霍炎：打造智慧通信的“安全保险”

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技术发展日新月异，过去的20年里从2G到5G，移动通信技术不断革新换代，刷新了人们对于通信效率、质量的认知。但同样，在智能设备日益普及、移动社交网络大范围覆盖的情况下，数据喷薄和万物互联成为时代的新趋向。通信信道、无线频谱、网络节点等密布全球，织成了一张无形的大网，也逐步占据了很大一部分的网络资源空间。

北京交通大学电子信息工程学院教授霍炎表示：“整个物联网内，网络节点繁杂，授权节点和非授权节点同时占据资源，但整体资源相对来讲比较有限。那么，如何实现资源的合理分配，让每一个节点的能量可以有效、充分发挥作用，这就是需要思考的问题。”为此，立足国家网络资源管理需求，他致力于“跨层跨域”无线网络空间安全研究，在智慧物联的基础构架上，竭力打造绿色、安全的通信甬道，以模型搭建及分析、算法工程设计、分布式部署优化与计算等促进无线移动通信技术进步，助推5G、后5G相关研究发展，力求在“中国制造2025”的新一代信息技术产业领域寻求重点突破，带动未来移动通信基础设施在智慧物联系统中的广泛应用。

北京交通大学电子信息工程学院教授霍炎

捍守通信”跨层“安澜

移动通信是什么？

在尚未考入北京交通大学通信工程专业之前，霍炎单纯地认为它可以与电话通信画等号。但随着对专业知识的深入学习，这个单纯的认知也有了进一步的发展变化，从规模上而言，其涉及甚广，涵盖了基站建设、组网技术、用户终端等方方面面，从具体的研究角度来说，移动通信的安全性需要多重技术保障。

“现代物联网通常被划分成3个层次，分别是物理层、网络传输层和应用层。物理层安全的早期研究可以追溯到Shannon的安全通信理论和Wyner对窃听信道的安全分析，其主要思想是利用无线媒介特性确保窃听者不能解密隐私信息。简单来说就是，利用信道或链路中的噪声、干扰将合法信息进行淹没，使非法用户不能获取合法信息，保障数据共享的安全。”作为物理层与应用层安全研究的专家，霍炎深谙移动传输的私密性价值，除了探索物理层安全方法，还从访问接入控制、用户隐私保护等应用层安全方面持续深耕。

他认为，现阶段随时随地的设备接入和信息共享，以及各种服务需求的日益增加，让数据不断创造出一个个高峰的同时，也给无线移动通信系统带来巨大的挑战，诸如需要更大的负载容量、更智能的资源管理策略、更好的网络部署，以及具有计算、存储、分析和决策能力分布式智能节点。“我们需要设计新颖的无线技术并构建新一代基础设施来支持即将到来的移动大数据时代。”

基于对时代发展需求的认识，对比前期工作提出的异构网络基本模型与5G无线系统框架的适配程度，霍炎表示，分层次异构网络被认为是最具潜力的典型结构。而随着5G的部署加快，针对其异构网络该如何使用合作干扰提升网络大规模数据传输安全性与信息共享私密性，成了一个世界性、迫切性的问题。

“具体来说，不管是物联网中的哪一个层面均有可能分散存在着各种各样的窃听者。他们或是窃听、拦截和干扰合法传输的信号，窃取私人信息从而牟取非法利益，或是伪装成合法用户，获得基站或其他用户的信任，从而发起高级别的持续性攻击……”通过霍炎的分析不难了解，数据传输给予世界范围内人与人之间沟通的便利，也相伴而生了前所未有的高风险。

“传统的基于密码学的高层安全措施，像是密码方法等，在面对大数据相关性和特征分析时已经难以保证数据的安全性和隐私性。为此，我们将物理层安全引入到异构网络中新兴的无线传输技术中，作为对密码方法的补充。”然而，尽管物理层安全的研究在前期传统无线网络上取得了一定的成果，但对新兴的5G无线移动通信系统，尤其是面向大规模数据传输的异构网络来说，基于物理层的数据安全传输与共享的研究还处于起步阶段。

