七、网络传输介质

传输介质是网络中连接收发双方的物理通道，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：

①双绞线

②同轴电缆

③光纤电缆

④无线与卫星通信信道

（一）双绞线的主要特性

无论对于模拟信号还是数字信号，也无论对于广域网还是局域网，双绞线都是最常用的传输介质。

1.物理特性

双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。局域网中所使用的双绞线分为两类：屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。

屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。非屏蔽双绞线由外部保护层与多对双绞线组成。

2.传输特性

在局域网中常用的双绞线根据传输特性可以分为五类。在典型的Ethernet网中，常用第三类、第四类与第五类非屏蔽双绞线，通常简称为三类线、四类线与五类线。其中，三类线带宽为16MHZ，适用于语音及10Mbps以下的数据传输；五类线带宽为100MHZ，适用于语音及100Mbps的高速数据传输。

3.连通性

双绞线既可用于点对点连接，也可用于多点连接。

4.地理范围

双绞线用做远程中继线时，最大距离可达15公里；用于10Mbps局域网时，与集线器的距离最大为100m。

5.抗干扰性

双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。

6.价格

双绞线的价格低于其他传输介质，并且安装、维护方便。

（二）同轴电缆的主要特性

同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一。

1.物理特性

同轴电缆是由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层组成。同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数与机械尺寸决定。

2.传输特性

根据同轴电缆的带宽不同，它可以分为两类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。

基带同轴电缆一般仅用于数字信号的传输。宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法，将一条宽带同轴电缆的频带划分成多条通信信道，使用各种调制方式，支持多路传输。宽带同轴电缆也可以只用于一条通信信道的高速数字通信，此时称之为单信道宽带。

3.连通性

同轴电缆既支持点对点连接，也支持多点连接。基带同轴电缆可支持数百台设备的连接，而宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接。

4.地理范围

基带同轴电缆使用的最大距离限制在几公里范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里左右。

5.抗干扰性

同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。

6.价格

同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间，使用与维护方便。

（三）光纤的主要特性

光纤电缆简称为光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。

1.物理描述

光纤是一种直径为50μm～100μm的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。

2.传输特性

光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光纤传输速率可以达到几千Mbps。

光纤传输分为单模与多模两类。所谓单模光纤，是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光线传输。所谓多模光纤，是指光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。单模光纤的性能优于多模光纤。

3.连通性

光纤最普遍的连接方法是点对点方式，在某些实验系统中，也可以采用多点连接方式。

4.地理范围

光纤信号衰减极小，它可以在6km～8km公里的距离内，在不使用中继器的情况下，实现高速率的数据传输。

5.抗干扰性

光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速率的传输中保持低误码率。光纤传输的安全性与保密性极好。

6.价格

光纤价格高于同轴电缆与双绞线。

由于光纤具有低损耗、宽频带、高数据传输速率、低误码率与安全保密性好的特点，因此是一种最有前途的传输介质。

（四）无线与卫星通信

1.电磁波谱与通信类型

描述电磁波的参数有三个：波长、频率与光速。

它们三者之间的关系为：

λ ∗ f ＝C

其中，光速C为3∗10 ⁸ m／s，频率 f 的单位为Hz。

电磁波的传播有两种方式：一种是在自由空间中传播，即通过无线方式传播；另一种是在有限制的空间区域内传播，即通过有线方式传播。用同轴电缆、双绞线、光纤传输电磁波的方式属于有线方式传播。在同轴电缆中，电磁波传播的速度大约等于光速的2／3。

移动物体之间的通信只能依靠无线通信手段，主要有以下几种：无线通信系统、微波通信系统、蜂窝移动通信系统、卫星移动通信系统。

实际应用的移动通信系统主要包括：蜂窝移动通信系统、无线电话系统、无线寻呼系统。无线本地环路与卫星移动通信系统。

2.无线通信

无线通信所使用的频段覆盖从低频到特高频。其中，调频无线电通信使用中波MF，调频无线电广播使用甚高频，电视广播使用甚高频到特高频。国际通信组织对各个频段都规定了特定的服务。以高频HF为例，它在频率上从3MHZ到30MHZ，被划分成多个特定的频段，分别分配给移动通信（空中、海洋与陆地）、广播、无线电导航、业余电台、宇宙通信等方面。

高频无线电信号由天线发出后，沿两条路径在空间传播。其中，地波沿地表面传播，天波则在地球与地球电离层之间来回反射。高频与甚高频通信方式很类似，它们的缺点是：易受天气等因素的影响，信号幅度变化较大，容易被干扰。它们的优点是：技术成熟，应用广泛，能用较小的发射功率传输较远的距离。

