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万字科普!通信世界发展简史

发布时间:2019-06-27 00:41 来源:未知 编辑:admin

  能吃一餐饭、买一本《权利的游戏》、看一个月Netflix,或者在当年可以买下电话的专利权。

  时间拨回1871年,意大利人安东尼奥·梅乌奇带着自己的Teletrofono电线美元买了需要每年更新的专利权。3年后,因无力维系这项支出,梅乌奇的电话专利权拱手让人。世界通信史因此发生了第一个重要转折。

  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」特别邀请对“通信世界发展简史”这一话题进行分享,内容包括:

  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。

  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。在发明电线年之后,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线年,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。

  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。

  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。

  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。

  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的通线……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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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!

  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。

  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。

  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。

  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)。

  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,天线个天线个天线头。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。

  ▲毫米波指的是波长为1-10毫米,频率为30-300GHz的电磁波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

  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。

  这是由于每个路口都无法知道下一路口发生着什么,更不用提几个路口之外的道路情况了。也就是数据包一旦发出,其到达的时间和质量都是不可控的。传统网络的僵化既不能保障通信质量,也不是通信资源最有效的利用方式。

  而SDN网络则完全不同,它可以实时动态地规划数据包的道路,不仅极大提高了网络资源的使用效率,也大大降低了网络的维护成本。

  随着云计算技术的发展和网络设备功能的简化,人们进一步提出了网络设备虚拟化(NFV)的概念。不仅网络本身可以被灵活定义,连网络设备也可以被灵活定义。想象这样的道路,你的车辆如果走着走着没油了,前面就会出现加油站;如果你累了,前面就会出现休息区,而且这些基础设施会因为车辆的多少而相应出现。这就是NFV给网络带来的灵活性。

  在另一方面NFV使得原来各种各样的网络设备,可以工作在相同的硬件平台上以软件形成网络功能。这大大降低了网络的构建和运维成本;更重要的是网络性质也因此发生了巨大变化,原来线路纠缠的电信网络开始转变为敏捷的解耦的IT平台。也正是这些技术的灵活性,为5G未来应用奠定丰富而坚实的基础。

  但这个便宜是需要一个形成过程的,只有产业规模逐渐成长,需求越来越多价格才能越来越便宜。所以作为产业参与者,就有两个选择:要么积极投入,要么被动等待时机更加成熟。但被动等待的风险在于,如果没有及时跟进这个浪潮,等别人的网络建设完善你再开始建设时,用户早已在你的网络建设完成时流失殆尽。从大的趋势上看,5G网络的网络建设和终端成本一定是越来越低的,而且是一个加速过程。

  在To C领域,5G网络的驱动力仍会来自于时尚性。目前,5G争论最大的内容就是超高带宽的应用场景问题,其实完全没必要担心应用场景。只要有网络能力,自然会有很多的应用创造者去开始想象和创造,通信网络总是如此,先有网络资源,然后会诞生出基于资源的应用,而其中大量的杀手应用都是在网络规划之中没有想象到的。

  在5G时代,由于网络需要密集建设,运营商必定需要更多利用社会资源共同建设移动通信网络才能实现5G网络的广泛覆盖。因此私属通信网络就会出现,这些网络将由网络的使用者推动其建设,并仅在一个固定的区域内提供服务。这就必然导致专业移动网络建设者出现,他们具备无线覆盖、计算平台搭建和核心网络资源的能力。另一方面也会出现基于物业权经营的共享网络运营者。

  通信的目的是更好、更多、更快地传输信息,这个过程在1G到5G的发展过程中遵从于通信的基本定律——香农定律。从香农定律来看,人类未来如果想做更好的通信,只能走更高的带宽,更高的频率。比如:可见光通信技术支持的Li-Fi作为Wi-Fi的演进替代,Wi-Fi速度与之相比,就是蜗牛和猎豹的差距。

  除了把通信提到更高的载频,目前人们对于6G的想象也只是提出了THz通信理念。THz通信将会面临比毫米波GHz通信更高的技术挑战,也会对网络部署提出新的课题。

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