从最新的国家自然科学基金面上项目“面向下一代无线网络的多维度物理层安全绿色通信系统研究”获悉，出于对无线移动网络的传输开放性和接入用户的多样性与动态性考量，霍炎领衔研究团队致力于以用户节点属性、信道状态信息可用性、系统功率受限性等作为切入点，结合5G及未来移动通信网络中引入的MaMIMO、NOMA等新技术，探讨合作干扰器的选择及干扰模型及策略设计、干扰功率、时隙等参数的优化等问题。

在这项为期4年的项目研究中，他们区别于以往的技术方案，从未知窃听者CSI、节点属性与特征、系统或干扰功率受限等方面出发，对现有基于合作干扰的物理层安全进行新的策略设计。以网络中节点、干扰器属性及行为特征为例，霍炎进行了细化的解析，他指出以往网络中的合法节点、合作转发节点、合作干扰器可能根据自身状态和网络中的地位，出现保留自身能量或抢占网络资源等自私性行为，例如拒绝发送干扰信号、降低干扰信号功率等。也正是因为这些行为，导致了数据安全传输性能降低，使信息安全受到威胁。

因此，在霍炎看来，根据节点自身属性变化分析网络的安全性能，并有针对性地选择可信节点实现安全传输，这是极其需要引起研究人员重视的，也是他们开展项目研究的一大重点。“我们会根据网络中存在的各个节点的属性，在定义信任度数学描述的基础上，分析它们对于数据安全传输的影响，并在此基础上设计相应的安全策略，实现具有节点属性网络的物理层安全传输。”

瞄准未来的“后5G”筹谋

如果说，针对5G安全传输问题的研究是霍炎对于当下迫切需求与发展的深入探索，那么“后5G智慧物联中面向物理与链路层关键技术研究”项目的成功立项，则是他面向国家通信技术高度发展、背靠物联网产业的未雨绸缪。

早在“十三五”国家信息化规划与国家信息化发展战略纲要中，就明确指出：“信息技术创新日新月异，以数字化、网络化、智能化为特征的信息化浪潮蓬勃兴起。信息化代表新的生产力和新的发展方向，已经成为引领创新和驱动转型的先导力量。”特别是井喷式的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，让移动通信发展挑战加剧，面对频谱需求量增大、频谱资源稀缺、网络空间安全与隐私日益复杂等矛盾，不得不探讨的问题就是，后5G时代的智慧物联该何去何从？

“在5G之后，我们要探讨什么？对于后5G时代来讲，爆炸性增长的数据已经不是具体的量级可以描述，每一件电子设备甚至非电子设备，它们都具备数据ID，能够进行连接。这就直接挑战了无线移动通信的承载能力，需要物理层和链路层的技术配合，包括接入、资源分配和调度等。”霍炎说道。

为了便于项目工作的快速推动，霍炎带领课题组从信道模型、分布式计算、安全传输、绿色通信等多方面进行了深入调研，仔细考察了当前国内外后5G研究的发展情况。“通过调查发现，对于后5G的智慧物联场景，目前已逐步展开信道建模方面的相关研究，面向分布式计算的任务分配与卸载存在诸多问题，同时也鲜有系统级的物理层安全传输的深入探讨。”霍炎表示，就无线通信信道建模方面来讲，后5G信道估计的研究工作已经存在，但是设计实时性好、复杂度低、准确度高的全参数信道估计算法仍待解决。与此同时，由于智慧物理系统中包含大量移动设备，其终端节点需要协同工作，配合多任务调度与卸载，为此如何实现面向智慧物联进行系统的、安全的任务分配与协同计算，也是一项重要且棘手的研究问题。

“未来大规模数据传输的网络必定是分组通信的模式。”基于这一点考虑，霍炎所在课题组拟将物理层与网络层分组标识相结合，探讨干扰各个标识位对系统安全性能的影响，设计间歇性友好干扰策略，结合后5G的新技术实现干扰功率的高效利用，并最终实现绿色安全通信的完整解决方案。

