【计算机网络 | 第3篇】物理媒介

物理媒介

介绍与物理媒体的分类🥝

 在互联网中，数据（即比特）的传输依赖于多种物理媒介。这些媒介如同"高速公路"，决定了数据传输的速度、距离和稳定性。本节来解析物理媒介的分类、特性及其实际应用。

 传输媒体分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

• 导引型传输媒体：看得见的数字高速公路，通过实体介质（如铜线或光纤）引导电磁波的传播，也就是电磁波沿固体介质传播，通过边界约束实现定向传输。抗干扰能力强、传输距离远，但需铺设物理线路。具有高带宽、低干扰、安全性强的特点，常用于固定通信场景。主要有双绞线，同轴电缆和光纤
• 非导引型传输媒体：无形的电磁波海洋，它利用电磁波（如无线电波、微波）在自由空间中传播信号，特别适用于地理障碍多、布线困难或成本高昂的场景。主要有无线电波，微波等

成本考量

 虽然光纤、铜线等材料本身成本较低，但安装成本却是网络建设的决定性因素。传输媒介的选择常陷入"材料廉价，安装昂贵"的悖论。

 公里光纤约1000，双绞线约1000，双绞线约100。而布线费用可能高达材料成本的10倍以上
 比如，1公里单模光纤约2000元，而铺设所需的人工费可能超过5万元（含管道开挖、熔接测试等）
因此，许多建筑商会在新建楼宇中预先铺设多种媒介（如光纤+双绞线+同轴电缆）
 采用"三网合一"布线，同时铺设光纤（未来升级）、六类网线（当前使用）、同轴电缆（备用），初期成本增加30%，但避免5-10年后二次布线的百万级开支

引导型传输媒体🍋

引导型传输媒体：双绞线🍋‍🟩

 双绞线是最古老、应用最广泛的导引型传输媒体之一。它由两根互相绝缘的铜导线以规则的方式绞合而成，通过绞合结构减少电磁干扰，是电话系统和计算机网络的基础组件

• 绞合目的：当两根导线以相同频率反向绞合时，外部电磁干扰对两根导线的影响会相互抵消，以此抵消电磁干扰
• 核心优势：便宜，铜材质便宜，生产工艺成熟；线缆柔软，适合复杂环境部署，方便布线；抗干扰能力强
• 传输特点：铜线直径越大，电阻越小，信号衰减越慢，通信距离越远。长距离布线需要放大器等设备来补偿信号的衰减，或者用中继器来对失真的信号进行整形

双绞线类别

根据屏蔽方式和绞合密度，双绞线可分为以下类型：

根据性能标准，双绞线可分为以下类型：

双绞线的发展历程

 自1881年贝尔电话系统首次商用以来，双绞线便承载着人类语音通信的使命。时至今日，全球超过99%的固定电话线路仍采用这种技术，而当计算机联网需求兴起时，双绞线展现出惊人的适应性。

 双绞线最核心的突破就是从拨号到DSL：1990年代前，双绞线仅用于电话通信（拨号上网，速率≤56kbps）。而DSL技术通过频分复用技术，在同一对线上传输语音（低频）和数据（高频），使住宅用户接入速率可达30-100Mbps（用户距离ISP中心局<3公里时）。利用现有电话线路实现了宽带接入。

 尽管光纤在20世纪80年代兴起时被认为将取代双绞线，但后者凭借成本优势和灵活性保持了生命力。

 2000年左右，谷歌就曾计划在部分城市铺设光纤到户（FTTH），但因成本过高，最终在郊区采用双绞线+DSL方案，实现80Mbps的互联网接入。

双绞线的物理限制

尽管双绞线表现优异，但其仍有物理限制：

• 距离衰减：信号强度随距离增加而下降。例如，Cat6在10Gbps模式下有效距离仅55米。
• 带宽瓶颈：在超远距离（>1公里）场景中，光纤仍不可替代（如跨城骨干网）。

引导型传输媒体：同轴电缆🍋‍🟩

同轴电缆（Coaxial Cable）是一种由多层结构组成的导引型传输媒体，因其高抗干扰能力和大带宽，曾在通信领域占据重要地位。

结构组成

同轴电缆的核心结构由四层组成：

• 内导体（铜芯线）单股实心铜线或绞合铜线，负责传输电信号。低电阻，减少信号衰减
• 绝缘层聚乙烯或发泡聚乙烯，包裹内导体。隔离内外导体，防止短路
• 外导体屏蔽层金属网状编织层（或单股铜线）。抑制外部电磁干扰（EMI），同时减少信号泄漏
• 保护套层（外护套）聚氯乙烯（PVC）或聚乙烯（PE）。物理防护，抵御机械损伤和环境侵蚀

 这种结构使同轴电缆具有高抗干扰能力和大带宽，可稳定传输数百MHz甚至GHz级别的信号，为高速数据传输奠定基础。同时，10Gbps速率下，优质同轴电缆可实现数百米传输，远超普通双绞线。

