ラストマイル（通信）

電気通信、ケーブルテレビ、インターネット業界におけるラストマイル、またはラスト キロメートルは、小売エンド ユーザー(顧客)に電気通信サービスを提供する電気通信ネットワークの最終区間を指します。より具体的には、ラスト マイルは、エンド ユーザーの構内に物理的に到達する電気通信ネットワーク チェーンの部分を表します。例としては、固定電話をローカル電話交換局に接続する銅線加入者線、ケーブル テレビ信号を電柱から加入者の自宅まで運ぶ同軸ケーブルサービス ドロップ、ローカル携帯電話をセルラー ネットワークに接続する携帯電話基地局などがあります。「マイル」という言葉は比喩的に使用されているため、ラスト マイル リンクの長さは 1 マイルより長い場合も短い場合もあります。逆に、ネットワークからユーザーまでのラスト マイルは、ユーザーがデータを送信しているときにユーザーの構内から外界までの最初の 1 マイルであるため、ファースト マイルという用語も代わりに使用されます。

ラスト マイルは、通常、通信ネットワークの速度ボトルネックです。その帯域幅によって、顧客に配信できるデータの量が事実上制限されます。これは、小売通信ネットワークが「ツリー」のトポロジーを持ち、比較的少数の高容量の「トランク」通信チャネルが分岐して、多数のファイナル マイルの「小枝」に供給されているためです。ファイナル マイル リンクは、システムの中で最も数が多く、したがって最も高価な部分であり、さまざまなユーザー機器とインターフェイスする必要があるため、新しいテクノロジにアップグレードするのが最も困難です。たとえば、交換センター間で電話を運ぶ電話トランクラインは、最新の光ファイバーで作られていますが、ラスト マイルは通常、ツイスト ペアワイヤで、このテクノロジは、銅製の電話ケーブルが最初に敷設されてから 1 世紀以上にわたって基本的に変更されていません。

近年、「ラストマイル」という用語の使用は通信業界以外にも広がり、顧客に商品を届ける他の配送ネットワーク、例えば水や天然ガスを顧客の敷地に届けるパイプや、郵便や荷物の配達サービスの最終段階などにも使われるようになりました。^[1]この用語は、個人と仕事の機会をより密接に結びつける教育やトレーニングの提供者を表すためにも使用されています。^{[2] [3]}

家庭や企業への高速、低遅延、大容量の情報通信に対する需要が世界中で高まっており、経済的な情報配信と配信がますます重要になっています。特にインターネットの普及により需要が急増するにつれ、何百万もの場所にいるエンドユーザーによる経済的な高速アクセスの必要性も急増しています。

要件が変化するにつれ、当初この目的のために導入された既存のシステムとネットワークは不十分であることが判明しました。現在までに、さまざまなアプローチが試みられてきましたが、「ラスト マイル問題」に対する明確な解決策は 1 つも見つかっていません。

シャノンのチャネル情報容量の式で表されるように、情報システムにおけるノイズの遍在により、十分なスペクトル帯域幅が利用できる場合でも、チャネルにおける最小信号対ノイズ比（S/Nと略記）要件が設定されます。時間に関する情報転送速度の積分が情報量であるため、この要件は、対応するビットあたりの最小エネルギーにつながります。したがって、チャネルを介して任意の量の情報を送信する問題は、十分な情報搬送エネルギー（ICE）を送信するという観点から見ることができます。^[要出典]このため、ICE「パイプ」または「コンジット」の概念は、既存のシステムを調査するために関連性があり、役立ちます。

広範囲に分散した多数のエンドユーザーへの情報の配布は、他の多くのリソースの配布と比較することができます。よく知られている類似例をいくつか挙げます。

• 静脈、動脈、毛細血管のシステムを通じて多数の細胞に血液を分配する
• 河川、導水路、水道本管などを含む点滴灌漑システムによる個々の植物への水の分配。
• 根、幹、枝を通して植物の葉に栄養を与えます。

これらすべてに共通するのは、比較的少量のリソースを短距離で、物理的に離れた多数のエンドポイントに運ぶ導管です。また、より大容量のフローをサポートする導管も一般的で、これらは多数の個別の部分を結合して、はるかに長い距離を運びます。エンドポイントの 1 つまたはごく一部にのみ個別にサービスを提供する、より短く容量の少ない導管は、容量の大きい導管よりも合計長がはるかに長くなることがあります。これらの共通の属性は、右側に示されています。

