3. 从1G到5G，世界通信简史

在人类通信技术领域的发展过程中，19世纪八九十年代是一个群星璀璨的时代。那时候最时髦和前沿的学科是电气技术。电磁学和电力学是两条不同的科学技术分野：电磁的主要应用市场指向弱电通信领域；电力学应用正在引领一场能源革命。

人类“第一次工业革命”是从现象观察和钢铁材料加工技术引发的产业革命，技术应用正处在在孵化科学的阶段。“第一次工业革命”是由瓦特这样的工程师引领的，蒸汽机集人类两千年技术之大成，人类第一次掌握了机械动力。

但“第二次工业革命”则不同了。1873年，英国物理学家J.C.麦克斯韦在其《电学和磁学论》著作中最先指出了光速电磁波的存在；1887年，德国物理学家H.R.赫兹在实验中发现了电磁波，验证了麦克斯韦的电磁理论。杰瑟夫·约翰·汤姆逊继续前进，用实验发现阴极射线发出的波，是一种带负电的阴极射线粒子，这是一个比原子还小的粒子，这种粒子被著名物理学家斯托尼称为“物质的原始电子”，简称为“电子”。

电磁波是一种波，电子是一种粒子，在波粒之间催生了量子物理学的探索和实验，那又是物理学的一片天地（具体到无线电通信频率频段，如表1-1所示）。美国人德福雷斯特发明了真空电子二极管和三极管，触发了无线通信革命。1895年俄国物理学家A.C.波波夫和意大利物理学家G.马可尼，分别成功地进行了含有编码信息的无线电通信试验。

推动“第一次产业革命”（或简称“工业革命”）的人是技术工程师；推动“第二次产业革命”（或简称“电气革命”）的角色就是基础研究的物理学家了。自此，人类进入了科学引领技术的新时代。

而这个时代，正是中国晚清“洋务运动”的启蒙时代。美国物理学家亨利·奥古斯特·罗兰（Henry Augustus Rowland，1848—1901年）^[16]于1883年在一次演说中说出的一段话至今值得回味。他说：“我时常被问及这样的问题：纯科学与应用科学究竟哪个对世界更重要。为了应用科学，科学本身必须存在。假如我们停止科学进步而只留意科学的应用，我们很快就会退化成中国人那样，多少代以来他们没有什么进步，因为他们只满足于科学的应用，却从来没有追问过他们所做事情的原理。这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪，如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理，他们就会在获得众多应用的同时发展出化学，甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实，而没有寻根问底，中国人已经远远落后于世界的进步，以至于我们现在只将这个所有民族中最古老、人口最多的民族当成野蛮人。”

晚清在讨论“要不要学西方、怎么样学西方”的争吵之中走向落寞，清朝的统治者几乎完全忽略了这次激动人心的科学和技术革命。西方科学家没有一个人能够成为中国人的座上宾，中国人几乎“完美”地错过了这次革命，一切和中国人无关。

按照中国人的时间算法，一百多年是短的。一百多年后的2016年，华为创始人任正非对媒体说：重大创新是无人区的生存法则，没有理论突破，没有技术突破，没有大量的技术积累，是不可能产生爆发性创新的。华为正在本行业逐步攻入无人区，处在无人领航、无既定的规则、无人跟随的困境。华为跟着别人跑的“机会主义”高速度，会逐步慢下来，创立、引导理论的责任已经到来。

中国人用一百年的时间，迅速补上第一次、第二次和第三次“工业革命”落下的全部进程，现在站在了工业革命4.0的门口。科学引领中国已经是中国几乎所有人的共识，因为中国发展的根本动力就来自于科学和技术。

从调幅时代到调频时代，无线通信分为模拟电子技术时代和数字电子时代。这种跳跃同样基于基础科学原理的创新。这一次，引领变革的是数学。

美国数学家克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）在20岁时就展开了对于信息论与有效通信系统的研究。作为那个时代的年轻天才，香农具有很好的数学天赋，经过10年的努力，1948年，他在《贝尔系统技术杂志》（Bell System Technical Journal）上发表了影响深远的论文《通信的数学原理》，次年发表了另一篇《噪声下的通信》。这两篇论文是数字通信领域的奠基之作，香农也因此被誉为“信息论之父”。

