打造智慧通信的“安全保險”
——記北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授霍炎

□ 房曉玉

技術(shù)發(fā)展日新月異，過去的20年里從2G到5G，移動通信技術(shù)不斷革新?lián)Q代，刷新了人們對于通信效率、質(zhì)量的認(rèn)知。但同樣，在智能設(shè)備日益普及、移動社交網(wǎng)絡(luò)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(luò)節(jié)點(diǎn)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(luò)資源空間。

北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授霍炎表示：“整個物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)繁雜，授權(quán)節(jié)點(diǎn)和非授權(quán)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)資源的合理分配，讓每一個節(jié)點(diǎn)的能量可以有效、充分發(fā)揮作用，這就是需要思考的問題。”為此，立足國家網(wǎng)絡(luò)資源管理需求，他致力于“跨層跨域”無線網(wǎng)絡(luò)空間安全研究，在智慧物聯(lián)的基礎(chǔ)構(gòu)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(shè)計、分布式部署優(yōu)化與計算等促進(jìn)無線移動通信技術(shù)進(jìn)步，助推5G、后5G相關(guān)研究發(fā)展，力求在“中國制造2025”的新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)で笾攸c(diǎn)突破，帶動未來移動通信基礎(chǔ)設(shè)施在智慧物聯(lián)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)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(xué)通信工程專業(yè)之前，霍炎單純地認(rèn)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(xué)習(xí)，這個單純的認(rèn)知也有了進(jìn)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(shè)、組網(wǎng)技術(shù)、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(shù)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(luò)傳輸層和應(yīng)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(jìn)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?！弊鳛槲锢韺优c應(yīng)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(hù)等應(yīng)用層安全方面持續(xù)深耕。

他認(rèn)為，現(xiàn)階段隨時隨地的設(shè)備接入和信息共享，以及各種服務(wù)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(fù)載容量、更智能的資源管理策略、更好的網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)?！拔覀冃枰O(shè)計新穎的無線技術(shù)并構(gòu)建新一代基礎(chǔ)設(shè)施來支持即將到來的移動大數(shù)據(jù)時代。”

基于對時代發(fā)展需求的認(rèn)識，對比前期工作提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是最具潛力的典型結(jié)構(gòu)。而隨著5G的部署加快，針對其異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)該如何使用合作干擾提升網(wǎng)絡(luò)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(nèi)人與人之間溝通的便利，也相伴而生了前所未有的高風(fēng)險。

“傳統(tǒng)的基于密碼學(xué)的高層安全措施，像是密碼方法等，在面對大數(shù)據(jù)相關(guān)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)中新興的無線傳輸技術(shù)中，作為對密碼方法的補(bǔ)充?！比欢?，盡管物理層安全的研究在前期傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)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?gòu)網(wǎng)絡(luò)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(xué)基金面上項(xiàng)目“面向下一代無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(lǐng)銜研究團(tuán)隊(duì)致力于以用戶節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，結(jié)合5G及未來移動通信網(wǎng)絡(luò)中引入的MaMIMO、NOMA等新技術(shù)，探討合作干擾器的選擇及干擾模型及策略設(shè)計、干擾功率、時隙等參數(shù)的優(yōu)化等問題。

在這項(xiàng)為期4年的項(xiàng)目研究中，他們區(qū)別于以往的技術(shù)方案，從未知竊聽者CSI、節(jié)點(diǎn)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(jìn)行新的策略設(shè)計。以網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)、干擾器屬性及行為特征為例，霍炎進(jìn)行了細(xì)化的解析，他指出以往網(wǎng)絡(luò)中的合法節(jié)點(diǎn)、合作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、合作干擾器可能根據(jù)自身狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)中的地位，出現(xiàn)保留自身能量或搶占網(wǎng)絡(luò)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?yàn)檫@些行為，導(dǎo)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(diǎn)自身屬性變化分析網(wǎng)絡(luò)的安全性能，并有針對性地選擇可信節(jié)點(diǎn)實(shí)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(xiàng)目研究的一大重點(diǎn)?！拔覀儠鶕?jù)網(wǎng)絡(luò)中存在的各個節(jié)點(diǎn)的屬性，在定義信任度數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上，分析它們對于數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)挠绊懀⒃诖嘶A(chǔ)上設(shè)計相應(yīng)的安全策略，實(shí)現(xiàn)具有動態(tài)節(jié)點(diǎn)屬性網(wǎng)絡(luò)的物理層安全傳輸?！?/p>