これらのシステムの大容量コンジットは、リソースを長距離にわたって効率的に転送する能力も共通しています。転送されるリソースのごく一部だけが無駄になったり、失われたり、誤った方向に送られたりします。容量の小さいコンジットでは必ずしも同じことが言えません。

理由の 1 つは、規模の効率性に関係しています。エンドポイントまたはエンド ユーザーに近い場所にあるコンジットは、個別にサポートするユーザーの数が少なくなります。コンジットは小さくても、リソースが流れる適切なパスを取得して維持するための「インストール」のオーバーヘッドがそれぞれあります。これらの小規模なコンジットをサポートする資金とリソースは、直接の地域から提供される傾向があります。

これには、「小さな政府モデル」の利点があります。つまり、これらの導管の管理とリソースは地方自治体によって提供されるため、直接的な環境で最善のソリューションを実現し、地方のリソースを最大限に活用するように最適化できます。ただし、転送容量と比較して運用効率が低く、設置費用が比較的高いため、これらの小さな導管は、全体として、完全な配電システムの中で最もコストが高く、困難な部分になる可能性があります。

これらの特徴は、インターネットの誕生、成長、資金調達に表れています。初期のコンピュータ間通信は、個々のコンピュータ間の直接的な有線接続によって行われる傾向がありました。これらは、小規模なローカル エリア ネットワーク(LAN) のクラスターに成長しました。TCP /IPプロトコルスイートは、特に米国国防総省、業界、および一部の学術機関間の共通プロジェクトに関連して、これらの LAN をいくつか接続する必要性から生まれました。

ARPANET は、これらの利益をさらに推進するために誕生しました。TCP/IP プロトコルは、複数のコンピュータとユーザーが共通の LAN 間接続を共有する方法を提供するだけでなく、異なるコンピュータとオペレーティング システムがこのネットワーク間を介して情報を交換するための標準化された方法も提供しました。LAN 間の接続に対する資金とサポートは、1 つまたは複数の LAN に分散される可能性があります。

新しい LAN またはサブネットが追加されるたびに、新しいサブネットの構成要素はより大規模なネットワークにアクセスできるようになりました。同時に、新しいサブネットは、すでにネットワーク化されている任意のネットワークへのアクセスも可能にしました。このように、成長は相互に包括的、つまり「win-win」なイベントになりました。

一般的に、規模の経済により、コンジットの容量を増やすとコストが下がります。コンジットの作成にはオーバーヘッドが伴います。このオーバーヘッドは、利用されているテクノロジーの潜在能力の範囲内で容量が増加すると繰り返されることはありません。

インターネットの規模が拡大するにつれ、ユーザー数は 18 か月ごとに倍増するという推定もあり、規模の経済により、情報コンジットはますます大きくなり、最長距離で最高容量のバックボーン接続が提供されるようになりました。近年、光ファイバー通信の容量は、支援産業の支援を受けて、生の容量の拡大をもたらし、米国では、設置された大量の光ファイバー インフラストラクチャが、現在、余剰容量の「ダーク ファイバー」となっているため、使用されていません。

この余剰バックボーン容量は、ユーザーごとのデータ レートと全体的なデータ量が増加する傾向にあるにもかかわらず存在しています。当初は、LAN 間接続のみが高速でした。エンド ユーザーは、数百ビット/秒のデータ レートしか対応できない既存の電話回線とモデムを使用していました。現在では、ほぼすべてのエンド ユーザーが、初期の 100 倍以上のレートでアクセスしています。

既存のラストマイル情報配信メカニズムの特性を検討する前に、情報コンジットを効果的にする要因をさらに検討することが重要です。シャノン・ハートレーの定理が示すように、チャネルの最大情報速度を決定するのは、帯域幅と信号対雑音比の組み合わせです。平均情報速度と時間の積が、総情報転送量となります。ノイズがある場合、これは転送される情報搬送エネルギー (ICE) の量に相当します。したがって、情報転送の経済性は、ICE 転送の経済性の観点から見ることができます。

効果的なラストマイル導管には次の要件が必要です。

1. 信号電力 S を供給します (十分な信号電力容量が必要です)。
2. 損失が少ない（使用できないエネルギー形式への変換の発生が少ない）。
3. 広い伝送帯域幅をサポートします。
4. 高い信号対雑音比(SNR) を実現し、不要な信号 (ノイズ) 電力 N が低くなります。
5. ノマド接続を提供します。

