通信及网络技术的发展

1．原始通信时代

通信的历史悠久，自人类组成社会以来就有了通信。原始通信非常的简单。人们常利用动物来传递信息。我国古代一直有“鸿雁传书”“飞鸽传信”的典故。这都是古代通信的写照。我国从西周开始，还把烽火和鼓声作为通信手段。古代社会并没有现在方便的通信设备，有些如军情一类的紧急信息必须及时送出。于是人们发明了一种通信方式:白天点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄；晚上燃烧加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明。这样远处的人就可以以此为号，做出相应措施。有时候，人们也会用鼓声来传递信息，不同的敲打规律代表着不同的信息。“烽可遥见，鼓可相闻”主要是古代战争中常用的通信手段。

图6．3．1　电报机

为了更加便于通信，古代还专门设置了驿站等通信设备。在封建社会时期，国家的一些紧急而秘密的文件不能通过用一般的手段传递，封建王朝为此设置了专门的站点。携带信件的人通过在沿途的驿站更换马匹、补充体力，从而快马加鞭的赶到目的地。后来，驿站通信普及到了民间，扩大了通信。现在的邮局有古代驿站的影子。

2．初级通信时代（电信时代）

随着19世纪电磁学科学的发展，电力开始逐步应用到人们的日常生活中，一批优秀的科学家和发明家成长起来，实用科学发明不断诞生，通信技术也发生了变化，电报、电话等电力通信设备的出现，引起了通信行业的巨大变革。通信技术的发展非常迅速，尤其是在晶体管、集成电路以及计算机等一个个新技术的出现后，几乎每时每刻都在发生着翻天覆地的变化。

（1）电报的出现

电报是19世纪诞生的一种快速的通信手段。它的出现标志着人类从此进入电信时代。电报的发明是无数人努力的结果，许多的科学家都为电报作出了贡献。但是，我们通常把它归功于美国艺术家塞缪尔·莫尔斯（Samuel Morse）。

莫尔斯是马萨诸塞州的一个传教士之子，在耶鲁学院接受过高等教育。莫尔斯年轻时并不是一位科学家，而是一位艺术家。他在19世纪二三十年代，大多是到处游历，学习绘画。在莫尔斯之前，就有许多人研究电报系统，但是思想并不完善。莫尔斯也对当时的邮政信函传递速度感到不满，曾经向巴黎的室友抱怨。莫尔斯在一次游历中听说了电报，他突生洞见:“构造一种信号系统，通过它情报可以得到瞬间传递，这并不困难［15］。”从此，他就投入到电报的研究中。他意识到信号可以用更加简单、基础、不那么有形的办法产生。之后，他就根据自己的想法做出了一个设备，但是这个设备却是错综复杂。后来在经验丰富的机械师韦尔的帮助下，精简了装置。1835年年末，莫尔斯终于完成了第一部电报装置，如图6．3．1所示。1837年9月4日，成功地发送了第一条消息。

1844年，莫尔斯和韦尔在华盛顿和巴尔的摩的普拉特街火车站之间架设了电报线。人类进入用电线传送信息的新纪元。刚开始，电报的通信内容大多是有关行李招领和零售交易的。电报也刚向普通公众敞开大门时，很少有人愿意花钱使用电报。后来报纸行业首先采用了电报这一新技术，电报也随之兴起。电报越来越受到人们的青睐。莫尔斯还发明了一种被称为莫尔斯电码的电报信号，至今仍在使用。

（2）电话的出现

电报的发明［9］让人类通信面貌焕然一新，而电话的出现则更加令人惊喜。

图6．3．2　亚历山大·格雷厄姆·贝尔

电话的发明专利权同样纠纷很多，这只能说明随着科学的发展，电话的出现是必然的。历史上普遍认为美国的亚历山大·格雷厄姆·贝尔（如图6．3．2所示）是电话的发明者。贝尔曾经担任波士顿大学的声音心理学教授，为了解决聋哑人语言教育问题，他对用电传播声音的设想产生了好奇。此后，他就悉心学习电学知识，1869年毅然辞去了教授职务，专心研究电话。贝尔为电话的设计提出了一个设想方案:在随着声音而振动的金属板上装上一个开关，并使这个开关随声音而开或关。但是因为声音的振动太快，开关跟不上。后来一次偶然事件，让贝尔成功发明了电话。1875年6月2日，贝尔和他的助手沃森分别在自己的房间里试验他们的电话机，沃森无意间把一个调整螺钉拧得太紧，造成了接触不良，不料在线路另一端的贝尔却清楚地听到了触点脱落的声音。贝尔从中受到启发，想到了送话机的工作原理:原来和开关相连的金属板，现在由声音引起的震动在开关的线圈里产生了感应电流。贝尔又反过来发明了收话机。终于电话机被发明出来了。贝尔于1876年2月14日递交了专利申请。

