□ 房曉玉

技術發(fā)展日新月異，過去的20年里從2G到5G，移動通信技術不斷革新?lián)Q代，刷新了人們對于通信效率、質量的認知。但同樣，在智能設備日益普及、移動社交網(wǎng)絡大范圍覆蓋的情況下，數(shù)據(jù)噴薄和萬物互聯(lián)成為時代的新趨向。通信信道、無線頻譜、網(wǎng)絡節(jié)點等密布全球，織成了一張無形的大網(wǎng)，也逐步占據(jù)了很大一部分的網(wǎng)絡資源空間。

北京交通大學電子信息工程學院教授霍炎表示：“整個物聯(lián)網(wǎng)內，網(wǎng)絡節(jié)點繁雜，授權節(jié)點和非授權節(jié)點同時占據(jù)資源，但整體資源相對來講比較有限。那么，如何實現(xiàn)資源的合理分配，讓每一個節(jié)點的能量可以有效、充分發(fā)揮作用，這就是需要思考的問題?！睘榇?，立足國家網(wǎng)絡資源管理需求，他致力于“跨層跨域”無線網(wǎng)絡空間安全研究，在智慧物聯(lián)的基礎構架上，竭力打造綠色、安全的通信甬道，以模型搭建及分析、算法工程設計、分布式部署優(yōu)化與計算等促進無線移動通信技術進步，助推5G、后5G相關研究發(fā)展，力求在“中國制造2025”的新一代信息技術產(chǎn)業(yè)領域尋求重點突破，帶動未來移動通信基礎設施在智慧物聯(lián)系統(tǒng)中的廣泛應用。

捍守通信“跨層”安瀾

移動通信是什么？

在尚未考入北京交通大學通信工程專業(yè)之前，霍炎單純地認為它可以與電話通信畫等號。但隨著對專業(yè)知識的深入學習，這個單純的認知也有了進一步的發(fā)展變化，從規(guī)模上而言，其涉及甚廣，涵蓋了基站建設、組網(wǎng)技術、用戶終端等方方面面，從具體的研究角度來說，移動通信的安全性需要多重技術保障。

“現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)通常被劃分成3個層次，分別是物理層、網(wǎng)絡傳輸層和應用層。物理層安全的早期研究可以追溯到Shannon的安全通信理論和Wyner對竊聽信道的安全分析，其主要思想是利用無線媒介特性確保竊聽者不能解密隱私信息。簡單來說就是，利用信道或鏈路中的噪聲、干擾將合法信息進行淹沒，使非法用戶不能獲取合法信息，保障數(shù)據(jù)共享的安全。”作為物理層與應用層安全研究的專家，霍炎深諳移動傳輸?shù)乃矫苄詢r值，除了探索物理層安全方法，還從訪問接入控制、用戶隱私保護等應用層安全方面持續(xù)深耕。

他認為，現(xiàn)階段隨時隨地的設備接入和信息共享，以及各種服務需求的日益增加，讓數(shù)據(jù)不斷創(chuàng)造出一個個高峰的同時，也給無線移動通信系統(tǒng)帶來巨大的挑戰(zhàn)，諸如需要更大的負載容量、更智能的資源管理策略、更好的網(wǎng)絡部署，以及具有計算、存儲、分析和決策能力分布式智能節(jié)點。“我們需要設計新穎的無線技術并構建新一代基礎設施來支持即將到來的移動大數(shù)據(jù)時代?！?/p>

基于對時代發(fā)展需求的認識，對比前期工作提出的異構網(wǎng)絡基本模型與5G無線系統(tǒng)框架的適配程度，霍炎表示，分層次異構網(wǎng)絡被認為是最具潛力的典型結構。而隨著5G的部署加快，針對其異構網(wǎng)絡該如何使用合作干擾提升網(wǎng)絡大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸安全性與信息共享私密性，成了一個世界性、迫切性的問題。

“具體來說，不管是物聯(lián)網(wǎng)中的哪一個層面均有可能分散存在著各種各樣的竊聽者。他們或是竊聽、攔截和干擾合法傳輸?shù)男盘?，竊取私人信息從而牟取非法利益，或是偽裝成合法用戶，獲得基站或其他用戶的信任，從而發(fā)起高級別的持續(xù)性攻擊……”通過霍炎的分析不難了解，數(shù)據(jù)傳輸給予世界范圍內人與人之間溝通的便利，也相伴而生了前所未有的高風險。

