الميل الأخير (الاتصالات)

بشكل عام، يساهم وفورات الحجم في خفض تكلفة زيادة سعة القناة مع زيادة السعة. توجد تكاليف إضافية مرتبطة بإنشاء أي قناة، وهذه التكاليف لا تتكرر عند زيادة السعة ضمن حدود إمكانيات التقنية المستخدمة.

مع نمو الإنترنت بشكل كبير، حيث تشير بعض التقديرات إلى تضاعف عدد مستخدميه كل ثمانية عشر شهرًا، أدى وفورات الحجم إلى ظهور قنوات معلوماتية ضخمة توفر أطول مسافات وأعلى سعات لشبكات العمود الفقري. في السنوات الأخيرة، أدت سعة اتصالات الألياف الضوئية ، مدعومة بصناعة مساندة، إلى توسع هائل في السعة الخام، لدرجة أن جزءًا كبيرًا من البنية التحتية للألياف الضوئية المركبة في الولايات المتحدة غير مستغل حاليًا، نظرًا لكونها سعة فائضة تُعرف باسم " الألياف المظلمة ".

توجد هذه السعة الزائدة في البنية التحتية للشبكة على الرغم من اتجاه زيادة معدلات نقل البيانات لكل مستخدم والكمية الإجمالية للبيانات. في البداية، كانت الاتصالات بين الشبكات المحلية فقط هي عالية السرعة. وكان المستخدمون النهائيون يستخدمون خطوط الهاتف وأجهزة المودم الموجودة، والتي كانت قادرة على نقل البيانات بمعدلات لا تتجاوز بضع مئات من البتات في الثانية . أما الآن، فيتمتع جميع المستخدمين النهائيين تقريبًا بوصول أسرع بمئة ضعف أو أكثر من تلك المعدلات السابقة.

تتطلب أنظمة الشبكات المحلية السلكية التقليدية استخدام كابلات نحاسية محورية أو أزواج مجدولة للربط بين عقدتين أو أكثر في الشبكة. تعمل الأنظمة الشائعة بسرعة 100  ميجابت/ثانية، بينما تدعم الأنظمة الأحدث سرعات تصل إلى 1000  ميجابت/ثانية أو أكثر. ورغم أن طول الكابل قد يكون محدودًا بمتطلبات كشف التصادم وتجنبه، إلا أن فقدان الإشارة وانعكاساتها عبر هذه الخطوط تحدد أيضًا أقصى مسافة. ويتناسب انخفاض سعة المعلومات المتاحة للمستخدم الواحد تقريبًا مع عدد المستخدمين المشتركين في الشبكة المحلية.

في أواخر القرن العشرين، أدت التحسينات في استخدام خطوط الهاتف النحاسية القائمة إلى زيادة قدراتها عند التحكم في أقصى طول للخط. وبفضل دعم نطاق ترددي أعلى للإرسال وتحسين التضمين، زادت قدرات أنظمة خطوط المشترك الرقمية هذه من 20 إلى 50 ضعفًا مقارنةً بأنظمة النطاق الصوتي السابقة . لا تعتمد هذه الأساليب على تغيير الخصائص والقيود الفيزيائية الأساسية للوسط، والتي، باستثناء إدخال الأزواج الملتوية ، لا تختلف اليوم عما كانت عليه عند افتتاح أول مقسم هاتفي عام 1877 من قبل شركة بيل للهاتف. ^{[ 4 ]}