香农在论文里给出了信息系统模型，给出了数学表达公式。这也是大部分人大学时代的专业课之一，这个表达函数公式是：C=W×log ₂（1+S/N）（bit/s）。其中，C是码元速率的极限值，单位bit/s；W为信道带宽，单位Hz；S是信号功率（瓦），N是噪声功率（瓦）。在恶劣的高斯白噪声干扰的信道中，传送最大信息速率的带宽限制条件被提出来。也就是说，信道容量、信源统计特性、信源编码、信道编码相互制约关系构成了无线通信的技术极限。

这样的数学公式比较简单：信号需要扛得住干扰，信号强度随传输距离按指数式衰减，信道本身频率分配限制，使得编码人员不断对于频率和信息进行切分和微分，含数字编码的信号衰减后再放大，编码算法和机器计算的效率成为技术竞赛的主要方式。

无线电爱好者、美国肯塔基州默里乡下果园的一名普通的瓜农内森·斯塔布菲尔德（Nathan Stubblefield）于1902年发明了一个无线电话装置，这种短距离磁场型通信方式在第二次世界大战战场上被美军一直使用。一个士兵背在身上的无线步话机，电子管电路是个大铁盒子，很笨重，但在战场上还是发挥了一定的作用。一直到20世纪六七十年代，美军、苏联的军队和中国的解放军都在使用这种模拟技术步话机。在老电影里用其呼叫炮火攻击的场面，人们应该很熟悉。

1954年，马丁·库珀（Martin Cooper）进入美国摩托罗拉公司，研究军民两用通信产品，其后连续工作了15年时间，一直都在从事民用手机项目研究。马丁·库珀利用蜂窝组网理论解决通信系统频谱匮乏、容量小、服务质量差及频谱利用率低等的问题，利用不同的用户使用不同频率的信道，以此来实现通信。其频率复用、多频道公用与越区切换、蜂窝小区制划分和小功率发射等方式，这就是FDMA（频分多址）技术，创造了利用模拟技术开启了移动通信时代。1973年，为了显示摩托罗拉在通信领域的强大，库珀站在靠近曼哈顿的大街上，向华尔街资本市场展示了“Dyna TAC”大砖头手机的技术验证机，显示美国在该领域无可撼动的地位。此后，马丁·库珀和他的美国同事进行了大量的知识产权布局，构建了技术专利“护城河”，并在1983年推出摩托罗拉Dyna TAC8000X型手机，完成一些城市的交换机布网。虽然价格昂贵很不好用，但这意味着真正的民用无线通信时代的到来。

喜欢看20世纪八九十年代香港警匪片的人，在不少电影里会看到这样的场面：警察还在用固定电话和无线寻呼机（BP机）的时候，黑社会老大已有了“大砖头”手机，他往往嫌弃这个手机太重，在边上会留一个比较看重的马仔专门拿着这个手机，或者打电话的时候爬到树上找信号。那时候，有个手机肯定是大亨名流的象征，这就是少数人的显摆型通信工具，开创了第一代通信（1G）时代。

在第二次世界大战中吃了大亏的日本，在战后将电子技术作为核心领域，通过举国之力发展微电子和通信技术。在家电模拟电子技术领域，日本有强大的竞争能力，日本的索尼、松下、三洋这些品牌令人耳熟能详。1979年，日本建成并开发了世界上第一个蜂窝移动电话网。但在技术整合能力上，美国才是第一代通信技术的王者。相比之下，日本人用力过猛，将很多研发力量都投到了模拟电子技术领域，并推出模拟高清电视等战略产品构想。但美国人没有和日本正面竞争，而是“押宝”在数字技术的未来，此后，互联网的崛起和这些科技努力紧密相关。

面对美国在移动通信领域的霸主地位，欧洲不想让自己的市场完全拱手让给美国。欧洲在创新领域并不缺乏人才，也不缺老牌企业，但是缺少真诚合作抱团的意愿。为了和美国人抢占市场，欧洲人也和美国人一样，大量使用大规模集成电路、微处理器及数字信号技术，研究用数字通信技术淘汰大部分模拟通信技术。

