前赴后继的移动通信之路

今天，全世界有一个人们未必很关注，但市场规模堪称巨大的产业——电信产业。事实上，互联网、人工智能或者区块链虽然更容易吸引眼球，但它们的产业规模远不及电信产业。2016年，全球互联网公司的收入一共只有3800亿美元左右，其中谷歌一家就占了1/4，再算上中国的阿里巴巴、腾讯和百度，美国的脸书、亚马逊和易贝，就剩不下多少市场份额了。而同时期全球电信产业，包括设备和服务，总收入高达3.5万亿美元。即便扣除华为、思科和爱立信这些设备厂商的收入，只算电信服务，也高达1.2万亿美元。可以说，通信在人类文明中的重要性是如何强调都不过分的。

当人类进入21世纪，贝尔等人所开创的传统电信行业就一直在走下坡路。但同时，移动通信却以极快的速度发展，以至我们今天甚至会把通信等同于移动通信。移动通信是双向无线通信，它最为方便，但难度也最大。相比有线通信，无线通信有三个难点。

首先，传输率受限制。说到传输率，就要说说它的理论极限——香农第二定律。1948年，香农发表了信息论，在这个关于信息表示、压缩和传输的理论中，他的第二定律给出了任何信息传输方式的理论极限，即传输率不能超过带宽。在无线通信中，无线电波是有带宽限制的，因此传输率不可能很高。相比之下，有线通信，比如采用激光的光纤通信，带宽则可以很高，传输率可以很快。

有人以为，无线通信进入5G时代之后，速度可以和光纤相比了，其实这是误解。5G移动通信每秒10Gbit的传输率比同时代的光纤每秒1Pbit（1000000Gbit）的传输率还是差出5个数量级。

其次，无线通信使用的无线电波信号会在空气中衰减，因此，信号要想传得远，就需要很大的发射功率。这一来做不到，二来谁也不想把城市变成一个大的微波炉。

最后，无线电信号很容易受到干扰，这既包括人为的因素，又包括非人为的因素，比如建筑物的墙壁等。我们通常有这样的经验，手机信号不好时，走两步路换一个地方就好了，这就是建筑物干扰所致。当我们为了增加无线传输率而提高频率时，它受到的建筑物干扰会越来越明显。

无线通信面临的这些困难使得它的发展滞后于有线通信，而最初推动它发展的恰恰也是战争的需要和航天竞赛。

二战之前，美国军方已经认识到无线电通信的重要性，于是开始研制便携式无线通信工具，并且研制出了一款步话机SCR-194，但是非常笨重，很不实用。当时做汽车收音机起家的摩托罗拉公司有一些工程师参与了这项研究，他们将研究继续了下去。1940年，摩托罗拉研制出能够真正用于战场的步话机SCR-300（见图9.9），它既是一个无线电接收机，也是发射机，可以进行双向通信，这让战场上的指挥和通信变得实时有效了许多。不过从图9.9中可以看出，它又大又重，根本无法实现民用。

1942年，摩托罗拉公司再接再厉，研制出手提式的对讲机SCR536（见图9.10）。这比步话机SCR-300已经小了很多，但是依然重4千克，在开阔地带通信范围有1500米，在树林中只有300米。即使如此，也让当时的美军在通信上高出其他军队一大截儿。

20世纪60年代，摩托罗拉深度参与了阿波罗登月计划，并且提供了登月所需的通信设备，这时它的移动通信技术遥遥领先于世界。1967年，在纽约举行的全球消费类电子产品展览会（International Consumer Electronics Show，简称CES）上，摩托罗拉展出了民用的移动通信设备，但是当时的价格和性能还达不到实用的水平。

20世纪80年代，移动电话真正开始民用。当然，要联入已有的电话网络，并且能够拨打任何号码，就不可能像对讲机那样只考虑点对点的通信，而需要建立很多基站，让无线信号能够覆盖人们活动的区域。工程师们从数学上很容易得知，把无线通信的网络修建得像蜂窝那样呈六角形分布，相互重叠，是最为经济有效的。因此，民用移动通信又被称为蜂窝式移动通信。今天我们说的手机（cellphone）就是蜂窝（cellular）和电话（telephone）两个词合并的结果。

▲图9.9 步话机SCR-300

▲图9.10 摩托罗拉的手提式对讲机SCR-536

移动电话刚被生产出来时，民用通信领域之争主要集中在美国电话电报公司和摩托罗拉之间，美国电话电报公司的主营业务是固定电话，因此，它认为家庭用的无绳电话是未来发展的方向，而以移动通信见长的摩托罗拉则看准了移动电话。当时美国电话电报公司认为，即便发展20年，到2000年，全球使用移动电话的人数也不会超过100万，结果它少估计了100倍。摩托罗拉主导了全球第一代移动电话的发展。

不过，摩托罗拉的辉煌没有持续太久，因为第二代移动电话（2G）很快开始起步。第一代移动电话是基于模拟电路技术，设备昂贵而且笨重。第二代移动电话一方面采用新的通信标准，另一方面将很多过去通用的芯片重新设计，做成一个专用集成电路，使得手机的体积和功耗都大大降低。从能耗上讲，第二代移动通信电话的重量比第一代降低了一个数量级，而通信的速率却提高了半个到一个数量级。2G的诞生给诺基亚和三星等公司后来居上的机会，而固守原有技术和市场的摩托罗拉开始落伍。

摩托罗拉失败的原因有很多，其中一个重要的原因在于美国在第二代移动通信标准上最终没有竞争过欧洲。当时，欧洲为了和美国竞争，运营商和设备制造商最终达成了一致，形成了一个统一的2G移动通信标准GSM，而美国一个国家却推出三个标准。诺基亚是2G通信最大的赢家，它一度占据近一半的全球手机市场。由此也可以看出标准在通信领域的重要性。

不过，诺基亚的辉煌随着3G时代的到来戛然而止。2007年，作为一家计算机公司的苹果开始进入移动通信市场，它所推出的触屏智能手机iPhone与其说是一部移动电话，不如说是一个小的计算机终端。事实上，iPhone作为手机，话音并不清楚，相比其他老品牌完全没有优势，因此，诺基亚对这种花哨的手机嗤之以鼻。不过，市场很快证明诺基亚不可避免地在重复摩托罗拉的失败。不仅苹果超越了以诺基亚为代表的上一代手机制造商，而且在谷歌推出通用、开源的手机操作系统安卓之后，以华为和小米为代表的新一批手机制造商进入人们的视野，并最终成为新时代的佼佼者。技术就是这样不断迭代地向前发展，而每一次新的变革则常常让现有的从业者退出市场。是什么让诺基亚积累了几十年的移动通信技术和经验在一瞬间变得全无用途？因为时代变了。在3G时代，语音通话已经变得不重要，重要的是无线上网。而到了4G时代，通过移动设备上网的通信量甚至超过了通过个人计算机上网的通信量。

今天，全世界数据传输速率的提高要远远快过任何技术进步的速度。2007年，当苹果推出智能手机时，全世界互联网上信息传播的速率是每秒钟2Tbit，而到了2016年，提高到27Tbit。正是因为有这个变化，才撑起了全球巨大的电信市场，才有了我们对未来的许多遐想。

20世纪，除了原子能技术、IT技术，还有一项令人振奋的技术成就，那就是航天技术，它同时体现出人类在能量和信息利用上的水平。