3.微波通信

在电磁波谱中，频率在100MHz-10GHz的信号叫做微波信号，它们对应的信号波长为3m-3cm。微波信号传输的特点是：

只能进行视距传播。因为微波信号没有绕射功能，所以两个微波天线只能在可视，即中间无物体遮挡的情况下才能正常接收。

大气对微波信号的吸收与散射影响较大。由于微波信号波长较短，因此利用机械尺寸相对较小的抛物面天线，就可以将微波信号能量集中在一个很小的波束内发送出去，这样就可以用很小的发射功率来进行远距离通信。同时，由于微波频率很高，因此可以获得较大的通信带宽，特别适用于卫星通信与城市建筑物之间的通信。

由于微波天线的高度方向性，因此在地面一般采用点对点方式通信。如果距离较远，可采用微波接力的方式作为城市之间的电话中继干线。在卫星通信中，微波通信也可以用于多点通信。

4.蜂窝无线通信

美国的贝尔实验室最早在1947年就提出了蜂窝无线移动通信（Cellular Radio Mobile Communication）的概念，1958年向美国联邦通信委员会FCC提出了建议，1977年完成了可行性技术论证，1978年完成了芝加哥先进移动电话系统AMPS（Advanced Mobile Phone System）的试验，并且在1983年正式投入运营。由于微电子学与VLSI技术的发展，促进了蜂窝移动通信的迅速发展。

早期的移动通信系统采用大区制的强覆盖区，即建立一个无线电台基站，架设很高的天线塔（一般高于30m），使用很大的发射功率（一般在50W-200W），覆盖范围可以达到30km-50km。大区制的优点是结构简单，不需要交换，但频道数量较少，覆盖范围有限。为了提高覆盖区域的系统容量与充分利用频率资源，人们提出了小区制的概念。

如果将一个大区制覆盖的区域划分成多个小区，每个小区（cell）中设立一个基站（BS），通过基站在用户的移动台（MS）之间建立通信。小区覆盖的半径较小，一般为1km-20km，因此可以用较小的发射功率实现双向通信。如果每个基站提供一到几个频道，可容纳的移动用户数就可以有几十到几百个。这样，由多个小区构成的通信系统的总容量将大大提高。由若干小区构成的覆盖区叫做区群。由于区群的结构酷似蜂窝，因此人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统。在每个小区设立一个（或多个）基站，它与若干个移动站建立无线通信链路。区群中各小区的基站之间可以通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心（MSC）连接。移动交换中心通过PCM电路与市话交换局连接，从而构成了一个完整的蜂窝移动通信的网络结构。

第一代蜂窝移动通信是模拟方式，这是指用户的语音信息的传输以模拟语音方式出现的。第二代蜂窝移动通信是数字方式。数字方式涉及语音信号的数字化与数字信息的处理、传输问题。目前人们正在研究和开发第三代移动通信产品。

5.卫星通信

在1945年，英国人阿塞C.克拉克提出了利用卫星进行通信的设想。1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星Sputnik，使人们看到了实现卫星通信的希望。1962年，美国成功的发射了第一颗通信卫星Telsat，试验了横跨大西洋的电话和电视传输。由于卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽宽、可进行多址通信与移动通信的优点，因此它在最近的30多年里获得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手段之一。

图2-6是一个简单的卫星通信系统示意图，表示通过卫星微波形成的点对点通信线路，它是由两个地球站（发送站、接收站）与一颗通信卫星组成的。卫星上可以有多个转发器，它的作用是接收、放大与发送信息。目前，一般是12个转发器拥有一个36MHz带宽的信道，不同的转发器使用不同的频率。地面发送站使用上行链路（uplink）向通信卫星发射微波信号。卫星起到一个中继器的作用，它接收通过上行链路发送来的微波信号，经过放大后再使用下行链路（downlink）发送回地面接收站。由于上行链路与下行链路使用的频率不同，因此可以将发送信号与接收信号区分出来。

使用卫星通信时，需要注意到它的传输延时。由于发送站要通过卫星转发信号到接收站，如果从地面发送到卫星的信号传输时间为Δt，不考虑转发中处理时间，那么从信号发送到接收的延迟时间为2Δt。Δt值取决于卫星距地面的高度，一般Δt值在250ms-300ms，典型值为270ms。这样的话，传输延迟的典型值为540ms，这个数值在设计卫星数据通信系统时是一个重要参数。

卫星移动通信系统将形成一个空间的通信于网，它的通信功能将实现OST参考模型中的物理层、数据链路层与网络层。全世界已经出台的十几个利用小卫星组成中、低轨道卫星移动通信系统的方案，将是实现21世纪个人通信与信息高速公路最有前途的通信手段之一，它也将对计算机网络技术的发展产生重要的影响。 U3AXu3ctfY8eB7u8jVCPdly5dOMsINXfK/fAUonvO8W4di8GjejzXCTlvP+z4qHm