传输媒体

传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒介，并不包含在计算机网络体系结构中，处于物理层之下。

传输媒体可分为导向型媒体/有线传输媒体（固体媒体）和非导向型媒体/无线传输媒体（自由空间）

每种传输媒体都具有不同的特点和适用性。选择适合的传输媒体取决于网络需求、传输距离、带宽需求、抗干扰能力和成本等因素。在实际网络中，通常会使用不同的传输媒体来满足不同的需求，例如在局域网中使用双绞线或光纤，而在无线通信中使用无线电波或微波。

导向性媒体

电磁波在导向性媒体中被导向沿着固体媒体传播。

同轴电缆

同轴电缆（Coaxial Cable）：同轴电缆由中心（内）导体、绝缘层、金属屏蔽层以及外部保护层组成。它具有很好的抗干扰性，常用于高速率数据传输，传输高频信号，例如电视信号和有线电视网络。

同轴电缆一般分为两类：

• 基带同轴电缆（$50\Omega$）：用于数字传输，在早期局域网中广泛使用。

• 宽带同轴电缆（$75\Omega$）：用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。

双绞线

双绞线（Twisted Pair）：双绞线是一对绝缘的铜线，按照特定的绞合方式排列，可以分为不同的种类，如无屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）（在双绞线的绝缘保护套内包裹一层用金属丝编织成的屏蔽层）。双绞线常用于以太网中的传输媒介。

绞合的作用是减少相邻导线间的电磁干扰、抵御部分来自外界的电磁干扰

由于同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便。随着技术的发展和集线器的出现在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体

光纤

光纤（Fiber Optic）：光纤是一种由光导纤维（由纤芯和包层构成）组成的双层通信圆柱体传输媒体，由于它的高带宽和低损耗特性，逐渐取代了传统的铜缆。光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。

由于可见光的频率非常高(约为 $10^{9}MHz$ 量级)因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。由于光纤非常细，在实际应用中，必须把光纤制成光缆。

光纤可以进行长距离的高速数据传输，常用于局域网、广域网以及光通信领域。

光纤分类

光纤分为多模光纤和单模光纤：

• 多条光波在多模光纤中不断地全反射，只适合于建筑物内的近距离传输

• 光在单模光纤中一直向前传播，适合长距离传输且衰减更小。单模光纤对光源的要求比多模光纤要高，成本较高。

中心波长

在光纤通信中，常用的三个光波波段的中心波长为：

• 850nm：衰减较大，但其它特性较好
• 1300nm：衰减较小
• 1550nm：衰减较小

三个中心波长均具有 25,000 ~ 30,000 GHz 的带宽，通信容量较大。

光纤规格

常用的光纤规格（纤芯直径/包层直径）：

• 单模光纤：$8/125\mu m$，$9/125\mu m$，$10/125\mu m$

• 多模光纤：$50/125\mu m$（欧洲标准），$62.5/125\mu m$（美国标准）

典型光纤的传输速率和传输距离的关系：

光纤的优缺点

优点：

1. 高带宽：光纤具有极高的传输带宽，能够支持大容量的数据传输。光纤的传输速度可以达到数十到数百Gbps，甚至更高，满足了现代高速数据传输的需求。

2. 长传输距离：相比铜线传输，光纤的传输距离更长。由于光信号的传输是通过光纤内部的光反射来实现的，因此光纤传输不受电阻、电磁干扰和信号衰减的限制。光纤可以实现数十公里甚至数百公里的长距离传输，而不需增加信号衰减补偿设备。

