超距离信息传递，通信系统的原始构建

如果广泛地定义通信，那么无论是信件传递还是代人捎话乃至市井中流言的传播都是通信的形式，但是以这些通信的形式传递信息需要太长的时间。信息是存在时效性的，信息传递本身所花费的时间越长，信息本身的价值也就越低，直到越过某一时间阈值，信息价值便会陡降为零。所以，提升通信速度，就是保障信息价值，这也是通信技术演进的一大命题。直到今天，低时延通信仍然是通信技术发展的核心内容之一。信息社会与传统经济社会的最大差异也是在于信息网络对于信息价值的保障能力上。

但仅有信息传播速度是不够的，系统传递信息的容量也是通信技术的原生命题。中国早在西周时代就构建了烽火通信机制，可以很好解决通信的速度问题。而且为了增加传播距离，在秦朝还使用了万里长城的烽火台系统，在更广阔的范围内进行信息的中继传递。尽管中继本身需要时间消耗，但对于古代需要烽火传递的信息而言，那些中继延迟基本可以忽略不计。但是这种烽火通信的方式存在的最大问题就是信息容量太低了。信息编码只有0和1，1（烽火点燃）代表危机，0（烽火熄灭）代表太平。0和1无法表达周幽王的真实用意，否则也许他可以告诉众诸侯看在多年君臣关系的面子上，配合自己的娱乐项目，也不必导致灭顶之灾。

说到这些古今一致的通信需求，不得不谈到一个奇妙的螺旋形发展模式：似乎很多通信相关技术的发展就隐藏在一个螺旋式的发展模式之中。我们所谈到的烽火通信系统、旗语（Flag Signal）、臂板通信（Semaphore）等人类最古老的通信形态不但是通过光作为传输媒介的，而且是采用数字编码的！这与我们今天最先进的通信机制似乎有某种有趣的内在联系。这些通信机制可以被统称为Telegraph。我们长期以来，认为Telegraph是电报的意思，其实，电报的准确英文名称应该是Electrical Telegraph，只不过是由于其他形式的Telegraph已经不复存在了，所以人们将其简称为Telegraph。Telegraph并没有一个专门的中文译名，我们权且按照它的词根原意和它的本质称其为超距离通信吧。

人类真正意义上的通信系统应该从电报的发明开始算起，电报对于通信最大的改变就是将通信的媒介从光变成了电，这是一个重要的里程碑，因为这很好地解决了通信的可靠性问题，用电路进行通信比通过视觉进行通信，自然干扰更少，传播距离更远，更适合满足通信的需求。

图1-1 威廉·库克

第一台电报机是由英国人威廉·库克（William Cooke）（见图1-1）和查尔斯·惠斯通（Charles Wheatstone）于1837年7月在伦敦和伯明翰的铁路车站之间向世人展示的。库克希望铁路公司能够广泛地使用他的电报信号系统替代铁路原有的气动信号系统，但几次都被拒绝。即便是最终大西方铁路公司（Great Western）全面接纳了库克的技术，铁路公司也一直坚持独家使用该系统，并拒绝库克允许将电报系统开放作为公共通信服务系统的诉求。为此，库克爵士自费延长了电报线路，并同意铁路公司可以免费使用它的电报系统，这样将电报系统向公众开放的意愿才得以实现。铁路一直是通信系统发展的慢行区是有原因的，直到今天这一现象依然存在，我们后续的章节在讨论5G时代的铁路通信系统时还会谈到这个问题。不过，铁路对于通信技术的发展应该算是起到了奠基的作用。因为，除了军事应用之外，第一个能让通信技术成为不可或缺的、重要内容的民用场所就是铁路。

电报通过电媒介提升了通信的可靠性，但这还不足以使得电报能够成为公众服务内容。其中最大的问题就是通信系统的容量问题。军事单位、铁路这些专用场所往往只需要传递特定信息，可以通过有限的信息编码实现。而如果是为了满足民间需求的商业通信系统，则需要能够对于几乎无限的信息进行传递，这样才能够具备基本的可用性。