例如，爱立信是于1876年成立于瑞典斯德哥尔摩的老牌通信企业，其创始人为两名聪明的工程师拉什·格拉斯·爱立信和安德森。爱立信创立的时候，其实就是一个修理铺。公司成立一年，爱立信和安德森帮助美国公司服务瑞典本地客户修理电话机，一边修一边学，一年就掌握了电话机制造技术，第二年就甩开了美国公司，自己造电话机了。作为有线电话机厂家，爱立信蛰伏了七八十年。爱立信在20世纪70年代开始布局数字技术，经过大规模投入做研发，板凳坐得十年冷，终于生产出来当时业界闻名的AXE交换机，获得了数字交换领域的“领头羊”地位。

移动通信领域的竞争，本质上是标准的竞争，这是一场代价昂贵的竞争游戏，企业需要投入大量的资金做研发，形成产品技术系统，然后寻求产业链上的主要企业进行票决，成为全球标准。爱立信等企业在欧洲政治家们的撮合之下，由欧盟组织出面搞一个通信标准。1982年，欧洲邮电管理委员会成立了“移动专家组”，专门负责通信标准的研究。欧洲人期待这些大的高技术工程能够促进欧洲整体的团结，建立一种新的数字技术为基础的第二代通信系统（2G），并且努力将其立为全球的技术标准，这就是“全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications）”，也就是大名鼎鼎的GSM（GSM最初是“移动专家组”的法语名称，即Groupe Spécial Mobile，GSM为其缩写形式），中国人称之为“全球通”。

2G技术同样基于香农公式，即C=W×log ₂（1+S/N）（bit/s）。2G技术将一个信道平均分给8个通话者，运用数字计算技术，做了很多的时间切片，一次只能一个人讲话，每个人轮流用1/8的信道时间。这就是GSM的核心技术思想，也就是TDMA（时分多址）技术，它让通信质量和用户数有了飞跃，手机开始普及。

在2G时代，爱立信是真正的霸主，拥有2G/GSM领域40%的市场份额和2.5G/GPRS近50%的市场份额。在这个时代，诺基亚和摩托罗拉也迅速调整了自己的产品线，最终共同瓜分了移动通信的主要市场。

20世纪90年代，中国国内通信市场，是通信运营商的天下，处于装一部电话也要敬烟、还需要预交几千元的装机费用的阶段，这种转嫁成本的策略虽然段位不高，但电信员工的收入水准却很高。在当时，中国靠引进交换机设备和国际品牌手机、BP机建立了自己的庞大通信市场。2G推进了通信市场全面的数字化时代，其中一个伟大的变革，就是计算机和通信技术的大融合。除了传统的语音通话需求，全球计算机之间的数据通信需求呈爆炸式增长，进入互联网数据业务承载的“多媒体”时代。

今天，我们看到的第一批伟大的互联网公司都诞生在2G时代，国外的如微软、亚马逊、雅虎、谷歌等，国内的如第一代门户网站新浪、网易、搜狐、百度、阿里巴巴和腾讯等。

传输数据报文，也被称为“分组交换业务”，为了拓展数据业务，爱立信、诺基亚和思科都在为自己在下一代数据网络中各自占位、取得先机而竞争。20世纪90年代中后期，上网数据流量费用高昂，数据传输业务多数都是在商业企业环境下使用，随着时间推移，固定电话拨号上网随着资费降低而逐步普及。即使2G演化出了2.5G通用分组无线服务技术GPRS（General Packet Radio Service），但是上网速率还是很低，只有115Kbps，显然无法满足用户的需要。

美国人发现自己在数据通信领域被欧洲设备厂商占了先，就一边打压欧洲厂商，一边加大了技术投入的力度，好在美国人在大规模集成电路领域具备强大的设计和制造能力。这个阶段，美国高通公司开始崭露头角了，做出了2G时代的新突破，采用了数据切分的技术思想，即码分多址技术，这就是大家熟悉的CDMA技术。高通公司基于数据处理的要求，这种技术思想建立的数据传输技术具有很强的抗干扰能力，安全且容量更大。