これらの要素に加えて、ラストマイル問題に対する適切なソリューションは、各ユーザーに次のものを提供する必要があります。

1. 高い可用性と信頼性。
2. 低レイテンシ。レイテンシは必要なインタラクション時間と比較して小さくなければなりません。
3. ユーザーあたりの容量が大きい。
   1. 複数のエンドユーザー間で共有されるコンジットは、各ユーザーを適切にサポートするために、それに応じてより高い容量を提供する必要があります。これは、各方向の情報転送に当てはまります。
   2. 手頃な価格。適切な容量は経済的に実現可能でなければなりません。

有線システムは、情報伝送エネルギー (ICE) 用の誘導導管を提供します。これらはすべて、ある程度のシールドを備えており、外部ノイズ源の影響を受けにくくなっています。これらの伝送ラインには、長さに比例した損失があります。周期的な増幅を追加しないと、これらのシステムすべてで情報の流れをサポートするのに十分な S/N 比を実現できなくなる最大長さがあります。誘電体光ファイバーシステムは、より高コストで大量の流れをサポートします。

従来の有線ローカル エリア ネットワークシステムでは、ネットワーク内の 2 つ以上のノード間に銅の同軸ケーブルまたはツイスト ペア ケーブルを敷設する必要があります。一般的なシステムは 100 Mbit/s で動作し、新しいシステムでは 1000 Mbit/s 以上もサポートされています。長さは衝突検出および回避要件によって制限される場合がありますが、これらの回線での信号損失および反射によっても最大距離が決まります。個々のユーザーが利用できる情報容量の減少は、LAN を共有するユーザー数にほぼ比例します。

20世紀後半、既存の銅線電話回線の利用方法が改善され、最大回線長を制御すれば、その能力は向上しました。より高い伝送帯域幅のサポートと変調の改善により、これらのデジタル加入者線方式は、以前の音声帯域システムと比較して20～50倍の能力向上を実現しました。これらの方法は、媒体の基本的な物理的特性と限界を変更するものではありません。ツイストペアの導入を除けば、媒体の物理的特性と限界は、1877年にベル電話会社によって最初の電話交換機が開設されたときと今日で変わりません。^[4]

銅線ベースの通信インフラの歴史と長寿命は、技術革新を通じて単純な概念から新しい価値を引き出す能力の証であり、銅線通信インフラが継続的な投資に対する収益が減少し始めているという警告でもあります。^[4]しかし、老朽化し​​た銅線インフラの維持に関連する最大のコストの 1 つは、トラック ロールのコストです^[5]。これは、エンジニアを派遣して、新しい銅線接続を物理的にテスト、修理、交換、および提供するためのコストであり、このコストは銅線を介して地方のブロードバンド サービスを提供する場合に特に多く発生します。^[6] G.Fast や VDSL2 などの新しいテクノロジは、既存の銅線を介して地方のブロードバンドを提供するための実用的な高速ソリューションを提供します。これを考慮して、多くの企業が、既存の銅線を介してブロードバンド サービスを維持することに関連する不確実性とコストを排除するために、自動クロス コネクト (キャビネット ベースの自動配線フレーム) を開発しました。これらのシステムは通常、何らかの形の自動スイッチングを組み込んでおり、ISP 担当者が以前は中央オフィスからのサイト訪問 (トラック ロール) を必要としていた操作を Web インターフェイス経由で完了できるようにするテスト機能を含むものもあります。^{[7]多くの国では、固定電話のビジネス電話の顧客を地域の}電話交換機に接続するラストマイルリンクは、30件の同時通話が可能な ISDN30であることが多い。

コミュニティ アンテナ テレビ システム (ケーブル テレビとも呼ばれる) は、既存の物理ケーブルを介して双方向通信を提供するように拡張されました。ただし、本質的に共有システムであり、逆方向の情報フローに使用できるスペクトルと達成可能なS/N は限られています。初期の単方向テレビ通信と同様に、ケーブル損失はシステム内で周期的な増幅器を使用することで軽減されます。これらの要因により、特に多くのユーザーがケーブルまたはアクセス ネットワークの共通セクションを共有する場合に、ユーザーあたりの情報容量に上限が設定されます。

ファイバーは高い情報容量を提供し、21 世紀に入ってからは、現代のアプリケーションの帯域幅要件の増加に対応した拡張性を備えていることから、導入されるメディアとして好まれるようになりました (「Fiber to the x」)。