美国的一名肖像画家和发明家萨缪尔·摩尔斯（Samuel Morse）（见图1-2）在这一时代及时地出现，推动了电报成为普遍通信手段的进程。他最大的贡献是发明了一套完整的编码——摩尔斯电码（Morse Code），这套编码用两个简单声音信号：短音“滴”和长音“哒”的组合来表达几乎所有的信息内容。这使得人们通过电报线路进行复杂信息沟通成为可能。摩尔斯电码系统于1851年正式作为欧洲大陆电报系统的标准，后来很快就成为国际摩尔斯电码的基础。虽然在美国国内使用美国版的摩尔斯电码，但其通信机制与欧洲版基本一致，一般的通信运营人员都能够熟练掌握这两种代码。

不过，电报这种通信系统是存在很多限制的。首先，你必须熟练掌握摩尔斯电码，这本身就大量限制了使用人群。要知道那个时代很多人连字都没有认全，更别提使用一套文字的编码体系去熟练地沟通了。因此，那个时代的通信必须存在除了电媒介之外的通信媒介，就是电报员。电报员必须负责将用户的语言翻译成摩尔斯电码进行传送，对端也必须由专业的电报员将摩尔斯电码解读后再翻译回用户的语言，并告知用户。

图1-2 萨缪尔·摩尔斯

如果要消除通信过程的知识壁垒，就需要消除通信之间复杂的编码转译过程，让人们能够用语音自由地沟通。其实，声音本来就是人类传统的通信形式，我们日常的沟通是用声音的，古代军队打仗也是用军鼓的声音传递命令的。电话的英文单词是Telephone，其中Tele代表的是“远距离”的意思，phone代表的是声音的意思。Telephone本质上要实现的是一个远程通话系统。

图1-3 安东尼奥·梅乌奇

最早，人们曾尝试利用声学原理构建管道通话系统（Pipe Telephone System）。这个系统只是简单地部署一些可以传递声音的管道。人只要在一端说话，声音就会在管道中传播，可以在管道的任何部位开一个听音的端口，就能清楚地听到发话人的声音。本质上这就是一个多对多的广播通信系统。千万不要小看这种通话系统，这种历史悠久的管道通话系统目前仍在很多船舶、地下空间等封闭场合使用。因为，这种通信系统不仅便宜，而且有效、可靠！这不正是对通信系统最本质的需求吗？你如果用高度发达的现代通信技术去替代这些通信方式反而可能会降低可用性，这也正是技术与场景需求之间密切联系的例证。

不过，管道通信系统在极大满足特殊场景需求的同时，也必然会受到特殊场景的巨大限制而无法普及，比较大的问题就是这种基于声学结构建设的通话系统传播距离十分有限，超出100米左右的范围，语音就衰减得难以听清了，更不用说城市与城市之间的通话了。

19世纪初期，意大利发明家安东尼奥·梅乌奇（Antonio Meucci）（见图1-3）在他受雇的一家剧院里也建造了这样一个管道通话系统，并把它用于舞台和控制室之间的通话。像每一个优秀的发明创造者一样，梅乌奇在设计、制作和使用这个通话系统的过程中萌发了更具挑战的想法，如何能让声音传得更远？

人类从不缺乏科技创造的能力，只是需要想象科技的需求。梅乌奇让声音传得更远的愿望和摩尔斯电码系统希望通过传送语音来实现自由通信的愿望高度一致。其实Telegraph的本质意义就是为了解决声音传输距离有限的问题的。电与声音的结合也因此成了这名意大利发明家倾尽全力的研究目标。这也是为什么梅乌奇后来把他发明的电话称为“Teletrofono”（见图1-4）的原因，因为Teletrofono的含义就是“能够通话的电报机”。

图1-4 Teletrofono的设计原型图