一说起通信，几乎人人是专家。是呀，谁不天天打电话，谁不时时在上网，谁能离开计算机，谁又不需要大数据、物联网和人工智能等信息系统呢？这一切的核心其实都是通信，准确地说都是电子通信。但是，即使许多通信专家过去也不曾全面深入地思考过通信的前世今生，绝大多数通信史籍只认定了从烽火开始的区区3000年文明通信史，而忽略了整个生物界长达38亿年的通信史，忽略了真核生物长达23亿年的通信史，忽略了原生生物长达15亿年的通信史，忽略了植物长达12亿年的通信史，忽略了动物长达10亿年的通信史，忽略了人类长达数百万年的通信史，特别是忽略了长达7万年的语言通信史以及长达8000年的文字通信史。
那么，在没有文字记载的情况下，史前通信史是咋写出来的呢？嘿嘿，你看完本书就知道了，而且我们保证书中内容绝无杜撰之嫌。本书当然不是为讲历史而讲历史，其实是希望通过回顾历史来展望未来，特别是展望通信即将引发的第三次革命——智能革命的未来。因此，特意增加了最后一章“未来通信”，一方面揭示通信即将面临的香农信道容量危机，另一方面努力寻求可能的应对措施。
希望你在阅读过程中有所启发。

杨义先，北京邮电大学教授、博士生导师、首届长江学者特聘教授、首届国家杰出青年基金获得者、国家教学名师、国家教学团队（“信息安全”）带头人、全国百篇优秀博士学位论文指导教师、国家精品课程负责人。现任北京邮电大学信息安全中心主任、灾备技术国家工程实验室主任、公共大数据国家重点实验室（筹）主任、中国密码学会副理事长。他长期从事网络与信息安全方面的科研、教学和成果转化工作。他创立的网络空间安全的统一理论“安全通论”和高级科普《安全简史》，在社会上引起了极大反响，被各种媒体和网友广泛转载、转发。
曾获得荣誉：政府特殊津贴、国家有突出贡献的中青年专家、国家有突出贡献的中国博士学位获得者、第四届“中国青年科学家奖”、第四届“中国青年科技创新奖”、全国优秀科技工作者、中国科协第三届青年科技奖、首届茅以升北京青年科技奖、北京青年五四奖章、第三届北京十大杰出青年、“有可能影响中国21世纪的IT青年人物”。

上篇 自然通信
第1章 遗传通信
1.1 遗传信息的内容
1.2 遗传信息的编码
1.3 遗传信息的解码
1.4 遗传信息的差错
1.5 DNA计算机展望
第2章 生长通信
2.1 先天信息的载体
2.2 先天信息的传输
2.3 后天信息神经系统
2.4 后天信息中枢系统
2.5 其他体内通信系统
第3章 感知通信
3.1 植物的感知能力
3.2 动物的感知能力
3.3 人类的感知能力
3.4 人类的知觉能力
3.5 第六感与直觉
第4章 语言通信
4.1 肢体语言通信
4.2 表情语言通信
4.3 声音语言通信
4.4 艺术语言通信
4.5 符号系统通信
下篇 人工通信
第5章 史前通信
5.1 旧石器时代的通信
5.2 中石器时代的通信
5.3 新石器时代的通信
5.4 文字通信之史略
5.5 通信内容的革命
第6章 非电通信
6.1 陆上通信
6.2 水上通信
6.3 空中通信
6.4 邮驿通信
6.5 通信交通
第7章 电子通信
7.1 烽火台式电信
7.2 邮包分拣电信
7.3 集装箱式电信
7.4 融合计算通信
7.5 通信创造智能
第8章 未来通信
8.1 换个视角看通信
8.2 通信网络新结构
8.3 量子通信新机会
8.4 绿色通信新趋势
8.5 实用通信新畅想
参考文献

