万字科普！通信世界发展简史

回顾通信历史，人与人、人与技术或是技术与技术间，存在着无数影响与被影响，改变与被改变的关系。理解这个世界的规则，也是理解未来通信的不二法门。

本期「CBC洞见」特别邀请亚信集团副总裁祝刚对“通信世界发展简史”这一话题进行分享，内容包括：

❶ 通信历史是从一场丑闻开始的

❷ 0G到5G，移动通信技术标准的演进

❸ 5G的关键技术与价值实现脉络

❹ 5G之后，未来通信要往何处去？

图片来源：pixabay

作者 | 祝刚 亚信集团副总裁

从1990年参加工作以来，我一直没有离开过通信行业。我是软件工程师出身，加入亚信前，曾在摩托罗拉核心实验室工作，参与通信系统的研发。大部分的通信发展历史，我都可以算是以第一视角经历其中。

面向5G研究通信技术发展的历史，一方面可以帮助构建对通信技术发展缘由的认知；另一方面，可以通过通信行业历史所隐含的一些规律，判断未来行业的发展趋势。

01. 从电报到电话，通信世界的新纪元

通信发展的历史和人类发展的历史有些类似，虽然从整体上看是一步一步迈向更加美好，但其某些发展细节却不免隐藏着丑恶。这些丑恶有时竟是人类进步的重要原因。通信历史其实就是从一个丑闻开始的。

大部分的通信历史教科书上都会写“电话是贝尔发明的”，但实际上，电话的真正发明者是一个叫梅乌奇的意大利人，贝尔碰巧和他在一个实验室里工作过。

梅乌奇虽然是一个伟大的发明家，但他缺乏商业意识。在发明电话2年之后，由于经济原因，他暂停了专利费的支付。贝尔和格雷，在梅乌奇不知情的情况下，带着他的关于电话的所有技术文档，相继去美国专利局申请了终身专利。后来贝尔又通过商业运作手段收购了格雷的一些内容，也另外收购了一些爱迪生的技术，成为了电话技术的商业拥有者，他也一直宣称自己是电话的发明者。直到2002年，美国众议院才正式把电话发明权交还给梅乌奇。

电话的“发明人”贝尔，实际上竟是一个沽名钓誉者，这是很难看的通信历史，但是通信行业的发展确实起源于这个小偷和骗子。

贝尔虽然不是一个伟大的发明家，但他是一个杰出的商业天才。他为通信事业的发展做了一系列具有奠基意义的事情，其中最重大的就是成立了贝尔电话公司。

贝尔电话公司作为第一家公众电话服务公司，把电话这样一个在别人眼里的贵族玩具，逐步带向了一个面向大规模公众服务的基础社会设施。其后，从贝尔电话公司分离出的AT&T构建了公共电话网络PSTN，并成为了延续至20世纪末的电话交换网络的基本形态。直至今日，AT&T经历几次反垄断分拆，仍然是全球范围的通信巨头。

AT&T收购了西方电子公司的一个研究部门，成立了著名的通信技术实验室——贝尔实验室。而贝尔实验室则成为了后来通信技术发展的重要引擎，大多数早期的通信技术都奠基于贝尔实验室的科研成果。电信公司有充足的现金流建立这样的核心实验室，可以潜心研究未来技术，扎实地将技术转向市场，以形成推动人类通信进步的力量。

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02. 从0G到5G，移动通信技术标准的演进

摆脱PSTN的连接束缚，移动通信技术的诞生

早在1950年代就有了移动通信的技术应用，但人们往往将其称为“第0代移动通信”，而不是第1代移动通信。因为这个时代的移动通信技术，并没有建立真正意义上可运营的移动通信业务，它只能被视为固定电话的无线延伸。运营商仍然是固定电话网络的运营商，服务号码也是固定电话号码，无线连接能力只是一种增值服务。

这种拓展无线连接能力的需求最早来自于汽车。由于美国汽车工业的发展，越来越多的人拥有了汽车，很多人希望在移动的汽车里也能如同在家里一样打电话，这就是移动电话的最初需求。这个需求也唤醒了一代通信巨头——摩托罗拉。

