萌芽期：現代通訊的誕生

公元前 600 年左右，古希臘哲學家泰勒斯閒著沒事，拿家裡的琥珀棒蹭一隻小貓。 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）並不知道。泰勒斯認為，這和磁鐵是一個原理，他將這種未知的神祕力量，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”，在幾千年後，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係的學科分開研究。

後來，越來越多的人開始研究電，並取得了不錯的進展。 其中最偉大的發現，就是本傑明・富蘭克林的“風箏實驗”。

風箏實驗 —— 富蘭克林將繫著鑰匙的風箏用金屬線放到雲層中，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絡。

1821 年，英國人邁克爾・法拉第（Michael Faraday）發明了電動機。 10 年後，1831 年，他又發現了電磁感應定律，並且製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資訊傳遞方式，這種方式“看不見”、“摸不著”、“聽不到”，完全不同於以往的信件、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，並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），但他因為過於貧窮，無錢申請專利，導致被貝爾撿漏。

1888 年，德國人海因裡希・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，義大利人伽利爾摩・馬可尼（Guglielmo Marchese Marconi）實現了 人類歷史上首次無線電通訊 ，通訊距離為 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訊時代的大門。

蟄伏期：等待，耐心的等待

在此後的很長一段時間裡，有線通訊和無線通訊都在各自的軌道上發展，相互間並沒有走得很近。

先來看看有線通訊。

在電話被髮明之後，人們的聲音可以在電線上傳播。 其實，就是聲訊號轉換成電訊號，電訊號通過電線傳播，最後電訊號再轉換回聲訊號。 對於通訊網路來說，要解決的主要問題，就是如何佈設和接續這些電線。

最開始的時候，是採用人工交換機的方式進行接續。

▲話務員和人工交換機

隨著使用者的增加，電話網路變得越來越龐大。 電話線路從幾百條變成幾千條、幾萬條。

▲19 世紀末的電話線杆，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闆，就吃了人工交換機的大虧。

▲A.B.史端喬，Almon Brown Strowger

他發現，打到自己店裡的生意電話，總會被話務員轉接到另一家殯儀館。 後來才知道，原來當地話務員是那家殯儀館老闆的堂弟。 於是，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。他在自己的車庫裡，製作了世界上第一臺步進位制電話交換機 。

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，結構複雜，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，併為之申請了專利。

▲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“縱橫聯結器”的基礎上，1926 年，世界上第一個大型 縱橫制自動電話交換機 在瑞典鬆茲瓦爾市投入使用。 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“步進位制”，都是利用電磁機械動作接線的，所以它們同屬於 “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訊需求。 於是，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，發明了電晶體。

▲世界上第一個電晶體

電晶體的誕生，掀起了微電子革命的浪潮，也為後來積體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 。

由於當時電子元件的效能還無法滿足要求，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”。

後來，微電子技術和數位電路技術進一步發展成熟，終於有了“ 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 儲存程式控制交換機 （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，標誌著人類開始了 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

它以預先編好的程式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， 無線通訊的發展腳步 。

在馬可尼發明無線電報之後的很長一段時間，無線通訊都處於單向通訊（單工通訊）的狀態。

▲單工通訊，只能單向通訊

也就是說，發信方發出資訊，收信方接受資訊，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。 廣播出現之後，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，通訊技術也是如此。

二戰時期，摩托羅拉公司（創立於 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訊。

SCR-300 採用了 FM 調頻技術，具備一定的抗干擾能力和穩定的訊號質量，但是重量也不輕（16 公斤），需要一個專門的通訊兵揹負，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，製造了世界第一部所謂的“移動通訊電話”。 不過，雖然稱為行動電話，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，不久之後，便被人遺忘。

此後的通訊技術，和前面有線通訊所遇到的情況一樣，受限於電子元器件的技術瓶頸，一直沒有什麼重大的突破。

同樣是半導體技術逐漸成熟之後，無線通訊裝置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 型行動電話。 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 型便攜行動電話（來源： 蘇聯《За рулем》雜誌，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，開始重新對研發行動電話產生興趣。

步入 70 年代，終於迎來了無線通訊技術的大爆發。

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麼大的裝置，並對它說話，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

這世界上第一通行動電話，打給的是馬丁庫帕在貝爾實驗室工作的一位對手。 對方當時也在研製行動電話，但尚未成功。 庫帕後來回憶道： “我打電話給他說： ‘喬，我現在正在用一部行動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，標誌著人類敲開了全民通訊時代的大門，也標誌著無線通訊開始了對有線通訊的反超。