高通公司的创始人艾文·雅各布^[17]是一个传奇人物，在麻省理工学院任教了13年，熟悉世界科技领域的发展规律，看准了通信领域的巨大机会。其早年都在做技术咨询类的工作，在55岁退休离开岗位之后和6个人一起创立了高通。55岁还能够保持创业激情，这是值得称道的。

高通公司的发展路径比较特别，知道自己在GSM市场去做布网设备是没有竞争优势的。1989年，为了推出自己的CDMA标准，企业管理层决定采用专利费授权的方式进行知识产权交易，将新的技术系统带入到应用市场之中。在当时，艾文·雅各布看好中国市场。在他看来，中国人渴望获得新技术，对于中国来说，可以尽可能使用最新的通信技术，中国运营商们采用用户“出份子”众筹的方式建立新的技术系统，规模化扩张压力不大，这种市场模式有利于高通在中国获得成片的市场。经过10年的努力，高通将中国经营成了全球最重要的市场。

由于中国有庞大的通信技术市场需求，中国人开始研究通信技术，从小的代理商和销售商开始，试着理解庞大的通信技术系统。在这方面，任正非就是一例。任正非离开军队之初就进入了南海石油集团，正式开启了他的“企业管理”生活。1988年，44岁的任正非在南海石油集团做一个部门的副经理时，把价值200万元的货物发给对方，但对方收到货之后却消失了，就这样被骗了，200万元的货款收不上来，他因此被雇主除名。后来，他遇上了在退伍后认识的5个好友，6个人一起筹措了2万元，创办了华为公司，从做交换机代理商开始，奔向了创立另一个伟大公司的征程。

在当时，由于人们对移动网络的需求不断加大，以及2G在发展后期暴露出来的FDMA（频分多址）的局限，发展3G已成为迫切的现实需要。主要科技大国都已经充分认识到拥有自己的标准是市场竞争的制高点，正因为如此，3G就拥有了三个相同又彼此不同的技术标准：欧洲为WCDMA标准；美国为CDMA2000标准；利用自身的庞大市场，中国推出了TD-SCDMA标准。从作为旁观者到3G时代的三分天下，可以看到中国人在通信技术领域的追赶速度。

从2G时代的115Kbps拨号上网网速到3G时代的WCDMA理论下行速率14.4Mbps，实际用户下行速率大约在300Kbps左右，数据通信市场从图文传输到真正的多媒体时代，电子商务和音视频网站开始崛起。典型的中国公司是京东，刘强东在创立京东电商网站之前，一直做光磁存储生意，他将自己的企业定位为多媒体公司。2003年，刘强东放弃了95%的光磁产品营收，开展电子商务，在社交论坛的基础上建立了京东商城，在几年之内一跃而起，如今已经成为中国B2C领域的主要电子商务服务商。

里德·哈斯廷斯（Reed Hastings）在1997年创立了奈飞公司（Netflix），作为企业的首席执行官和联合创始人，曾运营着美国最大的光碟租赁连锁店，他和同事决定放弃线下业务，里德有一句名言：“DVD是过去，流媒体是未来。”如今，作为付费在线会员体系的创立者，奈飞公司已经成为全球最大的网络影像产品版权运营商之一。

3G时代的技术霸主是高通，三大标准均建立在高通的专利池之上，这让高通赚得盆满钵满。在同样的频谱下，CDMA的用户容量增长可以达到10倍至20倍。居安思危是高通的战略，高通在这个市场中看到了危机，单纯的带宽增长并没有带来更加深入的社会变革，消费者的图文阅读习惯并没有立即转化为视频观看需求，3G对于语音沟通来说，已经足够优秀了。60多岁的艾文·雅各布憧憬着通信带来真正的社会变革，但理想中的变革并未到来，他感觉行业遇到了应用危机，于是，布局随身计算就成为高通面向下一个时代的主攻方向。

1999年，高通放弃了通信系统和手机业务，聚焦力量，研发移动通信芯片。这个战略变革是值得称道的，因为放弃60%眼前的营业收入而拥抱不确定的未来，这是战略决策者的魄力，也说明了高通的技术信仰。正是通过这样的布局，让高通成为移动通信市场的主导者。

