近200年来,人类的通信技术经历了漫长的发展,也取得了瞩目的成就。那么,近现代通信究竟是如何演进与发展?这个过程又有哪些激动人心的人物和故事呢
在原始社会,部落成员进行狩猎活动时就可以互相通信,只不过当时的通信基本靠吼。随着历史车轮缓缓向前,人类社会组织规模不断扩大,出现了城邦和国家,通信技术也随之不断演进,出现了很多新颖的通信方式和通信工具,例如大家耳熟能详的击鼓鸣金,驿站书信等等。
这些通信手段虽然落后,但是加强了社会组织之间的联系,也促进了人与人之间的情感交流,极大地推动了人类文明的进步。到了19世纪,随着第二次工业革命的爆发,人类逐渐进入电气化时代,通信技术也迎来了跨越式发展。
1837年,美国人塞缪尔莫尔斯发明了莫尔斯电码和有线电报。电报的发明具有划时代的意义,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。
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1839年,全球首条真正投入运营的电报线路在英国出现。这条线路长约20公里,由查尔斯惠世通和威廉库克发明。1876年,美国人亚历山大贝尔申请了电话专利,成为了电话支付。虽然真正的电话之父应该是安东尼奥穆齐,但穆齐当时连申请专利的钱都没有,导致被贝尔捡漏。
到了19世纪末,随着法拉第,麦克斯韦,赫兹等传奇大咖的不断接力,电磁理论大厦终于奠基完成,人类也打开了新世界的大门。
1896年,意大利人伽利尔摩马可尼和俄国人波波夫几乎同时实现了人类首次无线电电报通信,他们的壮举宣告人类进入了无线通信时代,通信技术的发展演进推翻了崭新的篇章。
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进入20世纪之后,无线电报技术继续缓慢向前发展,并逐渐衍生出了广播等无线通信应用。1906年12月24日,美国匹兹堡大学教授费森登通过马萨诸塞州一座128米高的无线电塔,成功地进行了人类历史上第一次正式的无线电广播。后来,无线通信还被应用于警方,巡逻车等公共安全领域。
然而总体来说,由于电子技术成熟度和材料工艺方面的限制,无线通信技术在很长的一段时间里发展缓慢,通信距离,安全性,容量和稳定性的问题始终无法得到有效解决。二战期间,美国军方意识到战场无线通信的重要性,牵头发明了世界第一台无线固化机scr-194。后来摩托罗拉公司参与了这个项目,研发了后续型号scr-300和scr-536,成为了那个时代的战场标志。军用步话机是无线通信技术的一次重大创新,它的出现让人们开始冲进无线双向通信能够带来的美好生活
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1946年,美国at&t公司将无线收发机与公共交换电话网相连,正式推出了面向民用的mts移动车载电话服务,更准确地说是车载半双工手动对讲机。在mts中,如果用户想要拨打电话,必须先手动搜索一个未使用的无线频道,然后先与运营商接线员进行通话,请求对方通过固定电话网络进行二次连接。尽管mts现在看来非常另类,但它确实是有史以来人类第一套商用移动电话系统。
1947年至1949年,有两件重要的事情发生,为后来通信技术的飞速发展奠定了技术。
第一件是半导体晶体管的发明。1947年,来自贝尔实验室的威廉肖克利,约翰巴丁和沃尔特布拉顿共同发明了世界上第一个半导体晶体管。晶体管的发明开启了集成电路时代,电子元器件的体积和性能开始超过摩尔定律的方向发展。
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第二是信息论提出,同样来自于贝尔实验室。1948年至1949年间,在贝尔实验室工作的美国数学家艾尔伍德香农,先后发表了两篇划时代的经典论文,《通讯的数学原理》和《噪声下的通信》在论文中,香农详细且系统地论述了信息的定义,怎样数量化信息,怎样更好地对信息进行编码。香农同时提出了信息熵和香农公式,用于衡量消息的不确定性,阐述影响信道容量的相关因素。
