聊聊通信的过去、现在和未来

　　引言：这几年，我一直在写通信发展史。写着写着，渐渐对通信技术的演进规律有了一点自己的理解，也对通信行业的沉浮有所感悟。今天，就和大家瞎聊几句，权当抛砖引玉。自人类诞生以来，通信就是一种刚性需求。没有通信，人与人之间就是信息孤岛，无法交流协作，无法表达情感，也无法形成任何形式的组织。所以，我们经常说，通信是人类社会的粘合剂，也是人类进步的基石。在人类漫长的通信技术发展历程中，1837年是一个重要的时间节点。这个节点，将通信发展史分为古代史和近现代史两部分。也就是说，从这一年开始，人类通信进入了近现代时代。这一年发生了什么？没错，美国人萨缪尔?摩尔斯，正式发明了电报技术。萨缪尔?摩尔斯电报是人类“电科学”研究的产物，也可以算是第二次工业革命（电气革命）的早期成果。用“电”来通信，是第一个划时代的壮举。在此之前，人们捣鼓了几千年，发明了无数的通信手段（烽火、狼烟、信鸽、驿站），都无法解决通信信息量、通信时延、通信距离的矛盾。1830年代，人类社会发展到了一个关键节点。通信技术的落后，已经对生产力造成束缚，也影响了人类组织规模的进一步扩大，甚至影响了世界经济和国家和平。“电通信”的出现，既是水到渠成，也是雪中送炭。“电”的传输速率极快，是非常理想的通信手段。其实，小枣君个人认为，相比于“电报”，摩斯码的发明意义更为重大。因为，它实现了对文字的先进编码。文字是人类最牛逼的发明。我们其实可以把它理解为早期的信息编码。所有的信息，都可以通过文字进行记录和传递，形成了人类的历史和文化。但是，文字过于复杂，别说我们复杂的中文汉字，即便是26个字母构成的英文字母体系，也很难实现简化传递。高效通信的秘诀在于什么？在于将信息变成更简单的编码，然后，找到最简单、高效的信息符号表达方式，承载这些编码。当时（19世纪初）的历史经验表明，“是”与“否”，“对”与“错”，“阴”与“阳”，这种二进制的符号表示，是最容易通过技术实现的。例如，灯亮和灯灭，有旗和无旗，有烟和无烟。摩斯码将文字变成了“点”和“横”，实现了极简的“准二进制”编码。然后，基于电流的“通”和“断”，进行编码表达。这实现了文字（信息）的超远距离和超快速度传递。唯一的瓶颈，是电流脉冲的产生速度——一个电报员再熟练，敲完一个单词也需要好几秒的时间。在人类解决脉冲频率问题之前，出现了一个“取巧”的办法，那就是——干脆不编码解码了，直接通过信源（话筒）中薄膜和磁铁，采集声波信息，再将电流（模拟声音波形），传输到信宿（听筒），驱动薄膜和磁铁振动，复现声波。没错，这就是1876年亚历山大?贝尔发明的电话机。亚历山大?贝尔从功能上来看，电话机已经是人类通信的极致实现了。两个人，身处不同的地方，通过电话就可以直接交谈，这难道不是通信的最高境界吗？当时的人们，应该是这么想的。在他们眼里，电话只有一个缺点，那就是需要拉线。这意味着需要施工，会产生巨大的成本。有线电话出现之后，带来了一个新概念——网络，或者说，交换网络。这么多的节点，要连接起来，就需要形成网络拓扑，需要引入交换处理。交换处理的方式，一开始，是人工交换。后来，有了步进制交换、纵横制交换，形成了电话交换的一套发展路线。这是后话。电话通信很强大，但是，依赖于硬件建设。以当时的经济条件，普及速度慢，也容易造成通信鸿沟（富人享受通信权）。在漫长的19世纪，还有一条隐藏线，在默默发展。那就是无线电磁波的研究。无线电磁波的真正大佬，是伟大的麦克斯韦。麦克斯韦麦克斯韦被称为麦神，是当之无愧的。当时，所有人都不相信存在无线电磁波，只有麦神坚定不移，完成了理论奠基。后来，德国人赫兹通过实验验证了无线电磁波的存在，彻底打开了新世界的大门。无线电磁波不再依赖于有线介质，可以实现长距离的即时通信。在当时来看，也是一个壮举。1901年，意大利人马可尼首次实现了跨大西洋的无线电报通信，震惊了全世界。无线电通信诞生后，以当时的技术手段，人类根本没有办法驾驭高频电磁波，所以，还是以电报这种脉冲表达信号的通信方式为主。