2004年、通信大手ベライゾンのエグゼクティブバイスプレジデント兼最高技術責任者リチャード・リンチ氏によると、同社は、消費者がブロードバンドが提供するあらゆるものを愛し、双方向のユーザー生成コンテンツなど、入手できる限りのものを熱心に貪欲に消費するにつれて、世界がはるかに広い帯域幅のアプリケーションへと移行するのを目の当たりにした。銅線や同軸ネットワークではこれらの需要を満たすことができず、これがベライゾンがFiOSを介してファイバー・トゥ・ザ・ホームへと積極的に移行するきっかけとなった。^[8]

ファイバーは、今日のユーザーのニーズを満たす将来性のあるテクノロジーですが、他の銅線ベースやワイヤレスのラストマイル媒体とは異なり、ファイバー インフラストラクチャを変更することなくエンドポイントの光学部品と電子機器をアップグレードすることで、今後何年にもわたって容量を維持できます。ファイバー自体は既存のポールまたは導管インフラストラクチャにインストールされ、コストの大部分は人件費であるため、展開段階で地域経済に良い刺激を与え、将来の地域商取引の重要な基盤を提供します。

固定銅線は銅の価値のために盗難の対象となってきましたが、光ファイバーは魅力的な標的ではありません。光ファイバーは他のものに転用できませんが、銅は損失なくリサイクルできます。

モバイル CDN は、ワイヤレス システムを使用して顧客に到達するラスト マイル接続を分類するために、 「モバイル マイル」という用語を作り出しました。有線配信システムとは対照的に、ワイヤレス システムは誘導されていない波を使用して ICE を送信します。これらはすべてシールドされていない傾向があり、不要な信号やノイズ源の影響を受けやすくなります。

これらの波は誘導されずに発散するため、自由空間ではこれらのシステムは距離の二乗に反比例する逆二乗則に従って減衰します。したがって、損失は有線システムの場合よりも長さの増加とともに緩やかに増加します。有線システムの場合、損失は指数関数的に増加します。自由空間環境では、特定の長さを超えると、無線システムの損失は有線システムの損失よりも低くなります。

実際には、大気の存在、特に地形、建物、植物による障害物により、自由空間値を超える損失が大幅に増加する可能性があります。波の反射、屈折、回折によっても伝送特性が変化する可能性があり、それに伴う歪みに対応するために特殊なシステムが必要になります。

ワイヤレス システムは、ラスト マイル アプリケーションにおいて、有線システムよりも回線を設置する必要がないという利点があります。ただし、非誘導性のため、不要なノイズや信号の影響を受けやすいという欠点もあります。そのため、スペクトルの再利用が制限されることがあります。

可視光線と赤外線の波長は、無線周波数の波長よりはるかに短いです。これらを使用してデータを伝送することを自由空間光通信と呼びます。光波は短いため、小さなレンズ/アンテナで集束またはコリメートすることができ、その程度は無線波よりはるかに高くなります。そのため、受信デバイスは送信された信号のより多くの部分を復元できます。

また、周波数が高いため、データ転送速度も速くなります。ただし、実際のラスト マイル環境では、特に長い経路では、これらのビームの障害物やデステアリング、霧や雨などの大気の要素による吸収により、ラスト マイルの無線通信での使用が大幅に制限される可能性があります。

低周波からマイクロ波領域までの無線周波数 (RF) の波長は、可視光よりはるかに長くなります。これは、ビームを光ほど厳密に集束させることができないことを意味しますが、最も単純な全方向性アンテナの開口部または「キャプチャ領域」でさえ、あらゆる実現可能な光学システムのレンズの開口部または「キャプチャ領域」よりはるかに大きいことも意味します。この特性により、指向性がそれほど高くないシステムでは、 減衰または「パス損失」が大幅に増加します。

実際、パス損失という用語は、自由空間パスではエネルギーが失われないため、多少誤解を招くものです。むしろ、エネルギーは受信アンテナで受信されないだけです。周波数が増加すると伝送が明らかに減少するのは、特定のタイプのアンテナの開口部の変化によるものです。

ラストマイル問題に関しては、全方向またはセクター伝送を考慮すると、これらの長い波長は光波よりも有利です。無線アンテナの開口部が大きいほど、特定のパス長に対する信号レベルが大幅に高くなり、したがって情報容量が高くなります。一方、低い搬送周波数では、S/N の実際的な限界に達したときにシャノンの式で要求される高い情報帯域幅をサポートできません。

