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Intelligenza sui segnali
MacArthur Fellow Dina Katabi, SM '98, PhD '03, sfrutta le proprietà fisiche delle onde radio per rendere il calcolo più efficiente. 20 ottobre 2015
Nel 1989, Dina Katabi, SM '98, PhD '03, come tutti gli anziani delle scuole superiori siriane, ha sostenuto un test standardizzato che avrebbe determinato a quali corsi di studio era idonea all'università. È arrivata sesta nella nazione.
Ciò significava che era destinata a una formazione medica, il posto universitario più prestigioso, disponibile solo per gli studenti con i punteggi più alti all'esame. Inoltre, dice, vengo da una famiglia che è tutta medici. Mio padre è un medico, la maggior parte delle mie zie e dei miei zii sono medici, mio nonno è un medico, ci sono così tanti medici da entrambe le parti. Quindi era il percorso per me.
Ma dopo un anno di studio, durante il quale era la prima della classe, Katabi ha avuto un'illuminazione. Ho appena deciso: 'Non posso vivere senza la matematica', dice. Così si è trasferita nel meno prestigioso curriculum di ingegneria elettrica presso l'Università di Damasco. È stata una grande lotta con i miei genitori, dice.
Venticinque anni dopo, sembra una decisione abbastanza buona: Katabi, ora Andrew (1956) ed Erna Viterbi Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica e membro del Computer Science and Artificial Intelligence Lab (CSAIL), è nel terzo anno di una borsa di studio per il genio di MacArthur e sono appena tornato dalla presentazione di alcuni dei suoi nuovi lavori al presidente Obama alla Casa Bianca. I protocolli di rete basati sul suo lavoro hanno trovato la loro strada nei prodotti commerciali e la sua reinterpretazione innovativa del problema dell'interferenza delle radiofrequenze sta cambiando il modo in cui gli ingegneri progettano le reti wireless. Ma ciò non significa che l'opposizione dei suoi genitori fosse infondata. Non solo la medicina era la professione più apprezzata in Siria, ma offriva anche molte più opportunità di lavoro e attirava un numero maggiore di donne.
La società siriana all'epoca era piuttosto liberale, dice Katabi. Ma anche così, i suoi genitori temevano che intraprendere una professione con una bassa percentuale di donne le avrebbe reso la vita più difficile. È qualcosa che anche negli Stati Uniti sentiamo in determinati campi, dice. Katabi stima che solo dal 10 al 15 percento dei suoi compagni di classe in ingegneria elettrica fossero donne.
Dopo essersi diplomata, ancora una volta tra le prime della sua classe, Katabi è arrivata negli Stati Uniti per la scuola di specializzazione, seguendo le orme di suo padre, che era venuto per la sua specializzazione in medicina. Dopo aver conseguito un master in informatica al MIT, si iscrive al dottorato, sotto la supervisione di David Clark, ricercatore senior presso il Laboratory for Computer Science (che da allora si è fuso con l'Artificial Intelligence Laboratory per produrre CSAIL) e, per la maggior parte degli anni '80, il principale architetto di protocolli di Internet.
È diventato chiaro molto rapidamente che avrebbe svolto un lavoro eccezionale, dice Clark. Ha avuto un background molto particolare, perché aveva una formazione sia in ingegneria elettrica che in informatica, quindi aveva una gamma di abilità più ampia rispetto a molti studenti di informatica e questo le ha permesso di affrontare una serie diversa di problemi.
La dissertazione di Katabi riguardava i protocolli di rete, l'area di competenza di Clark, ma ha adottato un approccio insolito. Un problema centrale nella gestione della rete è il controllo della congestione, ovvero la limitazione delle trasmissioni quando minacciano di soffocare la rete. Il meccanismo di controllo della congestione di Internet prevedeva che ciascun computer monitorasse le proprie trasmissioni e, se rilevava prove di congestione, riducesse unilateralmente la propria velocità di trasmissione.
Questo approccio sembrava funzionare nella pratica, ma non aveva una base teorica molto sicura. Katabi ha importato i principi della teoria del controllo, che analizza il comportamento di grandi sistemi dinamici, nella progettazione del protocollo di rete. Utilizzando questi principi, lei e i suoi collaboratori potrebbero non solo progettare migliori meccanismi di controllo della congestione, ma anche fornire la certezza matematica che funzionerebbero su larga scala.
Cisco, il più grande produttore mondiale di apparecchiature di rete, da allora ha incorporato parte del lavoro di Katabi sul controllo della congestione in uno dei suoi prodotti e, 12 anni dopo aver discusso la sua tesi, ha vinto il premio Test of Time dalla rete dell'Association for Computing Machinery e gruppo di comunicazione, che onora la ricerca passata che si è rivelata particolarmente influente.
