kp-006 传输媒体与信道复用 · 计算机网络学习站

注：本文基于模型知识整理，建议结合权威教材与 RFC 原文核对细节。

一句话定义

物理层的另一半问题是「信号走什么媒体」与「多路信号如何共用一条昂贵干线」：前者由双绞线、同轴电缆、光纤等引导型媒体与无线电波等非引导型媒体决定，后者由 FDM、TDM、STDM、WDM、CDMA 等复用技术回答。

为什么重要

干线铺设与频谱牌照都是天价资源，复用技术让一根光纤同时承载成千上万路通话和数据，是整个电信业的经济基础；媒体选型则直接决定链路的成本、距离与稳定性——长距离误用多模光纤、强电磁环境误用非屏蔽双绞线，都是真实项目里常见的翻车点。理解复用思想，也顺带解释了蜂窝频段划分、Wi-Fi 信道规划等无线系统的底层逻辑。

前置知识

建议先读 kp-005《信号、编码与信道容量极限》，需要带宽、码元、信噪比等概念。

核心概念

引导型媒体（guided media）：

双绞线（twisted pair）：两根绝缘铜线相互绞合以抵消干扰。常用非屏蔽双绞线 UTP（Unshielded Twisted Pair），按类别分档（五类、超五类、六类等），类别越高可用频率越高，是办公室局域网布线的主流，典型距离为百米量级。
同轴电缆（coaxial cable）：内芯外加屏蔽层，抗干扰优于双绞线；曾用于早期以太网，如今主要活跃在有线电视分配网。
光纤（optical fiber）：利用光的全反射传光，完全不受电磁干扰。单模光纤（single-mode）芯径极细（微米量级），用激光作光源，色散小、适合数十公里以上的长途干线，收发设备较贵；多模光纤（multimode）芯径粗（几十至上百微米量级），可用 LED 光源，收发便宜，但模间色散限制传输距离，适合楼宇与园区内部。

非引导型媒体（unguided media）：

无线电波：全向传播，低频段可绕射穿透，适合广播与蜂窝移动通信；
微波：沿直线视距传播，用于点对点接力链路与卫星通信，受雨雪等天气影响；
红外：短距离直线传播，无法穿墙。

无线频谱是稀缺资源，必须由各国无线电管理机构统一分配，这是频谱牌照与拍卖制度的由来。

复用（multiplexing）的动机：干线昂贵，必须让多路信号共享一条物理线路。

频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）：各路信号占用互不重叠的频带，如调频广播每个电台占一个频点，所有用户在时间上同时使用。
时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）：各路信号轮流占用整个信道的固定时隙，如传统电话干线把时间切成周期帧、每路话音占一个固定时隙。
统计时分复用 STDM（Statistical TDM）：TDM 的固有时隙在用户空闲时白白浪费，STDM 按需把时隙动态分给有数据的用户，代价是帧内必须携带地址信息、接收端要有缓冲，突发时可能排队。
波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）：光纤上的 FDM——不同波长的光在同一根光纤中并行传输，密集波分 DWDM 可在一根光纤上复用大量波长。
码分复用 CDMA（Code Division Multiplexing）：所有用户在同一频率、同一时间发送，靠相互正交的码片（chip）序列区分，如同一个房间里不同人各说一种语言，你只对「听得懂的语言」敏感。

图示

一条干线上复用 3 路信号 A、B、C：

FDM（按频率切分）                TDM（按时间切分）
频率                              时间
  ↑  ┌──── A ────┐                ↑  A B C A B C A B C
  │  ├──── B ────┤                │ ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐
  │  ├──── C ────┤                │ │A│B│C│A│B│C│A│B│C│
  └──────────────→ 时间           └─────────────────────→
   各占一段互不重叠的频带           每路固定占用一个时隙

