Введение
Последняя миля или последний километр – это фраза, широко используемая в телекоммуникационной, кабельной и интернет-индустриях для обозначения конечного участка телекоммуникационных сетей, обеспечивающего доставку телекоммуникационных услуг конечным розничным пользователям (клиентам). Более конкретно, последняя миля описывает часть цепочки телекоммуникационной сети, которая физически достигает помещения конечного пользователя. Примерами служат абонентские линии медного провода, соединяющие стационарные телефоны с местной телефонной станцией; коаксиальные кабели, передающие сигналы кабельного телевидения от опор линий электропередач к домам абонентов, и базовые станции сотовой связи, связывающие мобильные телефоны с сотовой сетью. Слово "миля" используется метафорически; длина конечного участка может быть как больше, так и меньше мили. Поскольку последняя миля сети к пользователю является, по сути, первой милей от помещения пользователя во внешний мир при передаче данных, также используется термин "первая миля". Последняя миля обычно является узким местом в коммуникационных сетях, поскольку её пропускная способность фактически ограничивает объем данных, который может быть доставлен клиенту. Это связано с тем, что розничные телекоммуникационные сети имеют топологию "деревьев", с относительно небольшим количеством высокопроизводительных магистральных каналов связи, разветвляющихся для обслуживания множества конечных участков. Конечные участки, будучи наиболее многочисленными и, следовательно, самой дорогой частью системы, а также требующие взаимодействия с широким спектром пользовательского оборудования, сложнее всего модернизировать с использованием новых технологий. Например, магистральные телефонные линии, обеспечивающие телефонную связь между коммутационными центрами, изготавливаются из современного оптического волокна, но последняя миля обычно состоит из витой пары проводов – технологии, которая практически не изменилась за столетие с момента прокладки первых медных телефонных кабелей. В последние годы использование термина "последняя миля" расширилось за пределы телекоммуникационной отрасли и стало применяться к другим сетям распределения, доставляющим товары клиентам, таким как трубопроводы, по которым подаются вода и природный газ, и конечные этапы почтовых и курьерских служб. Этот термин также используется для описания образовательных и учебных заведений, которые более тесно связывают людей с возможностями трудоустройства.
The last mile or last kilometer is a phrase widely used in the telecommunications, cable television and internet industries to refer to the final leg of the telecommunications networks that deliver telecommunication services to retail end users (customers). More specifically, the last mile describes the portion of the telecommunications network chain that physically reaches the end user's premises. Examples are the copper wire subscriber lines connecting landline telephones to the local telephone exchange; coaxial cable service drops carrying cable television signals from utility poles to subscribers' homes, and cell towers linking local cell phones to the cellular network. The word "mile" is used metaphorically; the length of the last mile link may be more or less than a mile. Because the last mile of a network to the user is conversely the first mile from the user's premises to the outside world when the user is sending data, the term first mile is also alternatively used. The last mile is typically the speed bottleneck in communication networks; its bandwidth effectively limits the amount of data that can be delivered to the customer. This is because retail telecommunication networks have the topology of "trees", with relatively few high capacity "trunk" communication channels branching out to feed many final mile "twigs". The final mile links, being the most numerous and thus the most expensive part of the system, as well as having to interface with a wide variety of user equipment, are the most difficult to upgrade to new technology. For example, telephone trunklines that carry phone calls between switching centers are made of modern optical fiber, but the last mile is typically twisted pair wires, a technology which has essentially remained unchanged for over a century since the original laying of copper phone cables. In recent years, usage of the term "last mile" has expanded outside the communications industries, to include other distribution networks that deliver goods to customers, such as the pipes that deliver water and natural gas to customer premises, and the final legs of mail and package delivery services. The term has also been used to describe education and training providers that more tightly link individuals with job opportunities.
