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万字科普!通信世界发展简史 CBC专题·通往5G之路
发布日期:2019-08-20 访问量:

  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:

  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。

  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。

  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。

  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。当时电线元,每分钟通线小时的市内通线元。即便是在今天,普通人也未必能负担起这样的价格。

  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。

  TDMA(Time division multiple access)把每个信道按时间切分成若干时间片,每个用户只在某一个被分配的时间片进行通话,这就使得频道容量被虚拟地增加,单个载频可以同时进行多用户的通信。

  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。

  CDMA(Code Division Multiple Access)是一项具有创举意义的通信技术,它的基本原理是将通信内容与固定编码序列进行运算后发送。因为编码序列不同,所以不同用户的通信互不干扰,信道实现共用。

  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!

  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。

  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%。

  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!

  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。

  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(Ult◆●△▼●ra 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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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

  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。

  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:

  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。

  就未来应用而言,5G可以分为To B和To C两部分。回溯通信历史,To B的目标会最终聚焦于:便宜、安全、简单。从便宜的角度看,芯片价格是决定因素,芯片足够便宜,设备就足够便宜;设备足够便宜,网络建设也就足够便宜。

  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。

  5G时代的新网络通信技术会引发一系列促使产业变革的因素形成,从技术角度讲,有5个重大的变革因素。

  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-F▪…□▷▷•i的演进替代,Wi-Fi速度与之相比,就是蜗牛和猎豹的差距。

  在香农定律所指明的发展路径之外,另一个方式就是要设法提高单位信息量的密度。目前的量子计算和量子通信正是指向了这一方向。一个量子比特所含有的信息,远远大于一个普通比特*,而且字节越多差距越大,因此传输这样一个量子比特将在数量级上提升通信能力。

  投资组合包括企业级服务、云计算、大数据、人工智能等以技术和数据◆◁•驱动的领域,旗下各基金累计投资一百多个项目,包括世纪互联、亚信科技、朗新科技、七牛云、同盾科技、大众点•☆■▲评、分众传媒、东方明珠、宝宝树、喜马拉雅以及挖财等行业领先企业。同时,宽带资本与全球领先的创新科技企业进行合作,近年来投资了包括LinkedIn China、Planet、Docker、Evernote、Airbnb在内的全球领先的创新企业,并帮忙他们制定和执行在中国的发展战略。

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