211service.com
Signaal Intelligentie
MacArthur Fellow Dina Katabi, SM '98, PhD '03, maakt gebruik van de fysieke eigenschappen van radiogolven om de berekening efficiënter te maken. 20 oktober 2015
In 1989 deed Dina Katabi, SM '98, PhD '03, net als alle Syrische middelbare scholieren, een gestandaardiseerde test die zou bepalen voor welke studierichtingen ze in aanmerking kwam aan de universiteit. Ze eindigde als zesde in de natie.
Dat betekende dat ze op weg was naar een medische opleiding - de meest prestigieuze undergraduate plaatsing, alleen beschikbaar voor de studenten met de hoogste scores op het examen. Bovendien, zegt ze, kom ik uit een familie van allemaal dokters. Mijn vader is een dokter, de meeste van mijn tantes en ooms zijn dokters, mijn grootvader is een dokter – er zijn zoveel dokters aan beide kanten. Dus het was de weg voor mij.
Maar na een jaar studeren, waarin ze de beste van haar klas was, kreeg Katabi een openbaring. Ik besloot gewoon: 'Ik kan niet leven zonder wiskunde', zegt ze. Dus stapte ze over naar het minder prestigieuze elektrotechnische curriculum aan de Universiteit van Damascus. Dat was een groot gevecht met mijn ouders, zegt ze.
Vijfentwintig jaar later lijkt het een redelijk goede beslissing: Katabi, nu de Andrew (1956) en Erna Viterbi hoogleraar Elektrotechniek en Computerwetenschappen en lid van het Computer Science and Artificial Intelligence Lab (CSAIL), staat in de derde jaar van een MacArthur geniale beurs en net terug van de presentatie van een deel van haar nieuwe werk aan president Obama in het Witte Huis. Op haar werk gebaseerde netwerkprotocollen hebben hun weg gevonden naar commerciële producten, en haar innovatieve herinterpretatie van het probleem van radiofrequentie-interferentie verandert de manier waarop ingenieurs draadloze netwerken ontwerpen. Maar dat betekent niet dat de tegenstand van haar ouders ongegrond was. Niet alleen was geneeskunde het meest gewaardeerde beroep in Syrië, het bood daar ook veel meer werkgelegenheid en trok meer vrouwen aan.
De Syrische samenleving was destijds behoorlijk liberaal, zegt Katabi. Maar toch waren haar ouders bang dat een beroep met een laag percentage vrouwen haar leven moeilijker zou maken. Het is iets dat we zelfs in de VS op bepaalde gebieden voelen, zegt ze. Katabi schat dat slechts 10 tot 15 procent van haar klasgenoten in de elektrotechniek vrouw was.
Na haar afstuderen - opnieuw als de beste van haar klas - kwam Katabi naar de Verenigde Staten voor een graduate school, in de voetsporen van haar vader, die voor zijn medische specialisatie was gekomen. Na het behalen van een master in computerwetenschappen aan het MIT, schreef ze zich in voor het PhD-programma, onder toezicht van David Clark, een senior onderzoeker bij het Laboratory for Computer Science (dat sindsdien is gefuseerd met het Artificial Intelligence Laboratory om CSAIL te produceren) en, voor het grootste deel van de jaren tachtig de belangrijkste protocolarchitect van internet.
Het werd al snel duidelijk dat ze uitstekend werk zou gaan doen, zegt Clark. Ze had een zeer onderscheidende achtergrond, omdat ze zowel elektrotechniek als informatica had opgeleid, dus ze had een breder scala aan vaardigheden dan veel informaticastudenten, en dat stelde haar in staat een andere reeks problemen op te lossen.
Katabi's proefschrift ging over netwerkprotocollen, het expertisegebied van Clark, maar ze nam een ongebruikelijke benadering. Een centraal probleem bij netwerkbeheer is congestiecontrole - het terugdringen van transmissies wanneer ze het netwerk dreigen te verstikken. Het congestiecontrolemechanisme van het internet was dat elke computer zijn eigen transmissies moest controleren en, als er aanwijzingen voor congestie waren, eenzijdig de transmissiesnelheid moest verlagen.