“傳統(tǒng)的基于密碼學的高層安全措施，像是密碼方法等，在面對大數(shù)據(jù)相關性和特征分析時已經(jīng)難以保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。為此，我們將物理層安全引入到異構網(wǎng)絡中新興的無線傳輸技術中，作為對密碼方法的補充?！比欢M管物理層安全的研究在前期傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡上取得了一定的成果，但對新興的5G無線移動通信系統(tǒng)，尤其是面向大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠悩嬀W(wǎng)絡來說，基于物理層的數(shù)據(jù)安全傳輸與共享的研究還處于起步階段。

從最新的國家自然科學基金面上項目“面向下一代無線網(wǎng)絡的多維度物理層安全綠色通信系統(tǒng)研究”獲悉，出于對無線移動網(wǎng)絡的傳輸開放性和接入用戶的多樣性與動態(tài)性考量，霍炎領銜研究團隊致力于以用戶節(jié)點屬性、信道狀態(tài)信息可用性、系統(tǒng)功率受限性等作為切入點，結合5G及未來移動通信網(wǎng)絡中引入的MaMIMO、NOMA等新技術，探討合作干擾器的選擇及干擾模型及策略設計、干擾功率、時隙等參數(shù)的優(yōu)化等問題。

在這項為期4年的項目研究中，他們區(qū)別于以往的技術方案，從未知竊聽者CSI、節(jié)點屬性與特征、系統(tǒng)或干擾功率受限等方面出發(fā)，對現(xiàn)有基于合作干擾的物理層安全進行新的策略設計。以網(wǎng)絡中節(jié)點、干擾器屬性及行為特征為例，霍炎進行了細化的解析，他指出以往網(wǎng)絡中的合法節(jié)點、合作轉發(fā)節(jié)點、合作干擾器可能根據(jù)自身狀態(tài)和網(wǎng)絡中的地位，出現(xiàn)保留自身能量或搶占網(wǎng)絡資源等自私性行為，例如拒絕發(fā)送干擾信號、降低干擾信號功率等。也正是因為這些行為，導致了數(shù)據(jù)安全傳輸性能降低，使信息安全受到威脅。

因此，在霍炎看來，根據(jù)節(jié)點自身屬性變化分析網(wǎng)絡的安全性能，并有針對性地選擇可信節(jié)點實現(xiàn)安全傳輸，這是極其需要引起研究人員重視的，也是他們開展項目研究的一大重點。“我們會根據(jù)網(wǎng)絡中存在的各個節(jié)點的屬性，在定義信任度數(shù)學描述的基礎上，分析它們對于數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)挠绊懀⒃诖嘶A上設計相應的安全策略，實現(xiàn)具有動態(tài)節(jié)點屬性網(wǎng)絡的物理層安全傳輸?！?/p>

瞄準未來的“后5G”籌謀

如果說，針對5G安全傳輸問題的研究是霍炎對于當下迫切需求與發(fā)展的深入探索，那么“后5G智慧物聯(lián)中面向物理與鏈路層關鍵技術研究”項目的成功立項，則是他面向國家通信技術高度發(fā)展、背靠物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的未雨綢繆。

早在“十三五”國家信息化規(guī)劃與國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要中，就明確指出：“信息技術創(chuàng)新日新月異，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為特征的信息化浪潮蓬勃興起。信息化代表新的生產(chǎn)力和新的發(fā)展方向，已經(jīng)成為引領創(chuàng)新和驅動轉型的先導力量。”特別是井噴式的移動數(shù)據(jù)流量增長、海量的設備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務和應用場景，讓移動通信發(fā)展挑戰(zhàn)加劇，面對頻譜需求量增大、頻譜資源稀缺、網(wǎng)絡空間安全與隱私日益復雜等矛盾，不得不探討的問題就是，后5G時代的智慧物聯(lián)該何去何從？

“在5G之后，我們要探討什么？對于后5G時代來講，爆炸性增長的數(shù)據(jù)已經(jīng)不是具體的量級可以描述，每一件電子設備甚至非電子設備，它們都具備數(shù)據(jù)ID，能夠進行連接。這就直接挑戰(zhàn)了無線移動通信的承載能力，需要物理層和鏈路層的技術配合，包括接入、資源分配和調度等?！被粞渍f道。

通過開展本科科研訓練使大二、大三學生提前介入科學前沿。

為了便于項目工作的快速推動，霍炎帶領課題組從信道模型、分布式計算、安全傳輸、綠色通信等多方面進行了深入調研，仔細考察了當前國內外后5G研究的發(fā)展情況?！巴ㄟ^調查發(fā)現(xiàn)，對于后5G的智慧物聯(lián)場景，目前已逐步展開信道建模方面的相關研究，面向分布式計算的任務分配與卸載存在諸多問題，同時也鮮有系統(tǒng)級的物理層安全傳輸?shù)纳钊胩接?。”霍炎表示，就無線通信信道建模方面來講，后5G信道估計的研究工作已經(jīng)存在，但是設計實時性好、復雜度低、準確度高的全參數(shù)信道估計算法仍待解決。與此同時，由于智慧物理系統(tǒng)中包含大量移動設備，其終端節(jié)點需要協(xié)同工作，配合多任務調度與卸載，為此如何實現(xiàn)面向智慧物聯(lián)進行系統(tǒng)的、安全的任務分配與協(xié)同計算，也是一項重要且棘手的研究問題。