3. 低损耗：光纤传输中，光信号在纤芯内进行反射传输，几乎没有能量损失。相比之下，铜线传输中，随着传输距离的增加，电信号会存在较大的衰减和信号失真。

4. 抗雷电、电磁干扰：光纤不受电磁干扰的影响，因为光信号并不受电磁场的影响。这就能够使光纤在高电磁干扰环境中保持较高的传输质量。

5. 安全性：由于光信号在光纤内部传输，无串音干扰，无线电波无法截取、监听或窃听。光纤的数据传输相对安全，提供了更高的数据保密性和安全性。

6. 尺寸轻巧、重量轻：光纤相较于电缆铜线更薄小，占据空间较少，便于布线和安装。

7. 耐腐蚀性：光纤的材质通常是无腐蚀性的，可以用于在化学腐蚀或恶劣环境下进行数据传输。

8. 长寿命：光纤的使用寿命相对长，因为纤维材料不会像铜线那样因氧化或电蚀而退化。

缺点：

1. 割接光纤需要较贵的专用设备

2. 目前光电接口还比较昂贵

非导向性媒体

电磁波在非导向型媒体中的传输常称为无线电波传输

频率在 $10^4-10^{15}Hz$ 左右的电磁波可通过调制波的振幅、频率或相位来传输信息。

我国的无线电频谱管理机构为工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室）

ISM 频段

ISM（Industrial，Scientific，and Medical）频段，为可自由使用的无线电频段，不同国家的 ISM 频段可能有所不同。

美国的 ISM 频段

无线电波

无线电波（Radio Waves）：通过调制和解调来传输数据，常见的无线通信技术包括 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、移动通信等。

微波

微波（Microwaves）：微波是一种高频电磁波，在空间主要是直线传播，常用于点对点的长距离通信，例如卫星通信和微波无线电链路。为实现微波的远距离通信，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。中继站把前一站的信号放大后转发到下一站（接力）。

还可通过同步地球卫星、中低轨道人造卫星实现微波通信

激光

激光（Laser）：激光是一种高度聚焦的光束，通过光的衍射和反射来传输数据，按传输媒体的不同，可分为大气激光通信和光纤通信

红外线

红外线（Infrared Ray）：一种利用红外线光波进行数据传输的无线传输媒体。在红外线传输中，数据通过编码成红外线光信号，并通过发射器将光信号发送出去，接收器则通过接收红外线光信号来解码数据，进行点对点的无线传输。

红外线的传输速率较低，通常为 $4Mb/s-16Mb/s$

红外线有一些局限性。环境中存在强光、阳光的干扰会影响红外线传输的效果，并且红外线信号需要一个直视的路径传输，不能通过墙壁或其他实体障碍物进行传输。

可见光

可见光：可见光传输是一种利用可见光频段进行数据传输的通信方式。通常用于室内环境，利用灯光或显示屏等光源作为传输媒介，利用接收器接收光信号。

特点：

• 高带宽：可见光传输具有较高的带宽，能够支持高速数据传输需求，适用于传输多媒体内容、高清视频等大容量数据。

• 安全性：可见光传输是一种定向传输方式，光信号需要在发送和接收设备之间建立一个直视的光线路径，因此相对较难被窃听。

• 室内应用：可见光传输通常用于室内环境，利用灯光或显示屏等光源作为传输媒介，利用接收器接收光信号。

常见的可见光技术包括：

• 可见光通信（Visible Light Communication，VLC）：可见光传输可用于实现室内的无线通信，例如在办公室、医院、公共场所等地方利用照明设备来传输数据，通过光信号进行数据传输和通信。

• Li-Fi技术：Li-Fi（Light Fidelity）利用可见光传输进行数据通信，通过 LED 灯泡等光源发送数据，接收设备则通过光接收器接收光信号。Li-Fi 技术具有高速、低延迟和抗干扰等特点，被认为是未来无线通信的一种潜在解决方案。

• 室内定位和导航：可见光传输还可以利用接收器接收从室内灯光等来源发出的光信号来实现室内定位和导航，类似于室内的GPS定位系统。

由于可见光传输需要建立可见光信号的直视路径，因此会受到物体遮挡和光线衰减等因素的影响。此外，可见光传输在室外环境或大范围覆盖的应用场景下受到限制。