Затраты и эффективность
Высокопропускные каналы в этих системах обычно также обладают способностью эффективно передавать ресурс на большие расстояния. Лишь небольшая часть передаваемого ресурса расходуется впустую, теряется или направляется не по назначению. То же самое нельзя сказать о каналах меньшей пропускной способности. Одна из причин связана с экономией масштаба. Каналы, расположенные ближе к конечной точке или конечному пользователю, поддерживают меньше пользователей в индивидуальном порядке. Несмотря на меньший размер, каждый из них несет накладные расходы на "развертывание", обеспечивающее и поддерживающее подходящий путь для потока ресурса. Финансирование и ресурсы, поддерживающие эти небольшие каналы, как правило, поступают из местной среды. Это может иметь преимущество "модели малого управления" – управление и ресурсы для этих каналов предоставляются местными организациями и, следовательно, могут быть оптимизированы для достижения наилучших решений в данной среде и наилучшего использования местных ресурсов. Однако, из-за более низкой эффективности работы и относительно более высоких затрат на развертывание по сравнению с пропускной способностью, эти небольшие каналы в целом могут быть самой дорогой и сложной частью всей системы распределения. Эти характеристики проявились в возникновении, развитии и финансировании Интернета. Первоначальная межкомпьютерная связь обычно осуществлялась посредством прямых проводных соединений между отдельными компьютерами. Они развились в кластеры небольших локальных сетей (LAN). Набор протоколов TCP/IP возник из необходимости объединить несколько таких LAN, особенно в контексте совместных проектов Министерства обороны США, промышленности и некоторых академических учреждений. ARPANET был создан для дальнейшего развития этих интересов. Помимо предоставления возможности нескольким компьютерам и пользователям совместно использовать общее межсетевое соединение LAN, протоколы TCP/IP обеспечили стандартизированный способ обмена информацией между разнородными компьютерами и операционными системами по этой сети. Финансирование и поддержка соединений между LAN могли распределяться между одной или даже несколькими LAN. С добавлением каждой новой LAN или подсети, участники новой подсети 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 взаимовыгодным или ситуацией, в которой все выиграли.
Экономия масштаба
В целом, экономия от масштаба производства снижает стоимость увеличения пропускной способности канала связи по мере её роста. Создание любого канала связи связано с определенными накладными расходами, которые не повторяются при увеличении пропускной способности в пределах возможностей используемой технологии. По мере роста Интернета, который, по некоторым оценкам, удваивает число пользователей каждые восемнадцать месяцев, экономия от масштаба привела к созданию все более крупных каналов связи, обеспечивающих магистральные соединения на самые большие расстояния и с максимальной пропускной способностью. В последние годы увеличение пропускной способности волоконно-оптических линий связи, поддерживаемое развитой индустрией, привело к значительному расширению доступной пропускной способности, настолько, что в Соединенных Штатах значительная часть установленной волоконно-оптической инфраструктуры не используется, поскольку представляет собой избыточную пропускную способность – так называемое "темное волокно". Этот избыток магистральной пропускной способности существует, несмотря на тенденцию к увеличению скорости передачи данных на одного пользователя и общего объема передаваемых данных. Изначально высокоскоростными были только соединения между локальными сетями. Конечные пользователи использовали существующие телефонные линии и модемы, которые обеспечивали скорость передачи данных всего в несколько сотен бит в секунду. Теперь почти все конечные пользователи имеют доступ к скорости, в 100 и более раз превышающей первоначальную.
Проводные системы (включая оптические волокна)
Проводные системы обеспечивают направляющие каналы для энергии, несущей информацию (ICE). Все они имеют некоторую степень экранирования, что снижает их чувствительность к внешним источникам помех. Эти линии передачи характеризуются потерями, пропорциональными длине. Без периодического усиления сигнала существует предельная длина, за которой ни одна из этих систем не способна обеспечить достаточное отношение сигнал/шум для передачи информации. Системы диэлектрических оптических волокон обеспечивают более высокую пропускную способность, но при большей стоимости.
Локальные сети (LAN)
Традиционные проводные системы локальных сетей требуют прокладки между двумя или более узлами сети медного коаксиального кабеля или витой пары. Распространенные системы работают на скорости 100 Мбит/с, а более новые также поддерживают 1000 Мбит/с и выше. Хотя длина может быть ограничена требованиями обнаружения и избежания коллизий, потеря сигнала и отражения в этих линиях также определяют максимальную дальность. Снижение пропускной способности, доступной отдельному пользователю, приблизительно пропорционально числу пользователей, совместно использующих локальную сеть.
