Medium transmisyjne - czym jest? Rodzaje, parametry, porównanie

Współczesna infrastruktura sieci komputerowych i systemów komunikacyjnych nie mogłaby istnieć bez odpowiednio dobranych kanałów przesyłania danych. Elementem, który fizycznie umożliwia przekaz informacji pomiędzy urządzeniami, są media transmisyjne. To dzięki nim sygnały w formie impulsów elektrycznych, świetlnych czy fal radiowych mogą pokonywać niewyobrażalne odległości i docierać do wyznaczonego celu. W tym artykule zostanie omówione, czym dokładnie jest medium transmisyjne, jakie są jego rodzaje oraz jak wygląda jego struktura i funkcjonowanie.

Czym jest medium transmisyjne? Definicja

Sygnał, który niesie informację, musi zostać odpowiednio zakodowany i dostosowany do specyfiki medium, aby możliwe było jego skuteczne i bezbłędne przekazanie. W zależności od rodzaju zastosowanego medium zmieniają się parametry transmisji - takie jak prędkość, zasięg, odporność na zakłócenia czy koszt instalacji i eksploatacji.

Poniżej przykłady definicji naukowych mediów transmisyjnych.

Andrew S. Tanenbaum definiuje medium transmisyjne jako fizyczne środowisko, w którym przesyłane są sygnały reprezentujące dane w systemach komunikacyjnych. Zwraca uwagę, że może to być zarówno przewód miedziany, światłowód, jak i przestrzeń powietrzna wykorzystywana w transmisji bezprzewodowej.

William Stallings opisuje medium transmisyjne jako kanał fizyczny łączący nadawcę z odbiorcą, umożliwiający przepływ sygnałów w ramach infrastruktury sieciowej.

Tadeusz Kaczmarek wskazuje, że medium transmisyjne stanowi materialny lub niematerialny nośnik energii sygnału - fali elektromagnetycznej lub optycznej - pomiędzy elementami systemu przesyłowego.

Rodzaje mediów transmisyjnych

Podstawowy podział mediów transmisyjnych dzieli je na przewodowe oraz bezprzewodowe. Każda z tych kategorii obejmuje różne technologie i typy nośników, które znajdują zastosowanie w rozmaitych środowiskach - od lokalnych sieci biurowych po globalne systemy telekomunikacyjne.

Media transmisyjne przewodowe

Media przewodowe są fizycznymi nośnikami sygnału i odgrywają fundamentalną rolę w transmisji danych na różnych poziomach - od sieci lokalnych po globalne systemy komunikacyjne. Ich główną zaletą jest większa stabilność, mniejsze opóźnienia i lepsza ochrona przed zakłóceniami zewnętrznymi w porównaniu z mediami bezprzewodowymi.

Skrętki miedziane
Skrętki miedziane (ang. twisted pair cables) są najczęściej stosowanymi kablami w sieciach Ethernet. Ich podstawowa konstrukcja opiera się na dwóch przewodach miedzianych skręconych ze sobą, co ogranicza wpływ zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych. Wyróżniamy dwa główne typy skrętek:

• skrętkę nieekranowaną;
• skrętkę ekranowaną.

Skrętka nieekranowana (UTP - Unshielded Twisted Pair)
Jest to najprostszy i najtańszy rodzaj skrętki. Nie posiada żadnego dodatkowego ekranowania poza izolacją wokół przewodników. Jest szeroko stosowana w sieciach domowych i biurowych. Często spotykane kategorie to:

• kategoria 5e (Cat 5e) - wspiera prędkości do 1 Gb/s;
• kategoria 6 (Cat 6) - pozwala na transmisję do 10 Gb/s na krótkich dystansach.

Skrętka ekranowana (STP/FTP/S-FTP)
W tych kablach stosuje się dodatkowe warstwy ekranowania, które mogą obejmować każdą parę oddzielnie lub całość kabla. Dzięki temu wzrasta odporność na interferencje i można je stosować w trudniejszych środowiskach (np. w pobliżu urządzeń generujących zakłócenia). Typowe warianty to:

• STP (Shielded Twisted Pair) - ekran wokół każdej pary;
• FTP (Foiled Twisted Pair) - folia wokół całego kabla;
• S/FTP (Screened Foiled Twisted Pair) - ekranowanie każdej pary + dodatkowe ekranowanie całości.

Budowa takich skrętek obejmuje miedziane przewodniki, izolację z tworzywa sztucznego, warstwę ekranującą (folia lub siatka) oraz zewnętrzny płaszcz ochronny z PVC lub LSZH.