Die aanpak leek in de praktijk te werken, maar had geen erg veilige theoretische basis. Katabi importeerde principes uit de regeltheorie, die het gedrag van grote dynamische systemen analyseert, in het ontwerp van netwerkprotocollen. Met behulp van deze principes konden zij en haar medewerkers niet alleen betere congestiecontrolemechanismen ontwerpen, maar ook wiskundige zekerheid bieden dat ze op grote schaal zouden werken.
Cisco, 's werelds grootste fabrikant van netwerkapparatuur, heeft sindsdien een deel van Katabi's werk op het gebied van congestiecontrole in een van zijn producten verwerkt, en 12 jaar nadat ze haar proefschrift verdedigde, won het de Test of Time-prijs van het netwerk van de Association for Computing Machinery en communicatiegroep, die onderzoek uit het verleden eert dat bijzonder invloedrijk is gebleken.
Dina Katabi en haar groep hebben gewerkt aan een nieuw apparaat voor indoornavigatie en locatietracking. Katabi's Yorkshire terriër, Mica, dient als proefpersoon in experimenten met nauwkeurige tracking met draadloze signalen. Simon Simard
Ik zou in zekere zin zeggen dat ze de standaard heeft verschoven voor wat nodig is om in deze ruimte te publiceren, zegt Clark. Nadat ze het nut van de controletheorie had aangetoond bij het begrijpen van deze algoritmen, werd het veel moeilijker om met succes een paper te publiceren zonder dat soort analyse te gebruiken.
In 2003 heeft MIT Katabi, op basis van haar proefschrift, aangenomen als junior faculteitslid. Een van haar eerste afstudeeropdrachten was Data Communication Networks, waar ze lesgaf met informatietheoreticus Muriel Médard, de Cecil H. Green hoogleraar Electrical Engineering and Computer Science.
Destijds had Médard onderzoek gedaan naar netwerkcodering, wat toen een van de meest veelbelovende nieuwe onderwerpen in de informatietheorie was. Als bij conventionele internetroutering een gegevenspakket van een computer in Boston naar een computer in Californië gaat, ziet het er bij aankomst precies hetzelfde uit als bij vertrek. Alle stukjes zitten op dezelfde plek. Elk pakket volgt ook een enkele, bepaalde route door het netwerk. Maar als een van de links langs die route dood is, gaat het pakket gewoon niet door.
Met netwerkcodering zou een bepaalde router in het netwerk in plaats daarvan de inhoud van de pakketten die het binnen een bepaald tijdvenster ontvangt, door elkaar mengen, en de gecombineerde pakketten verzenden via alle beschikbare links. Als pakketten worden opgehouden bij een overvolle router, kan de router ze gewoon laten vallen; elke ontvanger kan dan de informatie die speciaal voor hem bedoeld is extraheren door de overlap te identificeren in gehybridiseerde pakketten die via andere routes aankomen.
Médard en collega's hadden elegante wiskundige bewijzen bedacht die aantoonden dat netwerkcodering de datacapaciteit van netwerken zou moeten vergroten. Maar het was Katabi, in samenwerking met Médard, afgestudeerde studenten in Katabi's eigen groep, en onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, die de eerste praktische implementatie van netwerkcodering demonstreerden, door het uit te testen op een netwerk van wifi-routers die twee verdiepingen van MIT's bedekken. Staatscentrum. Ze ontdekten dat hun protocollen de capaciteit van het netwerk verdrievoudigden.
