萌芽期：現(xiàn)代通信的誕生

公元前600年左右，古希臘哲學(xué)家泰勒斯閑著沒事，拿家里的琥珀棒蹭一只小貓。 蹭著蹭著，他發(fā)現(xiàn)，琥珀棒把小貓的毛都吸起來了。

現(xiàn)在我們都知道，這是因為靜電。 但是，當(dāng)時的人（包括泰勒斯）并不知道。

泰勒斯認(rèn)為，這和磁鐵是一個原理，他將這種未知的神秘力量，稱之為“電”。

其實，人類文明對“電”的記載，可以追溯到更早。 公元前2750年撰寫的古埃及書籍中，人們就記錄了一種叫做發(fā)電魚（electric fish，其實就是電鰩）的生物，這些魚被稱為“尼羅河的雷使者”。

不管是古埃及人，還是古希臘人，都不會想到，這個“電”，在幾千年后，徹底改變了人類的命運。

1600年，英國女王伊麗莎白一世的御醫(yī)，英國人威廉·吉爾伯特（William Gilbert），用拉丁語“電”來描述某些物質(zhì)相互摩擦?xí)r所施加的力量。 他還寫了一本傳世名著——《論磁》。 在書中，他認(rèn)為，電的產(chǎn)生需要摩擦，而磁鐵不用，所以，電和磁是兩回事。

這個觀念持續(xù)了很多年，人們一直把電和磁作為毫無關(guān)系的學(xué)科分開研究。

后來，越來越多的人開始研究電，并取得了不錯的進展。 其中最偉大的發(fā)現(xiàn)，就是本杰明·富蘭克林的“風(fēng)箏實驗”。

風(fēng)箏實驗——富蘭克林將系著鑰匙的風(fēng)箏用金屬線放到云層中，閃電擊中鑰匙，順著金屬線被富蘭克林的手感知到。

到了1820年，丹麥人漢斯·奧斯特（Hans Christian Oersted）發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，重新建立了電與磁之間的聯(lián)系。

1821年，英國人邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發(fā)明了電動機。 10年后，1831年，他又發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，并且制造出世界上第一臺能產(chǎn)生持續(xù)電流的發(fā)電機。

法拉第

偉大的時代，不斷誕生偉大的發(fā)明。

1837年，美國人莫爾斯（Morse）發(fā)明了莫爾斯電碼和 有線電報 。

莫爾斯和他的電報機

有線電報的出現(xiàn)，具有劃時代的意義——它讓人類獲得了一種全新的信息傳遞方式，這種方式“看不見”、“摸不著”、“聽不到”，完全不同于以往的信件、旗語、號角、烽火。

1865年，英國人詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了麥克斯韋方程組，建立了經(jīng)典電動力學(xué)，并且預(yù)言了電磁波的存在。

1876年，美國人亞歷山大·貝爾（Alexander Bell）申請了 電話專利 ，成為了電話之父。 雖然真正的電話之父應(yīng)該是安東尼奧·穆齊（Antonio Meucci），但他因為過于貧窮，無錢申請專利，導(dǎo)致被貝爾撿漏。

1888年，德國人海因里希·魯?shù)婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz）用實驗證明了電磁波的存在。 至此，經(jīng)典電磁理論大廈正式落成。

1896年，意大利人伽利爾摩·馬可尼（Guglielmo Marchese Marconi）實現(xiàn)了 人類歷史上首次無線電通信 ，通信距離為30米（次年達(dá)到2英里）。

無線電之父——伽利爾摩·馬可尼

從此刻起，人類正式推開了無線通信時代的大門。

蟄伏期：等待，耐心的等待

在此后的很長一段時間里，有線通信和無線通信都在各自的軌道上發(fā)展，相互間并沒有走得很近。

先來看看有線通信。

在電話被發(fā)明之后，人們的聲音可以在電線上傳播。 其實，就是聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，電信號通過電線傳播，最后電信號再轉(zhuǎn)換回聲信號。 對于通信網(wǎng)絡(luò)來說，要解決的主要問題，就是如何布設(shè)和接續(xù)這些電線。