通过开展本科科研训练使大二、大三学生钱介入科学前沿。

科研、教育，与创新同行

不管是5G、后5G的物理层安全研究，还是一直以来秉承的人才教育理念和方式，在霍炎的认知中，都离不开“创新”二字。

他表示，创新涵盖范围极为广泛，单科研层面就能分为理论和应用创新两大类。“理论创新更侧重思考，例如，研究人员需要考虑从哪个角度、要把怎样的实际问题提炼成理论模型，之后这个模型又要通过哪些方法求解、分析。应用创新更加讲求实际，比如物联网行业要针对具体的案例给出相应的解决办法，它可以是原创也可以是已经存在方法的新场景迁移。”

在霍炎看来，原始创新相较于二次创新，难度有着极大的跃升，这一点他早在学生阶段尝试发现、提炼问题时就深有体会。本科毕业，凭借优异的表现获得直博资格后，霍炎很长一段时间陷入“如何自主发掘问题”的痛苦中，他表示，开展研究工作也好，申请项目也好，最根本的一点是寻求或调研出一个迫切需要解决的问题。“这个问题不是凭空想来的，要根据大量的文献和实际形势提炼。”

从理论和工程层面来说，霍炎表示，工程项目由于有严格的时间限制，更为注重实际效益，运用较多的工程思维，可以依据问题靠传统技术的翻新解决。理论研究问题则对创新相对严格，一篇研究文章的发表往往需要以年为单位的成果积累。“两方面都应该重视，但大家精力有限，可以选择做工程也可以选择钻研理论。当然，研究最好的结果是，自己的理论研究经过数年的积累能够发展成熟，在工程应用上得到更好的转化。”

做科研讲究创新方法、水到渠成，人才教育更是如此。早在霍炎在美国乔治·华盛顿大学访问期间，他就因为地域和研究环境的原因，利用更多的时间去阅读、参与科研讨论，有了更加纯粹的自主思考时间。所以，如今身为施教者，他也格外注重学生独立思考问题和科研的能力，会和博士研究生一同讨论问题，并围绕提炼的问题思考解决方式。与此同时，他倡导因“需”施教，对于硕士研究生和本科生有不同的培养方式。除了同样注重学生的问题发掘能力和独立发展空间，霍炎对于学术型硕士研究生的培养，更侧重模型提炼、求解及协作能力的提升，对于专业型硕士研究生的培养，则更侧重工程实践，让他们深入实习基地锻炼。“如果是本科生教育的话，国家近年来强调‘以本为本’。实际上来讲，就好比我教授的模拟电子技术等专业课，课程中较为传统的三极管等已经在实际工程中很少见到，但它是一个基础性的内容，是后期课程的铺垫。另外，我们在讲课的时候还不能仅仅讲基础，要考虑怎么融合现有的科研项目，真正激发学生对科学的兴趣。”

人才的发展加速团队的进步，对于科研队伍，霍炎也有着明确的想法。他表示，团队的发展建立在队员们的共同目标之上，同时还需要集体的分工配合，每个人将自己的部分工作做扎实。在进一步的规划中，他立志服务时代发展，将自身的小队伍融入行业的大队伍，力争让互联网技术在无线移动通信的应用中更智能、智慧一点儿。

专家简介

霍炎，北京交通大学电子信息工程学院教授、宽带无线移动通信研究所副所长，兼任IEEE会员、IEEE Comsoc会员、IEEE Access副编辑等。他长期围绕“跨层跨域”无线网络空间安全开展科研工作，主持及参加科研项目22项，包括主持国家自然科学基金面上项目3项、基本科研业务费重大项目1项，发表学术论文137篇（SCI检索55篇），Google学术引用975次，SCI总引用315次，单篇最高SCI引用123次。

来源：《科学中国人》2019年8月（上）

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