摩托罗拉最早是一家做汽车收音机的厂商。Motorola的名字就来自于其非常成功的汽车收音机品牌。摩托罗拉在制造车载半导体收音机的过程中，积累了坚实的车载无线通信技术。因此，当车载移动通信的需求兴起时，高尔文兄弟极其敏锐地抓住了这一机遇，Motorola当仁不让地成为了车载移动电话领域的领军企业。

在摩托罗拉产品的支撑下，美国伊利诺伊州开通了当时世界上最大的无线通信系统，这个通信系统一共用64个频率覆盖全城，可以满足人们在移动的汽车上打电话的需求，由于没有电话线的束缚，这种通信方式给人们带来了巨大的便利。

但是这个时候的通信系统，频率是独占性的，也就是说，在某个地点，只能有一个人使用该频率进行通话，其它人只能选择不同的频率。因此，这个系统在其天线所覆盖的范围内，最多只能64个人打电话，而且人们打电话的过程中一旦超出了天线的覆盖范围，通话就会被中断，只能重新连接。通信不连续的问题和系统容量的问题被用户普遍抱怨。不过这也指明了当时的通信技术发展的方向。

从一个PSTN的增值服务，到一个独立的移动通信业务

得益于摩托罗拉和贝尔实验室的伟大构想——蜂窝移动通信系统，可以把一个天线所覆盖的通信区域分成若干个通信单元——扇区，相邻扇区之间采用不同频率，相隔的扇区可以进行频率的复用，扇区和扇区的连续覆盖构建了整个城市的网络覆盖。

由于不同扇区与移动终端的通信可以在基站控制器的指挥下平滑进行频率切换，这使得用户能够得到连续性的移动通信服务。一个城市也可以因此构建无缝的移动网络覆盖。移动通话不再会被时时中断。而且，由于频率的复用能力，整个通信系统的用户容量得到了大幅度提升。

除了技术方面的演进，该系统更加重要的改变是移动通信设备不再依附于一个固定通信设备，移动电话开始有了自己的用户号码，它可以与固定电话以平等的身份加入到PSTN的交换网络之中。移动通信业务也自此真正拉开序幕。这就是第一代移动通信系统(1G)。

虽然1G时代的移动通信服务受到了普遍赞誉，但其最大的问题就是贵！因此妨碍了这项服务的大众化普及。这主要由于当时的蜂窝系统容量有限，因此系统用户数量有限，这样每一个蜂窝基站建设成本均摊到每个用户身上就会非常高。

1987年11月，广东省开通了全国第一个移动通信网，首批用户只有700名。当时电话的公开价格在20,000元左右，黑市售价高达50,000元。另外入网费6,000元，每分钟通话0.6元，1小时的市内通话费用就需要80元。即便是在今天，普通人也未必能负担起这样的价格。

所以，如何使通信更加便宜，就成为了当时移动通信技术最核心的演进动力，这促成了2G时代序幕的开启。

技术决定生态，生态决定商业规模

在向第2代移动通信演进的过程中，涌现了许多通信技术的天才构想，用于降低通信网络的成本，提升通信网络的容量。其中最有代表性的两个技术就是时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术。当时流行的GSM就是一种时分多址技术。

举例来说，假设有2个人，A在奇数时间片通信，B在偶数时间片通信，如果你采样第1，3，5，7……时间片，你就会听到A的通话，你如果采样第2，4，6，8……时间片，你就会听到B的通话，发送方和接收方严格同步，A、B就都可以进行自由的通信。虽然时间切片有间隔，但如果这样的时间切片到了毫秒级甚至微秒级，人耳是无法识别的，因此人们感受到的是依旧是连续的通信。实际工程中，信道不止被分为两个切片，而是被细分为多个时间切片，这使得信道容量成倍提高，人均通信成本也就可以成倍地降低。

举例说明，就好比在一个房间里有n个人在说话，A讲英语，B讲中文，C讲法文……懂中文的人能听到中文，懂英语的人能听到英语。这样尽管大家在一个屋子里各说各的，但大家各自只关注自己的语言，滤除其它语言的影响，因此接收方和发送方就可以自由通信。

CDMA技术的优势相比于TDMA是明显的：其系统容量大；通话质量高，没有频率干扰，频率规划就更简单；建网成本就会更低。贯穿整个2G时代，通信技术从根本意义上就是这两种技术标准之间的竞争。

