世界通信简史

 

 

█ 萌芽期：现代通信的诞生

 

公元前600年左右，古希腊哲学家泰勒斯闲着没事，拿家里的琥珀棒蹭一只小猫。 蹭着蹭着，他发现，琥珀棒把小猫的毛都吸起来了。

 

现在我们都知道，这是因为静电。 但是，当时的人（包括泰勒斯）并不知道。

 

泰勒斯认为，这和磁铁是一个原理，他将这种未知的神秘力量，称之为“电”。

 

其实，人类文明对“电”的记载，可以追溯到更早。 公元前2750年撰写的古埃及书籍中，人们就记录了一种叫做发电鱼（electric fish，其实就是电鳐）的生物，这些鱼被称为“尼罗河的雷使者”。

 

不管是古埃及人，还是古希腊人，都不会想到，这个“电”，在几千年后，彻底改变了人类的命运。

 

1600年，英国女王伊丽莎白一世的御医，英国人威廉·吉尔伯特（William Gilbert），用拉丁语“电”来描述某些物质相互摩擦时所施加的力量。 他还写了一本传世名著——《论磁》。 在书中，他认为，电的产生需要摩擦，而磁铁不用，所以，电和磁是两回事。

 

这个观念持续了很多年，人们一直把电和磁作为毫无关系的学科分开研究。

 

后来，越来越多的人开始研究电，并取得了不错的进展。 其中最伟大的发现，就是本杰明·富兰克林的“风筝实验”。

 

风筝实验——富兰克林将系着钥匙的风筝用金属线放到云层中，闪电击中钥匙，顺着金属线被富兰克林的手感知到。

 

到了1820年，丹麦人汉斯·奥斯特（Hans Christian Oersted）发现了电流的磁效应，重新建立了电与磁之间的联系。

 

1821年，英国人迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发明了电动机。 10年后，1831年，他又发现了电磁感应定律，并且制造出世界上第一台能产生持续电流的发电机。

 

法拉第

 

伟大的时代，不断诞生伟大的发明。

 

1837年，美国人莫尔斯（Morse）发明了莫尔斯电码和 有线电报 。

 

莫尔斯和他的电报机

 

有线电报的出现，具有划时代的意义——它让人类获得了一种全新的信息传递方式，这种方式“看不见”、“摸不着”、“听不到”，完全不同于以往的信件、旗语、号角、烽火。

 

1865年，英国人詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了麦克斯韦方程组，建立了经典电动力学，并且预言了电磁波的存在。

 

1876年，美国人亚历山大·贝尔（Alexander Bell）申请了 电话专利 ，成为了电话之父。 虽然真正的电话之父应该是安东尼奥·穆齐（Antonio Meucci），但他因为过于贫穷，无钱申请专利，导致被贝尔捡漏。

 

 

1888年，德国人海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）用实验证明了电磁波的存在。 至此，经典电磁理论大厦正式落成。

 

1896年，意大利人伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marchese Marconi）实现了 人类历史上首次无线电通信 ，通信距离为30米（次年达到2英里）。

 

无线电之父——伽利尔摩·马可尼

 

从此刻起，人类正式推开了无线通信时代的大门。

 

 

█ 蛰伏期：等待，耐心的等待

 

在此后的很长一段时间里，有线通信和无线通信都在各自的轨道上发展，相互间并没有走得很近。

 

先来看看有线通信。

 

在电话被发明之后，人们的声音可以在电线上传播。 其实，就是声信号转换成电信号，电信号通过电线传播，最后电信号再转换回声信号。 对于通信网络来说，要解决的主要问题，就是如何布设和接续这些电线。

 

 

最开始的时候，是采用人工交换机的方式进行接续。

 

话务员和人工交换机

 

随着用户的增加，电话网络变得越来越庞大。 电话线路从几百条变成几千条、几万条。

 

 

19世纪末的电话线杆，上面有几千条电话线

在这种情况下，人工交换机显然已经无法满足需求。 除了工作量难以承受之外，差错率也很高。

 

1891年，有一个名叫史端乔的殡仪馆老板，就吃了人工交换机的大亏。

 

A.B.史端乔，Almon Brown Strowger

 

他发现，打到自己店里的生意电话，总会被话务员转接到另一家殡仪馆。 后来才知道，原来当地话务员是那家殡仪馆老板的堂弟。 于是，他很生气，发誓一定要发明一个不需要人工操作的交换机。

 

结果，他还真的做到了。

 

他在自己的车库里，制作了世界上第一台 步进制电话交换机 。

 

为了纪念他，这种交换机也被称为“史端乔交换机”

