📖 物理层下面的传输媒体

🎯 课程摘要：本节课介绍物理层之下的传输媒体，分为导引型传输媒体（同轴电缆、双绞线、光纤）和非导引型传输媒体（无线电波、微波、红外线、激光、可见光）两大类，详细讲解各类传输媒体的结构、特点及应用场景。

📝 详细笔记

1. 传输媒体概述与分类

• 概念定义：传输媒体（又称传输介质或传输媒介）是计算机网络设备之间的物理通路。

• 原理解析：

  • 传输媒体不包含在计算机网络体系结构中。若非要画出，其位置只能位于物理层之下，属于"第零层"。
  • 传输媒体分为两大类：

  类别	别名	媒体举例	电磁波传播方式
  导引型传输媒体	导向型	同轴电缆、双绞线、光纤等固体媒体	被导向，沿固体媒体传播
  非导引型传输媒体	非导向型	自由空间	无线传输：无线电波、微波、红外线、激光、可见光等

2. 导引型传输媒体——同轴电缆

• 概念定义：由内导体、绝缘层、屏蔽层、外部保护层组成的同轴心电缆。

• 原理解析：

  • 横切面各层共圆心（同轴心），故名"同轴电缆"。

  • 由于外屏蔽层作用，抗干扰性好，广泛应用于高速率数据传输。

  • 分类：

    类型	阻抗	用途
    基带同轴电缆	50Ω	数字传输，早期局域网
    宽带同轴电缆	75Ω	模拟传输，目前主要用于有线电视入户线

• ⚠️ 重点/考点：同轴电缆价格较贵、布线不够灵活方便；随着集线器出现，局域网领域基本改用双绞线。

3. 导引型传输媒体——双绞线

• 概念定义：把两根相互绝缘的铜导线按一定密度互相绞合而成。

• 原理解析：

  • 实际使用中常将多对双绞线包在一个绝缘保护套内，构成双绞线电缆。
  • 在双绞线外再包裹金属丝编织的屏蔽层，即构成屏蔽双绞线电缆（价格比无屏蔽双绞线更贵）。
  • 绞合的作用：一方面减少相邻导线间的电磁干扰，另一方面抵御部分来自外界的电磁干扰。

• 常用双绞线类别：

  类别	带宽	典型应用
  超五类（Cat5e）	1Gbit/s	家庭局域网主流
  6A 类（Cat6A）	10Gbit/s（万兆）	满足未来发展需求

• ⚠️ 重点/考点：家庭 1Gbit/s 局域网可选用质量好的超五类双绞线；经济允许建议选 6A 类以满足万兆需求。

4. 导引型传输媒体——光纤

• 概念定义：光纤是光导纤维的简称，用高透明度石英玻璃拉成的柔软细丝，由纤芯和包层构成的双层通信圆柱形传输媒体。

• 历史背景：1966 年华裔科学家高锟（Charles Kao）发表论文《光频率介质纤维表面波导》，开创性提出将光导纤维应用于通信的基本原理。

• 原理解析：

  • 光纤通信利用光脉冲在光纤中传递进行通信。由于可见光频率极高，光纤通信系统传输带宽远大于其他传输媒体。
  • 典型系统结构：发送端用发光二极管或半导体激光器在电脉冲作用下产生光脉冲；接收端用光电二极管或激光检波器将光脉冲还原为电脉冲。
  • 纤芯直径仅 8~100μm，包层直径不超过 125μm。纤芯折射率 > 包层折射率，当入射角足够大时发生全反射，光波可沿光纤传输。

• 多模光纤 vs 单模光纤：

  特性	多模光纤	单模光纤
  纤芯直径	较大	极小（约一个光波长）
  传输方式	多条不同入射角光波同时传输（多次反射）	像波导一样一直向前传播，不产生多次反射
  色散问题	有模式色散，脉冲展宽，信号失真	无模式色散（1.3μm 附近材料色散与波导色散抵消）
  适用距离	建筑物内近距离传输	长距离传输
  衰减	较大	更小，100Gbit/s 下可传输 100km 无需中继器
  光源要求	可用较便宜的发光二极管	需昂贵的半导体激光器
  制造成本	较低	较高

• 常用光波波段：

  中心波长	衰减特性
  850nm	衰减较大，但其他特性较好
  1300nm	衰减较小
  1550nm	衰减较小

  • 三个波段均具有 25000~30000GHz 带宽，通信容量极大。

• 光纤规格：如 8/125（纤芯直径/包层直径，单位μm），分单模光纤和多模光纤。

• 光缆结构：将光纤做成光缆，可包含数十乃至数百根光纤，加加强芯、填充物、远供电源线、包带层、外护套，提高机械强度和抗拉强度。

• 光纤优缺点：

  优点	缺点
  通信容量非常大	割接光纤需较贵的专用设备
  抗雷电和电磁干扰性能好	光电接口比较昂贵
  传输损耗小，中继距离长
  无串音干扰，保密性好
  体积小，重量轻

5. 非导引型传输媒体概述

• 原理解析：
  • 无线通信可使用频段很广，但紫外线、X 射线、伽马射线波段不能用于通信（难产生调制、穿透障碍物能力弱、对生物有害）；30kHz 以下极低频段一般也不用于通信。
  • 使用某波段无线电频谱通信通常需本国政府无线电频谱管理机构许可证（中国为无线电管理局/国家无线电办公室，美国为 FCC）。
  • ISM 频段（Industrial Scientific Medical，工业科学与医学）可自由使用，各国标准略有不同。802.11 无线局域网使用 2.4GHz 和 5.8GHz 频段。

6. 非导引型传输媒体对比

• 微波通信的两种方式：
  • 地面微波接力通信：在信道两终端间建立若干中继站，逐站放大转发，实现远距离通信。
  • 卫星通信：利用约 36000km 高空人造同步地球卫星作为中继器的微波接力通信。在赤道上空同步轨道等距离放置三颗互成 120° 的卫星即可基本实现全球通信。中低轨道卫星相对地球运动，目前已部署大容量高功率低轨道宽带卫星，可轻便手持通信。
• ⚠️ 重点/考点：
  • 大气激光通信缺点：通信距离限于视距、易受气候影响、瞄准困难。
  • 可见光通信：2015 年 12 月中国实时通信速率突破 50Gbit/s。

💡 核心总结

• 传输媒体位于物理层之下（"第零层"），不在体系结构内，分为导引型和非导引型两大类。
• 导引型：同轴电缆（抗干扰好但贵）、双绞线（绞合抗干扰、局域网主流）、光纤（容量大、损耗小、保密好，单模远距离、多模近距离）。
• 非导引型：无线电波（沿地面/电离层反射）、微波（直线传播、接力/卫星通信）、红外线（短距离点对点）、激光（大气通信容量大但受限）、可见光（LiFi 新技术）。
• 光纤利用全反射原理传输光波，纤芯折射率大于包层折射率。
• 三颗互成 120° 的同步卫星可实现全球通信。

❓ 课后思考 / 经典考题

1. 传输媒体属于计算机网络体系结构的哪一层？为什么？
2. 双绞线为什么要将两根铜导线绞合？屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线有何区别？
3. 多模光纤和单模光纤在传输距离、色散、光源要求上有何区别？为什么单模光纤适合长距离传输？
4. 光纤通信利用什么物理现象使光波沿光纤传输？纤芯与包层的折射率关系如何？
5. 微波通信为什么需要中继站？卫星通信如何实现全球覆盖？