1.2 通信发展简史 · 《通信原理（第5版）》

通信发展历史是人类智慧创造的史诗。从第一封电报、第一个电话、第一条广播、第一台电视、第一部手机到第一条短信，有无数个改变人类社会与生活的“第一”。

1. 电通信之前

通信无处不在。面对面说话是通信，书信往来是通信，手势、表情、肢体语言是通信，基因延续、文化传承也是通信，所有具有信息传递特征的行为都是通信。通信充彻于人们日常生活中，如阅读书籍：作者将其思维表述于书中，读者通过眼睛扫视书中图文，经神经中枢通信，告知大脑信息。人类的眼、耳、鼻、舌、身等将感知的信息，经神经系统通信传到大脑，大脑经思考作出反应，通知身体各部作出动作。动植物也同样通过通信作出各种生理反应。

通信也称为通讯，英文为 communication。中文通信一词最早见于《晋书·王澄传》。西晋名士王澄被王敦所杀，《王澄传》提到“因下床而谓澄曰：‘何与杜弢通信？’”唐代李德裕所著《代刘沔与回鹘宰相书意》中也有一句话：“又恐回鹘与吐蕃通信，已令兵马把断三河口道路。”

在电通信之前，古人发明了许多实用的远距离通信方式。例如：

鸿雁传书：将鸽子腿绑上小纸条传递信息；
八百里加急：通过骑马接力传递紧急信息；
烽火通信：通过长城上一个接一个的烽火台，点燃狼烟传递紧急军情，是世界上第一个长距离中继通信系统；
旗语通信：使用手持旗、棒、圆盘、桨来传递信息，是 19 世纪海上舰船广泛使用的通信方式。

2. 电通信

人类对电通信的探索始于 19 世纪初。1837 年，库克（ $W$ . Cooke）与惠斯通（ $C$ . Wheatstone）发明了磁针式电报。同年，摩尔斯（ $S$ . Morse）发明了莫尔斯电码。莫尔斯电报系统于 1844 年在华盛顿和巴尔的摩之间试运行，此后风行天下，开启了人类通信的电时代。1876 年（光绪二年），福州城至马尾港电报线建成，中国有了第一条电报线路。

1875 年，贝尔（ $A$ . Bell）利用电磁感应原理发明了电话。1876 年，人类实现了第一次电话通话，贝尔的同事华生（Watson）通过电话听到了贝尔清晰的话音：“Mr. Watson, come here, I want to see you.” 1882 年，我国第一部磁石电话交换机在上海开通。

1864 年，麦克斯韦（ $J$ . Maxwell）建立电磁场理论。1887 年，赫兹（ $H$ . Hertz）实验证明电磁波的存在。1901 年，马可尼（ $G$ . Marconi）实现了从英国到纽芬兰，超越 2 700 km 的跨大西洋无线电通信。1905 年，费森登（ $R$ . Fessenden）实验成功无线传送音声与音乐，标志着调幅无线电广播的诞生。此后陆续出现了调频、单边带等模拟调制方式以及超外差技术。20 世纪二三十年代，电视开始普及，极大改变了人们的生活方式。

电通信的基础是电信号处理，电通信的发展程度取决于电子技术的发展程度。1906 年，德福雷斯特（ $L$ . de Forest）发明了第一只真空三极管，使电子管成为实用器件。1917 年，法国无线电工程师莱维（ $L$ . Lévy）发明了超外差接收机。1946 年，第一台数字电子计算机问世，为通信技术提供了强大的计算支持。1948 年，贝尔实验室的巴丁（ $J$ . Bardeen）、勃拉登（ $W$ . Brattain）发明了晶体管。1958 年，基尔比（ $J$ . Kilby）和诺伊斯（ $R$ . Noyce）分别发明了集成电路。集成电路后续又发展到超大规模集成电路，使在这期间刚出现的数字计算机得到迅猛发展，并很快与通信技术相结合，通信设备日益计算机化，计算机借助通信日益网络化。

3. 数字传输

通信有模拟通信和数字通信之分。最早的莫尔斯电码属于数字通信。后来出现的电话、广播则是模拟通信。数字通信有许多优点，例如易于加密，可以避免噪声积累，可以采用先进的调制编码技术，易于软件实现或数字集成芯片实现。电话、电视等模拟信息可以数字化为比特流。今天，电脑里的音乐、视频都是以数字化的比特形式存储的。

