4.2 无线传输介质
学习任务
（1）理解无线电波的特性及适用场合。
（2）理解微波的特性及适用场合。
（3）了解红外线通信的特点。
无线传输介质就是不使用金属导线或光纤进行电磁信号传递，通过大气传输电磁波来完成通信。自然界的声、热、光、电、磁都可以在空气中传播，至今人们认识的红外线、可见光、紫外线、X射线等本质上都是电磁波，只是其频率和波长不同，这就是电磁波谱，如图4-13所示。电磁波按频率从低到高可分为无线电、微波和红外线。人们利用自然界的空气传输电磁波来完成通信任务，称为无线通信。无线通信主要使用的频段为104～1016Hz，即无线网络传输主要使用无线电、微波、红外线与可见光。地球上的大气层为大部分无线传输提供了物理通道，就是常说的无线传输介质，也叫非导向传输介质。目前，无线传输介质已成为家庭网络的首选介质，无线连接在企业网络中也受到大家的广泛欢迎。这是因为利用无线信道进行信息的传输是运动中通信的有效手段。
图4-13 电信领域使用的电磁波谱
4.2.1 无线电
知识点
无线电通信：长波、中波、短波和超短波。
利用无线电波传输信息的通信方式即称为无线电通信。无线电通信在无线广播和有线广播中已经广泛使用，如收音机。使用的主要频段为30KHz～300MHz的无线电波。国际电信联盟的ITU-R已经将无线电波划分为若干个波段，低频段（30KHz～300KHz，也称长波）、中频段（300KHz～3MHz，也称中波）、高频段（3MHz～30MHz，也称短波）、甚高频段（30MHz～300MHz，也称超短波）、超高频段（300MHz～3GHz）和特高频段（3GHz～30GHz），其中后面两种频段使用的频率范围已经是微波的范围，也称微波。
在低频和中频波段内，无线电波沿地面向四周传播，但能量随着信号源传播距离的增大而急剧减小，因而可以沿着地球表面传播，但距离有限。
长波主要沿地球表面进行传播（又称地波），也可在地面与电离层之间形成的波导中传播，传播距离可达几千千米甚至上万千米。长波能穿透海水和土壤，因此多用于海上、水下、地下的长波通信与长波导航业务。
中波在白天主要依靠地面传播，夜间可由电离层反射传播。中波通信主要用于广播和导航业务。
短波主要靠电离层发射的天波传播，可经电离层一次或几次反射，传播距离可达几千公里甚至上万公里。短波通信适用于应急信号传播、抗灾通信和远距离越洋通信。
提示
电离层的不稳定性会使无线电波产生衰落现象，且电离层反射将产生“多径效应”。多径效应是指同一信号经不同反射路径到达同一个接收点，因其强度和时延不同，使最后得到的信号失真严重，传输质量比较差，一般用于几十到几百bit/s的低速传输。
超短波对电离层的穿透力强，主要以直线视距方式传播，比短波中天波传播方式稳定性高，受季节和昼夜变化的影响小。由于频带较宽，超短波通信被广泛应用于传送电视、调频广播、雷达、导航、移动通信等业务。目前，大部分的无线网络都采用无线电波作为传输介质，因为无线电波的传输距离较远，容易穿过障碍物，无线电波是全方位传播的。这样，无线电波的发射和接收装置不需要精确对准。
课堂同步
请举例说明无线电通信的应用。
4.2.2 微波
知识点
（1）微波通信。
（2）地面微波接力通信和卫星通信。
微波通信系统在远距离大容量的数据通信中占有极其重要的地位，微波的频率范围为300MHz～300GHz，但主要使用地面微波2GHz～40GHz的频率范围。相比低廉的无线电，微波的安装和维护成本很高，但传输速度比无线电传输要快。
微波在空间中是直线传播的。由于微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上距离很远的地方。微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。
（1）地面微波接力通信
由于地球表面是曲面，而微波在空气中以直线方式传播，易受高大建筑物或地形、地貌的影响，传播距离也受到限制，一般为30～50km。若将天线发射塔增高到100m，则距离可增大到100km。为实现远距离通信就必须在两个终端之间建立若干个中继站，并且两个中继站必须“直视”，中间不能有任何障碍物，中继站把前一站传输来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”，如图4-14所示。
图4-14 地面微波接力通信
地面微波接力通信主要有以下4个特点。
①地面微波接力通信与相同容量和长度的电缆载波通信相比，其建设投资少、见效快，易于跨越山区、江河。但大量的中继站的使用和维护需要一定的人力和物力等。
②相邻中继站之间必须直视，不能有任何障碍物。
③微波的传输有时也会受恶劣天气的影响。
④与有线通信相比，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
（2）卫星通信
在微波通信中，如果使用通信卫星作为中继站，就是卫星通信。通过卫星微波形成的点对点通信线路，是由两个地面站（发送站、接收站）与一颗通信卫星组成的，如图4-15（a）所示。
地球同步卫星通信是指，在地面站之间利用位于高空的人造地球同步卫星作为中继站的进行一种微波接力通信。卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，地球同步卫星发出的信号的电磁波可以覆盖地球表面的三分之一以上，只要在地球赤道上空的同步轨道上等距离放置3颗地球同步卫星，就能基本上实现全球通信，如图4-15（b）所示。
图4-15 卫星通信与地球同步卫星通信
提示
目前常用的卫星通信频段，上行频段为5.925～6.425GHz，下行频段为3.7～4.2GHz，频段的宽度都是500MHz。
卫星通信主要有以下3个特点。
① 通信距离远，卫星通信的频带比地面微波接力通信的频带更宽，通信容量更大。
② 受地质灾害影响小，信号所受的干扰较小，误码率低，通信比较稳定可靠。
③ 卫星通信的最大缺点是，一次性投资较大，传播延时较长。
卫星通信已成为现代通信的主要手段之一，其应用范围包括电话、电视、天气预报、军事通信等各种业务和数据传输。
实例
3G、4G和5G移动网络，以及卫星通信使用的是不同频率的微波通信。其中，5G属于高频微波通信，短距离的手机互联可使用蓝牙通信。
课堂同步
（1）请对比分析卫星通信和地面微波接力通信的特点。
（2）请查阅资料，说明什么是地球同步卫星。
4.2.3 红外线
知识点
红外通信。
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，又称为红外热辐射，是波长介于微波与可见光之间的电磁波，它在通信、探测、医疗、军事等方面有着广泛的应用。和微波通信一样，红外线也有很强的方向性，都是沿着直线传输，但是红外通信需要把传输的信号转换为红外光信号，才能直接在空间内沿直线传播。家用遥控器一般使用红外通信。相比其他无线传输技术，红外线设备的成本更低，不需要天线。红外通信有以下3个特点。
① 需要对接才能进行数据传输，安全性较强。
② 红外线通信设备体积小、重量轻、结构简单、价格低廉。
③ 短距离通信，功能单一，扩展性差，无法穿透墙体，一般在室内使用。
提示
无线电波（短波、超短波）类似电台或电视台广播采用调幅、调频或调相的载波，通信距离可达数十千米，这种通信方式速度较慢、保密性差、容易受到干扰、可靠性较差，一般不用于无线局域网。红外线由于易受天气影响，不具备穿透能力，在无线局域网中一般也不会使用。因此，微波是无线局域网通信传输中的最佳选择。