Kabel koncentryczny
Kabel koncentryczny zyskał popularność w początkach rozwoju sieci komputerowych i nadal jest stosowany w instalacjach telewizyjnych, CCTV oraz w niektórych systemach przemysłowych. Jego warstwowa budowa pozwala na dobrą ochronę sygnału przed zakłóceniami:

• rdzeń przewodzący - najczęściej miedziany drut.
• izolator dielektryczny - otacza rdzeń i izoluje go od ekranu.
• ekran zewnętrzny - wykonany z siatki lub folii aluminiowej, chroni sygnał przed zakłóceniami.
• powłoka ochronna - zabezpiecza cały kabel mechanicznie i przed warunkami środowiskowymi.

Kable koncentryczne różnią się parametrami, m.in. impedancją (np. 50 Ω dla transmisji danych, 75 Ω dla sygnałów wideo).

Światłowody
Światłowody wykorzystują zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła do przesyłania danych. Ich konstrukcja opiera się na bardzo cienkim szklanym lub plastikowym rdzeniu, przez który przechodzi impuls świetlny. Wyróżnia się dwa podstawowe typy światłowodów: jednomodowe i wielomodowe.

Światłowody jednomodowe (SMF - Single Mode Fiber)
Zaprojektowane do przesyłania sygnału świetlnego tylko jedną drogą (modem), co pozwala na uzyskanie bardzo dużych zasięgów (do setek kilometrów) i minimalnych strat. Rdzeń ma bardzo małą średnicę - zazwyczaj ok. 8-10 µm. Stosowane w sieciach dalekiego zasięgu, np. w telekomunikacji i połączeniach między miastami.

Światłowody wielomodowe (MMF - Multi Mode Fiber)
Posiadają większy rdzeń (50-62,5 µm), co pozwala na jednoczesne przesyłanie wielu promieni światła o różnych kątach. Są tańsze i łatwiejsze w instalacji, ale oferują mniejszy zasięg - zwykle do kilkuset metrów. Wykorzystywane w sieciach lokalnych, kampusowych i centrach danych.

Budowa światłowodu obejmuje:

• rdzeń - materiał szklany lub plastikowy przewodzący światło;
• płaszcz optyczny - odbija światło z powrotem do rdzenia;
• powłoka buforowa - chroni przed uszkodzeniami mechanicznymi;
• zewnętrzny płaszcz ochronny - zabezpiecza przed wilgocią, ścieraniem i innymi czynnikami zewnętrznymi.

Linie energetyczne PLC - Power Line Communication
Choć nie są one projektowane z myślą o transmisji danych, linie energetyczne mogą być wykorzystywane do przesyłania informacji, szczególnie w zastosowaniach domowych lub przemysłowych. Technologia PLC pozwala na transmisję danych przez istniejącą infrastrukturę elektryczną, co eliminuje potrzebę instalowania dodatkowego okablowania. W takich systemach specjalne adaptery modulują sygnał i przesyłają go po przewodach prądu. Zasięg i prędkość zależą od jakości sieci energetycznej i liczby zakłóceń. Typowe zastosowania to domowe systemy smart home i automatyka budynkowa.

Media transmisyjne bezprzewodowe

Media bezprzewodowe nie wymagają fizycznego połączenia między nadawcą a odbiorcą. Wykorzystują fale elektromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni, co umożliwia swobodne poruszanie się odbiorników w zasięgu sieci. To rozwiązanie szczególnie przydatne w urządzeniach mobilnych, systemach satelitarnych i komunikacji terenowej.

Fale radiowe
Fale radiowe są najstarszym i najbardziej rozpowszechnionym rodzajem nośnika wykorzystywanego w bezprzewodowej transmisji danych. Ich częstotliwość obejmuje bardzo szerokie spektrum - od zakresu fal długich, używanych w radiu AM, aż po częstotliwości gigahercowe stosowane w nowoczesnych systemach komunikacji cyfrowej. W zależności od długości fali oraz sposobu propagacji wyróżnia się różne podzakresy fal radiowych. W paśmie niskiej częstotliwości fale mają zdolność do rozchodzenia się po powierzchni ziemi, co pozwala na osiąganie dużych zasięgów przy stosunkowo małej mocy nadawczej. Fale średniej i wysokiej częstotliwości mają tendencję do odbijania się od jonosfery, dzięki czemu mogą przemieszczać się na znaczne odległości nawet przy zastosowaniu nadajników naziemnych. Z kolei fale ultrakrótkie i mikrofalowe rozchodzą się w linii prostej, dlatego wymagają odpowiedniego rozmieszczenia nadajników i odbiorników.