1937 年，里夫（ $A$ . Reeves）提出用脉冲编码调制（Pulse Coded Modulation, PCM）对语音信号编码，使模拟电话信号变成比特流。但在商业应用上，PCM 直到 20 世纪 70 年代才逐渐取代当时普遍采用的模拟电话传输系统。我国在 20 世纪七八十年代逐步引入数字传输，开始了通信数字化的发展。1982 年，中国第一部万门程控电话交换机在福州启用。

1971 年，美国国防部建立了阿帕网（ARPANET），使计算机之间的通信从局域网向广域网发展，最终成为今天的互联网。90 年代起，互联网用户数开始爆炸式增长，业务不断扩大，传统的电话业务也开始低价位通过网络传输，直至今天的微信语音。目前的通信系统大多已数字化。移动通信系统从 GSM 开始步入数字化，逐步替代了原来广泛使用的模拟调频方式。

通信方式数字化的背后是电子设备的数字化。1995 年，布鲁斯特（ $S$ . Blust）提出了“软件无线电”一词。通过模数/数模变换（ADC/DAC），可以把调制解调、锁相、滤波等各类模拟信号处理全部数字化，并通过软件无线电、FPGA、DSP、集成芯片等来完成。

大容量多路传输也从最初的模拟传输发展到今天的数字传输。1941 年，美国建成第一条同轴电缆，最初开通 480 路电话，之后陆续增加到 13 200 路。我国在 1976 年敷设京沪杭 1 800 路同轴电缆并投入使用。1966 年，英籍华人高锟提出用玻璃光纤传送信号。此后，光纤通信迅猛发展，从多模发展到单模，从单波发展到波分复用，从非相干发展到相干。光通信的传输速率越来越高。目前，我国已打破普通单模光纤实时传输速率世界纪录，每条光纤的传输速率达到 120 Tbit/s。

多路传输促进了复用技术的发展。最早出现的是时分复用（Time Division Multiplexing, TDM），由法国工程师波特（ $E$ . Baudot）于 1870 年发明，用于电报传输。1874 年，爱迪生（ $T$ . Edison）发明了能传输 4 路电报的时分复用技术。在波特提出时分复用的 40 年后，斯奎尔（ $G$ . Squier）于 1910 年发明了用于复用多路电话信号的频分复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）。此后陆续出现了码分复用（Code Division Multiplexing, CDM）、空分复用（Spatial Division Multiplexing, SDM）等众多的复用技术。

4. 香农极限

1948 年，香农发表了著名的论文《通信的数学理论》，提出了通信系统的一般模型，定量揭示了通信的本质问题。之后香农又发表了率失真理论和密码理论等论文，后经其他学者的努力，逐步完善了一系列编码定理，到 20 世纪 60 年代形成信息论这一新学科。信息论是关于通信本质的理论。信息论给出了信息的明确定义及定量度量，回答了信源最大可以压缩到什么程度，信道最高能支持多高的传输速率等通信的基本问题。随着当今电子技术和信号处理算法的高度发展，通信系统的传输能力已经越来越逼近香农理论所给出的极限能力。

香农信息论与两大奠基公式

香农的熵公式被誉为改变人类世界的十七个伟大公式之一，其表达式为：

H(X) \triangleq -\sum_{i=1}^M p_i \log p_i \tag{1.2.1}

其中 $p_1, p_2, \cdots, p_M$ 是信源符号的出现概率，详见本书第 7 章。基于信息熵及互概念的概念，香农给出了著名的香农信道容量公式：

C = B \log_2 (1 + \mathrm{SNR}) \tag{1.2.2}

它表征了信噪比（Signal to Noise Ratio, $\mathrm{SNR}$ ）、信号带宽 $B$ 与最高传输速率 $C$ 之间的定量关系。熵以及香农公式对现代通信具有极其重要的指导意义。本书第 7 章和第 8 章将进一步介绍。

5. 卫星通信

1945 年，英国物理学家克拉克（ $A$ . Clarke）发表了一篇富有想象力的文章《地球外的中继》，文中提出了利用位于地球同步轨道上的人造地球卫星作为中继站进行通信的设想。1957 年，苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星，地球上首次收到从人造卫星发来的电波。1963 年，美国发射了第一颗地球同步卫星。1965 年，国际卫星通信组织发射了第一代国际通信卫星 INTELSAT-1，正式承担国际通信业务，标志着卫星通信时代的到来。近年来，卫星通信领域已成为通信技术领域新的热点，低轨卫星发展迅速。SpaceX 的星链目前已部署了上千颗卫星，为用户提供高速互联网接入服务。