美国在IT技术领域具有很多企业家和技术思想家结合在一起的综合性人才，这其实也是美国持续强大的密码。这使得美国的主要技术资源都能够在正确的企业家手中发挥作用，而且，美国政府在自己的企业竞争能力受到威胁的时候，可以使用“长臂管辖”方式，长长地伸出手去压制全球企业，让美国公司能够有空间获得一个好位置，“持剑经商”是美国人的传统。美国是一个桌面上的资源整合能力和桌面下的手段结合得很好的国家。

1999年，已经回到苹果公司的乔布斯在接受记者采访的时候，曾经明确地告诉媒体，未来是移动互联网的时代。乔布斯改变了苹果公司庞杂的产品线，砍掉了绝大部分项目，只留下少数几款计算机，秉持“少即是多”的理念，用极简的哲学对抗市场的复杂性。通过资源整合，向移动互联网转型，成为苹果公司主要聚焦突破的方向。

从2G到3G，从3G到4G，其实不是技术革命，而是技术不断自我迭代的过程。技术分成更多的标准，但是不同的技术标准之间通过协议兼容。4G时代追求更高的带宽和上网速率，典型的技术标准为4GLTE（Long-Term Evolution，长期演进和迭代型技术），被称为3.9G，在兼容3G网络的同时，其理论技术指标在20MHz频谱宽度之下，下行速率100Mbit/s，上行速率50Mbit/s。并且向下兼容，几乎可以满足所有人对于上网的需求。在中国用户当中，一般下行速率大体上在1M左右。

2010年左右，中国通信市场和互联网市场就已经足够强大，中国市场倾向于哪个标准，哪个标准成为世界标准的可能性就大增。中国移动是中国最大的电信运营商，决定拥抱LTE技术系统，经过修订和发布TD-LTE标准，向下兼容2G和3G网络。2013年中国的4G网络正式商用，国际主流通信厂商也跟随并接受这一标准；次年，全球基于TD-LTE商用标准的国家和地区就达到了四十多个。

诺基亚、三星等企业是3G到4G时代的主要受益者。真正创造移动互联网的公司开始了自己的历史征程，建立一个标准化的移动终端成为兵家必争之地，但是未来的手机是什么样子，谁也不知道。

时间回转到2007年，彼时的诺基亚是全球手机业中的霸主，其全球手机占有率达到了38%，利润冲到新高，生产、制造、供应链网络遍布全球。在市场观察家的眼中，这是无可撼动的行业地位，包括诺基亚的管理者也是这样认为的。但在技术市场中，霸主翻盘的事情已经发生了多次，但这一次的霸主替代，缘于苹果公司和诺基亚公司对于不同用户价值的理解，换句话说，这是对于消费者洞察能力的竞争。

2007年1月9日，乔布斯在Macword宣布推出Apple2这种全新概念的手机，并于2007年6月29日在美国市场上市。该手机采用iOS操作系统和无键盘触控屏技术，立即在市场上获得了爆发式的增长，以至于外界评论说“乔布斯重新发明了手机”。乔布斯创造了智能手机新的时代，他的设计理念也成为全球手机设计领域的标准。苹果公司也由此成为历史上市值最高的公司之一，在长达数年的时间里，市值达到了万亿美元以上，成为真正富可敌国的公司。

由于消费者洞察力的不足，没能对市场做出及时、有效的反应，导致诺基亚兵败如山倒。在苹果公司推出iPhone两年之后，诺基亚出现了亏损。在坚持了几年之后，到了2013年，被微软收购。在被收购的前夜，诺基亚总裁约玛·奥利拉说了一句知名的话：“我们并没有做错什么，但不知为什么，我们输了。”可以毫不夸张地说，这句话极具警示意义。

在诺基亚被微软收购三年之后，也就是2016年，我受邀到欧洲工商管理学院（INSEAD）做演讲，刚好诺基亚的总裁也在演讲现场分享自己对于诺基亚这家大型企业运营的看法。当这位总裁再次重复这句话的时候，我能够感到一种震撼，在高科技时代，大企业的溃败速度是如此之快，就是一种大坝溃堤的那种感觉。