这两篇论文宣告了信息论的诞生,也为后续信息和通信技术的发展打下了坚实的理论基础。正因为香农的杰出贡献,他被称为信息论之父,也被公认为通信行业的祖师爷。晶体管和信息论的出现,彻底改变了人类社会的发展进程。对于通信技术来说,他们加速了第二次技术飞跃的蓄力过程,为移动通信大跨越奠定了基础。
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时间很快进入20世纪50年代,陆续有更多的国家开展建设车载电话网络。例如1952年联邦德国推出的A-Netz
1961年,苏联工程师诺维奇发明一种新型移动电话,同样是安装在汽车上使用的。后来苏联推出了二台汽车电话系统,覆盖了本国30多个城市。
1969年,美国推出了改进型mts车载电话系统,简称imts,imts支持全双工自动拨号和自动频道搜索,初期可以提供11个频道,后来增加为12个,相比mts有了质的飞跃。
1971年,芬兰推出了公共移动电话网络arp,工作在150兆赫兹频段,仍然是手动切换,主要为汽车电话服务,不管是Alrai还是imts或arp,后来都称为0g移动通信技术。
很快,在半导体技术和计算机技术的共同刺激下,人类迎来了民用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奇怪设备,并对他说话,兴奋得手舞足蹈,引起路人纷纷侧目,这个人就是摩托罗拉公司的工程师马丁库帕,而他手上的设备就是他和同事约翰米切尔共同发明的世界上第一部真正意义上的手机。这款手机被命名为DynaTAC,高度22公分,重量1.28公斤,可以持续通话20分钟,拥有一根醒目的天线。
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1974年,美国联邦通信委员会批准了部分无线电频谱,用于蜂窝网络的试验。然而试验一直拖到1977年才正式开始。当时参与试验是at&t和摩托罗拉这两个死对头。At&t在1964年被美国国会剥夺了卫星通信商业使用权。无奈之下,他们在贝尔实验室组建了移动通信部门,寻找新的机会。
1964年至1974年期间,贝尔实验室开发了一种叫做hcmts的模拟系统。由于当时并没有无线移动系统的标准化组织,at&t公司就给hcmts制定了自己的标准,后来美国电子工业协会将这个系统命名为is-3
1976年,xcmts换了一个新名字-amps,at&t就是采用了amps技术,在芝加哥和纽瓦克进行了fcc的试验。再来看看摩托罗拉,在早期的时候摩托罗拉搞了一个rccs技术,赚了不少钱,所以他们一直极力反对fcc给蜂窝通信发放频谱,以免影响自己的市场,但与此同时,他们也在拼命研发蜂窝通信技术,进行技术储备,这才有了前面DynaTAC的诞生。Fcc发放频谱后,摩托罗拉基于DynaTAC在华盛顿进行试验,就在他们还在慢悠悠进行试验的时候,别的国家已经捷足先登了。
1979年,日本电报电话公司在东京大都会地区推出了世界首个商用自动化蜂窝通信系统,这个系统后来被认为是全球第一个1G商用网络。
1981年,北欧国家挪威和瑞典建立了欧洲首个1g移动网络nmt,不久后丹麦和芬兰也加入了他们, nmt成为全球第一个具有国际漫游功能的移动电话网络。在后沙特阿拉伯,俄罗斯和其他一些波罗的海以及亚洲国家也引进了nmt
1983年,美国终于想起来要搞自己的1g商用网络了。1983年9月,摩托罗拉发布了全球第一部商用手机DynaTAC-8000 x,重量1公斤,可以持续通话30分钟,充满电需要十小时,售价却高达3995美元。
1983年10月13日,Americitech移动通信公司基于amps技术,在芝加哥推出了全美第一张1g网络,这张网络既可以使用车载电话,也可以使用DynaTAC-8000x手机,商用第一年,Americitech卖出大约1200部DynaTAC-8000x手机,累积了20万用户,五年后,用户变成了200万的数字。