Mikrofale
Mikrofale są formą promieniowania elektromagnetycznego o wyższej częstotliwości niż fale radiowe, obejmującą zakres od około 1 GHz do 300 GHz. Ze względu na swoją charakterystykę mikrofale rozchodzą się głównie w linii prostej, dlatego komunikacja w tym paśmie często wymaga tzw. widoczności optycznej między punktem nadawczym a odbiorczym.

Fale milimetrowe
Fale milimetrowe to najwyższy zakres mikrofal, mieszczący się zazwyczaj w przedziale od 30 GHz do 300 GHz. Cechują się bardzo krótką długością fali, co umożliwia przesyłanie danych z niezwykle wysoką przepustowością, sięgającą nawet kilkudziesięciu gigabitów na sekundę. Ze względu na ich ograniczony zasięg i wrażliwość na przeszkody, fale milimetrowe wykorzystywane są głównie w sieciach nowej generacji (np. 5G), gdzie stacje bazowe rozmieszczane są gęsto, a środowisko transmisyjne jest starannie kontrolowane. Zastosowanie znajdują także w radarach, systemach bezpieczeństwa i technologii obrazowania medycznego.

Fale podczerwone
Fale podczerwone należą do spektrum promieniowania elektromagnetycznego o długości większej niż światło widzialne, ale mniejszej niż fale radiowe. Są stosunkowo bezpieczne dla zdrowia i nie powodują zakłóceń elektromagnetycznych, co czyni je atrakcyjnym rozwiązaniem w wielu zastosowaniach lokalnych. Transmisja danych za pomocą fal podczerwonych wymaga precyzyjnego ustawienia nadajnika i odbiornika względem siebie, gdyż ten rodzaj fal nie przenika przez ściany i inne przeszkody. Dodatkowo sygnał może być zakłócany przez intensywne światło słoneczne.

Fale świetlne
W kategorii mediów bezprzewodowych mieści się również technologia optyczna z użyciem światła widzialnego i laserów. W tego rodzaju transmisji dane są przesyłane za pomocą wiązki światła skierowanej z nadajnika do odbiornika. Technologia ta znana jest jako FSO - Free Space Optics. Wiązka laserowa może transmitować dane na odległość od kilkuset metrów do kilku kilometrów, przy bardzo wysokiej przepustowości i minimalnym opóźnieniu. Wymaga jednak całkowitej widoczności pomiędzy punktami transmisyjnymi i jest wrażliwa na warunki atmosferyczne, szczególnie opady deszczu, śniegu oraz mgłę.

Zalety i wady skrętki miedzianej

Skrętka miedziana ma zarówno wady, jak i zalety, które wpływają na jej zastosowanie w różnych środowiskach sieciowych i komunikacyjnych.

Zalety skrętki miedzianej

Niski koszt instalacji
Jedną z największych zalet skrętki miedzianej jest jej stosunkowo niska cena w porównaniu do innych mediów transmisyjnych, takich jak światłowody. Zarówno sam kabel, jak i osprzęt instalacyjny są tanie i powszechnie dostępne.

Łatwość montażu i konserwacji
Kable skrętkowe są elastyczne, lekkie i łatwe do prowadzenia w ścianach, kanałach czy szafach rackowych. Instalacja nie wymaga specjalistycznych narzędzi ani wysokich kwalifikacji, co obniża koszty serwisowe i czas wdrożenia.

Wystarczająca przepustowość dla sieci lokalnych
Nowoczesne skrętki, szczególnie w kategoriach 6 i wyższych, pozwalają na osiąganie przepustowości do 10 Gb/s, co w pełni wystarcza do większości zastosowań w sieciach domowych i biurowych.

Szeroka kompatybilność
Skrętka miedziana jest zgodna z niemal wszystkimi popularnymi standardami sieciowymi. Urządzenia takie jak routery, przełączniki, karty sieciowe i modemy są powszechnie wyposażone w gniazda RJ-45, co zapewnia bezproblemowe połączenia.

Odporność na lekkie zakłócenia (w przypadku ekranowanych wersji)
Wersje ekranowane skrętek, takie jak STP czy S/FTP, oferują dodatkową warstwę ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, co sprawia, że mogą być używane także w bardziej wymagających środowiskach.