应用与特点

 同轴电缆最初被广泛用于有线电视网络，单根同轴电缆可同时传输上百个电视频道，每个频道占用特定频段（如50-550MHz）。

 通过一个叫电缆调制解调器的设备，现代同轴电缆已升级为混合光纤同轴网络（HFC），实现宽带上网。

 同轴电缆的一个重要特点是共享式传输，其工作模式类似"信息高速公路"：
 多个终端设备（如电视、机顶盒、路由器）可直接接入同一根电缆，所有设备能同时接收其他设备发送的信号（广播模式）；信号通过同轴电缆以模拟波形传播，类似广播电台，用户设备通过调谐器选择特定频段（如选台），过滤不需要的信号。

 尽管同轴电缆在带宽和抗干扰性上表现优异，但其共享介质特性也带来潜在问题：

1. 带宽竞争：当多用户同时使用高速服务时，可能出现网络拥堵
2. 安全风险：同一电缆上的设备理论上可"窃听"其他设备的通信（需依赖加密技术保障安全）

 同轴电缆凭借其结构紧凑、抗干扰强和共享传输的特性，成为有线电视和宽带互联网的重要基石。
 尽管光纤技术不断进步，正逐步取代传统同轴网络。但是同轴电缆在短距离、中等带宽需求的场景（如家庭网络、企业局域网）中仍具有不可替代的经济性和实用性。

发展历程

 在局域网（LAN）发展的早期（1980-1990年代），同轴电缆是主流传输介质。

 但是，随着我们对于网络需求的日益旺盛，同轴电缆因布线复杂、价格高。且难以适应现代网络的频繁拓扑变化等各种原因所慢慢被商业公司淘汰。又因为双绞线的快速进步（Cat5/Cat6双绞线通过优化绞合和屏蔽，支持更高速率（千兆甚至万兆）），加剧了其淘汰的速度。

 尽管在局域网中退居二线，同轴电缆仍因其超大带宽在有线电视网络（同时传输数百个电视频道）和宽带的接入中不可替代。尤其在需要抗核电磁脉冲以及用于雷达和到导航的军工行业中地位牢固。

引导型传输媒体：光纤🍋‍🟩

光纤通信指利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。

光纤的结构与传输原理

光纤由石英玻璃拉制而成，主要由两层结构组成：

• 纤芯（Core）：直径仅8~100 µm（比头发丝还细），是光脉冲的传输通道。折射率较高，使光线在其中发生全反射

• 包层（Cladding）：包裹纤芯，折射率低于纤芯

 通过全反射原理将光线“困”在纤芯中传输光线从高折射率（纤芯）进入低折射率（包层）时，若入射角大于临界角，光线将完全反射回纤芯，实现长距离传输。

原理图解：

选择光信号的原因

为什么我们选择了光信号呢？
 首先是频率够高，可见光的频率约为10⁸ MHz（即100 THz），远高于无线电波，因此光纤的带宽极大。
其次，现代工艺制造的光纤可在数公里内几乎无信号衰减，传输几乎无损耗。

光纤的工作流程

光纤的工作流程就是：
 首先，发送端使用发光二极管（LED）或半导体激光器将电信号转换为光脉冲，光脉冲通过光纤中的纤芯传导，最后接收端的光电二极管将光脉冲还原为电信号。

光纤的类型及特性

光纤的优缺点及应用场景

光纤的核心优点包括：

1. 超高速传输
2. 超长传输距离
3. 抗干扰王者
4. 安全堡垒

 它最大的问题就是制造成本，单模光纤的激光器和精密制造工艺仍较昂贵，但随着技术进步，成本逐年下降。

 光纤一般都应用于一些大型项目，比如跨洋通信，数据中心，或者我们的基站与核心网之间通过光纤组成环形网络，保障低时延信号传输。
 但是在短距离场景（如家庭接入）仍面临挑战，这个挑战主要来自于成本。其实在前面讲到过，一方面是设备成本过高，将电信号转换为光信号的激光器（如DFB激光器）单价远高于铜缆网口芯片，大概是100~200倍左右。且施工难度很大。在家庭布线中需额外保护，施工复杂度是超五类网线的3倍以上。所以部署过程中产生的设备成本和人工成本也高。

非引导型传输媒体🍋

介绍

利用无线电波在自由空间中的传播 实现无线通信。

 电磁波的频谱中，紫外线，x射线，γ射线（伽马射线）波段目前还不能用于通信，因为这些波很难产生和调制，穿透障碍物的能力也很弱并且对生物有害。频率非常低的波段（30KHz以下）一般也不用于通信。

非引导型传输媒体：无线电波🍋‍🟩

 无线电波具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离，应用广泛。
 我们一直在说低频高频，那它到底都有哪些特性呢？

不同频段的特性

• 低频段 ：（如LF），波长长，穿透力强，穿透建筑物能力强，但带宽小，适合地下或水下通信。但是需超大天线（如数公里长的线圈），成本高
• 高频段：（如EHF），带宽极大（THz级别），但信号衰减快，需密集基站部署。但是设备复杂度增加（如5G毫米波基站需相控阵天线）