يُعد تاريخ البنية التحتية للاتصالات القائمة على النحاس وعمرها الطويل دليلاً على القدرة على استخلاص قيمة جديدة من مفاهيم بسيطة من خلال الابتكار التكنولوجي  ، ولكنه في الوقت نفسه تحذير من أن عوائد الاستثمار المستمر في هذه البنية التحتية بدأت تتضاءل. ^{[ 4 ]} ومع ذلك، فإن إحدى أكبر التكاليف المرتبطة بصيانة البنية التحتية النحاسية القديمة هي تكلفة الزيارات الميدانية ^{[ 5 ]} - إرسال مهندسين لإجراء الاختبارات والإصلاحات والاستبدالات وتوفير وصلات نحاسية جديدة، وتبرز هذه التكلفة بشكل خاص في توفير خدمة النطاق العريض في المناطق الريفية عبر النحاس. ^{[ 6 ]} توفر التقنيات الحديثة مثل G.Fast وVDSL2 حلولاً فعّالة وعالية السرعة لتوفير النطاق العريض في المناطق الريفية عبر النحاس الحالي. في ضوء ذلك، طورت العديد من الشركات وصلات متقاطعة آلية (إطارات توزيع آلية مثبتة في الخزائن) للتخلص من عدم اليقين والتكلفة المرتبطة بصيانة خدمات النطاق العريض عبر النحاس الحالي، وعادةً ما تتضمن هذه الأنظمة شكلاً من أشكال التحويل الآلي، وبعضها يتضمن وظائف اختبار تسمح لممثل مزود خدمة الإنترنت بإكمال العمليات التي كانت تتطلب سابقًا زيارة ميدانية (زيارة ميدانية) من المكتب المركزي عبر واجهة ويب. ^{[ 7 ]} في العديد من البلدان، غالبًا ما يكون رابط الميل الأخير الذي يربط عملاء الهاتف التجاري الأرضي بمقاسم الهاتف المحلية هو ISDN30 الذي يمكنه نقل 30 مكالمة هاتفية متزامنة.

تم توسيع أنظمة التلفزيون الهوائي المجتمعي، المعروفة أيضًا باسم تلفزيون الكابل ، لتوفير اتصال ثنائي الاتجاه عبر الكابلات المادية الموجودة. ومع ذلك، فهي بطبيعتها أنظمة مشتركة، والطيف الترددي المتاح لتدفق المعلومات العكسي ونسبة الإشارة إلى الضوضاء الممكنة محدودان. وكما كان الحال في الاتصال التلفزيوني أحادي الاتجاه في البداية، يتم التخفيف من فقد الإشارة في الكابل باستخدام مضخمات دورية داخل النظام. وتفرض هذه العوامل حدًا أقصى لسعة المعلومات لكل مستخدم، خاصةً عندما يتشارك العديد من المستخدمين جزءًا مشتركًا من الكابل أو شبكة الوصول .

توفر الألياف سعة معلومات عالية، وبعد مطلع القرن الحادي والعشرين أصبحت الوسيلة المفضلة للانتشار (" الألياف إلى x ") نظرًا لقابليتها للتوسع في مواجهة متطلبات النطاق الترددي المتزايدة للتطبيقات الحديثة.

في عام 2004، ووفقًا لريتشارد لينش، نائب الرئيس التنفيذي وكبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة الاتصالات العملاقة فيريزون ، رأت الشركة أن العالم يتجه نحو تطبيقات ذات نطاق ترددي أعلى بكثير، حيث كان المستهلكون يُقبلون بشغف على كل ما يُقدمه النطاق العريض، ويستهلكون كل ما يُمكنهم الحصول عليه، بما في ذلك المحتوى التفاعلي الذي يُنشئه المستخدمون. لم تكن شبكات النحاس والكابلات المحورية قادرة  - بل لم يكن بوسعها  - تلبية هذه المتطلبات، مما دفع فيريزون إلى التوسع بقوة في مجال الألياف الضوئية للمنازل عبر خدمة FiOS . ^{[ 8 ]}

تُعدّ الألياف الضوئية تقنيةً مستقبليةً تلبي احتياجات المستخدمين اليوم، ولكن على عكس وسائل النقل الأخرى القائمة على النحاس واللاسلكية، يمكن توسيع سعتها من خلال ترقية البصريات والإلكترونيات في نقاط النهاية دون تغيير البنية التحتية للألياف. يتم تركيب الألياف نفسها على أعمدة أو قنوات موجودة، وتتركز معظم التكلفة في أجور العمال، مما يوفر حافزًا اقتصاديًا إقليميًا خلال مرحلة النشر، ويضمن توفير سعة لتلبية الاحتياجات المستقبلية.