伟大的梦想实现通常不仅因为技术

在这里不得不提的插曲，就是摩托罗拉的“铱星计划”。

铱星计划试图另辟蹊径解决移动通信问题。仿照铱原子的77个核外电子，铱星计划向外太空发射了77颗卫星（后来计算只需要66颗），让铱星像大蜂窝系统一样构建全球覆盖。全球任何一点都有卫星的覆盖，两地的通话，最多只要经过卫星的两跳，就能得到连接。

这样通信系统将彻底解决全球通信问题，不仅是城市，即便是边远地区、荒芜沙漠、海洋，也可以进行无缝的通信服务，而建立这样一个全球范围的通信系统不过也就是34亿美金的投资！

这是一个非常伟大的构想，1998年摩托罗拉也顺利获得34亿美金的投资，成立了铱星公司，66颗卫星也陆续发射上天。但这项计划的最终结局却是失败。

铱星计划的失败不仅对于摩托罗拉是个沉重打击，也开始引发人们对于通信技术发展方向的深思。

铱星计划在技术上并非不可实现，但有很多基本内容无法在通信行业成立：首先，它缺乏合理的运营主体，而且无论谁来运营，都有太多强大的本地通信利益壁垒需要冲破。另外，在人类没有达到政治大同前，这类全球化的移动通信系统很难成为大众通信系统。通信系统是一个国家核心的基础设施，这一点上技术主权就是国家主权，所以通信行业的事情，必须大家商量着来。所以尽管铱星公司目前仍在惨淡经营，但其业务聚焦已经非常边缘化。

通信标准必将走向统一，但这是一个渐进的利益均衡的过程

在2G到3G的过渡阶段，各国陆地移动通信系统可以说“七国八制”，目标想法也不尽一致。1996年，在ITU（国际电信联盟）带领下，产生了大家达成共识的通信系统构建蓝图——IMT-2000，也就是3G第三代移动通信系统。后面的4G，5G实际上就是在IMT-2000基础上的演进， 4G命名为IMT-Advanced，5G命名为IMT-2020。

面向5G，ITU组织的工作机理就是这样：2018年10月份左右，5G标准开始征集，任何相关厂家和标准组织都可以提交建议。截至今年10月份，ITU将正式发布5G的所有标准。其中最重要的一个标准组织就是3GPP。

通信标准决定了通信产业的商业价值分布，甚至国家在全球经济中的位置，因此通信标准就是每一个利益团队在寻求进步的同时的必争之地， Qualcomm就是一个经典案例。

1997年，Qualcomm上市时的股价只有14.32$，但CDMA技术造就了Qualcomm的神奇。作为当时最先进技术的唯一专利芯片提供商，Qualcomm3年之后的股价就增长到237.35$，业务增长率达到了2621%。

Qualcomm的成功就在于它把握了通信标准的制空权。Qualcomm之后，大家认识到标准对未来商业利益的巨大影响，由此引发的标准之争也进入到了白热化阶段。

通信标准的白热化争夺，通信世界的重新定义

3G时代大家都认同CDMA代表未来的方向，但欧洲、中国与北美都各有自己的标准：欧洲是WCDMA，中国是TD-SCDMA，北美是CDMA2000。

标准化组织也形成了分裂，一方面是欧洲建立在UMTS技术愿景之上的3GPP组织，另一方面是美国建立在CDMA2000基础之上的3GPP2组织，中国也开始以自己的通信标准TD-SCDMA参与到通信标准竞争之中。除了这些传统通信行业标准组织外，IEEE（电气和电子工程师协会）也雄心勃勃地参与到了3G标准竞争之中，并提出了第4个3G的通信标准——802.16，即WiMax。

以Intel为代表的IT厂家主推WiMax作为未来通信标准，并期待以其PC市场为基础，迅速推广WiMax的普及，这一计划得到了美国政府的强力支持。

WiMax一开始在全球电信展会都非常火热，一度俨然成为未来主角。但是，WiMax最终还是被放弃了，原因有两点：第一，其技术标准无法获得多数设备和终端厂家的支持，因此生态力量不足。第二，它对未来通信世界的判断发生了偏差，移动通信非但没有使PC成为主要的移动终端，反而使智能终端替代了PC成为主要的计算终端。WiMax性能无法与其它为智能终端特点所设计的协议适配，败下阵来理所当然！