Телефон
В конце 20-го века усовершенствования в использовании существующих медных телефонных линий повысили их возможности при контролируемой максимальной длине линии. Благодаря поддержке более высокой пропускной способности и улучшенной модуляции, эти схемы цифровых абонентских линий увеличили пропускную способность в 20-50 раз по сравнению с предыдущими системами голосовой связи. Эти методы не основаны на изменении фундаментальных физических свойств и ограничений среды, которые, за исключением внедрения витой пары, сегодня не отличаются от тех, что были при открытии первой телефонной станции компанией Bell Telephone Company в 1877 году. История и долгий срок службы коммуникационной инфраструктуры на основе меди свидетельствуют как о способности извлекать новую ценность из простых концепций посредством технологических инноваций, так и о том, что коммуникационная инфраструктура на основе меди начинает демонстрировать уменьшающуюся отдачу от дальнейших инвестиций. Это связано с необходимостью отправлять инженеров для физического тестирования, ремонта, замены и прокладки новых медных соединений, и эта стоимость особенно заметна при предоставлении широкополосного доступа в сельской местности по медному кабелю. Новые технологии, такие как G.Fast и VDSL2, предлагают жизнеспособные высокоскоростные решения для обеспечения широкополосным доступом сельских районов по существующей медной инфраструктуре. В связи с этим многие компании разработали автоматизированные кросс-соединения (автоматизированные распределительные рамки, установленные в шкафах), чтобы устранить неопределенность и затраты, связанные с обслуживанием широкополосных услуг по существующей меди. Эти системы обычно включают в себя ту или иную форму автоматического переключения, а некоторые также имеют встроенные функции тестирования, позволяющие представителю интернет-провайдера выполнять операции, которые ранее требовали выезда на место (посещения абонента) из центрального офиса через веб-интерфейс. Во многих странах последним участком сети, соединяющим абонентов стационарной телефонной связи с местной телефонной станцией, часто является ISDN30, способный поддерживать 30 одновременных телефонных вызовов.
КПВ
Системы коллективных антенн, также известные как кабельное телевидение, были расширены для обеспечения двусторонней связи по существующим физическим кабелям. Однако, по своей сути, это общие системы, и спектр, доступный для передачи информации в обратном направлении, а также достижимое отношение сигнал/шум, ограничены. Как и в случае с первоначальной односторонней телевизионной связью, потери в кабеле компенсируются использованием периодически расположенных усилителей в системе. Эти факторы устанавливают верхний предел пропускной способности на одного пользователя, особенно когда большое количество пользователей совместно используют один участок кабеля или сеть доступа.
Оптические волокна
Волокно обеспечивает высокую информационную емкость и после начала 21-го века стало предпочтительной средой ("волокно до конечного пользователя") благодаря своей масштабируемости в условиях растущих требований к пропускной способности современных приложений. В 2004 году, по словам Ричарда Линча, исполнительного вице-президента и главного технического директора телекоммуникационного гиганта Verizon, компания увидела, что мир движется к приложениям с существенно большей пропускной способностью, поскольку потребители высоко ценили все преимущества широкополосного доступа и жадно потребляли все больше и больше, включая двусторонний контент, создаваемый пользователями. Медные и коаксиальные сети не могли – и не могли бы – удовлетворить эти потребности, что послужило причиной агрессивного перехода Verizon к технологии "волокно в дом" через FiOS. Волоконно-оптическая технология – это перспективное решение, отвечающее потребностям сегодняшних пользователей, но, в отличие от других медийных средств на основе меди и беспроводной связи "последней мили", она также обладает запасом пропускной способности на будущее, благодаря возможности модернизации оптики и электроники на конечных точках без изменения волоконно-оптической инфраструктуры. Само волокно прокладывается с использованием существующей инфраструктуры столбов или кабельных каналов, и основная часть затрат приходится на оплату труда, что стимулирует региональную экономику на этапе развертывания и создает важную основу для будущей региональной торговли. Фиксированные медные линии подвергались кражам из-за стоимости меди, в то время как оптические волокна не представляют интереса для воров. Оптические волокна нельзя переработать во что-либо другое, в отличие от меди, которую можно перерабатывать без потерь.