最開始的時候，是采用人工交換機的方式進行接續(xù)。

話務(wù)員和人工交換機

隨著用戶的增加，電話網(wǎng)絡(luò)變得越來越龐大。 電話線路從幾百條變成幾千條、幾萬條。

19世紀(jì)末的電話線桿，上面有幾千條電話線

在這種情況下，人工交換機顯然已經(jīng)無法滿足需求。 除了工作量難以承受之外，差錯率也很高。

1891年，有一個名叫史端喬的殯儀館老板，就吃了人工交換機的大虧。

A.B.史端喬，Almon Brown Strowger

他發(fā)現(xiàn)，打到自己店里的生意電話，總會被話務(wù)員轉(zhuǎn)接到另一家殯儀館。 后來才知道，原來當(dāng)?shù)卦拕?wù)員是那家殯儀館老板的堂弟。 于是，他很生氣，發(fā)誓一定要發(fā)明一個不需要人工操作的交換機。

結(jié)果，他還真的做到了。

他在自己的車庫里，制作了世界上第一臺 步進制電話交換機 。

為了紀(jì)念他，這種交換機也被稱為“史端喬交換機”

這是一種機械式的交換機，帶有機械工業(yè)時代的烙印。 雖然它實現(xiàn)了替代人工，但是仍然存在很多缺點，例如接點是滑動式的，可靠性差，易損壞，動作慢，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大等。

1919年，瑞典工程師貝塔蘭德和帕爾姆格倫共同發(fā)明了一種“縱橫接線器”的新型選擇器，并為之申請了專利。

縱橫制接線器

這種接線器，將過去的滑動式改成了點觸式，從而減少了磨損，提高了使用壽命。

在“縱橫連接器”的基礎(chǔ)上，1926年，世界上第一個大型 縱橫制自動電話交換機 在瑞典松茲瓦爾市投入使用。 到了1938年，美國開通了1號縱橫制自動電話交換系統(tǒng)。 緊接著，法國、日本等國家也相繼生產(chǎn)和使用該類系統(tǒng)。

從此，人類正式進入縱橫制交換機的時代。 到20世紀(jì) 50年代，縱橫制交換系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟和完善。

縱橫制交換機

“縱橫制”和“步進制”，都是利用電磁機械動作接線的，所以它們同屬于 “機電制自動電話交換機” 。

機械終歸是機械，效率低，容量小，故障率高，難以滿足人類日益增長的通信需求。 于是，人們期待一種全新的交換處理方式出現(xiàn)。

1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克萊、巴丁和布拉頓組成的研究小組，發(fā)明了晶體管。

世界上第一個晶體管

晶體管的誕生，掀起了微電子革命的浪潮，也為后來集成電路的降生吹響了號角。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)飛速發(fā)展，人們開始考慮，在電話交換機中引入 電子技術(shù) 。

由于當(dāng)時電子元件的性能還無法滿足要求，所以出現(xiàn)了電子和傳統(tǒng)機械結(jié)合的交換機技術(shù)，被稱為“半電子交換機”、“準(zhǔn)電子交換機”。

后來，微電子技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)進一步發(fā)展成熟，終于有了“ 全電子交換機 ”。

1965年，美國貝爾成功生產(chǎn)了世界上第一臺商用 存儲程式控制交換機 （也就是“ 程控交換機 ”），型號為No.1 ESS（Electronic Switching System）。

No.1 ESS程控交換機

1970年，法國在拉尼翁開通了世界上第一個程控數(shù)字交換系統(tǒng)E10，標(biāo)志著人類開始了 數(shù)字交換 的新時期。

程控交換機的實質(zhì)，就是電子計算機控制的交換機。

NEC程控交換機

它以預(yù)先編好的程序來控制交換機的接續(xù)動作，優(yōu)點非常明顯： 接續(xù)速度快、功能多、效率高、聲音清晰、質(zhì)量可靠、容量大。

在進入80年代之前，我們先停一停。 我們回頭再看一下， 無線通信的發(fā)展腳步 。

在馬可尼發(fā)明無線電報之后的很長一段時間，無線通信都處于單向通信（單工通信）的狀態(tài)。

單工通信，只能單向通信

也就是說，發(fā)信方發(fā)出信息，收信方接受信息，是一對多的方式。 任何人都可以接收到發(fā)信方發(fā)出的無線電波，掌握密碼本的人，才能夠解密無線電波的內(nèi)容。

如果是未加密的明文電波，那任何人都可以獲悉報文的內(nèi)容。

廣播就是這樣一種“ 一對多 ”的單工工作方式。 廣播出現(xiàn)之后，一定程度上取代了報紙，成為人們（富人）獲取新聞的最快捷方式。

世界上第一個廣播電臺

戰(zhàn)爭是高新技術(shù)的催化劑，通信技術(shù)也是如此。

二戰(zhàn)時期，摩托羅拉公司（創(chuàng)立于1928年）開發(fā)出了一款跨時代的產(chǎn)品——SCR-300軍用步話機，實現(xiàn)了距離可達(dá)12.9公里的遠(yuǎn)距離無線通信。

