中科大 计算机网络组成原理 1.4 接入网和物理媒体 笔记

一、接入网核心功能与架构
  1. 核心作用

    接入网是连接用户终端与核心网络的桥梁,承担用户身份认证、带宽分配、数据加密等功能,直接影响网络服务的可靠性和用户体验。例如,杭州电视台的数字人主播通过光纤专线实现零失误新闻播报,依赖高速稳定的接入网支持。

  2. 架构层级

    • 边缘设备层‌:包括用户终端(如手机、电脑)和接入设备(如光猫、路由器)。
    • 传输层‌:通过物理介质(光纤、双绞线)或无线信道(5G、Wi-Fi)传输数据。
    • 控制层‌:动态分配带宽资源,优化网络负载(如HFC网络中的频分复用技术)。

二、有线接入技术演进与细节
  1. DSL技术

    • ADSL非对称性‌:下行带宽(8-24Mbps)显著高于上行(1-3Mbps),适合家庭用户下载需求,但需通过分离器隔离语音与数据信号。
    • VDSL升级‌:利用更高频段提升带宽(下行可达100Mbps),适用于短距离传输。
  2. ‌**光纤到户(FTTH)**‌

    • 技术优势‌:单模光纤传输速率可达Tbps级,误码率低于10⁻¹²,支持超高清视频和实时交互应用。
    • 部署挑战‌:需铺设光分配网络(ODN)和安装光网络终端(ONT),初期成本较高。
  3. HFC混合网络

    • 频段划分‌:5-42MHz用于上行数据,50-860MHz用于下行数据和电视信号,通过CMTS(电缆调制解调器终端系统)管理用户共享带宽。

三、无线接入技术创新与案例
  1. 5G与毫米波技术

    • Sub-6GHz频段‌:覆盖范围广(基站半径1-3公里),适合城市密集区域。
    • ‌**毫米波频段(24-100GHz)**‌:峰值速率达20Gbps,但信号易受障碍物遮挡,需通过大规模MIMO和波束成形增强覆盖。
  2. 卫星通信突破

    • ‌**低轨卫星(LEO)**‌:SpaceX星链计划部署数万颗卫星,延迟降至50ms以下,可为偏远地区提供100Mbps级网速。
  3. ‌**无线局域网(Wi-Fi 7)**‌

    • 多链路聚合‌:同时利用2.4GHz、5GHz和6GHz频段,理论速率达30Gbps,支持VR/AR低延迟应用。

四、物理媒体特性与选型
  1. 导引性媒体对比

    介质类型 典型速率 适用场景 限制条件
    双绞线(Cat6A) 10Gbps(55m) 企业局域网布线 距离敏感,抗干扰弱
    同轴电缆 1Gbps(1km) HFC网络、监控系统 共享带宽,扩容难
    单模光纤 100Gbps+ 城际骨干网、数据中心互联 需光电转换设备
  2. 非导引性媒体优化

    • 信号衰减补偿‌:5G基站通过小型蜂窝(Small Cell)和分布式天线系统(DAS)增强室内覆盖。
    • 干扰抑制‌:Wi-Fi 6引入OFDMA技术,将信道划分为子载波,减少多设备并发干扰。

五、带宽管理与服务分级
  1. 独享与共享模式对比

    • 独享带宽‌:企业专线(如10Gbps光纤)提供SLA保障,延迟低于5ms,用于金融交易和实时通信。
    • 共享带宽‌:民用宽带(如HFC)在高峰时段可能降速50%以上,需通过动态QoS策略优先保障关键业务。
  2. 技术优化趋势

    • ‌**网络切片(5G)**‌:为不同应用(工业物联网、自动驾驶)分配独立虚拟网络,确保带宽与安全性。
    • AI流量预测‌:基于历史数据动态调整资源分配,减少拥塞(如格行WiFi通过AI优化三网切换策略)。

六、前沿挑战与解决方案
  1. 能耗问题

    • 5G基站节能‌:采用智能休眠技术(非高峰时段关闭部分射频单元),降低功耗30%-40%。
  2. 高频段信号覆盖

    • ‌**太赫兹通信(6G)**‌:研发超材料天线和智能反射表面(IRS),增强高频信号穿透与反射能力。
  3. 安全性增强

    • ‌**量子密钥分发(QKD)**‌:光纤网络中嵌入量子加密通道,防止数据窃听与篡改。

七、典型应用场景
  1. 数字人主播

    • 杭州电视台通过AI数字人实现新闻播报,依赖低延迟光纤网络和云端渲染技术,制作效率提升80%。
  2. 工业物联网

    • 工厂内5G专网支持设备实时监控(延迟<10ms),每年减少停机损失20%。
  3. 应急通信

    • 格行随身WiFi在山区通过三网切换(电信/联通/移动)保障网络连通性,实测续航达24小时。

八、未来技术展望
  • 全光网络2.0‌:从核心网到用户端全链路光信号传输,消除光电转换瓶颈。
  • 空天地一体化‌:6G整合低轨卫星、高空平台(HAPS)和地面基站,实现全域无缝覆盖。
  • 语义通信‌:AI直接解析用户意图,减少冗余数据传输(如仅传输"播报新闻"指令而非完整视频流)。
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