“未來大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡必定是分組通信的模式。”基于這一點考慮，霍炎所在課題組擬將物理層與網(wǎng)絡層分組標識相結合，探討干擾各個標識位對系統(tǒng)安全性能的影響，設計間歇性友好干擾策略，結合后5G的新技術實現(xiàn)干擾功率的高效利用，并最終實現(xiàn)綠色安全通信的完整解決方案。

科研、教育，與創(chuàng)新同行

不管是5G、后5G的物理層安全研究，還是一直以來秉承的人才教育理念和方式，在霍炎的認知中，都離不開“創(chuàng)新”二字。

他表示，創(chuàng)新涵蓋范圍極為廣泛，單科研層面就能分為理論和應用創(chuàng)新兩大類?！袄碚搫?chuàng)新更側重思考，例如，研究人員需要考慮從哪個角度、要把怎樣的實際問題提煉成理論模型，之后這個模型又要通過哪些方法求解、分析。應用創(chuàng)新更加講求實際，比如物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)要針對具體的案例給出相應的解決辦法，它可以是原創(chuàng)也可以是已經(jīng)存在方法的新場景遷移。”

在霍炎看來，原始創(chuàng)新相較于二次創(chuàng)新，難度有著極大的躍升，這一點他早在學生階段嘗試發(fā)現(xiàn)、提煉問題時就深有體會。本科畢業(yè)，憑借優(yōu)異的表現(xiàn)獲得直博資格后，霍炎很長一段時間陷入“如何自主發(fā)掘問題”的痛苦中，他表示，開展研究工作也好，申請項目也好，最根本的一點是尋求或調研出一個迫切需要解決的問題?！斑@個問題不是憑空想來的，要根據(jù)大量的文獻和實際形勢提煉。”

從理論和工程層面來說，霍炎表示，工程項目由于有嚴格的時間限制，更為注重實際效益，運用較多的工程思維，可以依據(jù)問題靠傳統(tǒng)技術的翻新解決。理論研究問題則對創(chuàng)新相對嚴格，一篇研究文章的發(fā)表往往需要以年為單位的成果積累?！皟煞矫娑紤撝匾暎蠹揖τ邢?，可以選擇做工程也可以選擇鉆研理論。當然，研究最好的結果是，自己的理論研究經(jīng)過數(shù)年的積累能夠發(fā)展成熟，在工程應用上得到更好的轉化?！?/p>

做科研講究創(chuàng)新方法、水到渠成，人才教育更是如此。早在霍炎在美國喬治·華盛頓大學訪問期間，他就因為地域和研究環(huán)境的原因，利用更多的時間去閱讀、參與科研討論，有了更加純粹的自主思考時間。所以，如今身為施教者，他也格外注重學生獨立思考問題和科研的能力，會和博士研究生一同討論問題，并圍繞提煉的問題思考解決方式。與此同時，他倡導因“需”施教，對于碩士研究生和本科生有不同的培養(yǎng)方式。除了同樣注重學生的問題發(fā)掘能力和獨立發(fā)展空間，霍炎對于學術型碩士研究生的培養(yǎng)，更側重模型提煉、求解及協(xié)作能力的提升，對于專業(yè)型碩士研究生的培養(yǎng)，則更側重工程實踐，讓他們深入實習基地鍛煉?！叭绻潜究粕逃脑挘瑖医陙韽娬{‘以本為本’。實際上來講，就好比我教授的模擬電子技術等專業(yè)課，課程中較為傳統(tǒng)的三極管等已經(jīng)在實際工程中很少見到，但它是一個基礎性的內容，是后期課程的鋪墊。另外，我們在講課的時候還不能僅僅講基礎，要考慮怎么融合現(xiàn)有的科研項目，真正激發(fā)學生對科學的興趣。”

人才的發(fā)展加速團隊的進步，對于科研隊伍，霍炎也有著明確的想法。他表示，團隊的發(fā)展建立在隊員們的共同目標之上，同時還需要集體的分工配合，每個人將自己的部分工作做扎實。在進一步的規(guī)劃中，他立志服務時代發(fā)展，將自身的小隊伍融入行業(yè)的大隊伍，力爭讓互聯(lián)網(wǎng)技術在無線移動通信的應用中更智能、智慧一點兒。