SCR-300采用了FM調(diào)頻技術(shù)，具備一定的抗干擾能力和穩(wěn)定的信號質(zhì)量，但是重量也不輕（16公斤），需要一個專門的通信兵背負(fù)，或者安裝在汽車或飛機上。

1946年，貝爾實驗室在戰(zhàn)地步話機的基礎(chǔ)上，制造了世界第一部所謂的“移動通訊電話”。 不過，雖然稱為移動電話，但體積卻非常龐大，研究人員只能把它放在實驗室的架子上，不久之后，便被人遺忘。

此后的通信技術(shù)，和前面有線通信所遇到的情況一樣，受限于電子元器件的技術(shù)瓶頸，一直沒有什么重大的突破。

同樣是半導(dǎo)體技術(shù)逐漸成熟之后，無線通信設(shè)備開始有了高速發(fā)展的基礎(chǔ)。

1958年，蘇聯(lián)工程師列昂尼德.庫普里揚諾維奇發(fā)明了ЛК-1型移動電話。 這個電話還是裝在汽車上才能使用。

列昂尼德.庫普里揚諾維奇正在測試ЛК-1型便攜移動電話（來源： 蘇聯(lián)《За рулем》雜志，1957年第12期）

到了60年代，以摩托羅拉和AT&T為代表的科技公司，開始重新對研發(fā)移動電話產(chǎn)生興趣。

步入70年代，終于迎來了無線通信技術(shù)的大爆發(fā)。

1973年4月的一天，一名男子站在紐約街頭，掏出一個約有兩塊磚頭那么大的設(shè)備，并對它說話，興奮得手舞足蹈，引得路人紛紛側(cè)目。

這個人，就是手機的發(fā)明者，馬丁庫帕。 他是摩托羅拉公司的工程師。

馬丁庫帕和他的手機發(fā)明

這世界上第一通移動電話，打給的是馬丁庫帕在貝爾實驗室工作的一位對手。 對方當(dāng)時也在研制移動電話，但尚未成功。 庫帕后來回憶道： “我打電話給他說： ‘喬，我現(xiàn)在正在用一部便攜式蜂窩電話跟你通話。 ’我聽到聽筒那頭的‘咬牙切齒’——雖然他已經(jīng)保持了相當(dāng)?shù)亩Y貌。 ”

馬丁庫帕發(fā)明的手機，是世界上第一部真正意義上的手機，單人可以攜帶，可以在移動中通話。

手機的發(fā)明，標(biāo)志著人類敲開了全民通信時代的大門，也標(biāo)志著無線通信開始了對有線通信的反超。

爆發(fā)期： 從1G到4G，移動通信崛起

移動通信的開端，理所當(dāng)然地被稱為 1G時代 。 主宰1G時代的，就是摩托羅拉。 1G時代的象征，就是像磚塊一樣的大哥大手機。

1980年后，大哥大逐漸走入了人們的生活。 人們開始使用它，進行遠(yuǎn)距離通信。

1G使用的是模擬通信技術(shù)，保密性差，容量低，通話質(zhì)量也不行，信號不穩(wěn)定。

80年代后期，隨著大規(guī)模集成電路、微處理器與數(shù)字信號技術(shù)的日趨成熟，人們開始研究模擬通信向數(shù)字通信的轉(zhuǎn)型。

于是，很快，我們就迎來了 2G時代 。

2G是數(shù)字移動通信技術(shù)的閃亮登場。

剛起步時，為了擺脫1G時代通信標(biāo)準(zhǔn)被美國壟斷的局面，歐洲打算自己搞一個通信標(biāo)準(zhǔn)。 于是，1982年，歐洲郵電管理委員會成立了“移動專家組”，專門負(fù)責(zé)通信標(biāo)準(zhǔn)的研究。

這個 “移動專家組”，法語縮寫是 GroupeSpécialMobile，后來這一縮寫的含義被改為“全球移動通信系統(tǒng)”（Global System for Mobilecommunications），也就是大名鼎鼎的GSM。

