物理媒介

介紹與物理媒體的分類🥝

?在互聯網中，數據（即比特）的傳輸依賴于多種物理媒介。這些媒介如同"高速公路"，決定了數據傳輸的速度、距離和穩定性。本節來解析物理媒介的分類、特性及其實際應用。

?傳輸媒體分為兩大類：導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體。

• 導引型傳輸媒體：看得見的數字高速公路，通過實體介質（如銅線或光纖）引導電磁波的傳播，也就是電磁波沿固體介質傳播，通過邊界約束實現定向傳輸。抗干擾能力強、傳輸距離遠，但需鋪設物理線路。具有高帶寬、低干擾、安全性強的特點，常用于固定通信場景。主要有雙絞線，同軸電纜和光纖
• 非導引型傳輸媒體：無形的電磁波海洋，它利用電磁波（如無線電波、微波）在自由空間中傳播信號，特別適用于地理障礙多、布線困難或成本高昂的場景。主要有無線電波，微波等

成本考量

?雖然光纖、銅線等材料本身成本較低，但安裝成本卻是網絡建設的決定性因素。傳輸媒介的選擇常陷入"材料廉價，安裝昂貴"的悖論。

?公里光纖約1000，雙絞線約1000，雙絞線約100。而布線費用可能高達材料成本的10倍以上
?比如，1公里單模光纖約2000元，而鋪設所需的人工費可能超過5萬元（含管道開挖、熔接測試等）
因此，許多建筑商會在新建樓宇中預先鋪設多種媒介（如光纖+雙絞線+同軸電纜）
?采用"三網合一"布線，同時鋪設光纖（未來升級）、六類網線（當前使用）、同軸電纜（備用），初期成本增加30%，但避免5-10年后二次布線的百萬級開支

引導型傳輸媒體🍋

引導型傳輸媒體：雙絞線🍋?🟩

?雙絞線是最古老、應用最廣泛的導引型傳輸媒體之一。它由兩根互相絕緣的銅導線以規則的方式絞合而成，通過絞合結構減少電磁干擾，是電話系統和計算機網絡的基礎組件

• 絞合目的：當兩根導線以相同頻率反向絞合時，外部電磁干擾對兩根導線的影響會相互抵消，以此抵消電磁干擾
• 核心優勢：便宜，銅材質便宜，生產工藝成熟；線纜柔軟，適合復雜環境部署，方便布線；抗干擾能力強
• 傳輸特點：銅線直徑越大，電阻越小，信號衰減越慢，通信距離越遠。長距離布線需要放大器等設備來補償信號的衰減，或者用中繼器來對失真的信號進行整形

雙絞線類別

根據屏蔽方式和絞合密度，雙絞線可分為以下類型：

根據性能標準，雙絞線可分為以下類型：

雙絞線的發展歷程

?自1881年貝爾電話系統首次商用以來，雙絞線便承載著人類語音通信的使命。時至今日，全球超過99%的固定電話線路仍采用這種技術，而當計算機聯網需求興起時，雙絞線展現出驚人的適應性。

?雙絞線最核心的突破就是從撥號到DSL：1990年代前，雙絞線僅用于電話通信（撥號上網，速率≤56kbps）。而DSL技術通過頻分復用技術，在同一對線上傳輸語音（低頻）和數據（高頻），使住宅用戶接入速率可達30-100Mbps（用戶距離ISP中心局<3公里時）。利用現有電話線路實現了寬帶接入。

?盡管光纖在20世紀80年代興起時被認為將取代雙絞線，但后者憑借成本優勢和靈活性保持了生命力。

?2000年左右，谷歌就曾計劃在部分城市鋪設光纖到戶（FTTH），但因成本過高，最終在郊區采用雙絞線+DSL方案，實現80Mbps的互聯網接入。

雙絞線的物理限制

盡管雙絞線表現優異，但其仍有物理限制：

• 距離衰減：信號強度隨距離增加而下降。例如，Cat6在10Gbps模式下有效距離僅55米。
• 帶寬瓶頸：在超遠距離（>1公里）場景中，光纖仍不可替代（如跨城骨干網）。