电话刚刚问世时，并不被大多数人看好。不过在1876年6月25日，为纪念美国独立宣言发表一百周年，贝尔在美国独立百年纪念的费城博览会上展出了他的电话机，世界为之一振，从此，电话开始得到大规模的使用。电话使通信方式由电报传送符号转变为电话直接传送声音，加快了消息传递的速度。今天，电话已经非常的先进，一部智能电话都可以抵得上一台普通电脑了。

（3）无线电通信（移动通信的诞生）

电报的发明标志着人类从此进入电信时代。在1895年以前，电报信号都是通过架设的有线线路传播。但是无线电技术［16］发明后，这种情况发生了改变。

关于谁是无线电的发明人还存在争议。1893年，尼古拉·特斯拉在美国密苏里州圣路易斯首次公开展示了无线电通信。在为“费城佛兰克林学院”以及全国电灯协会做的报告中，他描述并演示了无线电通信的基本原理。他所制作的仪器包含电子管发明之前无线电系统的所有基本要素。亚历山大·波波夫于1895年5月7日在彼得堡物理和化学协会物理学部年会上演示了他制成的一架无线电接收装置——雷电指示器，这一天后来被俄罗斯定为“无线电日”庆祝。俄罗斯人认为他才是无线电的发明人。古列尔莫·马可尼拥有通常被认为是世界上第一个无线电技术的专利，英国专利12039号，“电脉冲及信号传输技术的改进以及所需设备”［17］。尼古拉·特斯拉1897年在美国获得了无线电技术的专利。然而，美国专利局于1904年将其专利权撤销，转而授予马可尼发明无线电的专利。这一举动可能是受到马可尼在美国的经济后盾人物，包括汤玛斯·爱迪生、安德鲁·卡耐基影响的结果。1909年，马可尼和卡尔·斐迪南·布劳恩由于“发明无线电报的贡献”获得诺贝尔物理学奖。

1943年，在特斯拉去世后不久，美国最高法院重新认定特斯拉的专利有效。这一决定承认他的发明在马可尼的专利之前就已完成。有些人认为作出这一决定明显是出于经济原因。这样“二战”中的美国政府就可以避免付给马可尼的公司专利使用费。

现在，谁是无线电的发明者已经不重要了，重要的是，无线电的发明，对于通信方式的转变具有十分重要的意义。无线电报诞生，标志着人类从有线通信进入无线通信阶段，标志着移动通信时代的到来。现在，无线电已经应用到各行各业中，我们的生活中处处存在着无线电的影子，如收音机、电视和雷达以及一些遥感系统就是利用了无线电的传播，现在应用最广泛的移动电话也是利用了无线电的工作原理。

3．近代通信与网络出现（网络通信时代）

1948年，美国数学家克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon，1916—2001年）发表了《通信的数学理论》一文，这标志着信息论的诞生。信息论的提出，对于通信理论的发展具有十分重要的意义，它为数字通信的发展打下了基础。一批科学家投入到信息论的研究中来，进一步刺激了通信的发展。

（1）香农与信息论［15］

香农于1916年4月30日诞生于美国密西根州的Petoskey，父亲是该镇的法官，母亲是镇里的中学校长，祖父是一位农场主兼发明家，发明过洗衣机和许多农业机械，这对香农的影响比较直接。受到祖父的影响，香农对机械和电气电子表现出了极大爱好，曾经在家中制作了模型飞机、无线电控制的模型船和一个可与半英里内的朋友家联系的无线电报系统。

香农人生的前16年都是在Gaylord小镇长大。1932年高中毕业后，进入密西根大学数学与电气工程专业学习。他最优秀的学科就是科学和数学。对数学的热爱和优秀的数学成绩为他后来的众多成就打下了基础。他的成就基本都是建立在数学的基础上。

1936年，香农取得大学学士学位后进入麻省理工学院（MIT）念研究生。他的数学天赋展露无遗。在1938年的硕士毕业论文《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》（继电器与开关电路的符号分析）中首次把电话交换电路与数学相联系，用布尔代数分析并优化开关电路。香农把布尔代数的“真”与“假”和电路系统的“开”与“关”对应起来，并用1和0表示。他是第一个注意到电话交换电路与布尔代数之间的类似性的科学家。他的发现奠定了数字电路的理论基础。哈佛大学的Howard Gardner教授对于香农的论文给予了极高的评价:“这可能是本世纪最重要、最著名的一篇硕士论文。”

