《计网之物理层 二》
物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体，（这里的“导引型”的英文是guided，也可译为“导向传输媒体”）。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固定媒体（铜线或光纤）传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间，在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。图2-5是电信领域的电磁波的频谱。
导引型传输媒体
1、双绞线
双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线链接到电话交换机。这段从用户电话机到电话交换机的双绞线称为用户线或用户环路(subscriberloop)。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上保护套。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟信号），或者加上中继器以便对于真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。由于双绞线的价格便宜且性能不错，因此使用十分广泛。
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP（Shielded Twisted Pair）。它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）要贵一些。图2-6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。
2、同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成（图2-7）。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进行，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。目前，同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。
3、光缆
从20世纪70年代到现在，通信和计算机都发展得非常快。据统计，计算机的运行速度大约每10年提高10倍。但在通信领域里，信息的传输速率则提高得更快，从20世纪70年代的56kbit/s提高到现在的100Gbit/s（使用光纤通信技术），并且这个速率还在继续提高。因此光纤通信就成为现代通信技术的一个十分重要的领域。
光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10^8MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 ~ 100μm（1μm = 10^-6m）。光波正是通过纤芯进行传到的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角（图 2-8）。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。
图 2-9 画出了光波在纤芯中的传播的示意图。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光纤在纤芯中传输数公里而基本上没有什么衰耗。这一点乃是光纤通信得到飞速发展的最关键因素。
图 2-9 中只画了一条光线。实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤（图 2-10(a)）。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适合于近距离传输。若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤（图 2-10(b)）。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本比较高。同时单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的衰耗较小，在100Gbit/s的高速率下可传输100公里而不必采用中继器。
在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于850nm，1300nm 和 1550nm。后两种情况的衰减都较小。850nm 波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好。所有这三个波段都具有25000 ~ 30000GHz的带宽，可见光纤的通信容量非常大。
由于光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2mm。因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几公斤， 完全可以满足工程施工的强度要求。图 2-11为四芯光缆剖面的示意图。
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
- 抗雷电和电磁干扰性能好，这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
- 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
- 体积小，重量轻。这在现有的电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。例如，1km长的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度但容量大得多的一对双芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地链接起来，需要使用专用设备。
由于生产工艺的进步，光纤的价格不断降低，因此现在已经非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中，因为它提供了很高的带宽，而且性价比很高。在高速局域网中也使用得很多。
最后要提一下，在导引型传输媒体中，还有一种是架空明线（铜线或铁线）。这是在20世纪初就已大量使用的方法——在电线杆上架设的互相绝缘的明线。架空明线安装简单，但通信质量差，受气候环境等影响较大。在许多国家现在都已停止了铺设架空明线。目前在我国的一些农村和边远地区的通信仍使用架空明线。
非引导型传输媒体
前面介绍了三种导引型传输媒体。但是，若通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。但利用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种通信。由于这种通信方式不使用上一节所介绍的各种引导型传输媒体，因此就将自由空间称为“非引导型传输媒体”。
特别要指出的是，由于信息技术的发展，社会各方面的节奏变快了。人们不仅要求能够在运动中进行电话通信（即移动电话通信），而且还要求能够在运动中进行计算机数据通信（俗称上网）。因此在最近十几年无线通信发展得特别快，因为利用无线信道进行信息的传输，是在运动中通信的唯一手段。
无线传输可使用的频道很广。从前面给出的图2-5可以看出，人们现在已经利用了好几个波段进行通信。紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。图2-5的最下面一行还给出了ITU对波段取的正式名称。例如，LF波段的波长是从1km到10km（对应于30kHz ~ 300kHz）。LF，MF和HF的中文名字分别是低频、中频（300kHz ~ 3MHz）和高频（3Mhz ~30Mhz），最高的一个频段中的T是Tremendously，目前尚无标准译名。在低频LF的下面其实还有几个更低的频段，如甚低频VLF、特低频ULF、超低频SLF和极低频ELF等，因不用于一般的通信，故未画在图中。
短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射。但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（就是同一个信号经过不同的反射路径到达同一个接收点，但各反射路径的衰减或时延都不同，使得最后得到的合成信号失真河大），使得短波信道的通信质量较差。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，即速率为一个标准模拟话路传几十到几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒。
无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz ~ 300GHz（波长1m ~ 1mm），但主要使用2 ~ 40Ghz的频率范围。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，因此它不像短波那样可以经过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，即地面微波接力通信和微信通信。
由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100km。为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。中继站把前一站传来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。大多数长途电话业务使用4 ~ 6GHz的频率范围。
微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：
- 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
- 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低很多，对微波通信的危害比对短波和米波（即甚高频）通信小得多，因而微波传输质量较高。
- 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
当然，微波接力通信也存在如下的一些缺点：
- 相邻站之间必须直视（常称为视距LOS（Line of Sight）），不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
- 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
- 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
- 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。
常用的微信通信方法是在地球之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步卫星作为中继器的一种微波接力通信。对地静止通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。可见卫星通信的主要优缺点大体上应当和地面微波通信差不多。
卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步地球卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1万8千公里，面积约占全球的三分之一。只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。
和微波接力通信相似，卫星通信的频带很宽，通信容量也很大，信号所受到的干扰也比较小，通信比较稳定。为了避免产生干扰，卫星之间如果相隔不小于2度，那么整个赤道上空只能放置180个同步卫星。好在人们想出来可以在卫星上使用不同的频段来进行通信。因此总的通信容量资源还是很大的。
卫星通信的另一个特点就是具有较大的传播时延。由于各种地球站的天线仰角并不相同，因此不管两个地球站之间的地面距离是多少（相隔一条街或相隔上网公里），从一个地球站经卫星到另一个地球站的传播时延一在250 ~ 300ms之间，一般可取为270ms。这和其他的通信有较大差别（请注意：这和两个地球站之间的距离没有什么关系）。对比之下，地球微波接力通信链路的传播时延一般取为3.3μs/km。
请注意，“卫星信道的传播时延比较大”并不等于“用卫星信道传送数据的时延较大”。这是因为传送数据的总时延除了传播时延之外，还有发送时延、处理时延和排队时延等部分。传播时延在总时延中所占的比例有多大，取决于具体情况。但利用卫星信道进行交互式的网上游戏显然是不合适的。
在十分偏远的地方，或在离大陆很远的海洋中，要进行通信就几乎完全要依赖于卫星通信。卫星通信还非常适合于广播通信，因为它的覆盖面很广。但从安全方面考虑，卫星通信系统的保密性则相对较差。
通信卫星本身和发射卫星的火箭造价都较高。受电源和元器件寿命的限制，同步卫星的使用寿命一般为10 ~ 15年。卫星地球站的技术较复杂，价格还比较贵。这就使得卫星通信的费用较高。
除上述的同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始使用。低轨道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，大功率、大容量、低轨道宽带卫星已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。由于低轨道的卫星离地球很近，因此轻便的手持通信设备都能够利用卫星进行通信。
从20世纪90年代起，无线移动通信和互联网一样，得到了飞速的发展。于此同时，使用无线信道的计算机局域网也获得了越来越广泛的应用。我们知道，要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的（只要不干扰他人在这个频道中的通信），这正好满足计算机无线局域网的需求。图2-12给出了美国的ISM频段，现在的无线局域网就使用其中的2.4GHz和5.8GHz频段。ISM是Industrial，Scientific，and Medical（工业、科学和医学）的缩写，即所谓的“工、科、医频段”。各国的ISM标准有可能略有区别。
红外通信、激光通信也使用非导引型媒体。可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据。
参考文献：计算机网络