускной способностью. Эти общие атрибуты показаны справа.
Высокопроизводительные трубопроводы в этих системах, как правило, также обладают общей способностью эффективно передавать ресурс на большие расстояния. Только небольшая часть передаваемого ресурса тратится впустую, теряется или направляется не по назначению. То же самое нельзя обязательно сказать о трубопроводах с меньшей производительностью.
Одна из причин связана с эффективностью масштаба . Каналы, которые расположены ближе к конечной точке или конечному пользователю, не имеют индивидуально такого количества пользователей, поддерживающих их. Несмотря на то, что они меньше, у каждого есть накладные расходы на «установку», получение и поддержание подходящего пути, по которому может течь ресурс. Финансирование и ресурсы, поддерживающие эти меньшие каналы, как правило, поступают из непосредственной местности.
Это может иметь преимущество «модели малого правительства». То есть управление и ресурсы для этих каналов предоставляются местными субъектами и, следовательно, могут быть оптимизированы для достижения наилучших решений в непосредственной среде, а также для наилучшего использования местных ресурсов. Однако более низкая эксплуатационная эффективность и относительно более высокие расходы на установку по сравнению с пропускной способностью могут привести к тому, что эти меньшие каналы в целом станут самой дорогой и сложной частью полной распределительной системы.
Эти характеристики проявились в рождении, развитии и финансировании Интернета. Самая ранняя межкомпьютерная связь, как правило, осуществлялась с помощью прямых проводных соединений между отдельными компьютерами. Они превратились в кластеры небольших локальных сетей (LAN). Набор протоколов TCP/IP родился из необходимости соединить несколько таких LAN вместе, особенно в связи с общими проектами Министерства обороны США , промышленности и некоторых академических учреждений.
ARPANET появился для продвижения этих интересов. Помимо предоставления возможности нескольким компьютерам и пользователям совместно использовать общее межсетевое соединение, протоколы TCP/IP предоставили стандартизированный способ для разнородных компьютеров и операционных систем обмениваться информацией через эту межсетевую связь. Финансирование и поддержка соединений между локальными сетями могли быть распределены по одной или даже нескольким локальным сетям.
По мере добавления каждой новой локальной сети или подсети, ее составные части получали доступ к большей сети. В то же время новая подсеть обеспечивала доступ к любой сети или сетям, с которыми она уже была связана. Таким образом, рост стал взаимовключающим или «выигрышным» событием.
В целом, экономия масштаба делает увеличение мощности трубопровода менее затратным по мере увеличения мощности. Существуют накладные расходы, связанные с созданием любого трубопровода. Эти накладные расходы не повторяются по мере увеличения мощности в пределах потенциала используемой технологии.
По мере того, как Интернет рос в размерах, по некоторым оценкам, удваивая число пользователей каждые восемнадцать месяцев, экономия масштаба привела к увеличению информационных каналов, обеспечивающих самые большие расстояния и самую высокую пропускную способность магистральных соединений. В последние годы пропускная способность оптоволоконной связи , поддерживаемая поддерживающей отраслью, привела к расширению сырой пропускной способности, настолько, что в Соединенных Штатах большой объем установленной волоконно-оптической инфраструктуры не используется, поскольку в настоящее время она представляет собой избыточную пропускную способность « темного волокна ».
Эта избыточная пропускная способность магистрали существует, несмотря на тенденцию к увеличению скорости передачи данных на пользователя и общего объема данных. Первоначально только соединения между локальными сетями были высокоскоростными. Конечные пользователи использовали существующие телефонные линии и модемы, которые могли передавать данные со скоростью всего несколько сотен бит/с . Теперь почти все конечные пользователи имеют доступ со скоростью в 100 и более раз выше ранних скоростей.
Прежде чем рассматривать характеристики существующих механизмов доставки информации последней мили, важно дополнительно изучить, что делает информационные каналы эффективными. Как показывает теорема Шеннона-Хартли , именно сочетание полосы пропускания и отношения сигнал/шум определяет максимальную скорость передачи информации канала. Произведение средней скорости передачи информации и времени дает общую передачу информации. При наличии шума это соответствует некоторому количеству переданной энергии, несущей информацию (ICE). Поэтому экономику передачи информации можно рассматривать с точки зрения экономики передачи ICE.