引導型傳輸媒體：同軸電纜🍋?🟩

同軸電纜（Coaxial Cable）是一種由多層結構組成的導引型傳輸媒體，因其高抗干擾能力和大帶寬，曾在通信領域占據重要地位。

結構組成

同軸電纜的核心結構由四層組成：

• 內導體（銅芯線）單股實心銅線或絞合銅線，負責傳輸電信號。低電阻，減少信號衰減
• 絕緣層聚乙烯或發泡聚乙烯，包裹內導體。隔離內外導體，防止短路
• 外導體屏蔽層金屬網狀編織層（或單股銅線）。抑制外部電磁干擾（EMI），同時減少信號泄漏
• 保護套層（外護套）聚氯乙烯（PVC）或聚乙烯（PE）。物理防護，抵御機械損傷和環境侵蝕

?這種結構使同軸電纜具有高抗干擾能力和大帶寬，可穩定傳輸數百MHz甚至GHz級別的信號，為高速數據傳輸奠定基礎。同時，10Gbps速率下，優質同軸電纜可實現數百米傳輸，遠超普通雙絞線。

應用與特點

?同軸電纜最初被廣泛用于有線電視網絡，單根同軸電纜可同時傳輸上百個電視頻道，每個頻道占用特定頻段（如50-550MHz）。

?通過一個叫電纜調制解調器的設備，現代同軸電纜已升級為混合光纖同軸網絡（HFC），實現寬帶上網。

?同軸電纜的一個重要特點是共享式傳輸，其工作模式類似"信息高速公路"：
?多個終端設備（如電視、機頂盒、路由器）可直接接入同一根電纜，所有設備能同時接收其他設備發送的信號（廣播模式）；信號通過同軸電纜以模擬波形傳播，類似廣播電臺，用戶設備通過調諧器選擇特定頻段（如選臺），過濾不需要的信號。

?盡管同軸電纜在帶寬和抗干擾性上表現優異，但其共享介質特性也帶來潛在問題：

1. 帶寬競爭：當多用戶同時使用高速服務時，可能出現網絡擁堵
2. 安全風險：同一電纜上的設備理論上可"竊聽"其他設備的通信（需依賴加密技術保障安全）

?同軸電纜憑借其結構緊湊、抗干擾強和共享傳輸的特性，成為有線電視和寬帶互聯網的重要基石。
?盡管光纖技術不斷進步，正逐步取代傳統同軸網絡。但是同軸電纜在短距離、中等帶寬需求的場景（如家庭網絡、企業局域網）中仍具有不可替代的經濟性和實用性。

發展歷程

?在局域網（LAN）發展的早期（1980-1990年代），同軸電纜是主流傳輸介質。

?但是，隨著我們對于網絡需求的日益旺盛，同軸電纜因布線復雜、價格高。且難以適應現代網絡的頻繁拓撲變化等各種原因所慢慢被商業公司淘汰。又因為雙絞線的快速進步（Cat5/Cat6雙絞線通過優化絞合和屏蔽，支持更高速率（千兆甚至萬兆）），加劇了其淘汰的速度。

?盡管在局域網中退居二線，同軸電纜仍因其超大帶寬在有線電視網絡（同時傳輸數百個電視頻道）和寬帶的接入中不可替代。尤其在需要抗核電磁脈沖以及用于雷達和到導航的軍工行業中地位牢固。

引導型傳輸媒體：光纖🍋?🟩

光纖通信指利用光導纖維傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖表示1，無光脈沖表示0。

光纖的結構與傳輸原理

光纖由石英玻璃拉制而成，主要由兩層結構組成：

• 纖芯（Core）：直徑僅8~100 μm（比頭發絲還細），是光脈沖的傳輸通道。折射率較高，使光線在其中發生全反射

• 包層（Cladding）：包裹纖芯，折射率低于纖芯

?通過全反射原理將光線“困”在纖芯中傳輸光線從高折射率（纖芯）進入低折射率（包層）時，若入射角大于臨界角，光線將完全反射回纖芯，實現長距離傳輸。

原理圖解：

選擇光信號的原因

為什么我們選擇了光信號呢？
?首先是頻率夠高，可見光的頻率約為10? MHz（即100 THz），遠高于無線電波，因此光纖的帶寬極大。
其次，現代工藝制造的光纖可在數公里內幾乎無信號衰減，傳輸幾乎無損耗。

