Последняя миля (телекоммуникации)
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2009 г. ) |
Последняя миля или последний километр — это фраза, широко используемая в телекоммуникациях , кабельном телевидении и Интернете для обозначения конечного этапа телекоммуникационных сетей , которые предоставляют телекоммуникационные услуги розничным конечным пользователям (клиентам). Более конкретно, « последняя миля» описывает часть цепи телекоммуникационной сети, которая физически достигает помещения конечного пользователя. Примерами являются медные абонентские линии , соединяющие стационарные телефоны с местной телефонной станцией ; коаксиального кабеля Служба передает кабельного телевидения сигналы от опор к домам абонентов, а также к вышкам сотовой связи, соединяющим местные сотовые телефоны с сотовой сетью . Слово «миля» используется метафорически; длина линии последней мили может быть больше или меньше мили. Поскольку последняя миля сети для пользователя, наоборот, является первой милей от помещения пользователя до внешнего мира, когда пользователь отправляет данные, термин «первая миля» в качестве альтернативы также используется .
Последняя миля обычно является узким местом в сетях связи по скорости; его пропускная способность эффективно ограничивает объем данных, которые могут быть доставлены клиенту. Это связано с тем, что розничные телекоммуникационные сети имеют топологию « деревьев » с относительно небольшим количеством «магистральных» каналов связи с высокой пропускной способностью, разветвляющихся для питания множества «ветвей последней мили». Линии последней мили, будучи самой многочисленной и, следовательно, самой дорогой частью системы, а также требующие взаимодействия с широким спектром пользовательского оборудования, наиболее трудно модернизируются до новой технологии. Например, магистральные телефонные линии , по которым передаются телефонные звонки между коммутационными центрами, сделаны из современного оптического волокна , но последняя миля обычно представляет собой витую пару , технология, которая по существу осталась неизменной на протяжении более столетия с момента первоначальной прокладки медных телефонных кабелей.
В последние годы использование термина «последняя миля» расширилось за пределы отрасли связи, включив в него другие распределительные сети, которые доставляют товары клиентам, например, трубы, по которым вода и природный газ доставляются в помещения клиентов, а также конечные участки почты. и услуги доставки посылок . [1] Этот термин также использовался для описания поставщиков образования и обучения, которые более тесно связывают людей с возможностями трудоустройства. [2] [3]
системой доставки Существующие с проблемы
Растущий во всем мире спрос на быструю малой задержкой в больших объемах с передачу информации в дома и на предприятия делает экономичное распространение и доставку информации все более важным. По мере роста спроса, особенно вызванного широким распространением Интернета , также возросла потребность в экономичном высокоскоростном доступе для конечных пользователей, расположенных в миллионах мест.
Поскольку требования изменились, существующие системы и сети, которые первоначально были задействованы для этой цели, оказались неадекватными. На сегодняшний день, хотя было опробовано 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 если адекватная спектральная полоса пропускания доступна . Поскольку интеграл скорости передачи информации по времени представляет собой количество информации, это требование приводит к соответствующей минимальной энергии на бит . Таким образом, проблему отправки любого заданного объема информации по каналу можно рассматривать с точки зрения отправки достаточного количества энергии, несущей информацию (ICE). [ нужна ссылка ] По этой причине концепция «трубы» или «канала» ДВС актуальна и полезна для изучения существующих систем.
Распространение информации среди большого числа широко удаленных конечных пользователей можно сравнить с распространением многих других ресурсов. Вот некоторые известные аналогии:
- Распределение крови по большому количеству клеток по системе вен , артерий и капилляров.
- Распределение воды системой капельного орошения по отдельным растениям , включая реки , акведуки , водопроводы и т. д.
- Питание листьев растения осуществляется через корни , ствол и ветки .
Все они имеют общие каналы, по которым сравнительно небольшое количество ресурсов переносится на небольшое расстояние к очень большому количеству физически разделенных конечных точек. Также распространены каналы, поддерживающие более объемный поток, которые объединяют и переносят множество отдельных частей на гораздо большие расстояния. Более короткие каналы меньшего объема, которые индивидуально обслуживают только одну или небольшую часть конечных точек, могут иметь гораздо большую общую длину, чем каналы большей пропускной способности. Эти общие атрибуты показаны справа.
и Затраты эффективность
Каналы высокой пропускной способности в этих системах, как правило, также имеют общую способность эффективно передавать ресурс на большие расстояния. Лишь небольшая часть передаваемых ресурсов тратится впустую, теряется или направляется по неверному пути. То же самое нельзя сказать о трубопроводах меньшей пропускной способности.