这是一种机械式的交换机，带有机械工业时代的烙印。 虽然它实现了替代人工，但是仍然存在很多缺点，例如接点是滑动式的，可靠性差，易损坏，动作慢，结构复杂，体积大等。

 

1919年，瑞典工程师贝塔兰德和帕尔姆格伦共同发明了一种“纵横接线器”的新型选择器，并为之申请了专利。

 

纵横制接线器

 

这种接线器，将过去的滑动式改成了点触式，从而减少了磨损，提高了使用寿命。

 

在“纵横连接器”的基础上，1926年，世界上第一个大型 纵横制自动电话交换机 在瑞典松兹瓦尔市投入使用。 到了1938年，美国开通了1号纵横制自动电话交换系统。 紧接着，法国、日本等国家也相继生产和使用该类系统。

 

从此，人类正式进入纵横制交换机的时代。 到20世纪 50年代，纵横制交换系统已经非常成熟和完善。

 

纵横制交换机

 

“纵横制”和“步进制”，都是利用电磁机械动作接线的，所以它们同属于 “机电制自动电话交换机” 。

 

机械终归是机械，效率低，容量小，故障率高，难以满足人类日益增长的通信需求。 于是，人们期待一种全新的交换处理方式出现。

 

1947年12月，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿组成的研究小组，发明了晶体管。

 

世界上第一个晶体管

 

晶体管的诞生，掀起了微电子革命的浪潮，也为后来集成电路的降生吹响了号角。

 

随着半导体技术和电子技术飞速发展，人们开始考虑，在电话交换机中引入 电子技术 。

 

由于当时电子元件的性能还无法满足要求，所以出现了电子和传统机械结合的交换机技术，被称为“半电子交换机”、“准电子交换机”。

 

后来，微电子技术和数字电路技术进一步发展成熟，终于有了“ 全电子交换机 ”。

 

1965年，美国贝尔成功生产了世界上第一台商用 存储程式控制交换机 （也就是“ 程控交换机 ”），型号为No.1 ESS（Electronic Switching System）。

 

No.1 ESS程控交换机

 

1970年，法国在拉尼翁开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，标志着人类开始了 数字交换 的新时期。

 

程控交换机的实质，就是电子计算机控制的交换机。

 

NEC程控交换机

 

它以预先编好的程序来控制交换机的接续动作，优点非常明显： 接续速度快、功能多、效率高、声音清晰、质量可靠、容量大。

 

在进入80年代之前，我们先停一停。 我们回头再看一下， 无线通信的发展脚步 。

 

在马可尼发明无线电报之后的很长一段时间，无线通信都处于单向通信（单工通信）的状态。

 

单工通信，只能单向通信

 

也就是说，发信方发出信息，收信方接受信息，是一对多的方式。 任何人都可以接收到发信方发出的无线电波，掌握密码本的人，才能够解密无线电波的内容。

 

如果是未加密的明文电波，那任何人都可以获悉报文的内容。

 

广播就是这样一种“ 一对多 ”的单工工作方式。 广播出现之后，一定程度上取代了报纸，成为人们（富人）获取新闻的最快捷方式。

 

世界上第一个广播电台

 

战争是高新技术的催化剂，通信技术也是如此。

 

二战时期，摩托罗拉公司（创立于1928年）开发出了一款跨时代的产品——SCR-300军用步话机，实现了距离可达12.9公里的远距离无线通信。

 

SCR-300采用了FM调频技术，具备一定的抗干扰能力和稳定的信号质量，但是重量也不轻（16公斤），需要一个专门的通信兵背负，或者安装在汽车或飞机上。

 

1946年，贝尔实验室在战地步话机的基础上，制造了世界第一部所谓的“移动通讯电话”。 不过，虽然称为移动电话，但体积却非常庞大，研究人员只能把它放在实验室的架子上，不久之后，便被人遗忘。

 

此后的通信技术，和前面有线通信所遇到的情况一样，受限于电子元器件的技术瓶颈，一直没有什么重大的突破。

 

同样是半导体技术逐渐成熟之后，无线通信设备开始有了高速发展的基础。

 

1958年，苏联工程师列昂尼德.库普里扬诺维奇发明了ЛК-1型移动电话。 这个电话还是装在汽车上才能使用。

 

列昂尼德.库普里扬诺维奇正在测试ЛК-1型便携移动电话（来源： 苏联《За рулем》杂志，1957年第12期）

 

到了60年代，以摩托罗拉和AT&T为代表的科技公司，开始重新对研发移动电话产生兴趣。

 

步入70年代，终于迎来了无线通信技术的大爆发。

 

1973年4月的一天，一名男子站在纽约街头，掏出一个约有两块砖头那么大的设备，并对它说话，兴奋得手舞足蹈，引得路人纷纷侧目。

 