光纖的工作流程

光纖的工作流程就是：
?首先，發送端使用發光二極管（LED）或半導體激光器將電信號轉換為光脈沖，光脈沖通過光纖中的纖芯傳導，最后接收端的光電二極管將光脈沖還原為電信號。

光纖的類型及特性

光纖的優缺點及應用場景

光纖的核心優點包括：

1. 超高速傳輸
2. 超長傳輸距離
3. 抗干擾王者
4. 安全堡壘

?它最大的問題就是制造成本，單模光纖的激光器和精密制造工藝仍較昂貴，但隨著技術進步，成本逐年下降。

?光纖一般都應用于一些大型項目，比如跨洋通信，數據中心，或者我們的基站與核心網之間通過光纖組成環形網絡，保障低時延信號傳輸。
?但是在短距離場景（如家庭接入）仍面臨挑戰，這個挑戰主要來自于成本。其實在前面講到過，一方面是設備成本過高，將電信號轉換為光信號的激光器（如DFB激光器）單價遠高于銅纜網口芯片，大概是100~200倍左右。且施工難度很大。在家庭布線中需額外保護，施工復雜度是超五類網線的3倍以上。所以部署過程中產生的設備成本和人工成本也高。

非引導型傳輸媒體🍋

介紹

利用無線電波在自由空間中的傳播 實現無線通信。

?電磁波的頻譜中，紫外線，x射線，γ射線（伽馬射線）波段目前還不能用于通信，因為這些波很難產生和調制，穿透障礙物的能力也很弱并且對生物有害。頻率非常低的波段（30KHz以下）一般也不用于通信。

非引導型傳輸媒體：無線電波🍋?🟩

?無線電波具有較強的穿透能力，可以傳輸很長的距離，應用廣泛。
?我們一直在說低頻高頻，那它到底都有哪些特性呢？

不同頻段的特性

• 低頻段 ：（如LF），波長長，穿透力強，穿透建筑物能力強，但帶寬小，適合地下或水下通信。但是需超大天線（如數公里長的線圈），成本高
• 高頻段：（如EHF），帶寬極大（THz級別），但信號衰減快，需密集基站部署。但是設備復雜度增加（如5G毫米波基站需相控陣天線）

波段劃分及用途

傳播方式

• 在LF和MF波段，無線電波主要以地面波的形式沿著地面傳播，
• 在HF和VHF波段，地面波會被地表吸收，無線電波主要依靠電離層的反射再回到地球表面，

?電離層的不穩定所產生的衰落現象和電離層反射所產生的多徑效應，會嚴重影響通信質量。因此，當必須使用短波無線電臺傳送數據時，一般都是低速傳輸，速率為一個標準模擬話路傳輸幾十至幾百比特/秒。只有在采用復雜的調制解調技術后，傳輸速率才能達到幾千比特/秒。

非引導型傳輸媒體：微波🍋?🟩

?微波通信因其高帶寬和低延遲特性，成為無線通信的重要支柱。它廣泛應用于移動通信（如5G基站）、衛星通信和高速數據回傳等領域。

?微波在空間主要是直線傳播。由于微波會穿透電離層而進入宇宙空間，因此它不像HF和VHF波段的無線電波樣，可以經電離層反射傳播到地面上很遠的地方。

?傳統的微波通信主要有兩種方式:地面微波接力通信和衛星通信

地面微波接力通信

?微波沿是直線傳播，無法繞過障礙物（如建筑物、山體），而又由于地球表面是曲面，所以微波的視距傳播距離受限。在無遮擋情況下，最大通信距離約50KM，若基站天線架設在100米高的塔上，通信距離可擴展至100KM。