Wady skrętki miedzianej

Ograniczona długość transmisji
Skrętka miedziana może przesyłać dane efektywnie na odległość do 100 metrów. Powyżej tej granicy konieczne jest stosowanie urządzeń pośredniczących, takich jak wzmacniacze lub przełączniki, co zwiększa złożoność i koszty sieci.

Wrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne (w wersjach UTP)
Nieekranowana skrętka (UTP) jest podatna na wpływ zewnętrznych zakłóceń, co może powodować spadek jakości sygnału i zwiększoną liczbę błędów transmisji, zwłaszcza w pobliżu urządzeń elektrycznych.

Niższa przepustowość niż światłowód
Mimo że skrętka miedziana oferuje przyzwoite parametry transmisji, nie dorównuje światłowodom pod względem prędkości i przepustowości. W środowiskach wymagających bardzo szybkiego przesyłu danych może nie być wystarczająca.

Zwiększona podatność na podsłuch
Sygnały przesyłane przewodami miedzianymi mogą być przechwycone za pomocą specjalistycznego sprzętu, co stanowi potencjalne zagrożenie bezpieczeństwa - szczególnie w środowiskach, gdzie ważna jest ochrona danych.

Fizyczna podatność na uszkodzenia
Kable miedziane są wrażliwe na uszkodzenia mechaniczne, przecięcia, zgięcia czy warunki atmosferyczne. W porównaniu do światłowodu, ich żywotność bywa krótsza, szczególnie w niekorzystnym środowisku pracy.

Zalety i wady kabla koncentrycznego

Kabel koncentryczny ma zarówno wady, jak i zalety, które decydują o jego przydatności w określonych zastosowaniach transmisji danych.

Zalety kabla koncentrycznego

Dobra odporność na zakłócenia elektromagnetyczne
Dzięki swojej koncentrycznej budowie, z ekranem otaczającym centralny przewodnik, kabel ten zapewnia solidną ochronę sygnału przed zakłóceniami zewnętrznymi. To czyni go szczególnie przydatnym w środowiskach przemysłowych i tam, gdzie występuje duża ilość urządzeń emitujących pola elektromagnetyczne.

Możliwość transmisji na większe odległości bez wzmacniaczy
W porównaniu do skrętki miedzianej, kabel koncentryczny pozwala na przesyłanie sygnałów na większe dystanse bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń wzmacniających. To upraszcza instalację i zmniejsza koszty infrastruktury w średnich odległościach.

Lepsza jakość sygnału dla zastosowań analogowych
W systemach analogowych, takich jak telewizja kablowa czy monitoring wizyjny, kabel koncentryczny zapewnia stabilną transmisję bez widocznych zakłóceń obrazu czy dźwięku. Jego konstrukcja sprzyja przesyłaniu sygnałów o niższej częstotliwości z minimalnymi stratami.

Trwałość mechaniczna
Kabel koncentryczny jest z reguły grubszy i sztywniejszy niż skrętka, co przekłada się na większą odporność na uszkodzenia mechaniczne i warunki środowiskowe. Zewnętrzna powłoka chroni kabel przed wilgocią, ścieraniem i zgnieceniem.

Wady kabla koncentrycznego

Mniejsza elastyczność i trudniejszy montaż
Ze względu na swoją sztywniejszą konstrukcję, kabel koncentryczny jest mniej elastyczny niż skrętka, co może utrudniać jego instalację w trudno dostępnych miejscach, ciasnych korytach kablowych czy systemach o dużym zagęszczeniu przewodów.

Większa średnica i masa kabla
Konstrukcja warstwowa z ekranowaniem sprawia, że kabel koncentryczny zajmuje więcej miejsca i waży więcej niż inne typy przewodów. Może to być istotnym ograniczeniem w instalacjach, gdzie liczy się każdy centymetr przestrzeni lub niska waga systemu.

Ograniczona przepustowość dla transmisji cyfrowej
W kontekście nowoczesnych systemów cyfrowych kabel koncentryczny nie oferuje takich możliwości jak światłowód czy skrętka kategorii 6 i wyższych. Jego przepustowość nie wystarcza do obsługi bardzo szybkich połączeń sieciowych, co czyni go mniej konkurencyjnym w nowoczesnych instalacjach informatycznych.