Эффективные каналы последней мили должны:
Помимо этих факторов, хорошее решение проблемы последней мили должно предоставлять каждому пользователю:
Проводные системы обеспечивают направляемые каналы для передачи информации (ICE). Все они имеют некоторую степень экранирования, что ограничивает их восприимчивость к внешним источникам шума. Эти линии передачи имеют потери, пропорциональные длине. Без добавления периодического усиления существует некоторая максимальная длина, за пределами которой все эти системы не могут обеспечить адекватное отношение сигнал/шум для поддержки потока информации. Диэлектрические оптоволоконные системы поддерживают более интенсивный поток при более высокой стоимости.
Традиционные проводные локальные сетевые системы требуют медного коаксиального кабеля или витой пары для прокладки между двумя или более узлами в сети. Обычные системы работают на скорости 100 Мбит/с, а более новые также поддерживают скорость 1000 Мбит/с и более. Хотя длина может быть ограничена требованиями обнаружения и предотвращения столкновений , потеря сигнала и отражения на этих линиях также определяют максимальное расстояние. Уменьшение информационной емкости, доступной отдельному пользователю, примерно пропорционально количеству пользователей, совместно использующих локальную сеть.
В конце 20-го века усовершенствования в использовании существующих медных телефонных линий увеличили их возможности, если максимальная длина линии контролируется. С поддержкой более высокой пропускной способности передачи и улучшенной модуляции эти схемы цифровых абонентских линий увеличили возможности в 20-50 раз по сравнению с предыдущими системами голосового диапазона . Эти методы не основаны на изменении фундаментальных физических свойств и ограничений среды, которые, за исключением введения витых пар , сегодня ничем не отличаются от того, что было, когда в 1877 году Bell Telephone Company открыла первую телефонную станцию. [4]
История и долгий срок службы инфраструктуры связи на основе меди являются как свидетельством способности извлекать новую ценность из простых концепций посредством технологических инноваций, так и предупреждением о том, что инфраструктура связи на основе меди начинает предлагать убывающую отдачу от постоянных инвестиций. [4] Однако одной из самых больших затрат, связанных с поддержанием стареющей инфраструктуры медных кабелей, является стоимость выезда [5] — отправка инженеров для физического тестирования, ремонта, замены и предоставления новых медных соединений, и эта стоимость особенно распространена при предоставлении услуг широкополосной связи в сельской местности по медным кабелям. [6] Новые технологии, такие как G.Fast и VDSL2, предлагают жизнеспособные высокоскоростные решения для предоставления услуг широкополосной связи в сельской местности по существующим медным кабелям. В свете этого многие компании разработали автоматизированные кросс-соединения (автоматизированные распределительные щиты на базе шкафов) для устранения неопределенности и затрат, связанных с поддержанием услуг широкополосной связи по существующим медным кабелям; эти системы обычно включают некоторую форму автоматизированной коммутации, а некоторые включают функциональность тестирования, позволяющую представителю интернет-провайдера выполнять операции, которые ранее требовали посещения объекта (выезда) из центрального офиса через веб-интерфейс. [7] Во многих странах последней милей соединения, соединяющей клиентов стационарных телефонов с местной телефонной станцией, часто является ISDN30 , который может одновременно передавать 30 телефонных звонков.
Системы общественного антенного телевидения, также известные как кабельное телевидение , были расширены для обеспечения двунаправленной связи по существующим физическим кабелям. Однако по своей природе они являются общими системами, а спектр, доступный для обратного потока информации, и достижимое отношение сигнал/шум ограничены. Как и в случае первоначальной однонаправленной телевизионной связи, потери в кабеле смягчаются за счет использования периодических усилителей в системе. Эти факторы устанавливают верхний предел информационной емкости для каждого пользователя, особенно когда многие пользователи совместно используют общий участок кабеля или сети доступа .
Оптоволокно обеспечивает высокую информационную емкость и с начала 21-го века стало наиболее предпочтительным средством передачи данных (« Оптоволокно до x »), учитывая его масштабируемость в условиях растущих требований к пропускной способности современных приложений.