為了利用微波實現遠距離通信，必須在一條微波通信信道的兩個終端之間，建立若干個中繼站。中繼站把前一站送來的信號放大后再轉發到下一站，稱為“接力”。

• 缺點：多徑效應，視距限制等
• 優點：超大容量通道，抗干擾能力強，建設成本低廉，快速部署能力。

衛星通信

?衛星通信本質上是微波接力的空間延伸，使用約3.6萬公里高空的同步地球衛星作為中繼器。

• 優點：全球覆蓋能力，距離無關成本，天然中繼特性
• 缺點：傳播時延，太陽干擾，初期發射成本高

?除了人造同步地球衛星，還可利用中、低軌道人造衛星建立通信系統。中、低軌道人造衛星相對于地球不是靜止的，而是不停地圍繞地球旋轉。目前，大容量、高功率、低軌道寬帶人造衛星已開始在空間部署，并構成了空間高速鏈路。由于低軌道衛星離地球很近，因此可將地面用戶通信設備做得比較小，可以輕便手持進行通信。

?低軌道衛星（LEO） 高度僅2000公里以下，信號傳播延遲顯著降低（約20~40 ms）。且衛星不停繞地球旋轉，需通過星座組網（如數百顆衛星）實現連續覆蓋。典型項目：Starlink（星鏈），鴻雁星座（中國）

其他非引導型傳輸媒體🍋?🟩

?可以利用紅外線，激光，可見光等進行通信。

?要使用某一波段無線電頻譜進行通信，通常必須得到本國政府無線電頻譜管理機構的相關許可證。
例如：我國的無線電頻譜管理機構是工信部無線電管理局(國家無線電辦公室)、美國的無線電頻譜管理機構是聯邦通信委員會(FederalCommunications Commission,FCC)。

?也有一些無線電頻段是可以自由使用的，但需遵守功率限制，稱為ISM頻段。ISM是Industrial、Scientific、 Medical(工業、科學與醫藥)的英文縮寫詞。典型頻段：

• 2.4 GHz（Wi-Fi 802.11b/g/n）
• 5.8 GHz（Wi-Fi 802.11a/ac）
• 900 MHz（物聯網、遙控設備）

?ISM頻段目前的問題是標準化問題，各國ISM頻段略有差異（如歐洲允許5.8 GHz，美國擴展至6 GHz）。且多個設備同時使用該頻段的話，需通過協議（如CSMA/CA）避免沖突，防止互相干擾。

無線通信中的誤碼率控制

?在無線通信中，誤碼率（Bit Error Rate, BER）是衡量數據傳輸質量的關鍵指標。它表示在傳輸過程中錯誤比特數占總傳輸比特數的比例。為了保證通信可靠性，必須將誤碼率控制在可接受的范圍內（通常為10??至10??）。

信噪比與誤碼率

?信噪比（SNR）是信號功率與噪聲功率的比值，單位為分貝（dB）。他們之間的基本規律就是信噪比越高，誤碼率越低。因此，這時我們就要開始權衡技術的使用了。我們可以提高發射功率，增強信號強度，但會導致電池壽命縮短、設備發熱甚至干擾鄰近設備。我們可以降低噪聲，通過濾波器或編碼技術減少干擾，但可能犧牲帶寬效率。怎么才能達到一個平衡值，這就是那些設計工程師需要考慮的問題了。

數據率與誤碼率

?調制技術決定了數據傳輸速率和抗干擾能力。在相同信噪比下，數據率 越高或調制階數越高的技術，誤碼率越低。在低數據率調制（如BPSK）下，信號簡單（僅兩種狀態），抗干擾能力強，誤碼率極低。但是數據率很低。在高數據率調制（如16QAM）下，信號狀態多（16種），數據率高（如4 Mbit/s），但是信號間間隔小，易受噪聲干擾，誤碼率顯著升高。
所以，高數據率調制需要更高的信噪比作為代價，設計時需根據環境選擇合適的調制方式

移動性對信道的“動態挑戰”
?移動用戶的通信場景會引發信道特性的頻繁變化，因?為距離的不確定和多徑效應的影響，信噪比和誤碼率隨之波動，可能突然惡化（如進入電梯）。這時候，針對這個情況，出現了自適應調制與編碼（AMC）。即設備根據實時信道質量自動切換調制方式（如從16QAM降級到BPSK）。顯著特征就是遠離基站時適度提高發射功率，靠近基站時降低功率以節省能耗。

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