波段划分及用途

传播方式

• 在LF和MF波段，无线电波主要以地面波的形式沿着地面传播，
• 在HF和VHF波段，地面波会被地表吸收，无线电波主要依靠电离层的反射再回到地球表面，

 电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，会严重影响通信质量。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，速率为一个标准模拟话路传输几十至几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后，传输速率才能达到几千比特/秒。

非引导型传输媒体：微波🍋‍🟩

 微波通信因其高带宽和低延迟特性，成为无线通信的重要支柱。它广泛应用于移动通信（如5G基站）、卫星通信和高速数据回传等领域。

 微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像HF和VHF波段的无线电波样，可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。

 传统的微波通信主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信

地面微波接力通信

 微波沿是直线传播，无法绕过障碍物（如建筑物、山体），而又由于地球表面是曲面，所以微波的视距传播距离受限。在无遮挡情况下，最大通信距离约50KM，若基站天线架设在100米高的塔上，通信距离可扩展至100KM。

为了利用微波实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间，建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号放大后再转发到下一站，称为“接力”。

• 缺点：多径效应，视距限制等
• 优点：超大容量通道，抗干扰能力强，建设成本低廉，快速部署能力。

卫星通信

 卫星通信本质上是微波接力的空间延伸，使用约3.6万公里高空的同步地球卫星作为中继器。

• 优点：全球覆盖能力，距离无关成本，天然中继特性
• 缺点：传播时延，太阳干扰，初期发射成本高

 除了人造同步地球卫星，还可利用中、低轨道人造卫星建立通信系统。中、低轨道人造卫星相对于地球不是静止的，而是不停地围绕地球旋转。目前，大容量、高功率、低轨道宽带人造卫星已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。由于低轨道卫星离地球很近，因此可将地面用户通信设备做得比较小，可以轻便手持进行通信。

 低轨道卫星（LEO） 高度仅2000公里以下，信号传播延迟显著降低（约20~40 ms）。且卫星不停绕地球旋转，需通过星座组网（如数百颗卫星）实现连续覆盖。典型项目：Starlink（星链），鸿雁星座（中国）

其他非引导型传输媒体🍋‍🟩

 可以利用红外线，激光，可见光等进行通信。

 要使用某一波段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府无线电频谱管理机构的相关许可证。
例如：我国的无线电频谱管理机构是工信部无线电管理局(国家无线电办公室)、美国的无线电频谱管理机构是联邦通信委员会(FederalCommunications Commission,FCC)。

 也有一些无线电频段是可以自由使用的，但需遵守功率限制，称为ISM频段。ISM是Industrial、Scientific、 Medical(工业、科学与医药)的英文缩写词。典型频段：

• 2.4 GHz（Wi-Fi 802.11b/g/n）
• 5.8 GHz（Wi-Fi 802.11a/ac）
• 900 MHz（物联网、遥控设备）

 ISM频段目前的问题是标准化问题，各国ISM频段略有差异（如欧洲允许5.8 GHz，美国扩展至6 GHz）。且多个设备同时使用该频段的话，需通过协议（如CSMA/CA）避免冲突，防止互相干扰。

无线通信中的误码率控制

 在无线通信中，误码率（Bit Error Rate, BER）是衡量数据传输质量的关键指标。它表示在传输过程中错误比特数占总传输比特数的比例。为了保证通信可靠性，必须将误码率控制在可接受的范围内（通常为10⁻⁶至10⁻⁹）。

信噪比与误码率

 信噪比（SNR）是信号功率与噪声功率的比值，单位为分贝（dB）。他们之间的基本规律就是信噪比越高，误码率越低。因此，这时我们就要开始权衡技术的使用了。我们可以提高发射功率，增强信号强度，但会导致电池寿命缩短、设备发热甚至干扰邻近设备。我们可以降低噪声，通过滤波器或编码技术减少干扰，但可能牺牲带宽效率。怎么才能达到一个平衡值，这就是那些设计工程师需要考虑的问题了。

数据率与误码率

 调制技术决定了数据传输速率和抗干扰能力。在相同信噪比下，数据率 越高或调制阶数越高的技术，误码率越低。在低数据率调制（如BPSK）下，信号简单（仅两种状态），抗干扰能力强，误码率极低。但是数据率很低。在高数据率调制（如16QAM）下，信号状态多（16种），数据率高（如4 Mbit/s），但是信号间间隔小，易受噪声干扰，误码率显著升高。
所以，高数据率调制需要更高的信噪比作为代价，设计时需根据环境选择合适的调制方式

移动性对信道的“动态挑战”
 移动用户的通信场景会引发信道特性的频繁变化，因 为距离的不确定和多径效应的影响，信噪比和误码率随之波动，可能突然恶化（如进入电梯）。这时候，针对这个情况，出现了自适应调制与编码（AMC）。即设备根据实时信道质量自动切换调制方式（如从16QAM降级到BPSK）。显著特征就是远离基站时适度提高发射功率，靠近基站时降低功率以节省能耗。

---

如果我的内容对你有帮助，请 点赞 ， 评论 ， 收藏 。创作不易，大家的支持就是我坚持下去的动力！