1G的技術(shù)核心，是FDMA（頻分多址）。 顧名思義，就是不同的用戶使用不同頻率的信道，以此來實現(xiàn)通信。

2G GSM的核心，是TDMA（時分多址）。 其特點是將一個信道平均分給八個通話者，一次只能一個人講話、每個人輪流用1/8的信道時間。

沒想到的是，美國公司高通，又搞出了第三套系統(tǒng)，那就是CDMA。

CDMA的核心，是碼分多址。 相比于GSM，CDMA的容量更大，抗干擾性更好，安全性更高。

不過，CDMA起步較晚，GSM已經(jīng)在全球占據(jù)了大部分的市場份額，形成了事實上的全球主流標(biāo)準(zhǔn)。 再加上使用高通的CDMA，需要繳納巨額的專利授權(quán)費。 所以，雖然同屬2G標(biāo)準(zhǔn)，CDMA的影響力和市場規(guī)模和GSM無法相提并論。

位于高通公司總部的“專利墻”

在2G崛起之前的這一時期，還有一件重要的事情發(fā)生，那就是 互聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā) 。

80年代，計算機技術(shù)日益成熟，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨之得到蓬勃發(fā)展，相關(guān)基礎(chǔ)理論逐漸完善，并最終催生出強大的互聯(lián)網(wǎng)（Internet）。

互聯(lián)網(wǎng)崛起之后，計算機之間的數(shù)據(jù)通信需求呈爆炸式增長。

在這之前，人們通信的主要傳輸內(nèi)容為 話音 。 現(xiàn)在，人們要開始考慮，如何傳輸計算機數(shù)據(jù)報文。 這些數(shù)據(jù)報文，也就是圖像、音頻、視頻等文件的載體。

傳輸數(shù)據(jù)報文，也被稱為“分組交換業(yè)務(wù)”。 相對的，電話屬于“ 電路交換業(yè)務(wù) ”。

分組交換業(yè)務(wù)迅猛增長帶來的直接后果，就是對信道容量的巨大沖擊。

前面我們說到，70年代，有線通信發(fā)展到 程控交換 。 程控交換，說白了還是以語音業(yè)務(wù)為主要目的的電路交換機。 承載方式也是TDM電路（你就把它理解為電纜吧）為主，無法很好地滿足分組交換業(yè)務(wù)的需求。

于是，引入了以太網(wǎng)，引入了網(wǎng)線。 網(wǎng)線是傳輸IP分組報文的最合適傳輸介質(zhì)。

左為E1線（銅芯電纜的一種 ），右為網(wǎng)線（雙絞線）

傳輸介質(zhì)都變了，當(dāng)然傳輸設(shè)備和交換設(shè)備也要變。

于是，80-90年代，傳輸設(shè)備從PDH/SDH演進出了MSTP和PTN。 交換設(shè)備從程控交換演進出了NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)）和軟交換。

看不懂沒關(guān)系，只需要記住，這一時期，通信技術(shù)的重點發(fā)展方向，就是從模擬到數(shù)字，從電路到IP，從語音到多媒體。

這一階段的主要痛點，對于運營商來說，還是通信系統(tǒng)容量的不足，以及通信設(shè)備價格的高昂。 這樣的高成本也轉(zhuǎn)嫁到了普通用戶身上，導(dǎo)致通信產(chǎn)品的消費水平仍然偏高，無法徹底普及。

不過，價格堅冰在不斷被打破，越來越多的人開始用得起固定電話和撥號上網(wǎng)了。

再回到手機移動通信這邊。

手機到了2G之后，越來越多的用戶開始用得起手機。 用戶的需求，從能夠打電話，進一步延伸到能夠上網(wǎng)。

為了上網(wǎng)，為了對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供支持，演進出了2.5G，也就是 GPRS， General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù) 。

GPRS的上網(wǎng)速率很低，只有115Kbps，顯然無法滿足用戶的需要。

于是乎，為了更快的網(wǎng)速，通信廠商們開始推出了3G技術(shù)。

3G的三大標(biāo)準(zhǔn)，分別是歐洲主導(dǎo)的WCDMA，美國主導(dǎo)的CDMA2000，還有中國推出的TD-SCDMA。

從名字也看出來了，三大技術(shù)都是和CDMA有密切的關(guān)系，這也讓高通賺得盆滿缽滿。

3G網(wǎng)絡(luò)的速率相比2.5G，有了大幅的提升，達(dá)到了14.4Mbps（WCDMA理論下行速率）。 已經(jīng)可以滿足基本的多媒體業(yè)務(wù)需求。