这个人，就是手机的发明者，马丁库帕。 他是摩托罗拉公司的工程师。

 

马丁库帕和他的手机发明

 

这世界上第一通移动电话，打给的是马丁库帕在贝尔实验室工作的一位对手。 对方当时也在研制移动电话，但尚未成功。 库帕后来回忆道： “我打电话给他说： ‘乔，我现在正在用一部便携式蜂窝电话跟你通话。 ’我听到听筒那头的‘咬牙切齿’——虽然他已经保持了相当的礼貌。 ”

 

马丁库帕发明的手机，是世界上第一部真正意义上的手机，单人可以携带，可以在移动中通话。

 

手机的发明，标志着人类敲开了全民通信时代的大门，也标志着无线通信开始了对有线通信的反超。

 

 

█ 爆发期： 从1G到4G，移动通信崛起

 

移动通信的开端，理所当然地被称为 1G时代 。 主宰1G时代的，就是摩托罗拉。 1G时代的象征，就是像砖块一样的大哥大手机。

 

1980年后，大哥大逐渐走入了人们的生活。 人们开始使用它，进行远距离通信。

 

 

1G使用的是模拟通信技术，保密性差，容量低，通话质量也不行，信号不稳定。

 

80年代后期，随着大规模集成电路、微处理器与数字信号技术的日趋成熟，人们开始研究模拟通信向数字通信的转型。

 

于是，很快，我们就迎来了 2G时代 。

 

2G是数字移动通信技术的闪亮登场。

 

刚起步时，为了摆脱1G时代通信标准被美国垄断的局面，欧洲打算自己搞一个通信标准。 于是，1982年，欧洲邮电管理委员会成立了“移动专家组”，专门负责通信标准的研究。

 

这个 “移动专家组”，法语缩写是 GroupeSpécialMobile，后来这一缩写的含义被改为“全球移动通信系统”（Global System for Mobilecommunications），也就是大名鼎鼎的GSM。

 

 

1G的技术核心，是FDMA（频分多址）。 顾名思义，就是不同的用户使用不同频率的信道，以此来实现通信。

 

2G GSM的核心，是TDMA（时分多址）。 其特点是将一个信道平均分给八个通话者，一次只能一个人讲话、每个人轮流用1/8的信道时间。

 

没想到的是，美国公司高通，又搞出了第三套系统，那就是CDMA。

 

CDMA的核心，是码分多址。 相比于GSM，CDMA的容量更大，抗干扰性更好，安全性更高。

 

不过，CDMA起步较晚，GSM已经在全球占据了大部分的市场份额，形成了事实上的全球主流标准。 再加上使用高通的CDMA，需要缴纳巨额的专利授权费。 所以，虽然同属2G标准，CDMA的影响力和市场规模和GSM无法相提并论。

 

位于高通公司总部的“专利墙”

 

在2G崛起之前的这一时期，还有一件重要的事情发生，那就是 互联网的爆发 。

 

80年代，计算机技术日益成熟，计算机网络技术也随之得到蓬勃发展，相关基础理论逐渐完善，并最终催生出强大的互联网（Internet）。

 

互联网崛起之后，计算机之间的数据通信需求呈爆炸式增长。

 

 

在这之前，人们通信的主要传输内容为 话音 。 现在，人们要开始考虑，如何传输计算机数据报文。 这些数据报文，也就是图像、音频、视频等文件的载体。

 

传输数据报文，也被称为“分组交换业务”。 相对的，电话属于“ 电路交换业务 ”。

 

 

分组交换业务迅猛增长带来的直接后果，就是对信道容量的巨大冲击。

 

前面我们说到，70年代，有线通信发展到 程控交换 。 程控交换，说白了还是以语音业务为主要目的的电路交换机。 承载方式也是TDM电路（你就把它理解为电缆吧）为主，无法很好地满足分组交换业务的需求。

 

于是，引入了以太网，引入了网线。 网线是传输IP分组报文的最合适传输介质。

 

左为E1线（铜芯电缆的一种 ），右为网线（双绞线）

 

传输介质都变了，当然传输设备和交换设备也要变。

 

于是，80-90年代，传输设备从PDH/SDH演进出了MSTP和PTN。 交换设备从程控交换演进出了NGN（下一代网络）和软交换。

 

看不懂没关系，只需要记住，这一时期，通信技术的重点发展方向，就是从模拟到数字，从电路到IP，从语音到多媒体。

 

这一阶段的主要痛点，对于运营商来说，还是通信系统容量的不足，以及通信设备价格的高昂。 这样的高成本也转嫁到了普通用户身上，导致通信产品的消费水平仍然偏高，无法彻底普及。