STDM（按需分配时隙，B 空闲时其时间让给 A、C）：
   A C A A C A C    帧内需标注「这段数据属于谁」

WDM：不同波长的光并行 → 光纤上的 FDM
CDMA：同频同时发送，靠正交码片序列区分用户

原理与机制

复用的通用套路是发送端的复用器把多路低速率信号合成一路高速率干线信号，接收端的解复用器逆向拆分，双方必须就「如何切分」达成严格一致：FDM 靠频带划分并预留保护频带防止串扰；TDM 靠时钟同步保证时隙对齐；WDM 靠波长间隔与滤光器件区分各路；CDMA 靠码片序列的正交性——两个不同用户的码片序列逐位相乘再求和为零，因此接收端用约定码片做相关运算时，其他用户的信号自动抵消，只留下自己那一路（正交的直觉如此，数学推导超出本文范围）。

媒体选型是成本、距离、抗干扰、带宽潜力四者的权衡：铜缆便宜但距离短、易受干扰；光纤本身材料便宜且不受电磁干扰，贵在光电转换器件，距离越长综合优势越大；无线免布线但频谱受管制、易受干扰且天然共享介质。

媒体	典型距离量级	相对成本	抗干扰	典型场景
UTP 双绞线	百米量级	低	一般	办公室/家庭布线
同轴电缆	数百米至千米级	中	较好	有线电视分配网
多模光纤	数百米至两公里量级	中（收发器件便宜）	极好	楼宇/园区主干
单模光纤	数十公里以上	收发器件较贵	极好	城域/长途干线
无线电/微波	视距或更远	免布线	受天气与干扰影响	移动通信、点对点接力

实例分析

一栋写字楼的布线决策：工位到楼层配线间（几十米）用六类 UTP，性价比最优；楼层之间与楼栋之间的主干用光纤——几十米到几百米用多模省收发器，跨楼栋或更远用单模；两栋楼之间若跨河、跨路不便开挖管道，可用微波点对点链路替代。运营商侧的叠加复用更典型：一根长途光纤先用 DWDM 复用几十个波长（波分一级），每个波长内部再承载高速率的 TDM 信号（时分一级），两级复用叠加才撑起了骨干网的海量容量——这正是「复用是干线经济学」的具体体现。

常见误区

认为「光纤一定比铜缆贵」：光纤纤芯材料便宜且不受电磁干扰，贵的是两端光电收发器件；长距离场景下光纤的综合成本常常更低。
混淆单模与多模的选型逻辑：不是「越高级越好」，而是由距离决定——楼宇内短距用多模更省，长距离必须单模。
把 CDMA 理解成切时间或切频率：它既不切时间也不切频率，靠正交码在相同频率、相同时间上区分用户。
把 STDM 当成凭空多出带宽：它只是把空闲时隙回收利用，平均可用速率仍受干线总容量约束。
认为 TDM 一定比 FDM 先进：二者适用场景不同，现代系统常把多种复用方式叠加使用。

自测题

单模与多模光纤在芯径、光源与适用距离上的核心差别是什么？

答案要点： 单模芯径细（微米量级）、用激光、色散小，适合数十公里以上干线；多模芯径粗、可用 LED、模间色散限制距离，适合楼宇内短距。

TDM 的固有时隙浪费问题如何被 STDM 缓解？引入了什么代价？

答案要点： STDM 按需把时隙分给有数据的用户；代价是帧内需带地址信息、接收端需缓冲排队，突发流量下可能拥塞。

为什么说 WDM 是光纤上的 FDM？

答案要点： 不同波长的光在同一根光纤中互不干扰地并行传输，如同 FDM 中互不重叠的频带，合波/分波器件对应 FDM 的复用/解复用器。

强电磁干扰的车间里组网，媒体应如何选？

答案要点： 首选光纤，完全不受电磁干扰；退而求其次选屏蔽双绞线。

CDMA 区分用户靠什么机制？

答案要点： 给每个用户分配相互正交的码片序列，接收端用约定码片做相关运算提取自己的信号，其他用户因正交性互相抵消。