Słaba skalowalność w rozbudowanych sieciach
W dużych strukturach sieciowych, takich jak sieci komputerowe czy systemy transmisji danych w centrach danych, kabel koncentryczny jest trudny do skalowania. Wymaga dodatkowych urządzeń przy rozgałęzianiu i nie jest zoptymalizowany pod kątem nowoczesnych topologii sieciowych, takich jak gwiazda czy drzewo.

Światłowód - zalety i wady

Światłowód ma zarówno wady, jak i zalety, które sprawiają, że jest niezastąpionym medium transmisyjnym w wielu nowoczesnych systemach komunikacyjnych.

Zalety światłowodu

Bardzo wysoka przepustowość
Światłowody umożliwiają transmisję danych z prędkościami dochodzącymi nawet do setek gigabitów na sekundę, co sprawia, że idealnie nadają się do obsługi nowoczesnych, wymagających środowisk, takich jak centra danych, sieci operatorów telekomunikacyjnych czy infrastruktura miejskich sieci szerokopasmowych.

Odporność na zakłócenia elektromagnetyczne
Światłowody nie przewodzą prądu elektrycznego - działają na zasadzie przesyłu światła - co całkowicie eliminuje wpływ zakłóceń elektromagnetycznych, radiowych i innych form interferencji. Dzięki temu mogą być instalowane w trudnych warunkach przemysłowych, a także w pobliżu urządzeń emitujących silne pole elektromagnetyczne.

Duży zasięg transmisji bez utraty jakości
Dzięki bardzo niskim stratom sygnału światłowody pozwalają na transmisję danych na odległości liczonych w dziesiątkach, a nawet setkach kilometrów bez potrzeby stosowania wzmacniaczy sygnału. To czyni je idealnym rozwiązaniem dla połączeń międzymiastowych i międzynarodowych.

Wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji
Transmisja danych przez światłowód jest bardzo trudna do przechwycenia, ponieważ światło pozostaje uwięzione wewnątrz rdzenia i nie emituje promieniowania na zewnątrz. Próby podsłuchu wiążą się z fizycznym uszkodzeniem kabla, co jest łatwe do wykrycia.

Mała średnica i lekkość
Światłowody, mimo ogromnej wydajności, są bardzo cienkie i lekkie, co ułatwia ich instalację w trudno dostępnych miejscach, kanałach kablowych i systemach wielowarstwowych.

Wady światłowodu

Wyższy koszt instalacji
Choć ceny samych światłowodów znacząco spadły, koszt ich instalacji wciąż pozostaje wyższy niż w przypadku miedzianych kabli. Wynika to z konieczności użycia specjalistycznych narzędzi, złączek oraz wyszkolonego personelu.

Kruchość i podatność na uszkodzenia mechaniczne
Światłowody, zwłaszcza szklane, są bardziej podatne na uszkodzenia mechaniczne niż przewody miedziane. Niewłaściwe zgięcie, naciąg czy zgniecenie może spowodować mikropęknięcia lub całkowite przerwanie transmisji.

Trudność w naprawie i spawaniu
W przypadku uszkodzenia światłowodu konieczne jest zastosowanie specjalistycznych urządzeń do spawania i testowania, co wydłuża czas naprawy i zwiększa jej koszt. Nie każdy serwisant posiada odpowiednie narzędzia i kwalifikacje do pracy z tego typu medium.

Ograniczenia w zasilaniu urządzeń
Ponieważ światłowód nie przewodzi prądu, nie można za jego pomocą zasilać urządzeń, co ma znaczenie w niektórych typach sieci, np. w systemach PoE (Power over Ethernet), gdzie przewód sieciowy dostarcza również zasilanie.

Skrętka ekranowana a nieekranowana - tabela porównawcza

Parametry przewodowych mediów transmisyjnych

Media transmisyjne stanowią podstawę każdej formy komunikacji elektronicznej. Od ich rodzaju, jakości oraz dostosowania do konkretnych potrzeb zależy wydajność i niezawodność całego systemu przesyłu danych. Niezależnie od tego, czy mówimy o sieci lokalnej w biurze, transmisji satelitarnej, czy mobilnym internecie w telefonie - to właśnie media transmisyjne umożliwiają, by informacje przemieszczały się w sposób szybki, bezpieczny i precyzyjny. Znajomość ich rodzajów, budowy oraz zastosowań pozwala nie tylko zrozumieć zasady funkcjonowania nowoczesnych technologii, ale też podejmować świadome decyzje przy projektowaniu i wdrażaniu systemów komunikacyjnych.