CDMA魂断UMA，一代统治技术的终结

所谓“哪里有压迫，哪里就有反抗”。每一个终端设备厂商都要因CDMA付给Qualcomm大量的专利费用，于是大家都想尽办法绕开Qualcomm。这使得CDMA的技术生态越来越小。

而随着通信业务的发展，CDMA的典型技术弱点也开始暴露：1. 信号衰弱快，导致基站建设密集，成本升高；2. 随着用户数量增加，通信质量受到影响；3. 传输带宽消耗大，频率资源浪费严重；4. 通信带宽小，需要多载频聚合才能形成带宽能力。

这些原因都使CDMA难以形成强有力的产业生态。Qualcomm虽然后来也提出了UMB(Ultra Mobile Broadband)的技术愿景，但实际采用的是与其竞争的LTE技术相仿的技术内容。对Qualcomm而言，UMB的产业价值越来越小。在2008年，Qualcomm终止了UMB研发，CDMA移动网络的演进就此中断。

看通信世界，天下纷争，终归一统

通信网络的本质目的就是要将人们连接起来，所以通信标准最终走向统一也是一种技术必然。4G时代终结了欧洲UMTS技术、美国CDMA技术标准，以及中国TD-SCDMA技术标准的独立发展，最终形成了统一全球的LTE( Long Term Evolution)技术标准。

虽然在技术实现上LTE仍主要有两种模式：LTE-FDD（频分双工形式）和LTE-TDD（时分双工形式），它们使用的频段也有所不同，但90%的核心技术内容是相同的，所以大部分设备和网络可以同时支持这2种技术版本。

LTE采用了正交频分多址技术(OFDMA)，在信道利用上，基本达到了极致。如：在2G时代的时分多址技术(TDMA)，每个通信信道有自己的时间切片，但不同信道如有空闲的时间片是不能被利用的。而在LTE技术下，所有通信信道的空闲时间切片可以统一规划，这极大地提高了频率资源使用率、拓展了信道的容量，同时4G时代又采用了载波聚合技术(Carrier Aggregation)，可以将2-5个载波聚合在一起，从而大大提升了信道的数据通信能力。

走着走着，一切都不一样了

在人们的传统认知里，“移动网络是用于人与人之间的讯息传送的”。移动网络进行广域覆盖，主要用于语音通信和简单信息传输。而那些大数据量通信并没有强移动性需求，因此图书馆、咖啡厅、办公室等热点区域的通信需求可以通过 “游牧型”(Nomadic)网络提供，这种网络的移动性低但数据传输能力高。这也是WiMax对未来通信世界的主要构想。

但人们从2.5G时代开始发现，除了打电话以外，手机开始可以接收越来越多的非语音通信内容。短信、彩信等开始成为通信业务成长的动力。随着这种数据业务的发展，互联网世界开始和通信世界走向融合。3G时代智能终端的出现也对通信世界产生了根本性的影响。

以iPhone为代表的智能手机，是集音乐播放、收音机、照相、游戏、电子书等功能为一身的计算终端，需要更高带宽、更高质量的网络支持。“移动网络用于传送数据，移动终端集成一切电子设备”的新认知开始出现。

在后4G时代，这种需求变得越来越强烈，移动终端不仅集成了随身电子设备，而且移动网络开始将各种电子设备者纳入服务范畴。

2009年，物联网概念出现，并以远远高于移动互联网的增速形成汹涌浪潮。据DigiReach预测，2020年全球物联网的连接数量将超过500亿；这使得移动网络的本质发生了根本变化，它不再是仅仅满足人们的日常通信、娱乐、信息服务的需求，而是要广泛应用于各种设备之间的数据传输需求。网络因此从满足单一的数据传输特征需求，演变成需要满足不同类型的广泛连接特征需求。网络能力的多特征极化，也成为5G时代的显著需求。

为了满足5G通信网络对于不同连接特征的需求，5G网络采用了很多新的无线通信技术，其中最具代表性的就是波束赋形(Beamforming)，大规模天线阵列(Massive MIMO)，以及毫米波通信(mmWave)。