在3G时代，另一位主要的赢家是谷歌公司。从2010年开始，凭借安卓（Android）系统的免费策略，谷歌在移动互联网领域建立了最大的生态体系，占据了智能手机80%的市场。

4G网络时代，中国手机厂商异军突起，华为、小米等众多使用安卓操作系统的手机品牌，占据了非常大的市场份额。谷歌作为4G时代的隐形霸主，其实力强大而且具备一定的抗毁能力，谷歌独特的管理模式也得到了业界的承认，其未来战略是占据所有对人类未来有重大影响的技术领域。

面对4G到5G转化的时代，中国企业也在深耕布局，其典型代表就是华为、中兴和中国电信科学技术研究院形成的5G专利知识产权占了全球35%的市场，在知识产权领域的领跑说明了中国在通信技术领域的追赶已经到了一个新的阶段。

相对于4G，5G主要有高速率、大容量、低延时三大特点，如表1-2所示。

5G基于4G，但不是多了一个G那么简单，在一个大体够用的网络带宽上快上几十倍乃至一百倍，这是一场革命，不是技术的迭代那么简单的事情了。首先，5G具有一定的规范要求，具体如表1-3所示。

其次，5G为应用场景提供了更大可能。5G网络的大带宽、低时延和广连接，使之成为物联网和智能社会真正依赖的数据连接系统，预示着万物互联时代的真正到来。具体来说，5G技术可以满足如表1-4所示的三大应用场景。

但是，5G技术系统依然没有走出香农公式，即通过更好的算法，实现更好的编码能力，从而更好地适合毫米级高频波形发射的天线阵列，更好地使用波束技术进行调制，而这所有的努力都在进一步“榨干”电磁波的潜力。5G也可以被称为“扩展到毫米波的增强型4G”或者“扩展到毫米波的增强型LTE”，而其高速、低时延的特点则恰恰是智能网络的技术基础，由此可以建立一个没有缓冲的新世界。

华为在5G技术领域已经走到了领先的位置，接下来该怎么走，任正非说他自己已经看到了前面的高墙。任正非说：“随着逐步逼近香农定理、摩尔定律的极限，而对大流量、低时延的理论还未创造出来，华为已感到前途茫茫、找不到方向。华为已前进在迷航中。”这些话充分展现了作为一个企业家的思考境界，值得我们深思。

人类通信技术的进步，到今天已经到了一个理论的瓶颈期，在信息技术领域，无论是硬件技术领域还是软件基础理论领域，都已经开始停滞了。但是，人类的进步不可能就此停下来，未来突破需要天才物理学家和数学家们在基础理论上冲破穹顶，带来新世界的曙光。任正非说：“华为的未来还将继续专注于电子流事业。”这个在19世纪末被发现的基础粒子，对于整个20世纪和21世纪产生了极其深远的影响。任正非和他的企业华为将引领人类突破理论框架作为自己的使命。著名经济学家张五常将任正非评价为我们这个时代最伟大的企业家之一，他认为任正非不仅能够管理经营好企业，还为中国的发展贡献了自己的商业思想，用高超的战略实践，影响一代中国企业家的价值观。

人类没有走出香农划定的边界，只是无限地逼近这个边界。麻省理工学院电气工程专业博士、被誉为“5G Polar码之父”的埃尔达尔·阿里坎（Erdal Arikan）^[18]发明了一种基础算法，也是目前世界上最为接近“香农极限”的编码方法。任正非在为埃尔达尔·阿里坎颁奖时，感谢他为华为继续前行提供了理论支持。任正非明确地说，未来华为每年会投入30亿至40亿美元用于基础研究，未来需要物理学家、数学家和化学家的努力，未来需要杰出人才的引领。

在写作本书的时候，华为正处于美国“长臂管辖”的威胁之下。在人类史上，动用一个国家的所有政治、经济和技术资源去和一个公司进行对抗，这是从来没有过的事情，这既是一个企业的悲情，也是一个企业的荣耀。华为为物联网时代研发的鸿蒙操作系统已经发布，未来之路不知道如何去走，但物联网时代是一定会来的。