Одна из причин связана с эффективностью масштаба . Каналы, расположенные ближе к конечной точке или конечному пользователю, не имеют индивидуального количества поддерживающих их пользователей. Несмотря на то, что они меньше, у каждого из них есть накладные расходы, связанные с получением и поддержанием подходящего пути, по которому может течь ресурс. Финансирование и ресурсы, поддерживающие эти более мелкие каналы, как правило, поступают из непосредственного региона.
Это может иметь преимущество «модели малого правительства». То есть управление и ресурсы для этих каналов предоставляются местными организациями 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 большие затраты на установку по сравнению с пропускной способностью могут привести к тому, что эти меньшие трубопроводы в целом станут самой дорогой и сложной частью всей распределительной системы.
Эти характеристики проявились в зарождении, 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 TCP/IP протоколов , промышленности возник из-за необходимости соединить вместе несколько таких локальных сетей, особенно в связи с общими проектами Министерства обороны США и некоторых академических учреждений.
ARPANET возникла для продвижения этих интересов. Помимо предоставления возможности нескольким компьютерам и пользователям совместно использовать общее соединение между локальными сетями, протоколы TCP/IP предоставили стандартизированный способ обмена информацией между разными компьютерами и операционными системами через эту межсетевую сеть. Финансирование и поддержка соединений между локальными сетями могут быть распределены по одной или даже нескольким локальным сетям.
По мере добавления каждой новой локальной сети или подсети участники новой подсети получали доступ к большей сети. В то же время новая подсеть позволяла получить доступ к любой сети или сетям, с которыми она уже была связана. Таким образом, рост стал взаимовключающим или «беспроигрышным» событием.
Экономия за счет масштаба [ править ]
В общем, экономия на масштабе делает увеличение пропускной способности трубопровода менее затратным по мере увеличения пропускной способности. Создание любого канала связано с накладными расходами. Эти накладные расходы не повторяются, поскольку емкость увеличивается в пределах потенциала используемой технологии.
По мере того, как Интернет увеличивался в размерах (по некоторым оценкам, число пользователей удваивалось каждые восемнадцать месяцев), экономия на масштабе привела к появлению все более крупных информационных каналов, обеспечивающих магистральные соединения на самом большом расстоянии и с максимальной пропускной способностью. В последние годы пропускная способность волоконно-оптической связи при поддержке поддерживающей отрасли привела к расширению исходных мощностей настолько, что в Соединенных Штатах большое количество установленной волоконно-оптической инфраструктуры не используется, поскольку в настоящее время она не используется. избыточная мощность « темного волокна ».
Эта избыточная пропускная способность магистральной сети существует, несмотря на тенденцию увеличения скорости передачи данных в расчете на одного пользователя и общего объема данных. Первоначально высокоскоростными были только соединения между локальными сетями. Конечные пользователи использовали существующие телефонные линии и модемы, которые обеспечивали скорость передачи данных всего несколько сотен бит/с . Теперь почти все конечные пользователи получают доступ по цене, в 100 и более раз превышающей первоначальную цену.
передача Экономическая информации
Прежде чем рассматривать характеристики существующих механизмов доставки информации «последней мили», важно дополнительно изучить, что делает каналы информации эффективными. Как показывает теорема Шеннона-Хартли , именно комбинация полосы пропускания и отношения сигнал/шум определяет максимальную скорость передачи информации в канале. Произведение средней скорости передачи информации и времени дает общий объем передачи информации. При наличии шума это соответствует некоторому количеству переданной энергии-носителя информации (ICE). Следовательно, экономику передачи информации можно рассматривать с точки зрения экономики передачи ICE.
Эффективные каналы последней мили должны:
- Обеспечить мощность сигнала, S — (должна иметь достаточную мощность сигнала).
- Испытайте низкие потери (низкий уровень преобразования в непригодные для использования формы энергии).
- Поддержка широкой полосы пропускания передачи .
- Обеспечьте высокое соотношение сигнал/шум (SNR) — низкую мощность нежелательного сигнала ( шума ), N.
- Обеспечьте кочевническую связь.
Помимо этих факторов, хорошее решение проблемы «последней мили» должно обеспечить каждому пользователю:
- Высокая доступность и надежность .
- Низкая задержка ; задержка должна быть небольшой по сравнению с требуемым временем взаимодействия.
- Высокая емкость на пользователя.