Беспроводные системы доставки
Мобильные CDN ввели термин "мобильная миля" для обозначения соединения "последней мили", когда для связи с клиентом используется беспроводная система. В отличие от проводных систем передачи данных, беспроводные системы используют неконтролируемые волны для передачи ICE. Все они, как правило, неэкранированы и более подвержены воздействию нежелательных источников сигналов и помех. Поскольку эти волны не направлены, а расходящиеся, в свободном пространстве эти системы ослабляются по закону обратных квадратов, обратно пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, потери увеличиваются медленнее с увеличением длины, чем в проводных системах, где потери растут экспоненциально. В условиях свободного пространства, при превышении определенной длины, потери в беспроводной системе оказываются меньше, чем в проводной. На практике, наличие атмосферы, и особенно препятствия, создаваемые рельефом, зданиями и растительностью, могут значительно увеличить потери по сравнению со значениями для свободного пространства. Отражение, преломление и дифракция волн также могут изменять характеристики их передачи и требуют применения специализированных систем для компенсации возникающих искажений. Беспроводные системы имеют преимущество перед проводными в задачах "последней мили", поскольку не требуют прокладки кабелей. Однако их неконтролируемый характер делает их более уязвимыми к нежелательным шумам и сигналам, что может ограничивать возможность повторного использования спектра.
Световые волны и оптические приборы свободного пространства
Видимые и инфракрасные световые волны значительно короче радиочастотных волн. Использование этих волн для передачи данных называется оптической связью в свободном пространстве. Благодаря своей малой длине, световые волны могут быть сфокусированы или сколлимированы с помощью небольшой линзы/антенны, и в гораздо большей степени, чем радиоволны. Это позволяет приемному устройству восстанавливать большую часть переданного сигнала. Кроме того, из-за высокой частоты возможна высокая скорость передачи данных. Однако в реальных условиях "последней мили" препятствия, отклонение луча и поглощение элементами атмосферы, такими как туман и дождь, особенно на больших расстояниях, могут существенно ограничивать их применение для беспроводной связи "последней мили".
Радиоволны
Радиочастоты (РЧ), от низких частот до микроволнового диапазона, имеют длины волн, значительно превышающие длины волн видимого света. Хотя это означает, что лучи нельзя сфокусировать настолько же точно, как световые, это также означает, что апертура или "эффективная площадь" даже самой простой всенаправленной антенны значительно больше, чем у линзы в любой практически реализуемой оптической системе. Эта особенность приводит к значительному увеличению затухания или "потерь на пути" для систем, не обладающих высокой направленностью. На самом деле, термин "потери на пути" несколько неточен, поскольку энергия не теряется в свободном пространстве. Скорее, она просто не принимается принимающей антенной. Кажущееся уменьшение мощности передачи при увеличении частоты является следствием изменения апертуры антенны данного типа. В контексте проблемы "последней мили" эти более длинные волны имеют преимущество перед световыми волнами при использовании всенаправленной или секторной передачи. Большая апертура радиоантенн обеспечивает значительно более высокий уровень сигнала на заданном расстоянии и, следовательно, более высокую пропускную способность. С другой стороны, более низкие несущие частоты не способны поддерживать высокие полосы пропускания, необходимые по уравнению Шеннона при достижении практических пределов отношения сигнал/шум. По вышеизложенным причинам беспроводные радиосистемы оптимальны для широковещательной связи с относительно невысокой пропускной способностью на больших расстояниях. Для передачи данных с высокой пропускной способностью наиболее эффективны высоконаправленные беспроводные системы световых волн, работающие на коротких дистанциях.
