通信路在何方 通信技术的发展历程

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，日新月异的移动通信  

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，我们马上就要迎来激动人心的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。