تتعرض خطوط النحاس الثابتة للسرقة نظرًا لقيمة النحاس، بينما تُعد الألياف الضوئية أهدافًا غير جذابة. لا يمكن تحويل الألياف الضوئية إلى أي شيء آخر، في حين يمكن إعادة تدوير النحاس دون فقدان أي جزء منه .

تُعدّ موجات الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء أقصر بكثير من موجات الترددات الراديوية. ويُطلق على استخدامها لنقل البيانات اسم الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر . وبفضل قصرها، يمكن تركيز موجات الضوء أو توجيهها باستخدام عدسة/هوائي صغير، وبدرجة أعلى بكثير من موجات الراديو. وبالتالي، يستطيع جهاز الاستقبال استعادة جزء أكبر من الإشارة المرسلة.

كذلك، وبسبب التردد العالي، قد تتوفر سرعة نقل بيانات عالية . مع ذلك، في بيئات الميل الأخير العملية، يمكن أن تحدّ العوائق وانحراف هذه الحزم، وامتصاصها بواسطة عناصر الغلاف الجوي كالضباب والمطر، خاصةً على المسارات الطويلة، من استخدامها بشكل كبير في الاتصالات اللاسلكية للميل الأخير.

تتميز الترددات الراديوية، من الترددات المنخفضة إلى نطاق الموجات الميكروية، بأطوال موجية أطول بكثير من الضوء المرئي. ورغم أن هذا يعني استحالة تركيز الحزم بدقة مماثلة للضوء، إلا أنه يعني أيضاً أن فتحة أو "مساحة التقاط" حتى لأبسط هوائي متعدد الاتجاهات أكبر بكثير من فتحة العدسة في أي نظام بصري عملي. وتؤدي هذه الخاصية إلى زيادة كبيرة في التوهين أو "فقدان الإشارة" في الأنظمة غير الموجهة بدقة عالية.

في الواقع، يُعدّ مصطلح " فقدان الإشارة" تسميةً غير دقيقة إلى حدٍّ ما، إذ لا تُفقد أي طاقة في مسار الفضاء الحر. بل ببساطة، لا تستقبلها هوائي الاستقبال. أما الانخفاض الظاهري في الإرسال مع زيادة التردد، فهو ناتج عن تغيير فتحة نوع معين من الهوائيات.

فيما يتعلق بمشكلة الميل الأخير، تتميز هذه الأطوال الموجية الأطول بميزة على الموجات الضوئية عند النظر في الإرسال متعدد الاتجاهات أو القطاعي. تؤدي الفتحة الأكبر لهوائيات الراديو إلى مستويات إشارة أعلى بكثير لطول مسار معين، وبالتالي سعة معلومات أكبر. من ناحية أخرى، لا تستطيع ترددات الموجة الحاملة المنخفضة دعم نطاقات المعلومات العالية المطلوبة وفقًا لمعادلة شانون عند الوصول إلى الحدود العملية لنسبة الإشارة إلى الضوضاء.

لهذه الأسباب، تُعدّ أنظمة الراديو اللاسلكية مثاليةً للاتصالات الإذاعية ذات السعة المعلوماتية المنخفضة التي تُنقل عبر مسارات طويلة. أما بالنسبة للاتصالات عالية السعة المعلوماتية وعالية التوجيه من نقطة إلى نقطة عبر مسافات قصيرة، فإن أنظمة الموجات الضوئية اللاسلكية هي الأنسب.

تاريخياً، استخدمت معظم البثوث ذات السعة المعلوماتية العالية ترددات منخفضة، لا تتجاوز عموماً نطاق ترددات التلفزيون UHF، ويُعد التلفزيون نفسه مثالاً بارزاً على ذلك. وقد اقتصر البث التلفزيوني الأرضي عموماً على النطاق فوق 50  ميجاهرتز حيث يتوفر عرض نطاق معلوماتي كافٍ، وأقل من 1000  ميجاهرتز، بسبب المشاكل المرتبطة بزيادة فقد الإشارة، كما ذُكر آنفاً.

