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技術發展日新月異，過去的20年裡從2G到5G，移動通信技術不斷革新換代，刷新了人們對於通信效率、質量的認知。但同樣，在智能設備日益普及、移動社交網絡大範圍覆蓋的情況下，數據噴薄和萬物互聯成為時代的新趨向。通信信道、無線頻譜、網絡節點等密佈全球，織成了一張無形的大網，也逐步佔據了很大一部分的網絡資源空間。

北京交通大學電子信息工程學院教授霍炎表示：“整個物聯網內，網絡節點繁雜，授權節點和非授權節點同時佔據資源，但整體資源相對來講比較有限。那麼，如何實現資源的合理分配，讓每一個節點的能量可以有效、充分發揮作用，這就是需要思考的問題。”為此，立足國家網絡資源管理需求，他致力於“跨層跨域”無線網絡空間安全研究，在智慧物聯的基礎構架上，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、分佈式部署優化與計算等促進無線移動通信技術進步，助推5G、後5G相關研究發展，力求在“中國製造2025”的新一代信息技術產業領域尋求重點突破，帶動未來移動通信基礎設施在智慧物聯繫統中的廣泛應用。

北京交通大學電子信息工程學院教授霍炎

捍守通信”跨層“安瀾

移動通信是什麼？

在尚未考入北京交通大學通信工程專業之前，霍炎單純地認為它可以與電話通信畫等號。但隨著對專業知識的深入學習，這個單純的認知也有了進一步的發展變化，從規模上而言，其涉及甚廣，涵蓋了基站建設、組網技術、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。

“現代物聯網通常被劃分成3個層次，分別是物理層、網絡傳輸層和應用層。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，保障數據共享的安全。”作為物理層與應用層安全研究的專家，霍炎深諳移動傳輸的私密性價值，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深耕。

他認為，現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，讓數據不斷創造出一個個高峰的同時，也給無線移動通信系統帶來巨大的挑戰，諸如需要更大的負載容量、更智能的資源管理策略、更好的網絡部署，以及具有計算、存儲、分析和決策能力分佈式智能節點。“我們需要設計新穎的無線技術並構建新一代基礎設施來支持即將到來的移動大數據時代。”

基於對時代發展需求的認識，對比前期工作提出的異構網絡基本模型與5G無線系統框架的適配程度，霍炎表示，分層次異構網絡被認為是最具潛力的典型結構。而隨著5G的部署加快，針對其異構網絡該如何使用合作干擾提升網絡大規模數據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，不管是物聯網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的信號，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，從而發起高級別的持續性攻擊……”通過霍炎的分析不難了解，數據傳輸給予世界範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。

“傳統的基於密碼學的高層安全措施，像是密碼方法等，在面對大數據相關性和特徵分析時已經難以保證數據的安全性和隱私性。為此，我們將物理層安全引入到異構網絡中新興的無線傳輸技術中，作為對密碼方法的補充。”然而，儘管物理層安全的研究在前期傳統無線網絡上取得了一定的成果，但對新興的5G無線移動通信系統，尤其是面向大規模數據傳輸的異構網絡來說，基於物理層的數據安全傳輸與共享的研究還處於起步階段。

從最新的國家自然科學基金面上項目“面向下一代無線網絡的多維度物理層安全綠色通信系統研究”獲悉，出於對無線移動網絡的傳輸開放性和接入用戶的多樣性與動態性考量，霍炎領銜研究團隊致力於以用戶節點屬性、信道狀態信息可用性、系統功率受限性等作為切入點，結合5G及未來移動通信網絡中引入的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、時隙等參數的優化等問題。

在這項為期4年的項目研究中，他們區別於以往的技術方案，從未知竊聽者CSI、節點屬性與特徵、系統或干擾功率受限等方面出發，對現有基於合作干擾的物理層安全進行新的策略設計。以網絡中節點、干擾器屬性及行為特徵為例，霍炎進行了細化的解析，他指出以往網絡中的合法節點、合作轉發節點、合作干擾器可能根據自身狀態和網絡中的地位，出現保留自身能量或搶佔網絡資源等自私性行為，例如拒絕發送干擾信號、降低干擾信號功率等。也正是因為這些行為，導致了數據安全傳輸性能降低，使信息安全受到威脅。

因此，在霍炎看來，根據節點自身屬性變化分析網絡的安全性能，並有針對性地選擇可信節點實現安全傳輸，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。“我們會根據網絡中存在的各個節點的屬性，在定義信任度數學描述的基礎上，分析它們對於數據安全傳輸的影響，並在此基礎上設計相應的安全策略，實現具有節點屬性網絡的物理層安全傳輸。”

瞄準未來的“後5G”籌謀

如果說，針對5G安全傳輸問題的研究是霍炎對於當下迫切需求與發展的深入探索，那麼“後5G智慧物聯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展、背靠物聯網產業的未雨綢繆。

