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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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

▲ 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”

▲ 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)

▲ 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

▲ 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)

▲ 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。

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