实际上这些技术也并非5G所独创，在5G之前的各种通信标准之中，就有类似技术的实现，但正是由于ITU的通信标准形成机制使得5G成为博采众长的集大成者。

5G网络的灵活性，在于它对于通信元素的控制能力

大规模天线阵列(Massive MIMO)与波束赋形(Beamforming)，是5G多特征极化的重要支撑。

大规模天线阵列(Massive MIMO)是指一根天线有很多的天线头。每个天线头可以与移动设备进行独立的输入输出信号通信，这相当于为基站和终端之间建立了众多通道，天线头越多，通信信道就越多。在5G时代，天线可以拥有256个天线头，远远多于4G时代MIMO的16个天线头。这就大大提升了单位网络面积能够支撑的设备容量。

建立在Massive MIMO技术基础之上的波束赋形技术(Beamforming)，可以使得天线头的载波频率能够以极小的扇区夹角以几乎直线的方式对准通信终端建立无线通信通道。可以想象众多的天线头都对准各自终端设备同时进行通信。不仅如此，这些通道还可以聚合，或者独占，使通信的带宽和可靠性得到不同的结果。

想象有非常多的车道，可以聚合形成一条非常宽阔的道路，也可以将车道细分支撑更多的车辆，还可以让某些车辆跑在固定的车道上增强其可靠性。这种灵活动态规划车道的能力，正如5G的通信网络可以按照场景的需求，实现大规模通信设备连接、超稳定低延迟连接或是超高带宽连接的能力。

毫米波通信是5G最具深远意义的技术演进

对未来的通信发展而言，毫米波通信应用于移动通信网络是最具深远意义的技术演进。这应该是5G的核心所在，但毫米波产品目前在产品化上也是最不成熟的。大多数初始5G网络建设瞄准的也是Sub-6G频段，而非20G以上的毫米波频段。

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毫米波有着明显的优点：1. 毫米波带宽极高：有200G以上的潜力，可以承载已知的任何应用 2.毫米波的波束极窄：1-5度的波束宽度，测形、测速及定位精度高 3.毫米波的信道安全：毫米波散射性弱，因此通信安全性高 4.毫米波的元器件小：毫米波器件小，因此通信设备更容易小型化

尽管如此，毫米波也有着难以避免的缺陷：1.毫米波的信号衰落快：受大气衰减和吸收影响，无法进行广域覆盖 2.毫米波的信号穿透力低：能够穿透烟雾、灰尘等，但难以穿透固体材料 3.毫米波的器件加工精度高：非常小的加工瑕疵都会对毫米波设备性能造成很大影响

毫米波技术是实现5G网络超高带宽的基础条件，只有在毫米波的载频上才可能实现5G超高带宽的数据传输的能力。而毫米波的缺陷也正是5G网络建设需要面临的问题。

5G不仅仅是无线网络的变化，移动网络的其它部分也会发生巨大的本质变化。在移动网络从1G向4G演化过程中，交换网络从线路交换逐渐演变成数据包交换。线路交换的本质是建立一个固定连接的过程，通信双方的连接建立后，只要通信没有被终止，通信链路就一直存在。

后来诞生了以ATM为代表的虚拟线路交换技术。它可以将物理链路进行时分复用(TDM)，它把传输的数据，切分成一个个固定大小的数据包，然后在固定的时间区间传送这些数据包。这就等同于在一个物理连接的基础上，建立了很多虚拟连接，这就大大提升了传输信道的通信容量和能力。

而IP网络的出现，引入了数据包交换技术，则消除了所谓连接的概念。像寄信一样，发方写对数据包的地址，然后发出去即可；收方通过网络的路由收到数据包再做内容汇集。语音、图片、视频等多媒体内容都可以进行传输。

数据包交换技术使网络的构建变得异常灵活，这种灵活性在4G时代，已经体现在无线、传输、交换等所有移动网络的基础支撑架构上。这也是人们将4G时代称为全IP网络时代的原因。全IP通信网络大幅降低了网络的复杂程度，网络建构和运维成本也随之降低。

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5G通信网络的理想是没有网络

建立于IP网络技术基础之上，5G网络将网络的敏捷性、灵活性更提高了一个层次。举例来说：

【小剧场1】

一个数据包每经过一个路口就要向路由器问路

但是，可能会有下列情形……

走着走着突然前面道路发生故障

不得不停下来等故障排除

或者

旁边明明有空闲道路

却只能挤在拥挤的道路上……