 

不过，价格坚冰在不断被打破，越来越多的人开始用得起固定电话和拨号上网了。

 

再回到手机移动通信这边。

 

手机到了2G之后，越来越多的用户开始用得起手机。 用户的需求，从能够打电话，进一步延伸到能够上网。

 

为了上网，为了对分组数据业务提供支持，演进出了2.5G，也就是 GPRS， General Packet Radio Service，通用分组无线业务 。

 

GPRS的上网速率很低，只有115Kbps，显然无法满足用户的需要。

 

于是乎，为了更快的网速，通信厂商们开始推出了3G技术。

 

3G的三大标准，分别是欧洲主导的WCDMA，美国主导的CDMA2000，还有中国推出的TD-SCDMA。

 

 

从名字也看出来了，三大技术都是和CDMA有密切的关系，这也让高通赚得盆满钵满。

 

3G网络的速率相比2.5G，有了大幅的提升，达到了14.4Mbps（WCDMA理论下行速率）。 已经可以满足基本的多媒体业务需求。

 

与此同时，苹果公司的乔布斯，恰到好处地推出了iPhone。 以iPhone为代表的智能手机，彻底改变了我们的生活。

 

乔布斯和iPhone

 

再往后，就是4G LTE了。 这一阶段的故事，相信大家都非常熟悉。

 

从1G到4G，从用户的角度来说，1G出现了移动通话，2G普及了移动通话，2.5G实现了移动上网，3G实现了更快速率的上网，4G实现了更更快速率的上网，并基本满足了人们所有的互联网需求。

 

从运营商和移动通信网络本身的角度来说，从1G到4G，就是模拟到数字，频分到时分到码分到综合，低频到高频，低速到高速。 系统的容量不断提升，安全性和稳定性也不断提升，成本在不断下降。 最终，让通信从少数人的特权变成了所有人的福祉。

 

有线通信的发展思路，亦是如此。

 

差点忘了说了，还有一项重大的发明，大大缓解了通信系统的容量瓶颈，那就是光纤。

 

 

1966年，华裔科学家高锟开创性地提出，光导纤维可以在通信上应用，从此打开了光通信世界的大门。

 

高锟 （1933.11.4－2018.09.23）

 

几十年来，光纤以超高的容量，超低的成本，成为通信系统中不可替代的重要组成部分，也让我们的生活发生了翻天覆地的变化。 如果不是光纤，我们不可能有现在这么快的网速，也就不会有所谓的移动互联网生活。

 

到目前为止，在无数通信人的努力下，我们在通信领域取得了不错的成就，有了现在先进的通信技术、发达的通信网络，为全球社会经济发展提供支撑。

 

 

█ 展望未来：通信路在何方

 

人类前进的脚步不会停止，通信技术的发展和演进，也同样不会停止。

 

如今，我们再次站在了时代的转折点上。

 

表面来看，这是4G和5G之间的转折点，我们迎来了激动人心的5G时代。

 

但真正意义来说，现在是人联网时代和物联网时代的转折点，我们的目标，是万物互联的星辰大海。

 

未来真的会如想象中那般精彩吗？ 物联网应用会开启第二个黄金时代吗？

 

没有人知道答案。 我们当下能做的，只有埋头努力，耐心等待。

 

不过，对于我们眼前的通信技术和网络来说，我们能够努力的方向，真的不多。

 

无线通信的主攻方向，还是无线空中接口的带宽。 通过5G的Massive MIMO增强型天线阵列、波束赋形、更强的编码方式，进一步榨干电磁波的潜力。

 

而有线通信这边，光纤似乎已经能够满足带宽要求（目前光纤已经达到Pb/s级，1Pb=1024Tb），交换设备的处理能力，也不存在技术瓶颈。 目前主要的努力方向，是如何做到更低成本，更高灵活性、扩展性和安全性，如何找到性能、需求和成本之间的完美平衡点。

 

AI人工智能的引入，还有云计算大数据技术的成熟，很可能会助力通信系统的下一步升级，帮助上述目标的实现。

 

总而言之，电磁学作为现代通信技术的理论根基，已经有130多年的历史。 祖师爷香农先生提出香农公式，也有70余年。 在无数通信人的接力下，我们已经在逼近极限。 相信在不久的将来，一定会有伟大的科学家，冲破穹顶，带来新世界的曙光。

 

作为一名通信人，我期待这一天能够早日到来。

 

 

参考文献：

1、《大话移动通信》-张海君等

2、《通信之道，从微积分到5G》-杨学志

3、从1G到5G，回顾波澜壮阔的移动网络进化史-网优雇佣军

4、马丁库帕词条，百度百科

 

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