香农对于数学的热爱，促使他不断地用数学概念来解释各种事物，并在MIT攻读了数学博士学位。1940年香农发表博士论文An Algebra for Theoretical Genetics《理论遗传学的代数学》，把代数数学带进人类遗传学的研究；1941年发表了Mathematical theory of the differential analyzer（《微分分析器的数学理论》），通过证明的定理形式给出常微分方程的数值解。香农在后来也一直从事与数学密切相关的工作。

1941年香农以数学研究员的身份进入新泽西州的AT＆T贝尔电话公司，并在贝尔实验室工作（一直工作到1972年）。在那里他认识了数据分析员玛丽（Mary Elizabeth Moore），并于1949年3月27日结婚，后来共有四个孩子。

在第二次世界大战期间，香农同时从事多项任务，其中有有一项就是对密码进行破译和保密研究，如何保证通信的安全性。因此，香农一直在思考“讯息”方面的问题，“研究传递信息的一般系统的某些基本属性”。和图灵试图借助实际拦截和物理硬件对一些密码系统进行破解的想法不同，香农在纯数学领域对这些密码系统进行研究，他试图找出“离散信息”的密码系统的一般数学结构和属性，并把密码系统和有噪通信系统看成一类。在对密码系统的研究过程中，香农对通信系统有了非常深刻的数学认识。1948年香农在Bell System Technical Journal（《贝尔系统技术周刊》）上发表了论文A Mathematical Theory of Communication（《通信的数学理论》），介绍了他对于通信的理解。时任洛克菲勒基金会自然科学部主任的沃伦·韦弗（Warren Weaver，1894—1978年）看到这篇论文后，认识到它的重大意义，在1949年的《科学美国人》杂志上发表了一篇不是很技术化的赞誉文章，并介绍了香农的理论。随后同一年，香农的理论和沃伦·韦弗的文章被集结成书，以The Mathematical Theory of Communication为名出版。

香农在论文中给出了通信的基本问题:“通信的基本问题是报文的再生，在某一点精确地或者近似地复现在另一点所选取的讯息［18］。”香农在论文中给出了通信系统的线性示意模型，指明一个通信系统必须包括信源、发送器、信道、接收器、信宿五大要素，并对其意义进行了解释。这是一种新的思想。在这篇论文中，香农还首次引入“比特”（bit）一词，“如果以2为底，相应结果的单位可以称为二进制数字（binary digit），或简称为比特”［19］。他把通信理论的解释公式化，对“最有效地传输信息”的问题进行了研究。

《通信的数学理论》刚刚出版时，虽然并没有立即引起科学界的的足够关注。但是渐渐地其思想传播开来，世界各国的通信工程师和数学家纷纷采用。香农后来就自然而然地用“信息论”（information theory）来表示他的通信思想。信息论在通信界传播开来。贝尔实验室的工程师约翰·罗宾逊·皮尔斯评价香农论文说“出现犹如颗炸弹，而且还有点像颗延时炸弹”［20］。它就如一个支点，整个地球为之撬动。事实确实如此，香农理论现在仍然影响深远。正如香农说的那样:“信息理论可能像一个升空的气球，其重要性超过了它的实际成就。”

香农建立的信息理论框架和术语已经成为技术标准，刺激了信息时代所需要的技术发展。

（2）卫星与空间通信

电报、电话和无线电通信都属于远距离通信，但是距离仍然是有限制的。“二战”时期发展起来的雷达和微波通信可实现更远的距离通信。但是微波波长短和只能直线传播的特性，使它只能在相互看得见的两点之间进行通信，而地球是圆的，且地面也不是一马平川，这造成了跨洋通信的困难。最后，人们想到了一种解决办法，那就是在空中建立微波中转站，这个微波中转站就是所谓的通信卫星。

卫星通信的原理是利用人造地球卫星作为空间中转站，由地面向卫星发射信号，卫星将信号变频、放大后再放回地面，从而实现与远距离、大信息量的通信传输。只要在赤道上空放置三颗等距离相隔120°的同步卫星，就可以覆盖除两极外的全部区域［21］。美国电子工业公司从1956年开始研究跨洋通信的可能性。终于在1962年取得了突破性进展，第一颗同步通信卫星研制成功。1962年7月，这颗被命名为“电星号”的通信卫星从美国卡纳维拉尔角发射进入轨道。这个卫星高度为152．4～914．4米，时速为16　093．44～28　968．19千米，160分钟可绕地球一圈，把美国电话和电视信号向欧洲转播，同时把欧洲接收到的电话和电视信号转播回美国。但是“电星号”每天只有数小时是处在地面发射站和接收站的通信空区域内。于是他们开始着手研制第二代通信卫星。1965年，第一颗第二代通信卫星“晨鸟号”成功发射，它与地球保持同步，可以24小时转播信号［9］。我国卫星通信发展较晚。1984年，我国发射了第一颗试验通信卫星，1984年4月8日，成功发射“东方红2号”，使我国成为世界上第五个自行发射地球静止轨道通信卫星的国家。现在我国早已形成自己的通信卫星系列，卫星通信技术达到国际先进水平［21］。