上記の理由から、無線通信システムは、より長い経路で配信される情報容量の低いブロードキャスト通信に最適です。短距離で情報容量が大きく、指向性の高いポイントツーポイント通信を行う場合は、無線光波システムが最も便利です。

歴史的に、高情報容量放送のほとんどは、一般的に UHF テレビ領域以下の低周波数を使用してきました。テレビ自体がその代表的な例です。地上波テレビは、一般的に、十分な情報帯域幅が利用できる 50 MHz 以上の領域と、前述のようにパス損失の増加に関連する問題により 1,000 MHz 未満の領域に制限されています。

双方向通信システムは、主に音声、ファクシミリ、無線テレタイプなどの情報容量の低いアプリケーションに限定されてきました。ほとんどの場合、双方向ビデオ通信や地上マイクロ波電話およびデータ トランクなどの大容量システムは、UHF またはマイクロ波とポイントツーポイント パスに限定され、制限されてきました。

第 3 世代携帯電話システムなどの大容量システムでは、パス損失が自由空間よりもはるかに大きく、ユーザーによる全方向アクセスも必要な一般的な環境内で通信を維持するために、より密集したセル サイトで構成される大規模なインフラストラクチャが必要です。

エンド ユーザーに情報を配信する場合、衛星システムは、低軌道衛星であっても、その性質上、経路長が比較的長くなります。また、配備コストも非常に高いため、各衛星は多数のユーザーにサービスを提供する必要があります。さらに、静止衛星の経路が非常に長いため、情報の遅延が発生し、多くのリアルタイム アプリケーションが実行不可能になります。

ラストマイル問題の解決策として、衛星システムにはアプリケーションと共有の制限があります。衛星システムが送信する ICE は、比較的広い地理的領域に分散する必要があります。これにより、非常に大きいか指向性のある地上アンテナを使用しない限り、受信信号は比較的小さくなります。衛星が受信しているときにも、同様の問題が発生します。

その場合、多数の共有ユーザーに対応するために衛星システムは非常に大きな情報容量を持つ必要があり、各ユーザーは、適度な情報転送速度を得るために、それに伴う指向性と指向性要件を伴う大きなアンテナを持たなければなりません。これらの要件により、高情報容量の双方向情報システムは非経済的になります。これが、イリジウム衛星システムがそれほど成功しなかった理由の 1 つです。

地上および衛星システムの場合、経済的で大容量のラストマイル通信には、ポイントツーポイント伝送システムが必要です。非常に狭い地理的領域を除き、放送システムは、多数のユーザーが必要とする大量の情報容量をサポートするのに十分なスペクトルがない低周波数でのみ、高い S/N 比を提供できます。領域を完全に「フラッディング」することは可能ですが、このようなシステムには、放射された ICE のほとんどがユーザーに届かず、無駄になるという基本的な特性があります。

情報要件が増加するにつれて、比較的少数のローカル ユーザーとの間で適切な情報配信を提供できるほど小さいブロードキャストワイヤレス メッシュシステム (マイクロセルまたはナノセルとも呼ばれる) では、無駄なエネルギーを補うために膨大な量の余剰容量とともに、法外な数のブロードキャスト場所またはプレゼンス ポイントが必要になります。

最近、有線システムと無線システムの中間に位置する新しいタイプの情報伝送が発見されました。E -Line と呼ばれるこの伝送方式は、単一の中心導体を使用し、外部導体やシールドは使用しません。エネルギーは平面波で伝送されますが、ラジオとは異なり、この平面波は拡散しません。また、ラジオのように外部誘導構造はありません。

このシステムは、有線システムと無線システムの属性を組み合わせたもので、RFからマイクロ波までの広範囲の周波数にわたって既存の電力線を利用して高い情報容量をサポートできます。

アグリゲーションとは、複数の回線を結合して、より高速で信頼性の高い接続を実現する方法です。一部の企業^{（曖昧な表現）}は、ADSL アグリゲーション（または「結合」）が英国のラストマイル問題の解決策であると考えています。^[9]

• バックホール（通信）
• ファーストマイルのイーサネット
• ラストマイル（輸送）
• ローカルループ
• ミドルマイル
• ポイントツーマルチポイント通信

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