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萌芽期：現代通信的誕生

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

現在我們都知道，這是因為靜電。 但是，當時的人(包括泰勒斯)并不知道。

泰勒斯認為，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，英國人威廉·吉爾伯特(William Gilbert)，用拉丁語“電”來描述某些物質相互摩擦時所施加的力量。 他還寫了一本傳世名著——《論磁》。 在書中，他認為，電的產生需要摩擦，而磁鐵不用，所以，電和磁是兩回事。

這個觀念持續了很多年，人們一直把電和磁作為毫無關系的學科分開研究。

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

 

風箏實驗——富蘭克林將系著鑰匙的風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)發現了電流的磁效應，重新建立了電與磁之間的聯系。

1821年，英國人邁克爾·法拉第(Michael Faraday)發明了電動機。 10年后，1831年，他又發現了電磁感應定律，并且制造出世界上第一臺能產生持續電流的發電機。

 

 

法拉第

偉大的時代，不斷誕生偉大的發明。

1837年，美國人莫爾斯(Morse)發明了莫爾斯電碼和 有線電報 。

 

莫爾斯和他的電報機

有線電報的出現，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，建立了經典電動力學，并且預言了電磁波的存在。

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，導致被貝爾撿漏。

 

1888年，德國人海因里希·魯道夫·赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)用實驗證明了電磁波的存在。 至此，經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)實現了 人類歷史上首次無線電通信 ，通信距離為30米(次年達到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展，相互間并沒有走得很近。

先來看看有線通信。

在電話被發明之后，人們的聲音可以在電線上傳播。 其實，就是聲信號轉換成電信號，電信號通過電線傳播，最后電信號再轉換回聲信號。 對于通信網絡來說，要解決的主要問題，就是如何布設和接續這些電線。

 

最開始的時候，是采用人工交換機的方式進行接續。

 

話務員和人工交換機

隨著用戶的增加，電話網絡變得越來越龐大。 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

他發現，打到自己店里的生意電話，總會被話務員轉接到另一家殯儀館。 后來才知道，原來當地話務員是那家殯儀館老板的堂弟。 于是，他很生氣，發誓一定要發明一個不需要人工操作的交換機。

結果，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，帶有機械工業時代的烙印。 雖然它實現了替代人工，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，結構復雜，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。 緊接著，法國、日本等國家也相繼生產和使用該類系統。

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

 

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。

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。

隨著半導體技術和電子技術飛速發展，人們開始考慮，在電話交換機中引入 電子技術 。

由于當時電子元件的性能還無法滿足要求，所以出現了電子和傳統機械結合的交換機技術，被稱為“半電子交換機”、“準電子交換機”。

后來，微電子技術和數字電路技術進一步發展成熟，終于有了“ 全電子交換機 ”。

1965年，美國貝爾成功生產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字交換系統E10，標志著人類開始了 數字交換 的新時期。

程控交換機的實質，就是電子計算機控制的交換機。

 

NEC程控交換機

它以預先編好的程序來控制交換機的接續動作，優點非常明顯： 接續速度快、功能多、效率高、聲音清晰、質量可靠、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， 無線通信的發展腳步 。

在馬可尼發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。

 

單工通信，只能單向通信

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

如果是未加密的明文電波，那任何人都可以獲悉報文的內容。

廣播就是這樣一種“ 一對多 ”的單工工作方式。 廣播出現之后，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

戰爭是高新技術的催化劑，通信技術也是如此。

二戰時期，摩托羅拉公司(創立于1928年)開發出了一款跨時代的產品——SCR-300軍用步話機，實現了距離可達12.9公里的遠距離無線通信。

 

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

1946年，貝爾實驗室在戰地步話機的基礎上，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，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瓶頸，一直沒有什么重大的突破。

同樣是半導體技術逐漸成熟之后，無線通信設備開始有了高速發展的基礎。

1958年，蘇聯工程師列昂尼德.庫普里揚諾維奇發明了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《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，開始重新對研發移動電話產生興趣。

步入70年代，終于迎來了無線通信技術的大爆發。

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備，并對它說話，興奮得手舞足蹈，引得路人紛紛側目。

這個人，就是手機的發明者，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’——雖然他已經保持了相當的禮貌。 ”

馬丁庫帕發明的手機，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。

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

爆發期： 從1G到4G，移動通信崛起

移動通信的開端，理所當然地被稱為 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，進行遠距離通信。

 