早在“十三五”國家信息化規劃與國家信息化發展戰略綱要中，就明確指出：“信息技術創新日新月異，以數字化、網絡化、智能化為特徵的信息化浪潮蓬勃興起。信息化代表新的生產力和新的發展方向，已經成為引領創新和驅動轉型的先導力量。”特別是井噴式的移動數據流量增長、海量的設備連接、不斷湧現的各類新業務和應用場景，讓移動通信發展挑戰加劇，面對頻譜需求量增大、頻譜資源稀缺、網絡空間安全與隱私日益複雜等矛盾，不得不探討的問題就是，後5G時代的智慧物聯該何去何從？

“在5G之後，我們要探討什麼？對於後5G時代來講，爆炸性增長的數據已經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，它們都具備數據ID，能夠進行連接。這就直接挑戰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。”霍炎說道。

為了便於項目工作的快速推動，霍炎帶領課題組從信道模型、分佈式計算、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後5G研究的發展情況。“通過調查發現，對於後5G的智慧物聯場景，目前已逐步展開信道建模方面的相關研究，面向分佈式計算的任務分配與卸載存在諸多問題，同時也鮮有系統級的物理層安全傳輸的深入探討。”霍炎表示，就無線通信信道建模方面來講，後5G信道估計的研究工作已經存在，但是設計實時性好、複雜度低、準確度高的全參數信道估計算法仍待解決。與此同時，由於智慧物理系統中包含大量移動設備，其終端節點需要協同工作，配合多任務調度與卸載，為此如何實現面向智慧物聯進行系統的、安全的任務分配與協同計算，也是一項重要且棘手的研究問題。

“未來大規模數據傳輸的網絡必定是分組通信的模式。”基於這一點考慮，霍炎所在課題組擬將物理層與網絡層分組標識相結合，探討干擾各個標識位對系統安全性能的影響，設計間歇性友好乾擾策略，結合後5G的新技術實現干擾功率的高效利用，並最終實現綠色安全通信的完整解決方案。

通過開展本科科研訓練使大二、大三學生錢介入科學前沿。

科研、教育，與創新同行

不管是5G、後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“創新”二字。

他表示，創新涵蓋範圍極為廣泛，單科研層面就能分為理論和應用創新兩大類。“理論創新更側重思考，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，之後這個模型又要通過哪些方法求解、分析。應用創新更加講求實際，比如物聯網行業要針對具體的案例給出相應的解決辦法，它可以是原創也可以是已經存在方法的新場景遷移。”

在霍炎看來，原始創新相較於二次創新，難度有著極大的躍升，這一點他早在學生階段嘗試發現、提煉問題時就深有體會。本科畢業，憑藉優異的表現獲得直博資格後，霍炎很長一段時間陷入“如何自主發掘問題”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。“這個問題不是憑空想來的，要根據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，工程項目由於有嚴格的時間限制，更為注重實際效益，運用較多的工程思維，可以依據問題靠傳統技術的翻新解決。理論研究問題則對創新相對嚴格，一篇研究文章的發表往往需要以年為單位的成果積累。“兩方面都應該重視，但大家精力有限，可以選擇做工程也可以選擇鑽研理論。當然，研究最好的結果是，自己的理論研究經過數年的積累能夠發展成熟，在工程應用上得到更好的轉化。”

做科研講究創新方法、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，並圍繞提煉的問題思考解決方式。與此同時，他倡導因“需”施教，對於碩士研究生和本科生有不同的培養方式。除了同樣注重學生的問題發掘能力和獨立發展空間，霍炎對於學術型碩士研究生的培養，更側重模型提煉、求解及協作能力的提升，對於專業型碩士研究生的培養，則更側重工程實踐，讓他們深入實習基地鍛鍊。“如果是本科生教育的話，國家近年來強調‘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課，課程中較為傳統的三極管等已經在實際工程中很少見到，但它是一個基礎性的內容，是後期課程的鋪墊。另外，我們在講課的時候還不能僅僅講基礎，要考慮怎麼融合現有的科研項目，真正激發學生對科學的興趣。”

人才的發展加速團隊的進步，對於科研隊伍，霍炎也有著明確的想法。他表示，團隊的發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紮實。在進一步的規劃中，他立志服務時代發展，將自身的小隊伍融入行業的大隊伍，力爭讓互聯網技術在無線移動通信的應用中更智能、智慧一點兒。

專家簡介

霍炎，北京交通大學電子信息工程學院教授、寬帶無線移動通信研究所副所長，兼任IEEE會員、IEEE Comsoc會員、IEEE Access副編輯等。他長期圍繞“跨層跨域”無線網絡空間安全開展科研工作，主持及參加科研項目22項，包括主持國家自然科學基金面上項目3項、基本科研業務費重大項目1項，發表學術論文137篇（SCI檢索55篇），Google學術引用975次，SCI總引用315次，單篇最高SCI引用123次。

來源：《科學中國人》2019年8月（上）