- Канал, который используется несколькими конечными пользователями, должен обеспечивать соответственно более высокую пропускную способность, чтобы должным образом поддерживать каждого отдельного пользователя. Это должно быть верно для передачи информации в каждом направлении.
- Доступность; подходящие мощности должны быть финансово жизнеспособными.
системы доставки Существующие последней мили
Проводные системы (включая оптоволокно) [ править ]
Проводные системы обеспечивают управляемые каналы для передачи энергии (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 смогут обеспечить адекватное соотношение сигнал/шум для поддержки информационного потока. Диэлектрические оптоволоконные системы поддерживают более сильный поток при более высоких затратах.
Локальные вычислительные сети (LAN) [ править ]
Традиционные проводные локальные сетевые системы требуют прокладки медного коаксиального кабеля или витой пары между двумя или более узлами сети. Обычные системы работают со скоростью 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.
Телефон [ править ]
В конце 20-го века усовершенствования в использовании существующих медных телефонных линий увеличили их возможности при условии контроля максимальной длины линии. Благодаря поддержке более широкой полосы пропускания передачи и улучшенной модуляции возможности этих схем цифровых абонентских линий увеличены в 20–50 раз по сравнению с предыдущими системами голосового диапазона . Эти методы не основаны на изменении фундаментальных физических свойств и ограничений среды передачи, которые, за исключением введения витых пар , сегодня ничем не отличаются от тех, когда в 1877 году компания Bell Telephone Company открыла первую телефонную станцию. [4]
История и долгая жизнь медной коммуникационной инфраструктуры являются одновременно свидетельством способности извлекать новую ценность из простых концепций посредством технологических инноваций, а также предупреждением о том, что медная коммуникационная инфраструктура начинает приносить уменьшающуюся отдачу от постоянных инвестиций. [4] Однако одними из крупнейших затрат, связанных с поддержанием устаревшей медной инфраструктуры, являются затраты на выезд грузовиков. [5] - направление инженеров для физического тестирования, ремонта, замены и установки новых медных соединений, и эти затраты особенно распространены 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 обеспечения широкополосной связи в сельской местности по существующей медной сети. В свете этого многие компании разработали автоматизированные кросс-соединения (автоматические распределительные шкафы на базе шкафов), чтобы устранить неопределенность и затраты, связанные с поддержанием широкополосных услуг по существующей медной сети. Эти системы обычно включают в себя ту или иную форму автоматического переключения, а некоторые включают функции тестирования, позволяющие интернет-провайдеру представителя для выполнения операций, ранее требующих посещения объекта (выезда грузовика) из центрального офиса через веб-интерфейс. [7] Во многих странах каналом последней мили, который соединяет клиентов стационарного делового телефона с местной телефонной станцией, часто является ISDN30 , который может передавать 30 одновременных телефонных вызовов.
кабельное телевидение [ править ]
Системы общественного антенного телевидения, также известные как кабельное телевидение , были расширены и теперь обеспечивают двустороннюю связь по существующим физическим кабелям. Однако по своей природе они являются общими системами, и спектр, доступный для обратного потока информации, и достижимое отношение сигнал/шум ограничены. Как и в случае первоначальной однонаправленной телевизионной связи, потери в кабеле уменьшаются за счет использования в системе периодических усилителей. Эти факторы устанавливают верхний предел информационной емкости каждого пользователя, особенно когда многие пользователи используют общий участок кабеля или сети доступа .
Оптическое волокно [ править ]
Оптоволокно обеспечивает высокую информационную емкость и на рубеже XXI века стало предпочтительным средством развертывания (« Оптоволокно до x »), учитывая его масштабируемость 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, как мир движется к приложениям с гораздо более высокой пропускной способностью, поскольку потребители любили все, что предлагал широкополосный доступ, и с нетерпением поглощали столько, сколько могли получить. включая двусторонний контент, создаваемый пользователями. Медные и коаксиальные сети не могли – фактически 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 средств связи «последней мили», она также имеет потенциал на долгие годы благодаря обновлению оптики и электроники конечных точек без замены оптоволокна. инфраструктура. Само волокно устанавливается на существующую инфраструктуру опор или кабелепроводов, и большая часть затрат приходится на рабочую силу, что обеспечивает хороший региональный экономический стимул на этапе развертывания и обеспечивает важнейшую основу для будущей региональной торговли.
Стационарные медные линии подвергались кражам из-за ценности меди, но оптические волокна представляют собой непривлекательную цель. Оптические волокна невозможно переработать ни во что другое, тогда как медь можно без потерь переработать .