1G使用的是模擬通信技術，保密性差，容量低，通話質量也不行，信號不穩定。

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

于是，很快，我們就迎來了 2G時代 。

2G是數字移動通信技術的閃亮登場。

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

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”(Global System for Mobilecommunications)，也就是大名鼎鼎的GSM。

 

1G的技術核心，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，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已經在全球占據了大部分的市場份額，形成了事實上的全球主流標準。 再加上使用高通的CDMA，需要繳納巨額的專利授權費。 所以，雖然同屬2G標準，CDMA的影響力和市場規模和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生，那就是 互聯網的爆發 。

80年代，計算機技術日益成熟，計算機網絡技術也隨之得到蓬勃發展，相關基礎理論逐漸完善，并最終催生出強大的互聯網(Internet)。

互聯網崛起之后，計算機之間的數據通信需求呈爆炸式增長。

 

在這之前，人們通信的主要傳輸內容為 話音 。 現在，人們要開始考慮，如何傳輸計算機數據報文。 這些數據報文，也就是圖像、音頻、視頻等文件的載體。

傳輸數據報文，也被稱為“分組交換業務”。 相對的，電話屬于“ 電路交換業務 ”。

 

分組交換業務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，有線通信發展到 程控交換。 程控交換，說白了還是以語音業務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務的需求。

于是，引入了以太網，引入了網線。 網線是傳輸IP分組報文的最合適傳輸介質。

 

左為E1線(銅芯電纜的一種 )，右為網線(雙絞線)

傳輸介質都變了，當然傳輸設備和交換設備也要變。

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

看不懂沒關系，只需要記住，這一時期，通信技術的重點發展方向，就是從模擬到數字，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，還是通信系統容量的不足，以及通信設備價格的高昂。 這樣的高成本也轉嫁到了普通用戶身上，導致通信產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。

為了上網，為了對分組數據業務提供支持，演進出了2.5G，也就是 GPRS， General Packet Radio Service，通用分組無線業務 。

GPRS的上網速率很低，只有115Kbps，顯然無法滿足用戶的需要。

于是乎，為了更快的網速，通信廠商們開始推出了3G技術。

3G的三大標準，分別是歐洲主導的WCDMA，美國主導的CDMA2000，還有中國推出的TD-SCDMA。

 

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

3G網絡的速率相比2.5G，有了大幅的提升，達到了14.4Mbps(WCDMA理論下行速率)。 已經可以滿足基本的多媒體業務需求。

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出現了移動通話，2G普及了移動通話，2.5G實現了移動上網，3G實現了更快速率的上網，4G實現了更更快速率的上網，并基本滿足了人們所有的互聯網需求。

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

有線通信的發展思路，亦是如此。

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

 

1966年，華裔科學家高錕開創性地提出，光導纖維可以在通信上應用，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，成為通信系統中不可替代的重要組成部分，也讓我們的生活發生了翻天覆地的變化。 如果不是光纖，我們不可能有現在這么快的網速，也就不會有所謂的移動互聯網生活。

到目前為止，在無數通信人的努力下，我們在通信領域取得了不錯的成就，有了現在先進的通信技術、發達的通信網絡，為全球社會經濟發展提供支撐。

展望未來：通信路在何方

人類前進的腳步不會停止，通信技術的發展和演進，也同樣不會停止。

如今，我們再次站在了時代的轉折點上。

表面來看，這是4G和5G之間的轉折點，我們迎來了激動人心的5G時代。

但真正意義來說，現在是人聯網時代和物聯網時代的轉折點，我們的目標，是萬物互聯的星辰大海。

未來真的會如想象中那般精彩嗎? 物聯網應用會開啟第二個黃金時代嗎?

沒有人知道答案。 我們當下能做的，只有埋頭努力，耐心等待。

不過，對于我們眼前的通信技術和網絡來說，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，光纖似乎已經能夠滿足帶寬要求(目前光纖已經達到Pb/s級，1Pb=1024Tb)，交換設備的處理能力，也不存在技術瓶頸。 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，還有云計算大數據技術的成熟，很可能會助力通信系統的下一步升級，幫助上述目標的實現。

總而言之，電磁學作為現代通信技術的理論根基，已經有130多年的歷史。 祖師爺香農先生提出香農公式，也有70余年。 在無數通信人的接力下，我們已經在逼近極限。 相信在不久的將來，一定會有偉大的科學家，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：

1、《大話移動通信》-張海君等

2、《通信之道，從微積分到5G》-楊學志

3、從1G到5G，回顧波瀾壯闊的移動網絡進化史-網優雇傭軍

4、馬丁庫帕詞條，百度百科