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世界通信简史：“电”是谁提出的
，又是谁发明了电话？

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 ATT 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 ，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
”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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