Радио- и телевизионная односторонняя связь (радиовещание)
Исторически сложилось так, что для вещания с высокой пропускной способностью чаще всего использовались более низкие частоты, как правило, не выше диапазона УВЧ-телевидения, ярким примером чего является само телевидение. Наземное телевидение обычно ограничено диапазоном выше 50 МГц, где доступна достаточная полоса пропускания, и ниже 1000 МГц из-за проблем, связанных с увеличением потерь при распространении сигнала, о чем говорилось выше.
Двусторонняя беспроводная связь
Двусторонние системы связи в основном использовались в приложениях с относительно небольшой пропускной способностью, таких как аудио, факсимиле или радиотелеграфия. Системы с большей пропускной способностью, например, двухсторонняя видеосвязь или наземные микроволновые линии телефонной и передачи данных, в большинстве случаев были ограничены диапазонами УВЧ или СВЧ и точечными соединениями. Системы с высокой пропускной способностью, такие как системы сотовой связи третьего поколения, требуют обширной инфраструктуры с большим количеством базовых станций, расположенных близко друг к другу, для обеспечения связи в типичных условиях, где потери сигнала значительно выше, чем в свободном пространстве, и для обеспечения всенаправленного доступа пользователей.
Спутниковая связь
Для доставки информации конечным пользователям спутниковые системы по своей природе характеризуются относительно большими расстояниями распространения сигнала, даже для спутников на низкой околоземной орбите. Их развертывание также очень дорогостоящее, поэтому каждый спутник должен обслуживать большое количество пользователей. Кроме того, значительные расстояния до геостационарных спутников вызывают задержку передачи данных, что делает невозможным использование многих приложений, работающих в реальном времени. В качестве решения проблемы "последней мили" спутниковые системы имеют ограничения в области применения и совместного использования ресурсов. Передаваемый ими информационно-смысловой элемент (ИСЭ) должен быть распределен по относительно большой географической области. Это приводит к тому, что принимаемый сигнал оказывается слабым, если не используются очень большие или направленные наземные антенны. Аналогичная проблема возникает и при приеме сигнала спутником. В этом случае спутниковая система должна обладать очень высокой пропускной способностью, чтобы обеспечить одновременный доступ множеству пользователей, и каждый пользователь должен иметь антенну большого размера с соответствующими требованиями к направленности и точности наведения, чтобы обеспечить даже умеренную скорость передачи данных. Эти требования делают экономически нецелесообразными высокопроизводительные двунаправленные информационные системы. Это одна из причин, по которой спутниковая система Iridium не достигла большего успеха.
Трансляция по сравнению с точкой-точкой
Для наземных и спутниковых систем экономичная, высокопроизводительная связь на последнем участке требует систем передачи от точки к точке. За исключением очень небольших географических областей, системы вещания способны обеспечивать высокое отношение сигнал/шум только на низких частотах, где недостаточно спектра для поддержки большой информационной емкости, необходимой большому числу пользователей. Хотя возможно полное "покрытие" территории, такие системы характеризуются тем, что большая часть излучаемой энергии не достигает пользователя и расходуется впустую. С ростом требований к объему информации, системы беспроводной сети вещания (также иногда называемые микро- или нано-ячейками), достаточно компактные для обеспечения адекватного обмена информацией с относительно небольшим числом локальных пользователей, требуют непомерно большого количества точек вещания или присутствия, а также значительного избытка мощности для компенсации потерь энергии.
Промежуточная система
Недавно был открыт новый тип передачи информации, занимающий промежуточное положение между проводными и беспроводными системами. Он называется E-Line и использует один центральный проводник, но не имеет внешнего проводника или экрана. Энергия передается в виде плоской волны, которая, в отличие от радиоволн, не рассеивается, но, подобно радиоволнам, не требует внешней направляющей структуры. Эта система сочетает в себе преимущества проводных и беспроводных систем и способна поддерживать высокую пропускную способность, используя существующие линии электропередач в широком диапазоне частот – от радиочастотного до микроволнового.
Свод линий
Агрегация — это метод объединения нескольких линий для достижения более быстрого и надежного соединения. Некоторые компании считают, что агрегация ADSL (или "объединение каналов") является решением проблемы "последней мили" в Великобритании.