我国于 1970 年 4 月 24 日在酒泉卫星发射中心成功发射了第一颗卫星“东方红一号”，随后在 1984 年 4 月发射了第一颗同步通信卫星“东方红二号”。2009 年 12 月，中国第一颗业余通信卫星“希望 1 号”发射成功。2016 年 8 月，我国成功发射了“天通一号 01 星”。随后，“天通一号 02 星”和“天通一号 03 星”也相继成功发射，构建了我国自主建设的首个卫星移动通信系统。目前，我国在轨卫星数量位居世界第二。随着“千帆星座”的陆续发射，我国向全球卫星互联网领域迈出了重要一步。

6. 移动通信

最近几十年来发展最强劲、最为公众瞩目的是移动通信。最早的移动通信可追溯到 19 世纪末船舶上用短波进行的电报通信。从 20 世纪 20 年代起，船舶上可通无线电话，陆地上的警车中也装有无线电台作调度通信。

1G 时代：20 世纪 40 年代，欧美各国开始建立公用汽车电话网，这个时代是移动通信的 1G（第一代）时代。1G 时代的移动通信是以模拟技术为基础的蜂窝无线电话系统，只能传输语音，网络容量有限，多个用户同时通信采用频分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）技术。1973 年，摩托罗拉员工马丁库帕（ $M$ . Cooper）发明了世界上第一部手机，开启了手机时代。1987 年，中国第一个无线基站在广州建立。
2G 时代：20 世纪 90 年代初，世界各国相继开通 2G（第二代）移动通信，主要包括采用时分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）的 GSM 系统，以及采用码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）的 IS-95 系统。2G 移动通信以数字语音传输技术为核心，开启了手机上网的先河。1993 年，我国第一个数字移动电话 GSM 网在浙江嘉兴开通。
3G 时代：进入 21 世纪时，移动通信也发展到 3G（第三代）。3G 能支持高速数据传输，提供高质量的宽带多媒体综合业务，并能实现全球无缝覆盖、全球漫游。3G 最早由国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）于 1985 年提出，1996 年更名为 IMT-2000，其容量是 2G 的 2~5 倍。最具代表性的 3G 系统有美国提出的 CDMA 2000、欧洲提出的宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA）和中国提出的时分同步码分多址（Time Division-Synchronization Code Division Multiple Access, TD-SCDMA）。TD-SCDMA 的提出，标志着我国在移动通信领域进入了世界前列。
4G 时代：到 4G（第四代）、5G（第五代）时，我国已处于领先地位。4G 提供了更快的上网速率，能传输高质量的图像与视频，直接促进了智能手机的全球普及。4G 能够灵活利用频谱，能在不同的带宽、不同的频段下工作。4G 支持 3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）和非 3GPP 多种无线接入方式，支持大带宽、低时延、灵活漫游，下载速率超过 100 Mbit/s，能够提供定位定时、数据采集、远程控制、高清视频等丰富的综合应用，是集成多功能的宽带移动通信系统。
5G 时代：2019 年 6 月，工信部正式发放 5G 商用牌照，我国迈入了 5G 时代。5G 实现了高速率、低时延和大宽带连接，开启了万物互联的新时代。5G 融合了软件定义网络、网络功能虚拟化、超密集组网、自组织网络、设备直连、大规模多输入多输出、毫米波、多连接等技术，实现了峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、连接密度、网络能效等关键能力的全面提升。ITU 为 5G 定义了 3 种主要场景：
1. 增强型移动宽带（eMBB）：其特征是大带宽，广覆盖；
2. 海量机器类通信（mMTC）：其特征是低功耗，大连接；
3. 超高可靠低时延通信（uRLLC）：其特征是低时延，高可靠。

7. 未来发展

5G 的后续是 6G（第六代），其预计商用时间是 2030 年。6G 提出了三个新的场景，包括通信和感知的结合、通信和人工智能的结合，还有类似于泛在物联的天地融合场景。未来 6G 要连接的对象不光是人，还有很多的智能体，如机器人、元宇宙。6G 通信能力将达到 5G 的 10 倍以上。5G 向 6G 的发展是从万物互联走向“万物智联，数字孪生”。6G 将推动沉浸感更强的全息视频，实现物理世界、虚拟世界、人的世界的联动。2023 年 6 月，ITU 完成了 6G 愿景需求建议书，其中采纳了我国提出的 5 类 6G 典型场景和 14 个关键能力指标。

普遍认为，通信的未来将深度融合人工智能。大自然用漫长的历史进化出人类的智能，人类正在用人类的智能去设计智能的通信技术，智能通信开始走向现实。