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聊聊通信的过去、现在和未来

发表时间:2023-11-06 11:03作者:小枣君

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**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。**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**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**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(Advanced Research Projects Agency,高级研究计划局)。

后来,为了保证自己能在苏联的**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**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(Palo Alto Research Center)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**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、音视频业务、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**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!

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