По словам Ричарда Линча, исполнительного вице-президента и главного технического директора телекоммуникационного гиганта Verizon , в 2004 году компания увидела, что мир движется в сторону приложений с гораздо более высокой пропускной способностью, поскольку потребители любили все, что могла предложить широкополосная связь, и с нетерпением поглощали столько, сколько могли получить, включая двусторонний пользовательский контент. Медные и коаксиальные сети не могли — на самом деле, не могли — удовлетворить эти требования, что ускорило агрессивный переход Verizon на оптоволокно до дома через FiOS . [8]
Оптоволокно — это перспективная технология, которая отвечает потребностям сегодняшних пользователей, но в отличие от других медных и беспроводных сред последней мили, также имеет потенциал на долгие годы вперед, обновляя конечную оптику и электронику без изменения волоконной инфраструктуры. Само волокно устанавливается на существующей инфраструктуре столба или канала, и большая часть затрат приходится на рабочую силу, обеспечивая хороший региональный экономический стимул на этапе развертывания и предоставляя критически важную основу для будущей региональной торговли.
Фиксированные медные линии подвергались кражам из-за стоимости меди, но оптические волокна представляют собой непривлекательные цели. Оптические волокна не могут быть преобразованы во что-либо еще, тогда как медь может быть переработана без потерь .
Mobile CDN ввела термин « мобильная миля» для обозначения последней мили соединения, когда беспроводная система используется для связи с клиентом. В отличие от проводных систем доставки, беспроводные системы используют неуправляемые волны для передачи ICE. Все они, как правило, не экранированы и имеют большую степень восприимчивости к нежелательным источникам сигнала и шума.
Поскольку эти волны не направляются, а расходятся, в свободном пространстве эти системы затухают по закону обратных квадратов , обратно пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, потери растут медленнее с увеличением длины, чем в проводных системах, потери которых растут экспоненциально . В среде свободного пространства, за пределами заданной длины, потери в беспроводной системе ниже, чем в проводной системе.
На практике наличие атмосферы, и особенно препятствий, вызванных рельефом, зданиями и листвой, может значительно увеличить потери сверх значения свободного пространства. Отражение, преломление и дифракция волн также могут изменить их характеристики передачи и требуют специализированных систем для компенсации сопутствующих искажений.
Беспроводные системы имеют преимущество перед проводными системами в приложениях последней мили, поскольку не требуют установки линий. Однако у них также есть недостаток, заключающийся в том, что их неуправляемая природа делает их более восприимчивыми к нежелательным шумам и сигналам. Поэтому повторное использование спектра может быть ограничено.
Видимые и инфракрасные световые волны намного короче радиочастотных волн. Их использование для передачи данных называется оптической связью в свободном пространстве . Будучи короткими, световые волны могут быть сфокусированы или коллимированы с помощью небольшой линзы/антенны, причем в гораздо большей степени, чем радиоволны. Таким образом, приемное устройство может восстановить большую часть переданного сигнала.
Также, из-за высокой частоты, может быть доступна высокая скорость передачи данных . Однако в практических условиях последней мили, препятствия и деуправляемость этих лучей, а также поглощение элементами атмосферы, включая туман и дождь, особенно на более длинных путях, могут значительно ограничить их использование для беспроводной связи последней мили.
Радиочастоты (РЧ), от низких частот до микроволнового диапазона, имеют длины волн, намного длиннее, чем видимый свет. Хотя это означает, что невозможно сфокусировать лучи почти так же плотно, как свет, это также означает, что апертура или «зона захвата» даже самой простой всенаправленной антенны значительно больше, чем у линзы в любой возможной оптической системе. Эта характеристика приводит к значительному увеличению затухания или «потери пути» для систем, которые не являются остронаправленными.
На самом деле термин «потери на пути» является не совсем правильным, поскольку на пути в свободном пространстве энергия не теряется. Скорее, она просто не принимается приемной антенной. Видимое снижение передачи по мере увеличения частоты является артефактом изменения апертуры данного типа антенны.
Относительно проблемы последней мили эти более длинные волны имеют преимущество перед световыми волнами, когда рассматриваются всенаправленные или секторные передачи. Большая апертура радиоантенн приводит к гораздо более высоким уровням сигнала для заданной длины пути и, следовательно, к более высокой информационной емкости. С другой стороны, более низкие несущие частоты не способны поддерживать высокую информационную полосу пропускания, которая требуется уравнением Шеннона, когда достигнуты практические пределы S/N.