通信卫星的成功，使人类开始进行空间通信。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，是建立全球个人通信必不可少的一种重要手段。现在世界上的许多电话的通信和电视节目的转播都是依靠通信卫星完成。卫星通信系统也是一些发达国家和军事集团进行信息传递的媒介，在军事通信中占有重要位置。

4．现代通信

20世纪80年代，超大规模集成电路的发展，为数字通信创造了条件，个人电脑的普及和互联网的出现加速了通信的发展，移动电话的诞生让通信上升到一个新的高度。

（1）互联网（因特网）的出现

互联网是20世纪70年代发展起来的新型通信技术，是目前最有代表性的通信应用。国际互联网（Internet）也叫因特网，它是由一些使用公用语言互相通信的计算机连接而成的网络，即广域网、局域网及单机按照一定的通信协议组成的国际计算机网络。

将计算机连接起来的想法最初是由一些地震学学者首先想到的。20世纪70年代初，夏威夷群岛上来了一组火山活动及地震的研究学者。他们需要到不同的岛上开展自己的研究工作。为了取得更好地研究效果，他们需要将研究的数据进行快速交流，以便能了解对方的研究成果和进度，但是岛屿的不同造成了他们交流上的障碍。于是他们想出了一个办法，他们便把岛上的各个大型机电脑主机与无线电及电缆连接起来并制定通信协议，这样不同岛上的科学家就能通过这些计算机顺利地进行交流了。这就是世界上第一个计算机网络系统，我们现在把它叫作局域网。

真正的互联网始于1969年的美国ARPANET（美国研究工程局域网）。它是现代互联网的雏形，是美军在ARPA（阿帕网，美国国防部研究计划署）制定的协定下将美国西南部的大学UCLA（加利福尼亚大学洛杉矶分校）、Stanford Research－Institute（斯坦福大学研究学院）、UCSB（加利福尼亚大学）和UniversityofUtah（犹他州大学）的四台主要的计算机连接起来形成的，相当于一个城域网。这个协定由剑桥大学的BBN和MA执行，在1969年12月开始联机。1975年，ARPANET网络已经发展到完全成熟。它被转交给美国国防部通信局（现在的美国国防部信息系统局），继续发展壮大。1983年的时候，ARPANET网上文件传送协议被批准为军方标准。ARPANET后来被分为两部分，一部分仍然叫ARPANET的已经于1990年关闭，另一个叫Milnet的部分则成为现在Internet的一部分。

互联网的出现彻底地改变了人们的工作、学习和生活，创造了前所未有的通信条件。现在人们不出门就可以知天下事，发送信息可以通过QQ、邮件等各种通信软件，打开视频就可以和对方通话。互联网营造了一个全新的传播信息的环境。

（2）移动通信技术

互联网是最具有代表性的现代通信应用。除此之外，应用最广泛的就要数移动电话通信了。无线电通信的发明标志着移动通信的诞生，它使无线移动电话通信成为可能。

图6．3．3　第一代移动电话

70年代微处理器的发明和交换及控制链路的数字化促进了模拟制式通信系统的发展。第一代通信系统是蜂窝移动通信系统，简称1G。世界上第一个1G移动通信系统是美国推出的AMPS，它充分利用了FDMA技术实现国内范围的语音通信。1G通信里面最具有代表性的就是我们现在所说的第一代移动电话“大哥大”了（如图6．3．3所示）。它不仅个头大，而且价格昂贵，在当时只有少数人可以拥有，在一定程度上它可以说是身份、地位和财富的象征。80年代末期出现第二代数字蜂窝移动通信系统，即2G，增加了传送图片、蓝牙等功能。它是全数字系统，通话和传输画面都是以数字信号的形式传递。到21世纪，2G移动电话已经非常普及了，基本上可以达到人手一部。随着人们通信需求的不断增加，2000年左右又诞生了第三代移动多媒体通信系统，也就是3G。3G通信增加了语音、无线上网、宽带业务、多媒体业务、全球漫游等多种业务。各种3G通信设备不断推出，极大地丰富了人们的通信娱乐生活。目前移动通信已经发展到第四代，实现4G通信，它是真正意义上的高速移动通信。4G通信相比3G来说，具有更快的无线通信速度，更宽的网路频谱，通信业更加灵活，还具有高质量通信、费用便宜等诸多优点。目前4G通信还在发展阶段，按照之前移动通信的发展速度来看，相信4G通信将会很快普及人民群众的生活中。