اقتصرت أنظمة الاتصال ثنائية الاتجاه في الغالب على التطبيقات ذات سعة المعلومات المنخفضة، مثل الصوت والفاكس والتلغراف اللاسلكي . أما الأنظمة ذات السعة العالية، مثل اتصالات الفيديو ثنائية الاتجاه أو خطوط الهاتف والبيانات الأرضية التي تعمل بالميكروويف، فقد اقتصرت في معظمها على نطاق الترددات العالية جدًا أو الميكروويف، وعلى مسارات الاتصال من نقطة إلى نقطة.

تتطلب الأنظمة ذات السعة الأعلى مثل أنظمة الهاتف الخلوي من الجيل الثالث بنية تحتية كبيرة من مواقع الخلايا المتقاربة للحفاظ على الاتصالات داخل البيئات النموذجية، حيث تكون خسائر المسار أكبر بكثير مما هي عليه في الفضاء الحر، والتي تتطلب أيضًا وصولًا متعدد الاتجاهات من قبل المستخدمين.

لإيصال المعلومات إلى المستخدمين النهائيين، تتميز أنظمة الأقمار الصناعية، بطبيعتها، بمسارات طويلة نسبيًا، حتى بالنسبة للأقمار الصناعية التي تدور في مدار أرضي منخفض. كما أن نشرها مكلف للغاية، ولذلك يجب أن يخدم كل قمر صناعي عددًا كبيرًا من المستخدمين. إضافةً إلى ذلك، تتسبب المسارات الطويلة جدًا للأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض في تأخير وصول المعلومات، مما يجعل العديد من التطبيقات التي تعمل في الوقت الفعلي غير مجدية.

كحل لمشكلة الميل الأخير، تواجه أنظمة الأقمار الصناعية قيودًا في التطبيق والمشاركة. إذ يجب توزيع إشارة الإنترنت التي تبثها على مساحة جغرافية واسعة نسبيًا، مما يؤدي إلى ضعف الإشارة المستقبلة، ما لم تُستخدم هوائيات أرضية كبيرة جدًا أو موجهة. وتوجد مشكلة مماثلة عند استقبال القمر الصناعي للإشارة.

في هذه الحالة، يجب أن يتمتع نظام الأقمار الصناعية بسعة معلوماتية هائلة لاستيعاب عدد كبير من المستخدمين المشتركين، كما يجب أن يمتلك كل مستخدم هوائيًا كبيرًا، مع ما يترتب على ذلك من متطلبات توجيهية وثابتة، وذلك للحصول على معدل نقل معلومات ولو كان متواضعًا. هذه المتطلبات تجعل أنظمة المعلومات ثنائية الاتجاه ذات السعة المعلوماتية العالية غير اقتصادية. وهذا أحد أسباب عدم نجاح نظام أقمار إيريديوم الصناعية .

بالنسبة للأنظمة الأرضية والفضائية، تتطلب الاتصالات الاقتصادية عالية السعة التي تصل إلى المستخدم النهائي أنظمة إرسال من نقطة إلى نقطة. باستثناء المناطق الجغرافية الصغيرة جدًا، لا تستطيع أنظمة البث توفير نسب إشارة إلى ضوضاء عالية إلا عند الترددات المنخفضة حيث لا يتوفر طيف كافٍ لدعم سعة المعلومات الكبيرة التي يحتاجها عدد كبير من المستخدمين. على الرغم من إمكانية تغطية منطقة بأكملها بالبث، إلا أن هذه الأنظمة تتسم بخاصية أساسية تتمثل في أن معظم الطاقة المشعة لا تصل إلى المستخدم وتُهدر.

مع ازدياد متطلبات المعلومات، فإن أنظمة البث اللاسلكي الشبكي (التي يشار إليها أحيانًا باسم الخلايا الصغيرة أو الخلايا النانوية) والتي هي صغيرة بما يكفي لتوفير توزيع مناسب للمعلومات من وإلى عدد قليل نسبيًا من المستخدمين المحليين تتطلب عددًا كبيرًا للغاية من مواقع البث أو نقاط التواجد إلى جانب قدر كبير من السعة الزائدة لتعويض الطاقة المهدرة.