доставки Беспроводные системы
Mobile CDN ввел термин « мобильная миля» для обозначения соединения последней мили, когда для связи с клиентом используется беспроводная система. В отличие от проводных систем доставки, беспроводные системы используют ненаправленные волны для передачи ICE. Все они, как правило, неэкранированы и имеют большую степень восприимчивости к источникам нежелательного сигнала и шума.
Поскольку эти волны не направляются, а расходятся, в свободном пространстве эти системы затухают по закону обратных квадратов , обратно пропорциональному квадрату расстояния. Таким образом, потери растут медленнее с увеличением длины, чем в проводных системах, потери которых возрастают 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, создаваемых рельефом, зданиями и листвой, может значительно увеличить потери, превышающие значение свободного пространства. Отражение, преломление и дифракция волн также могут изменить их характеристики передачи и требуют специальных 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: их неуправляемый характер делает их более восприимчивыми к нежелательному шуму и сигналам. Поэтому повторное использование спектра может быть ограничено.
пространства и оптика свободного Световые волны
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, принимающее устройство может восстановить большую часть переданного сигнала.
Кроме того, из-за высокой частоты высокая скорость передачи данных может быть доступна . Однако на практике в условиях «последней мили» препятствия и потеря управляемости этих лучей, а также поглощение элементами атмосферы, включая туман и дождь, особенно на более длинных трассах, могут значительно ограничить их использование для беспроводной связи «последней мили».
Радиоволны [ править ]
Радиочастоты (РЧ), от низких частот до микроволнового диапазона, имеют длину волны, намного большую, чем видимый свет. Хотя это означает, что невозможно сфокусировать лучи почти так же плотно, как свет, это также означает, что апертура или «область захвата» даже самой простой всенаправленной антенны значительно больше, чем у линзы в любой возможной оптической системе. . Эта характеристика приводит к значительному увеличению затухания или «потерям на трассе» для систем с низкой направленностью.
На самом деле термин «потеря на пути» употребляется неправильно, поскольку на пути в свободном пространстве энергия не теряется. Скорее, он просто не принимается приемной антенной. Кажущееся снижение передачи при увеличении частоты является результатом изменения апертуры антенны данного типа.
Что касается проблемы последней мили, эти более длинные волны имеют преимущество перед световыми волнами, когда рассматривается всенаправленная или секторная передача. Большая апертура радиоантенн приводит к гораздо более высоким уровням сигнала для заданной длины трассы и, следовательно, к более высокой информационной емкости. С другой стороны, более низкие несущие частоты не способны поддерживать широкую информационную полосу пропускания, которая требуется уравнением Шеннона, когда достигнуты практические пределы отношения сигнал/шум.
По вышеуказанным причинам системы беспроводной радиосвязи оптимальны для широковещательной связи с низкой информационной емкостью, передаваемой по более длинным маршрутам. Для обеспечения высокой информационной емкости и высокой направленности связи «точка-точка» на коротких дистанциях наиболее полезными являются беспроводные световые системы.
Односторонняя (вещательная) радио- и телевизионная связь [ править ]
Исторически сложилось так, что в большинстве передач с высокой информационной емкостью использовались более низкие частоты, как правило, не выше телевизионного диапазона УВЧ, причем ярким примером является само телевидение. Наземное телевидение обычно ограничивается областью выше 50 МГц, где доступна достаточная полоса пропускания информации, и ниже 1000 МГц из-за проблем, связанных с повышенными потерями на трассе, как упоминалось выше.
Двусторонняя беспроводная связь [ править ]
Системы двусторонней связи в основном ограничивались приложениями с низкой информационной емкостью, такими как аудио, факсимильная связь или радиотелетайп . По большей части системы с более высокой пропускной способностью, такие как двусторонняя видеосвязь или наземные микроволновые телефоны и каналы передачи данных, были ограничены и привязаны к УВЧ или микроволновому каналу, а также к трактам «точка-точка».
Системы с более высокой пропускной способностью, такие как сотовые телефонные системы третьего поколения, требуют большой инфраструктуры с более близко расположенными сотовыми станциями для поддержания связи в типичных средах, где потери на трассе намного больше, чем в свободном пространстве, и которые также требуют от пользователей всенаправленного доступа.