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迅猛增长的用户数量远远超过了amps网络的承受能力,后来为了提升容量,摩托罗拉推出了窄带版namps技术-namps,除了nmt和amps之外,另一个被广泛应用的1G标准是tacs,首发于英国,Tacs系统主要由摩托罗拉开发出来,实际上是由amps系统的修改版本,两者之间除了频段,频道间隔,频偏和信令速率不同,其他完全一致。
和北欧的nmt相比,tacs的性能特点有明显的区别。nmt适合北欧人口稀少的农村环境,采用的是450兆赫兹频率,小区范围更大,而tacs的优势是容量而非覆盖距离, tacs系统发射机功率较小,适合英国这样人口密度高,城市面积大的国家。
随着用户量的这个增加,后来tacs补充了一些频段,十兆赫兹变成了etacs,日本的ntt在tacs基础上也搞出了这个jtacs,值得一提的是,1987年中国在广州建设的第一个移动通信基站采用的就是tacs技术,合作厂商是摩托罗拉。除了amps,tacs和nmt之外,1G技术还包括德国的C-netz,法国的redioccom-2000和意大利的rtmi等。
这些百花齐放的技术宣告了移动通信时代的到来。虽然1g在很多国家开花结果,但是事实上它并不是一个成熟可靠的技术,主要是因为它采用的是模拟信号技术,这种技术导致通信系统的保密性差,容量低,通话质量差,信号不稳定等一系列问题。
80年代后期,随着大规模集成电路,微处理器与数字信号处理技术的更进一步发展和成熟,人们开始研究数字技术,引进到移动通信系统当中,于是很快我们就迎来了2G
1982年,欧洲邮电管理委员会成成立了移动专家组,专门负责通信标准的研究。这个移动专家组法语缩写是group special mobile,后来这一缩写的含义被改为大名鼎鼎的gsm-全球移动通信系统。
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Gsm的成立宗旨是要建立一个新的泛欧标准,开发泛欧公共陆地移动通信系统。他们提出了高效利用频谱,低成本系统,手持终端和全球漫游等要求。随后几年,欧洲电信标准组织完成了gsm900兆赫兹和1800兆赫兹的规范制定。
1991年,芬兰的Radiolinja公司在gsm标准的基础上推出了全球首个2g网络。此后,全球多个国家和地区都基于gsm技术建立起了自己的2g移动通信网络。2g采用数字技术取代1g的模拟技术,通话质量和系统稳定性大幅提升,更加安全可靠,设备能耗也大幅下降。
除了gsm之外,另一个广为人知的2g标准就是美国高通公司推出的cdma,Cdma所基于扩频技术其实在二战时期就已经出现了,当时的好莱坞女星海蒂拉玛和钢琴师乔治安泰尔合作发明并申请了扩频通信专利。海蒂拉玛也被后人称为cdma之母。但是扩频通信当时并没有引起美国官方的重视,只是在二战之后的冷战期间被用于军用保密通信。
到了80年代,美国高通公司发现了扩频通信的商业价值,并在此基础上发明了cdma通信技术。1991年,高通正式开展了cdma系统的现场试验。
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1993年, cdma被作为美国数字蜂窝移动通信标准is-95a。1995年, cdma系统在香港,韩国首先入网使用,然后在美国等国家的地区进行推广,此时全球移动通信领域就形成了gsm和cdma进行全面竞争了。从技术层面上讲,cdma比gsm更加优秀,它的容量更大,抗干扰性更好,安全性更高,但cdma起步较晚, gsm已经在全球占据了大部分的市场份额,是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与gsm无法相提并论。
1993年9月,我国在浙江嘉兴正式开通了国内第一套移动通信系统,采用的就是gsm技术。除了gsm和cdma之外,2g还包括了别的几种技术标准,美国蜂窝电话工业协会基于amps技术高出了一个数字版的amps叫做d-amps,1990年日本推出的pdc都属于2G标准。
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