瞄準(zhǔn)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(dāng)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(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的成功立項(xiàng)，則是他面向國家通信技術(shù)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(shù)創(chuàng)新日新月異，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)創(chuàng)新和驅(qū)動轉(zhuǎn)型的先導(dǎo)力量?！碧貏e是井噴式的移動數(shù)據(jù)流量增長、海量的設(shè)備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)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(luò)空間安全與隱私日益復(fù)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(shè)備甚至非電子設(shè)備，它們都具備數(shù)據(jù)ID，能夠進(jìn)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(shù)配合，包括接入、資源分配和調(diào)度等?！被粞渍f道。

通過開展本科科研訓(xùn)練使大二、大三學(xué)生提前介入科學(xué)前沿。

為了便于項(xiàng)目工作的快速推動，霍炎帶領(lǐng)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(jìn)行了深入調(diào)研，仔細(xì)考察了當(dāng)前國內(nèi)外后5G研究的發(fā)展情況。“通過調(diào)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(guān)研究，面向分布式計算的任務(wù)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??！被粞妆硎?，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(shè)計實(shí)時性好、復(fù)雜度低、準(zhǔn)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(shè)備，其終端節(jié)點(diǎn)需要協(xié)同工作，配合多任務(wù)調(diào)度與卸載，為此如何實(shí)現(xiàn)面向智慧物聯(lián)進(jìn)行系統(tǒng)的、安全的任務(wù)分配與協(xié)同計算，也是一項(xiàng)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(luò)必定是分組通信的模式。”基于這一點(diǎn)考慮，霍炎所在課題組擬將物理層與網(wǎng)絡(luò)層分組標(biāo)識相結(jié)合，探討干擾各個標(biāo)識位對系統(tǒng)安全性能的影響，設(shè)計間歇性友好干擾策略，結(jié)合后5G的新技術(shù)實(shí)現(xiàn)干擾功率的高效利用，并最終實(shí)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(rèn)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(yīng)用創(chuàng)新兩大類?！袄碚搫?chuàng)新更側(cè)重思考，例如，研究人員需要考慮從哪個角度、要把怎樣的實(shí)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(yīng)用創(chuàng)新更加講求實(shí)際，比如物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)要針對具體的案例給出相應(yīng)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?！?/p>

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(diǎn)他早在學(xué)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(xiàng)目也好，最根本的一點(diǎn)是尋求或調(diào)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(xiàn)和實(shí)際形勢提煉?！?/p>

從理論和工程層面來說，霍炎表示，工程項(xiàng)目由于有嚴(yán)格的時間限制，更為注重實(shí)際效益，運(yùn)用較多的工程思維，可以依據(jù)問題靠傳統(tǒng)技術(shù)的翻新解決。理論研究問題則對創(chuàng)新相對嚴(yán)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?yīng)該重視，但大家精力有限，可以選擇做工程也可以選擇鉆研理論。當(dāng)然，研究最好的結(jié)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(yīng)用上得到更好的轉(zhuǎn)化。”

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(xué)訪問期間，他就因?yàn)榈赜蚝脱芯凯h(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(xué)生獨(dú)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(dǎo)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(xué)生的問題發(fā)掘能力和獨(dú)立發(fā)展空間，霍炎對于學(xué)術(shù)型碩士研究生的培養(yǎng)，更側(cè)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(cè)重工程實(shí)踐，讓他們深入實(shí)習(xí)基地鍛煉?！叭绻潜究粕逃脑?，國家近年來強(qiáng)調(diào)‘以本為本’。實(shí)際上來講，就好比我教授的模擬電子技術(shù)等專業(yè)課，課程中較為傳統(tǒng)的三極管等已經(jīng)在實(shí)際工程中很少見到，但它是一個基礎(chǔ)性的內(nèi)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(chǔ)，要考慮怎么融合現(xiàn)有的科研項(xiàng)目，真正激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的興趣?！?/p>

人才的發(fā)展加速團(tuán)隊(duì)的進(jìn)步，對于科研隊(duì)伍，霍炎也有著明確的想法。他表示，團(tuán)隊(duì)的發(fā)展建立在隊(duì)員們的共同目標(biāo)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(shí)。在進(jìn)一步的規(guī)劃中，他立志服務(wù)時代發(fā)展，將自身的小隊(duì)伍融入行業(yè)的大隊(duì)伍，力爭讓互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無線移動通信的應(yīng)用中更智能、智慧一點(diǎn)兒。