In 2011 richtten Katabi en Médard een bedrijf op, Code On Technologies, om hun werk op het gebied van netwerkcodering te commercialiseren. Code On is sindsdien een samenwerking aangegaan met acht andere draadloze bedrijven om te beginnen met het bouwen van de infrastructuur waarmee Wi-Fi-gebruikers kunnen profiteren van netwerkcodering, en in tests hebben ze aangetoond dat hun systeem maar liefst vijf keer zo snel is als een conventioneel wifi-netwerk.
Nadenken over hoe de elegante abstracties van netwerkcodering konden worden gerealiseerd, had Katabi's aandacht echter gevestigd op een van de fundamentele problemen van draadloze netwerken: interferentie. Als draadloze apparaten in de buurt tegelijkertijd zenden, interfereren hun signalen met elkaar en veroorzaken ze wat ingenieurs een botsing noemen. In een traditioneel draadloos netwerk zou een botsing beide signalen onverstaanbaar maken, dus technici hebben interferentie behandeld als iets dat vermeden moet worden. Katabi's onderzoek introduceerde een filosofische verschuiving in hoe interferentie wordt ervaren. Zij en haar studenten hebben niet alleen laten zien hoe ze verzonden informatie kunnen reconstrueren in het geval van botsingen, ze hebben ook interferentie kunnen gebruiken om de datasnelheden van draadloze netwerken te verhogen.
Katabi had voor haar proefschrift communicatienetwerken geanalyseerd op het niveau van de pakketten die eroverheen gingen. Haar werk met Médard ging een beetje verder dan het pakket naar het individuele deel, zegt ze. En op dat moment was het zo van, waarom stoppen bij het bit? Waarom gaan we daar niet onder en gaan we naar het signaal?
Daarna werd het gebruik van de fysieke eigenschappen van draadloze signalen om berekeningen te ondersteunen die eerder op het niveau van de bit werden uitgevoerd, een thema van Katabi's werk. Een spraakmakend voorbeeld was zigzagdecodering, dat de prijs voor beste papier won op de 2008 Sigcomm, de belangrijkste conferentie van de ACM-netwerk- en communicatiegroep. (Het laboratorium van Katabi zou drie jaar later opnieuw de prijs winnen, voor een systeem dat knoeien met draadloos toegankelijke medische implantaten zoals pacemakers en defibrillators voorkomt.)
Ik besloot gewoon: 'Ik kan niet leven zonder wiskunde.'
In hun paper over zigzag-decodering beschreven Katabi en haar studenten algoritmen die opeenvolgende botsingen van dezelfde transmissies analyseren en in een ervan een stuk signaal identificeren dat van slechts één zender afkomstig is. Dan trekken ze dat signaal af van de andere botsing, herstellen ze een deel van de transmissie van de tweede afzender, die ze aftrekken van de eerste botsing, herstellen ze een deel van de transmissie van het eerste signaal, enzovoort, heen en weer zigzaggend tussen botsingen. Hoewel het decoderingsproces complex is, konden de onderzoekers aantonen dat het bandbreedte efficiënter gebruikte dan andere oplossingen voor het botsingsprobleem.
In 2012 werd een algoritme genoemd dat Katabi heeft helpen ontwikkelen voor het berekenen van de Fourier-transformatie, die essentieel is voor een groot aantal signaalverwerkingstaken. MIT Technology Review ’s 10 baanbrekende technologieën. Dat werk was in zekere zin het omgekeerde van het proces dat haar van de theoretische abstracties van netwerkcodering naar de fysieke eigenschappen van elektromagnetische golven leidde. Een van haar studenten dacht na over het praktische probleem van het ontwarren van signalen die tegelijkertijd op verschillende frequenties worden verzonden. Als je de frequenties van tevoren weet, is het gemakkelijk om de frequenties eruit te filteren waarin je niet geïnteresseerd bent: zo werkt FM-radio. Maar wat als u de frequenties niet van tevoren weet?