Dina Katabi e il suo gruppo hanno lavorato a un nuovo dispositivo per la navigazione interna e il rilevamento della posizione. Lo Yorkshire terrier di Katabi, Mica, è il soggetto di esperimenti sul tracciamento accurato con segnali wireless. Simone Simard
Direi che in un certo senso ha cambiato lo standard per ciò che serve per pubblicare in questo spazio, dice Clark. Dopo aver dimostrato l'utilità della teoria del controllo nella comprensione di questi algoritmi, è diventato molto più difficile pubblicare con successo un articolo senza utilizzare quel tipo di analisi.
Nel 2003, sulla base della sua dissertazione, il MIT ha assunto Katabi come membro di facoltà junior. Uno dei suoi primi incarichi di insegnamento universitario è stato Reti di comunicazione dati, che ha insegnato con il teorico dell'informazione Muriel Médard, professore di ingegneria elettrica e informatica Cecil H. Green.
A quel tempo, Médard stava studiando la codifica di rete, che allora era uno dei nuovi argomenti più promettenti nella teoria dell'informazione. Con l'instradamento Internet convenzionale, se un pacchetto di dati viaggia da un computer a Boston a un computer in California, all'arrivo sembra esattamente lo stesso che era alla partenza. Tutti i bit sono nello stesso posto. Ogni pacchetto segue anche un unico, determinato percorso attraverso la rete. Ma se uno dei collegamenti lungo quel percorso è morto, il pacchetto semplicemente non passerà.
Con la codifica di rete, un determinato router nella rete mescolerebbe invece il contenuto dei pacchetti che riceve entro un determinato intervallo di tempo, inviando i pacchetti combinati su tutti i collegamenti disponibili. Se i pacchetti vengono bloccati su un router congestionato, il router può semplicemente eliminarli; ogni destinatario può quindi estrarre le informazioni a lui destinate individuando la sovrapposizione in pacchetti ibridi che arrivano su altre rotte.
Médard e colleghi avevano escogitato prove matematiche eleganti che stabilivano che la codifica di rete dovrebbe aumentare la capacità di dati delle reti. Ma è stato Katabi, in collaborazione con Médard, studenti laureati nel gruppo di Katabi e ricercatori dell'Università di Cambridge, a dimostrare la prima implementazione pratica della codifica di rete, testandola su una rete di router Wi-Fi che copre due piani del MIT Centro di Stato. Hanno scoperto che i loro protocolli hanno triplicato la capacità della rete.
Nel 2011, Katabi e Médard hanno fondato una società, Code On Technologies, per commercializzare il loro lavoro sulla codifica di rete. Da allora Code On ha collaborato con altre otto società wireless per iniziare a costruire l'infrastruttura che consentirà agli utenti Wi-Fi di sfruttare la codifica di rete e, nei test, hanno dimostrato che il loro sistema è fino a cinque volte più veloce di un rete Wi-Fi convenzionale.
Pensare a come realizzare le eleganti astrazioni della codifica di rete, tuttavia, aveva attirato l'attenzione di Katabi su uno dei problemi fondamentali delle reti wireless: l'interferenza. Se i dispositivi wireless nelle vicinanze trasmettono contemporaneamente, i loro segnali interferiscono tra loro, producendo quella che gli ingegneri chiamano una collisione. In una rete wireless tradizionale, una collisione renderebbe incomprensibili entrambi i segnali, quindi gli ingegneri hanno considerato l'interferenza come qualcosa da evitare. La ricerca di Katabi ha introdotto un cambiamento filosofico nel modo in cui viene percepita l'interferenza. Non solo lei e i suoi studenti hanno mostrato come ricostruire le informazioni trasmesse in presenza di collisioni, ma sono anche stati in grado di sfruttare le interferenze per aumentare la velocità dei dati delle reti wireless.
Per la sua tesi, Katabi aveva analizzato le reti di comunicazione a livello dei pacchetti che le attraversavano. Il suo lavoro con Médard è stato come andare oltre il pacchetto per il singolo bit, dice. E a quel punto, era come, perché fermarsi al bit? Perché non andiamo al di sotto e andiamo al segnale?
Successivamente, l'utilizzo delle proprietà fisiche dei segnali wireless per favorire i calcoli precedentemente eseguiti a livello di bit è diventato un tema del lavoro di Katabi. Un esempio di alto profilo è stata la decodifica a zigzag, che ha vinto il premio come miglior carta al Sigcomm 2008, la conferenza principale del gruppo di comunicazione e rete ACM. (Il laboratorio di Katabi vincerà di nuovo il premio tre anni dopo, per un sistema che impedisce la manomissione di impianti medici accessibili in modalità wireless come pacemaker e defibrillatori.)
Ho appena deciso: 'Non posso vivere senza la matematica'.
Nel loro articolo sulla decodifica a zigzag, Katabi ei suoi studenti hanno descritto algoritmi che analizzano le collisioni successive delle stesse trasmissioni e identificano, in una di esse, un tratto di segnale che proviene da un solo mittente. Quindi sottraggono quel segnale dall'altra collisione, recuperando parte della trasmissione dal secondo mittente, che sottraggono dalla prima collisione, recuperando parte della trasmissione dal primo segnale, e così via, zigzagando avanti e indietro tra le collisioni. Sebbene il processo di decodifica sia complesso, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che utilizzava la larghezza di banda in modo più efficiente rispetto ad altre soluzioni al problema della collisione.