與此同時，蘋果公司的喬布斯，恰到好處地推出了iPhone。 以iPhone為代表的智能手機，徹底改變了我們的生活。

喬布斯和iPhone

再往后，就是4G LTE了。 這一階段的故事，相信大家都非常熟悉。

從1G到4G，從用戶的角度來說，1G出現(xiàn)了移動通話，2G普及了移動通話，2.5G實現(xiàn)了移動上網(wǎng)，3G實現(xiàn)了更快速率的上網(wǎng)，4G實現(xiàn)了更更快速率的上網(wǎng)，并基本滿足了人們所有的互聯(lián)網(wǎng)需求。

從運營商和移動通信網(wǎng)絡(luò)本身的角度來說，從1G到4G，就是模擬到數(shù)字，頻分到時分到碼分到綜合，低頻到高頻，低速到高速。 系統(tǒng)的容量不斷提升，安全性和穩(wěn)定性也不斷提升，成本在不斷下降。 最終，讓通信從少數(shù)人的特權(quán)變成了所有人的福祉。

有線通信的發(fā)展思路，亦是如此。

差點忘了說了，還有一項重大的發(fā)明，大大緩解了通信系統(tǒng)的容量瓶頸，那就是光纖。

1966年，華裔科學(xué)家高錕開創(chuàng)性地提出，光導(dǎo)纖維可以在通信上應(yīng)用，從此打開了光通信世界的大門。

高錕 （1933.11.4－2018.09.23）

幾十年來，光纖以超高的容量，超低的成本，成為通信系統(tǒng)中不可替代的重要組成部分，也讓我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。 如果不是光纖，我們不可能有現(xiàn)在這么快的網(wǎng)速，也就不會有所謂的移動互聯(lián)網(wǎng)生活。

到目前為止，在無數(shù)通信人的努力下，我們在通信領(lǐng)域取得了不錯的成就，有了現(xiàn)在先進的通信技術(shù)、發(fā)達(dá)的通信網(wǎng)絡(luò)，為全球社會經(jīng)濟發(fā)展提供支撐。

展望未來：通信路在何方

人類前進的腳步不會停止，通信技術(shù)的發(fā)展和演進，也同樣不會停止。

如今，我們再次站在了時代的轉(zhuǎn)折點上。

表面來看，這是4G和5G之間的轉(zhuǎn)折點，我們迎來了激動人心的5G時代。

但真正意義來說，現(xiàn)在是人聯(lián)網(wǎng)時代和物聯(lián)網(wǎng)時代的轉(zhuǎn)折點，我們的目標(biāo)，是萬物互聯(lián)的星辰大海。

未來真的會如想象中那般精彩嗎？ 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用會開啟第二個黃金時代嗎？

沒有人知道答案。 我們當(dāng)下能做的，只有埋頭努力，耐心等待。

不過，對于我們眼前的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)來說，我們能夠努力的方向，真的不多。

無線通信的主攻方向，還是無線空中接口的帶寬。 通過5G的Massive MIMO增強型天線陣列、波束賦形、更強的編碼方式，進一步榨干電磁波的潛力。

而有線通信這邊，光纖似乎已經(jīng)能夠滿足帶寬要求（目前光纖已經(jīng)達(dá)到Pb/s級，1Pb=1024Tb），交換設(shè)備的處理能力，也不存在技術(shù)瓶頸。 目前主要的努力方向，是如何做到更低成本，更高靈活性、擴展性和安全性，如何找到性能、需求和成本之間的完美平衡點。

AI人工智能的引入，還有云計算大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟，很可能會助力通信系統(tǒng)的下一步升級，幫助上述目標(biāo)的實現(xiàn)。

總而言之，電磁學(xué)作為現(xiàn)代通信技術(shù)的理論根基，已經(jīng)有130多年的歷史。 祖師爺香農(nóng)先生提出香農(nóng)公式，也有70余年。 在無數(shù)通信人的接力下，我們已經(jīng)在逼近極限。 相信在不久的將來，一定會有偉大的科學(xué)家，沖破穹頂，帶來新世界的曙光。

作為一名通信人，我期待這一天能夠早日到來。

參考文獻(xiàn)：

1、《大話移動通信》-張海君等

2、《通信之道，從微積分到5G》-楊學(xué)志

3、從1G到5G，回顧波瀾壯闊的移動網(wǎng)絡(luò)進化史-網(wǎng)優(yōu)雇傭軍

4、馬丁庫帕詞條，百度百科

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