后来，无线电技术不断进步，有了无线电广播（1920年），无线电也开始传输声音。除了驾驭高频电磁波之外，当时无线电通信的难点，有这么几个方面：一、获得更大的发射功率；二，获得更灵敏的接收能力；三，无线电频谱的协调管理；四，无线通信设备的成本控制以及体积缩减。除了第三条之外，剩下几条说白了都是受制于电子技术。巧合的是，1910-1950期间发生的两次世界大战，极大地推动了科技的发展，其中就包括电子产业的发展。电子管（1904年）和晶体管（1947年，贝尔实验室）的发明，电子技术进入了一个全新的时代。这从硬件上，给通信的发展扫除了障碍。摩托罗拉的步话机，就是那一时期通信技术的典型产品。通信终端已经变得小型化，一个人就可以进行背负。与此同时，贝尔实验室的克劳德?香农，及时发表了信息论的相关论文（1948年）。香农他首次从理论的角度，构建了通信的基本模型，提出了信息熵，对信息进行了度量化，定义了比特。他还推出了香农公式，明确指出了决定通信能力的所有要素。他的贡献太重要了，奠定了信息和通信技术的理论根基。（所以说，他当之无愧是现代通信技术的祖师爷。）1940年代，正值第三次工业革命的萌芽。这次工业革命，以原子能技术、航天技术、电子计算机技术为代表。从本质上来说，那一时期的通信技术跃进，是信息技术大爆发的体现。我们把时间指针往前拨动100年，回到1840年代。1846年，也就是摩斯码和电报发明的9年后，就有科学家将穿孔纸带技术与电报技术相结合。将文字信息，通过一个个的孔，进行记录。后来，1890年，德裔美国人赫尔曼?何乐礼（IBM公司前身的创始人）将这项技术进一步完善，发明了打孔制表机。大家不要小看这种打孔纸。这其实是早期的存储技术。它在文字编码的基础上，实现了更高效的文字和数字存储，也就是早期的信息化。进入21世纪，磁介质存储的发明，使得数据存储真正步入了现代存储时代。这一点非常重要。你想啊，如果没有数据存储，哪来数据计算？没有数据计算，哪来数据通信？真正催生信息技术萌芽的，还是战争。当年，搞打孔制表机，只是为了算人口数据，算财务报表。这些计算其实并不复杂。人类之所以想到要搞计算机，是两个主要驱动力。一是为了破解战争对手的密码（参考图灵大佬的事迹），二是为了计算火箭弹道。（话说，“奥本海默”马上就要上映了，原子弹的诞生，当然也有计算机的功劳。）超复杂的计算需求，推动了计算机的诞生。数据数字化了，计算数字化了，通信当然也要数字化。进入1950年后，整个通信技术，分为若干个跑道。一，电话交换网络，还在步进制、纵横制的路线上，慢慢跑。二，无线通信，随着晶体管的出现，电子技术的进步，开始逐渐走向更高性能，更小体积，开始出现越来越多的车载移动通信，也就是0G（Pre-1G）。1946年，摩托罗拉和AT&T合作，推出了第一套面向公众的车载移动通信系统（MTS）。三，信息技术（计算机）需要的数据通信，开始萌芽。推动数据通信跃进的，还是战争。1958年2月，为了在冷战中获得科技竞争优势，美国国防部组建了一个神秘的科研部门——APRA（AdvancedResearchProjectsAgency，高级研究计划局）。后来，为了保证自己能在苏联的第一轮核打击下具备一定的生存和反击能力，美国国防部决定研究一种分散的指挥系统。它由无数的节点组成，当若干节点被摧毁后，其它节点仍能相互通信。于是，ARPA就联合美国的几个大学，一起搞出了ARPANET（阿帕网）。ARPANET早期四个节点的位置大家应该对这个名字不会陌生。没错，它就是Internet（互联网）的前身。60-70年代，ARPANET不断壮大，由此孵化了TCP/IP协议，也构建了早期的互联网架构。70年代，晶体管开创的集成电路时代进入第一轮爆发期，半导体黄金时代正式到来。存储技术的升级，芯片能力的飞跃，催生了信息技术大爆发，不仅大型机到处开花，PC个人电脑也诞生了。所有这些节点，都需要网络连接起来。除了ARPANET相关的技术线之外，施乐公司（Xerox）帕洛阿尔托研究中心（PaloAltoResearchCenter）发明了以太网，为数据通信的发展打下了重要的基础。