从前，有一位大外行
为门外汉们写了一部大跨
度的大众化通俗书籍。这
位大外行确实很大，甚至
很伟大，因为他就是波动
力学之父、量子力学奠基
人之一的薛定谔。而这部
大众化书籍，就是他在获
得了1933年诺贝尔物理学
奖后，冒天下之大不韪，
完全“不务正业”撰写的生
物科普著作《生命是什么
》。所以，战战兢兢的薛
定谔在序言中的第一句话
就“甩锅”道：“人们普遍认
为，科学家总是在某学科
中掌握了广博深邃的前沿
知识，因而他们不会在外
行领域中著书立说。这就
是所谓的尊贵者责任大。
可是，为了《生命是什么
》的写作，我恳请放弃任
何尊贵，从而也免去随之
而来的责任。”然而，随
后的事实意外证明：《生
命是什么》一书竟然成了
石破天惊的“20世纪最有
影响的科学经典”之一，
它不但直接激励威尔金斯
、克里克、沃森等青年物
理学家跳槽到生物学领域
，发现了DNA双螺旋结构
，并因此而获得了1962年
诺贝尔生理学或医学奖；
而且间接地深度影响了卢
利亚、查尔加夫、本泽等
诺贝尔奖得主，启发了贝
塔朗菲创立系统论，启发
了普里高津创立耗散结构
理论等；还催生了今天的
分子生物学。其实，在《
生命是什么》一书中，薛
定谔只是从物理角度出发
，重新阐述了与自己的专
业“八竿子都打不着”的若
干生命现象，并提出了许
多在当时看来“毫无根据”
的大胆猜想，比如物理和
化学在原则上可诠释生命
现象，基因是一种非周期
性的晶体或固体，突变是
由基因分子中的量子跃迁
引起的，基因突变论相当
于物理学中的量子论，基
因遗传模式的长期稳定性
和持久性都能用量子论加
以说明，染色体是遗传的
密码，生命以负熵为生并
通过从环境中抽取“序”来
维持系统的组织而进行演
化，等等。
本书以薛定谔及其《
生命是什么》为榜样，从
通信系统的角度出发，试
图重新阐述仍然与我们的
通信专业“八竿子都打不
着”的若干生命现象，同
时也提出若干看似“毫无
根据”的猜想。比如，生
物的生殖过程就是遗传信
息从亲代传给子代的通信
过程，DNA便是信息的载
体；基因突变就是遗传通
信传输中出现的差错，而
DNA的双螺旋结构则是一
种通信纠错编码方式；各
种物种演化的结果就是过
去38亿年以来遗传信息通
信传输差错的累积结果。
生物的生长过程，也是遗
传信息通过细胞分裂方式
，从亲代细胞传给子代细
胞的通信过程。因此，人
的一生的新陈代谢过程就
可以看成遗传信息从信源
（婴儿）到信宿（老人）
的连续不断中继传输的过
程。癌症等肿瘤疾病则起
因于该通信传输过程中出
现的“比特”差错，而免疫
力则是该中继传输系统中
的纠错系统。生物的视觉
、听觉、嗅觉、味觉、触
觉等感知系统，是实现信
息自然通信传输的前提；
以语言和文字为代表的符
号系统的产生，是人类进
行人工通信传输的前提，
而其他任何生物都无法实
现人工通信。语言通信使
人类从兽类中分离出来，
文字通信使人类进入文明
社会，电子通信将引发智
能革命，甚至彻底改变人
类社会的发展方向。对人
类来说，真正的信源和信
宿不是眼、耳、鼻、舌、
身等各种感官，而是大脑
或意识，因此，至今的所
有人工通信都还仅仅停留
在非常初级的阶段，即以
电流或电波为载体的、从
感官到感官的信息通信。
形象地说，人工通信的最
高境界应该是回归自然通
信，比如许多科幻小说和
神话小说中描述的“意念
通信”等。实际上，在人
工智能（AI）领域中已经
出现了各种“意念控制”的
成果，它们也许算是“意
念通信”的曙光吧。最近
已有猴子学会了如何通过
植入猴脑的电极来控制远
程的仿生肢体，瘫痪的病
人也能仅依靠意念就移动
仿生肢体和操作计算机。
人们还可以戴上电子“读
心”头盔，在家里遥控电
子设备。这种头盔甚至无
须将电极植入大脑，只是
读取头皮所发出的电信号
。若想打开屋顶的电灯，
只需戴上头盔，想象一些
事先编程好的心理符号（
例如想象右手做某个动作
），就能接通电源。特别
是随着以5G为代表的移动
通信技术的迅猛发展，香
农的端到端通信的信道容
量极限即将被逼近，人类
将如何应对即将到来的香
农信道容量危机，如何搭
建整体传输效率更高的维
纳对话网，量子手段是否
可以帮助人类摆脱香农信
道容量危机，今后的通信
将向何处发展，这些都是
人类必须面对的战略问题
。
我们当然不想生搬硬
套薛定谔的《生命是什么
》，也无意促进生物学的
发展，毕竟我们人微言轻
，根本不可能影响到生物
学领域。本书的编写目的
在于，借助众多生物现象
来刺激现代通信在新台阶
上的新发展。不知从何时
开始，无论是学术界还是
产业界，许多通信专家都
产生了这样一种悲观思想
，即认为香农信道容量危
机已逼近，摩尔定律正在
失效，也就是说数字存储
容量的增长速度已达不到
摩尔定律的预期了。因此
，好像通信的发展很快就
要到达顶峰了，通信理论
和技术也没啥发展空间了
。这种悲观状况与薛定谔
时代很相似，当时许多物
理学家也认为相对论

本书以薛定谔及其《生命是什么》为榜样，从通信系统的角度出发，试图重新阐述仍然与我们的通信专业“八竿子都打不着”的若干生命现象，同时也提出若干看似“毫无根据”的猜想。
本书的编写目的在于，借助众多生物现象来刺激现代通信在新台阶上的新发展。