По указанным выше причинам беспроводные радиосистемы оптимальны для низкоинформативной широковещательной связи, передаваемой по более длинным путям. Для высокоинформативной, высоконаправленной связи точка-точка на короткие расстояния наиболее полезны беспроводные световые системы.
Исторически большинство вещательных систем с высокой информационной емкостью использовали более низкие частоты, как правило, не выше телевизионного диапазона УВЧ, и само телевидение является ярким примером. Наземное телевидение, как правило, ограничивалось диапазоном выше 50 МГц, где доступна достаточная информационная полоса пропускания, и ниже 1000 МГц из-за проблем, связанных с повышенными потерями на трассе, как упоминалось выше.
Двусторонние системы связи в основном ограничивались приложениями с низкой информационной емкостью, такими как аудио, факс или радиотелетайп . По большей части, системы с более высокой емкостью, такие как двусторонняя видеосвязь или наземный микроволновый телефон и каналы передачи данных, были ограничены и заключены в УВЧ или микроволновые каналы и пути точка-точка.
Системы с более высокой пропускной способностью, такие как системы сотовой связи третьего поколения, требуют обширной инфраструктуры из более близко расположенных сотовых станций для поддержания связи в типичных средах, где потери на трассе намного больше, чем в свободном пространстве, и которые также требуют всенаправленного доступа пользователей.
Для доставки информации конечным пользователям спутниковые системы по своей природе имеют относительно большую длину пути, даже для спутников на низкой околоземной орбите. Они также очень дороги в развертывании, и поэтому каждый спутник должен обслуживать многих пользователей. Кроме того, очень длинные пути геостационарных спутников вызывают задержку информации, что делает многие приложения реального времени невыполнимыми.
Как решение проблемы последней мили, спутниковые системы имеют ограничения по применению и совместному использованию. ICE, который они передают, должен быть распространен на относительно большой географической территории. Это приводит к тому, что принимаемый сигнал относительно мал, если только не используются очень большие или направленные наземные антенны. Параллельная проблема существует, когда спутник принимает.
В этом случае спутниковая система должна иметь очень большую информационную емкость, чтобы вместить множество пользователей, а каждый пользователь должен иметь большую антенну с соответствующими требованиями к направленности и наведению, чтобы получить даже скромную скорость передачи информации. Эти требования делают высокоемкие, двунаправленные информационные системы неэкономичными. Это одна из причин, по которой спутниковая система Iridium не была более успешной.
Для наземных и спутниковых систем экономичная, высокопроизводительная связь последней мили требует систем передачи «точка-точка» . За исключением очень малых географических областей, вещательные системы способны обеспечивать высокие отношения сигнал/шум только на низких частотах, где недостаточно спектра для поддержки большой информационной емкости, необходимой большому количеству пользователей. Хотя может быть достигнуто полное «затопление» региона, такие системы имеют фундаментальную характеристику, что большая часть излучаемого ICE никогда не достигает пользователя и тратится впустую.
По мере роста потребностей в информации широковещательные беспроводные ячеистые системы (иногда также называемые микросотами или наносотами), которые достаточно малы, чтобы обеспечить адекватное распределение информации относительно небольшому числу локальных пользователей, требуют непомерно большого количества мест вещания или точек присутствия, а также большого количества избыточной мощности для компенсации непроизводительно растрачиваемой энергии.
Недавно был открыт новый тип передачи информации, находящийся на полпути между проводными и беспроводными системами. Названный E-Line , он использует один центральный проводник, но не внешний проводник или экран. Энергия передается в плоской волне, которая, в отличие от радио, не расходится, тогда как, как и радио, не имеет внешней направляющей структуры.
Эта система сочетает в себе характеристики проводных и беспроводных систем и может поддерживать высокую информационную емкость, используя существующие линии электропередач в широком диапазоне частот от радиочастот до микроволн .
Агрегация — это метод объединения нескольких линий для достижения более быстрого и надежного соединения. Некоторые компании [ слова-ласка ] считают, что агрегация (или «связывание») ADSL — это решение проблемы последней мили в Великобритании. [9]