固定电话网络那边，受电子技术的影响（50-60年代），网络交换从机械到电子，再从半电子到全电子。受计算机技术的影响（70年代），开始进入程控交换（程序控制交换），交换能力大幅增加，变成万门级甚至更高。无线通信那边，集成电路的飞速发展，对高频无线电磁波的驾驭能力成熟，最终让无线电通信设备变得足够小型化，催生了手机的诞生（1973年，摩托罗拉）。1960-1970年代，大家不要忘记一个重要角色的出现，那就是光纤通信。1966年，华裔科学家高锟发表论文，预言了光纤通信的出现。1970年，康宁公司拉出了世界上第一根衰减值达到实用水平（17dB/km）的光纤。高锟光纤的出现，简直就是神迹。谁会想到，玻璃竟然会成为人类最厉害的传输介质？它不仅可以实现超强的传输速率和带宽，还特别便宜！如果没有光纤，试想一下，实现现在规模的网络连接，我们需要多少贵重金属？会造成多大的环境污染？成本均摊到我们用户身上，我们哪能享受普惠的网络服务？光纤通信表面上是有线通信，实际上还是无线电磁波通信。它把在空间中“乱跑”的无线电磁波约束在细细的玻璃纤维中，避免了无线通信的复杂信道和干扰，实现了超高速率、超前稳定性以及超低时延。它是现代人类通信网络真正的“基石”。进入80年代，互联网的雏形已经形成，剩下就是网络规模的不断扩张。固定电话网络，已经基本走到了生命的终点。手机移动通信网络的发展，革了固定电话网络的命。从1G到2G，手机移动通信实现从模拟向数字的转变，在通信能力上（频谱利用率、抗干扰性、保密性、稳定性等），有了质的飞跃。手机通信的普及，实现了无处不在的语音通话。但这不是重点。因为，90年代，数据通信和互联网通信，才是真正的主流。到了90年代，光纤通信越来越成熟，开始担当网络骨干传输的主力。受限于成本，在用户侧，主要的上网连接介质还是电话线和网线（ADSL）。欧美发达国家，已经率先步入互联网时代。值得一提的是，80-90年代，民用卫星通信作为一个细分领域，也开始自己的发展之路。率先吃螃蟹的，是大名鼎鼎的摩托罗拉铱星计划。互联网的大爆发，对移动通信造成了重要影响。3G的重要特征，就是对数据业务的支持。在网络侧，进行了一系列的网元重构，从电路交换，全面向分组交换进行转变。手机通信，开始IP化，服务于多媒体数据业务。这种转化，也使得互联网走向了移动互联网时代。移动互联网让人类的衣食住行发生了根本性的变化。它创造了无数的新型商业模式，构建了线上数字世界。图像、音业务、O2O业务，仍然在不断产生流量。流量，刺激网络进一步扩建。针对海量的业务需求，计算技术开始从集中式走向分布式，催生了云计算技术。海量的数据，进一步催生了大数据技术。算力的增长，又为人工智能的发展奠定了基础。通信技术一贯是服务于信息技术。过去是这样，现在是这样，未来也是这样。信息技术将自己的服务具象化，统一表征为算力。通信呢，则化身为联接力，服务于算力的搬运，为了实现算力的泛在服务。21世纪，通信最大的转变，不是技术原理的颠覆（我们甚至看不到一丝希望），而是服务对象的变化。通信不再像20世纪一样服务于人类，而是服务于整个物理世界，服务于“万物智联”。将所有的物体都连接起来，变成数字世界的映射，变成神经末梢，变成控制节点，让数据随意流动，让AI人工智能获得一切数据，管理一切事物，或者是一种理想的状态。那么，这背后是否蕴藏着巨大的危机呢？通信技术发展到现在，进入了一个转折点。以前，是用户需求驱动技术进步。现在，是技术超前发展，孵化用户需求。回首通信的发展历程，每一次高速发展，都和信息技术的升级革新密切相关。要么是编码和存储技术的革命，要么是计算需求（计算机）的普及，再要么是线上数字世界的构建。展望未来，基于半导体的0和1到底要用到什么时候？无线电磁波的红利，到底要吃多久？基于生物和量子技术的计算或存储，真的会爆发吗？真的很想知道答案啊！来自公众号：广告文内含有的对外跳转链接（包括不限于超链接、二维码、口令等形式），用于传递更多信息，节省甄选时间，结果仅供参考，所有均包含本。