Спутниковая связь [ править ]
Для доставки информации конечным пользователям спутниковые системы по своей природе имеют относительно большую длину трассы, даже для спутников на низкой околоземной орбите. Их развертывание также очень дорого, и поэтому каждый спутник должен обслуживать множество пользователей. Кроме того, очень длинные пути геостационарных спутников вызывают задержку передачи информации, что делает невозможными многие приложения реального времени.
В качестве решения 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 будет относительно небольшим, если только не используются очень большие или направленные наземные антенны. Параллельная проблема существует, когда спутник принимает сигнал.
В этом случае спутниковая система должна иметь очень большую информационную емкость, чтобы вместить множество пользователей совместного использования, и каждый пользователь должен иметь большую антенну с соответствующими требованиями к направленности и наведению, чтобы обеспечить передачу информации даже на скромной скорости. Эти требования делают двунаправленные информационные системы с высокой информационной емкостью неэкономичными. Это одна из причин, почему спутниковая система Iridium не имела большего успеха.
Широковещательная передача против точки-точки [ править ]
Для наземных и спутниковых систем экономичная, высокопроизводительная связь последней мили требует двухточечных систем передачи. За исключением чрезвычайно небольших географических регионов, системы вещания способны обеспечивать высокое соотношение сигнал/шум только на низких частотах, где недостаточно спектра для поддержки большой информационной емкости, необходимой большому числу пользователей. Хотя полное «затопление» региона может быть достигнуто, такие системы имеют фундаментальную характеристику, заключающуюся в том, что большая часть излучаемого ICE никогда не достигает пользователя и тратится впустую.
По мере увеличения требований к информации широковещательные беспроводные ячеистые системы (также иногда называемые микроячейками или наносотами), которые достаточно малы, чтобы обеспечить адекватное распространение информации между относительно небольшим количеством локальных пользователей, требуют непомерно большого количества мест или точек вещания. присутствия наряду с большим количеством избыточной мощности, чтобы компенсировать потраченную впустую энергию.
Промежуточная система [ править ]
Недавно был обнаружен новый тип передачи информации, промежуточный между проводными и беспроводными системами. Названный E-Line , он использует один центральный проводник, но не имеет внешнего проводника или экрана. Энергия переносится в виде плоской волны, которая, в отличие от радио, не расходится и, 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 электропередачи в широком диапазоне частот от РЧ до СВЧ .
Агрегация строк [ править ]
Агрегация — это метод объединения нескольких линий для достижения более быстрого и надежного соединения. Некоторые компании [ ласковые слова ] считают, что агрегация ADSL (или «связывание») является решением проблемы последней мили в Великобритании. [9]
См. также [ править ]
- Транспортная связь (телекоммуникации)
- Ethernet на первой миле
- Последняя миля (транспорт)
- Местная петля
- Средняя миля
- Связь «точка-многоточка»
Ссылки [ править ]
- ^ Черри, Стивен (1 сентября 2003 г.). «Последняя миля беспроводной связи» . IEEE-спектр . № Специальный отчет. ИИЭЭ . Проверено 26 апреля 2019 г.
- ^ «Последняя миля» в образовании и обучении» . techcrunch.com . 25 июня 2017 г. }
- ^ Балчик, Бурку; Бимон, Бенита М.; Смиловиц, Карен (30 апреля 2008 г.). «Распределение гуманитарной помощи на последней миле» . Журнал интеллектуальных транспортных систем . 12 (2): 51–63. дои : 10.1080/15472450802023329 . S2CID 6063514 . Проверено 12 февраля 2019 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Журнал НАТОА – Весна 2009 г.» . }
- ^ «Сколько стоит услуга «подкат фуры» в вашей компании? • Multi-Link Inc» . Мульти-Линк Инк . 16 апреля 2015 г. Проверено 23 мая 2017 г. }
- ^ Джексон, Марк (25 мая 2016 г.). «Британские интернет-провайдеры борются с затратами на поддержание широкополосной связи в сельской местности 20CN - ISPreview UK» . www.ispreview.co.uk . Проверено 23 мая 2017 г. }
- ^ UTEL (United Technologies Europe Limited) (03 марта 2017 г.), RoboCab - Полная автоматизация шкафа (Auto PCP / AMDF) , заархивировано из оригинала 12 декабря 2021 г. , получено 23 мая 2017 г. }
- ^ «Биографии руководителей Verizon — Verizon» . }
- ^ «Компания Sharedband выбрала компанию Internap для предоставления высокоскоростного Интернета новым деловым и частным клиентам» . Рейтер. 5 января 2009 г. Архивировано из оригинала 16 июля 2012 г. }