爆發期： 從 1G 到 4G，行動通訊崛起

行動通訊的開端，理所當然地被稱為 1G 時代 。 主宰 1G 時代的，就是摩托羅拉。 1G 時代的象徵，就是像磚塊一樣的大哥大手機。

1980 年後，大哥大逐漸走入了人們的生活。 人們開始使用它，進行遠距離通訊。

1G 使用的是模擬通訊技術，保密性差，容量低，通話質量也不行，訊號不穩定。

80 年代後期，隨著大規模積體電路、微處理器與數字訊號技術的日趨成熟，人們開始研究模擬通訊向數字通訊的轉型。

於是，很快，我們就迎來了 2G 時代 。2G 是數字移動通訊技術的閃亮登場。

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

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

1G 的技術核心，是 FDMA（分頻多重進接）。 顧名思義，就是不同的使用者使用不同頻率的通道，以此來實現通訊。

2G GSM 的核心，是 TDMA（分時多重進接）。 其特點是將一個通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 的通道時間。

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，是分碼多重進接。 相比於 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 已經在全球佔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，需要繳納鉅額的專利授權費。 所以，雖然同屬 2G 標準，CDMA 的影響力和市場規模和 GSM 無法相提並論。

▲位於高通公司總部的“專利牆”

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 網際網路的爆發 。

80 年代，計算機技術日益成熟，計算機網路技術也隨之得到蓬勃發展，相關基礎理論逐漸完善，並最終催生出強大的網際網路（Internet）。

網際網路崛起之後，計算機之間的資料通訊需求呈爆炸式增長。

在這之前，人們通訊的主要傳輸內容為 話音 。 現在，人們要開始考慮，如何傳輸計算機資料報文。 這些資料報文，也就是影象、音訊、視訊等檔案的載體。

傳輸資料報文，也被稱為“分組交換業務”。 相對的，電話屬於“ 電路交換業務 ”。

分組交換業務迅猛增長帶來的直接後果，就是對通道容量的巨大沖擊。

前面我們說到，70 年代，有線通訊發展到 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。

於是，引入了乙太網，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，當然傳輸裝置和交換裝置也要變。

於是，80-90 年代，傳輸裝置從 PDH / SDH 演進出了 MSTP 和 PTN。 交換裝置從程控交換演進出了 NGN（下一代網路）和軟交換。

看不懂沒關係，只需要記住，這一時期，通訊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，對於運營商來說，還是通訊系統容量的不足，以及通訊裝置價格的高昂。 這樣的高成本也轉嫁到了普通使用者身上，導致通訊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。

再回到手機行動通訊這邊。

手機到了 2G 之後，越來越多的使用者開始用得起手機。 使用者的需求，從能夠打電話，進一步延伸到能夠上網。

為了上網，為了對分組資料業務提供支援，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，顯然無法滿足使用者的需要。

於是乎，為了更快的網速，通訊廠商們開始推出了 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 有密切的關係，這也讓高通賺得盆滿缽滿。

3G 網路的速率相比 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 為代表的智慧手機，徹底改變了我們的生活。

▲喬布斯和 iPhone

再往後，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，從使用者的角度來說，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，並基本滿足了人們所有的網際網路需求。

從運營商和行動通訊網路本身的角度來說，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，讓通訊從少數人的特權變成了所有人的福祉。

有線通訊的發展思路，亦是如此。

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

1966 年，華裔科學家高錕開創性地提出，光導纖維可以在通訊上應用，從此打開了光通訊世界的大門。

▲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，成為通訊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麼快的網速，也就不會有所謂的移動網際網路生活。

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

展望未來：通訊路在何方

人類前進的腳步不會停止，通訊技術的發展和演進，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，對於我們眼前的通訊技術和網路來說，我們能夠努力的方向，真的不多。

無線通訊的主攻方向，還是無線空中介面的頻寬。 通過 5G 的 Massive MIMO 增強型天線陣列、波束賦形、更強的編碼方式，進一步榨乾電磁波的潛力。

而有線通訊這邊，光纖似乎已經能夠滿足頻寬要求（目前光纖已經達到 Pb / s 級，1Pb=1024Tb），交換裝置的處理能力，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、擴充套件性和安全性，如何找到效能、需求和成本之間的完美平衡點。

AI 人工智慧的引入，還有云計算大資料技術的成熟，很可能會助力通訊系統的下一步升級，幫助上述目標的實現。

總而言之，電磁學作為現代通訊技術的理論根基，已經有 130 多年的歷史。 祖師爺夏農先生提出夏農公式，也有 70 餘年。 在無數通訊人的接力下，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，衝破穹頂，帶來新世界的曙光。

作為一名通訊人，我期待這一天能夠早日到來。