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，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

1888 年，德国人海因里希鲁道夫赫兹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实现了 人类历史上首次无线电通信 ，通信距离为 30 米

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。

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

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

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。

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

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。

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 ，型号为 No.1 ESS。

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，需要一个专门的通信兵背负，或者安装在汽车或飞机上。

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。

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，伴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，也就是大名鼎鼎的 GSM。

1G 的技术核心，是 FDMA 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 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。

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

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，右为网线

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

再回到手机移动通信这边。

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 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

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，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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