Nadat Katabi en haar student een zeer efficiënt algoritme voor dit probleem hadden ontworpen, realiseerden ze zich dat hun oplossing zou kunnen helpen bij het versnellen van de berekening van de Fourier-transformatie, die een samengesteld signaal opsplitst in zijn samenstellende frequenties. Oorspronkelijk ontworpen voor de analyse van warmteoverdracht, wordt de Fourier-transformatie veel gebruikt, niet alleen bij signaalverwerking, maar ook bij gegevenscompressie, financiële analyse en het oplossen van differentiaalvergelijkingen.
In samenwerking met Piotr Indyk, een andere MIT-computerwetenschapper, ontwikkelde Katabi een algoritme dat voor het eerst sinds de jaren zestig de snelheid verhoogt waarmee de Fourier-transformatie kan worden berekend. Het algoritme werkt alleen in een specifiek aantal gevallen, maar in die gevallen kan de versnelling dramatisch zijn - tot tien keer zo hoog. Naast het snel comprimeren van terabytes aan gegevens, zegt Katabi, zal het algoritme waarschijnlijk nuttig zijn voor geavanceerde MRI-technologie, grafische afbeeldingen, astronomie, spectroscopie en methoden voor het bestuderen van eiwitstructuur met nucleaire magnetische resonantie.
De afgelopen jaren heeft Katabi de medische toepassingen van draadloze technologieën onderzocht. Haar bekroonde systeem voor de bescherming van draadloze medische implantaten omvat een tweede draadloos apparaat, een schild genaamd, dat in principe als horloge of hanger kan worden gedragen. Het schild blokkeert ongeautoriseerde pogingen om toegang te krijgen tot het implantaat, maar geeft transmissies door die de juiste cryptografische sleutel gebruiken. In een noodgeval kan een medische professional het schild eenvoudig verwijderen om nieuwe instructies naar het implantaat te sturen.
Katabi en haar studenten hebben ook een nieuw gebruik van radiogolven met wifi-frequentie onderzocht: beeldvorming. In hun eerste resultaten toonden ze aan dat ze zelfs door vaste objecten beweging konden detecteren. Maar recentelijk hebben ze aangetoond dat geavanceerde verwerking van ultralaagvermogen radiosignalen menselijke ademhalingsfrequenties en zelfs hartslagen kan meten vanaf tientallen meters afstand.
De onderzoekers richtten een bedrijf op, Emerald genaamd, om medische toepassingen van de technologie te ontwikkelen, zoals het op afstand monitoren van vitale functies om het begin van ziekte bij ouderen te detecteren. Het product van Emerald kan zorgverleners ook waarschuwen als een patiënt valt. In augustus 2015 werden Katabi en de rest van het Emerald-team uitgenodigd in het Oval Office om het systeem aan president Obama te demonstreren.
De mogelijke medische toepassingen van haar nieuwste werk geven Katabi het gevoel dat de cirkel rond is in haar eerste jaar op de universiteit in Damascus. Ze is echter niet meer in Syrië geweest sinds het uitbreken van de burgeroorlog. Haar ouders hebben Amerikaanse paspoorten en kunnen elk moment vertrekken. Maar dat zullen ze niet.
Ik bel ze en ze zullen zeggen: 'O, maak je geen zorgen - nu is het heel normaal, er zijn alleen explosies 's nachts, maar meestal is de dag prima', zegt ze. Waar heb je het over? Dat is normaal? Ik maak me de hele tijd zorgen om hen. Maar hun vrienden zijn er nog steeds. Hun leven is daar.
Hoewel Katabi haar ouders niet meer zo vaak ziet als vroeger, zijn er aspecten van hun persoonlijkheden die ze onontkoombaar vindt. Ik denk dat ik het slechtste van mijn moeder en mijn vader heb - de dingen die ik gewoon in hen haatte, zegt ze. Ik heb het ongeduld van mijn moeder, en ik ben erg vurig, en wat ik wil, wil ik.
En van haar vader? Ik heb van hem gehoord dat ik een workaholic ben, zegt ze. Ik vind dat niet erg, maar mensen om me heen misschien wel.