高水平学者致力科普
，创作出如此深刻、丰富
且有趣的读物，让人读后
眼界大开，不由得想到薛
定谔的著名科普作品《生
命是什么》，曾有许多评
论以为薛氏科普催生了若
干诺贝尔奖和分子生物学
。但愿这本科普著作也将
引领读者开辟通信领域新
方向。
——北京邮电大学第六
任校长 林金桐
国际上的科普有两类
：一是“见山是山”式的科
普，即用浅显易懂的语言
来说清高精尖的科技；另
一类是“见山不是山”式的
科普，《通信简史：从遗
传编码到量子信息》便是
这后一类科普。它实际上
是对通信之魂的深刻理解
和启示。
——南京邮电大学副校
长 朱洪波
《通信简史：从遗传
编码到量子信息》让人脑
洞大开！谁会想到日常使
用的通信技术竟然在本质
上与生物遗传和生长等都
是相通的呢？看来，通信
的三要素“发端、收端和
传输”还真是包罗万象。
通信大有可为，通信前途
广阔。
——重庆邮电大学副校
长 王国胤
以往的同类书籍最早
都是从几千年前的烽火传
情讲起，此书竟然从38亿
年前的生命之初讲起；以
往的同类书籍最晚写到现
代通信，此书竟然写到了
遥远的未来。本书对通信
类专业的师生将有很大的
启发意义。
——西安邮电大学校长
范九伦
作者是我的老乡、校
友和30多年的知己。早在
学生时期，他就被誉为数
学神童，后来在信息论、
密码学和网络安全等领域
成就卓越。更神奇的是，
他的兴趣广泛，常有惊人
的跨界之举，甚至在甲骨
文考古方面也有重要发现
。这不，现在他又写出了
出人意料的《通信简史》
，让人耳目一新。我以为
杰出科学家有两类，一类
是以钱学森等为代表的使
命驱动型科学家，另一类
是以爱因斯坦、香农等为
代表的兴趣驱动型科学家
。本书作者杨义先教授属
于后一类。
——中国电信总经理
李正茂

第1章 遗传通信
任何通信系统都具有3个基本要素，即信源、信宿和信息载体，也可分别称为发信方、收信方和信息载体。发信方将包含信息的载体从信源端发送给信宿端，然后收信方从该载体中提取出对方所传递的信息。这里的载体可以是多种多样的，其中所包含的信息也可以干变万化，包括但不限于DNA所包含的遗传信息、细胞所包含的分裂或停止分裂信息、纸张所包含的文字信息、声波所包含的语言信息、电流所包含的有线信号、电磁波所包含的无线电信号等。总之，能够携带信息的所有东西，无论它们是有形的还是无形的，都可以被看成相应通信系统中的信息载体。能够携带信息载体的所有东西仍然可以作为信息载体。比如，DNA是信息载体，细胞携带着DNA，所以细胞也可当作信息载体。能够传递任何信息载体的系统也都可以被看作一种通信系统。这里的信息是指任何可用来消除随机不定性的知识，它们是创建宇宙万物的最基本的单位。
在遗传通信系统中，亲代可看成信源或发信方，子代可看成信宿或收信方，DNA或整个基因组可看成信息载体，那么所传输的信息便是遗传信息。所以，遗传通信系统可看成基因组的“由亲代到子代”的纵向通信系统。本章将介绍遗传通信系统的信息内容、信息编码、信息解码、传输误差及累积后果等，还将专门介绍前沿的DNA计算机，因为它可能催生无缝的人机接口，为今后实现某种程度上的“意念通信”奠定基础。
由于本书始终站在通信角度看问题，所以我们将尽量淡化相关生物学概念，特别是那些比较抽象的结果，毕竟我们希望通信界能更多地了解生物学，而不是用生物学的高精尖把大家吓跑。我们相信，只要认可了“生物学既是通信之始，也是通信之终”，读者就不难回头研读相关生物学书籍，并促进通信技术的发展。
1.1 遗传信息的内容
自从38亿年前地球上开始出现生命至今，遗传通信系统就在各种生物之间进行着一代传一代的纵向通信了，而且这种通信过程还将永远持续下去，直到某种生物灭绝或地球上的全部生物灭绝为止。现在地球上的植物有50多万种，动物有150多万种，因此，今天大约有200万种遗传通信系统在不断地进行着纵向通信。只是由于人为破坏等原因，现存物种数量急剧减少，甚至只有原来的1／10，因此，遗传通信系统的种类和数量也在急剧减少。
遗传通信系统所传递的信息内容到底是什么呢？或者说，遗传信息到底意味着什么呢？
关于这个问题的答案，说简单也简单，因为谁都知道在植物界是“种瓜得瓜，种豆得豆”，在动物界则是“龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞”。从染色体角度来看，亲代与子代的染色体数目和形状都是完全一样的。比如，只要是人，他就一定有46条染色体，其中23条来自父亲，另外23条来自母亲，即子代同时遗传了父母双方的遗传信息。这些信息被存储在子代的基因中，同时今后又将继续通过遗传通信系统传递给孙代。如此代代相传，直到永远。针对子代的任何一个性状，若父母对应于该性状的基因都是显性基因，或者都是隐性基因，那么子代的性状则可能表现为父亲或母亲的性状；若父母中的一方为显性基因，另一方为隐性基因，则子代的性状就一定表现为带显性基因的一方的性状。
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