Nel 2012, un algoritmo che Katabi ha aiutato a sviluppare per calcolare la trasformata di Fourier, che è essenziale per una serie di attività di elaborazione del segnale, è stato nominato uno dei Revisione della tecnologia del MIT le 10 tecnologie rivoluzionarie di Quel lavoro è stato, in un certo senso, l'inverso del processo che l'ha condotta dalle astrazioni teoriche della codifica di rete alle proprietà fisiche delle onde elettromagnetiche. Uno dei suoi studenti stava considerando il problema pratico di come districare i segnali inviati a frequenze diverse contemporaneamente. Se conosci le frequenze in anticipo, è facile filtrare quelle che non ti interessano: è così che funziona la radio FM. Ma cosa succede se non si conoscono le frequenze in anticipo?
Dopo che Katabi e il suo studente hanno progettato un algoritmo altamente efficiente per questo problema, si sono resi conto che la loro soluzione poteva aiutare ad accelerare il calcolo della trasformata di Fourier, che rompe un segnale composito nelle sue frequenze costituenti. Originariamente concepita per l'analisi del trasferimento di calore, la trasformata di Fourier è ampiamente utilizzata non solo nell'elaborazione del segnale ma nella compressione dei dati, nell'analisi finanziaria e nella soluzione di equazioni differenziali.
Lavorando con Piotr Indyk, un altro informatico del MIT, Katabi ha sviluppato un algoritmo che, per la prima volta dagli anni '60, aumenta la velocità con cui è possibile calcolare la trasformata di Fourier. L'algoritmo funziona solo in un intervallo specifico di casi, ma in questi casi l'accelerazione può essere drammatica, fino a dieci volte. Oltre a consentire di comprimere rapidamente terabyte di dati, afferma Katabi, è probabile che l'algoritmo sia utile per la tecnologia avanzata di risonanza magnetica, la grafica, l'astronomia, la spettroscopia e i metodi per studiare la struttura delle proteine con la risonanza magnetica nucleare.
Negli ultimi anni, Katabi ha esplorato le applicazioni mediche delle tecnologie wireless. Il suo pluripremiato sistema per la protezione degli impianti medici wireless prevede un secondo dispositivo wireless, chiamato scudo, che potrebbe, in linea di principio, essere indossato come un orologio o un ciondolo. Lo scudo blocca i tentativi non autorizzati di accesso all'impianto, ma trasmette le trasmissioni che utilizzano la chiave crittografica appropriata. In caso di emergenza, un medico potrebbe semplicemente rimuovere lo scudo per inviare nuove istruzioni all'impianto.
Katabi e i suoi studenti hanno anche esplorato un nuovo uso delle onde radio a frequenza Wi-Fi: l'imaging. Nei loro risultati iniziali, hanno dimostrato di poter rilevare il movimento anche attraverso oggetti solidi. Ma più recentemente, hanno dimostrato che l'elaborazione sofisticata di segnali radio a bassissima potenza può misurare la frequenza respiratoria umana e persino la frequenza cardiaca a decine di metri di distanza.
I ricercatori hanno fondato una società, chiamata Emerald, per sviluppare applicazioni mediche della tecnologia, come il monitoraggio remoto dei segni vitali per rilevare l'insorgenza di malattie negli anziani. Il prodotto Emerald può anche avvisare gli operatori sanitari se un paziente cade. Nell'agosto 2015, Katabi e il resto del team Emerald sono stati invitati allo Studio Ovale per dimostrare il sistema al presidente Obama.
Le potenziali applicazioni mediche del suo ultimo lavoro danno a Katabi la sensazione di aver chiuso il cerchio al suo primo anno di college a Damasco. Tuttavia, non è tornata in Siria da quando è scoppiata la guerra civile. I suoi genitori hanno passaporti statunitensi e potrebbero andarsene in qualsiasi momento. Ma non lo faranno.
Li chiamerò e loro diranno: 'Oh, non preoccuparti, ora è molto normale, ci sono solo esplosioni di notte, ma soprattutto di giorno va bene', dice. Di cosa stai parlando? È normale? Mi preoccupo per loro tutto il tempo. Ma i loro amici sono ancora lì. La loro vita è lì.
Sebbene Katabi non veda i suoi genitori come una volta, ci sono aspetti della loro personalità che trova inevitabili. Penso di aver avuto la peggio di mia madre e mio padre, le cose che odiavo in loro, dice. Ho l'impazienza di mia madre, sono molto focosa e quello che voglio, lo voglio.
E da suo padre? Ho capito da lui che sono una maniaca del lavoro, dice. Non mi dispiace, ma le persone intorno a me potrebbero.