211service.com
Signālu izlūkošana
MacArthur stipendiāte Dina Katabi, SM '98, PhD '03, izmanto radioviļņu fizikālās īpašības, lai padarītu aprēķinus efektīvākus. 2015. gada 20. oktobris
1989. gadā Dina Katabi, SM ’98, PhD '03, tāpat kā visi Sīrijas vidusskolas vecāko klašu skolēni, kārtoja standartizētu testu, kas noteica, uz kuriem studiju kursiem viņa ir tiesīga universitātē. Viņa ierindojās sestajā vietā valstī.
Tas nozīmēja, ka viņai bija jāsaņem medicīniskā apmācība — prestižākā bakalaura prakse, kas bija pieejama tikai studentiem ar augstākajiem eksāmena rezultātiem. Turklāt viņa saka, ka esmu no ģimenes, kurā visi ir ārsti. Mans tēvs ir ārsts, lielākā daļa manu tantu un onkuļu ir ārsti, mans vectēvs ir ārsts — abās pusēs ir tik daudz ārstu. Tātad tas bija ceļš man.
Bet pēc mācību gada, kura laikā viņa bija savā klasē, Katabi piemeklēja epifānija. Es tikko nolēmu: 'Es nevaru dzīvot bez matemātikas,' viņa saka. Tāpēc viņa pārgāja uz mazāk prestižo elektrotehnikas mācību programmu Damaskas Universitātē. Tā bija liela cīņa ar maniem vecākiem, viņa saka.
Divdesmit piecus gadus vēlāk tas izskatās kā diezgan labs lēmums: Katabi, tagad Endrjū (1956) un Erna Viterbi elektrotehnikas un datorzinātņu profesore un Datorzinātnes un mākslīgā intelekta laboratorijas (CSAIL) locekle. Trešais gads MacArthur ģēnija stipendijā un tikko atgriezās pēc dažu savu jauno darbu prezentācijas prezidentam Obamam Baltajā namā. Tīkla protokoli, kuru pamatā ir viņas darbs, ir nonākuši komerciālos produktos, un viņas novatoriskā radiofrekvenču traucējumu problēmas atkārtotā interpretācija maina veidu, kā inženieri izstrādā bezvadu tīklus. Bet tas nenozīmē, ka viņas vecāku iebildumi bija nepamatoti. Sīrijā medicīna bija ne tikai visaugstāk novērtētā profesija, bet arī piedāvāja daudz vairāk darba iespēju un piesaistīja lielāku skaitu sieviešu.
Sīrijas sabiedrība tajā laikā bija diezgan liberāla, saka Katabi. Bet pat tad, viņas vecāki uztraucās, ka došanās uz profesiju, kurā ir zems sieviešu īpatsvars, padarīs viņas dzīvi grūtāku. Viņa saka, ka tas ir kaut kas tāds, ko mēs jūtam pat ASV noteiktās jomās. Katabi lēš, ka tikai 10 līdz 15 procenti viņas klasesbiedru elektrotehnikā bija sievietes.
Pēc absolvēšanas — atkal savas klases augšgalā — Katabi ieradās Amerikas Savienotajās Valstīs, lai absolvētu skolu, sekojot sava tēva pēdās, kurš bija ieradies, lai iegūtu medicīnas specializāciju. Ieguvusi maģistra grādu datorzinātnēs MIT, viņa iestājās doktorantūras programmā Datorzinātņu laboratorijas vecākā pētnieka Deivida Klārka uzraudzībā (kas kopš tā laika ir apvienojusies ar Mākslīgā intelekta laboratoriju, lai ražotu CSAIL) un lielāko daļu 1980. gadu interneta galvenais protokola arhitekts.
Ļoti ātri kļuva skaidrs, ka viņa gatavojas paveikt kādu izcilu darbu, saka Klārks. Viņai bija ļoti atšķirīga pieredze, jo viņai bija gan elektrotehnikā, gan datorzinātnēs, tāpēc viņai bija plašāks prasmju klāsts nekā daudziem datorzinātņu studentiem, un tas ļāva viņai risināt dažādas problēmas.
Katabi disertācija bija par tīkla protokoliem, Klārka kompetences jomu, taču viņa izvēlējās neparastu pieeju. Galvenā tīkla pārvaldības problēma ir pārslodzes kontrole — pārsūtīšanas bremzēšana, ja tie draud aizslāpēt tīklu. Interneta pārslodzes kontroles mehānisms bija paredzēts, lai katrs dators uzraudzītu savu pārraidi un, ja tas atklāja pārslodzes pazīmes, vienpusēji samazinātu pārraides ātrumu.
Šķita, ka šī pieeja darbojās praksē, taču tai nebija ļoti droša teorētiskā pamata. Katabi tīkla protokola izstrādē importēja principus no vadības teorijas, kas analizē lielu dinamisku sistēmu uzvedību. Izmantojot šos principus, viņa un viņas līdzstrādnieki varēja ne tikai izstrādāt labākus sastrēgumu kontroles mehānismus, bet arī nodrošināt matemātisku pārliecību, ka tie darbosies plašā mērogā.
Cisco, pasaulē lielākais tīkla iekārtu ražotājs, kopš tā laika ir iekļāvis Katabi darbu pie pārslodzes kontroles vienā no saviem produktiem, un 12 gadus pēc viņa disertācijas aizstāvēšanas tas ieguva Computing Machinery asociācijas tīkla balvu Test of Time. komunikācijas grupa, kas godina pagātnes pētījumus, kas izrādījušies īpaši ietekmīgi.
Dina Katabi un viņas grupa strādā pie jaunas ierīces iekštelpu navigācijai un atrašanās vietas izsekošanai. Katabi Jorkšīras terjers Vizla kalpo kā subjekts eksperimentos ar precīzu izsekošanu ar bezvadu signāliem. Simons Simards
Es teiktu, ka savā ziņā viņa mainīja standartu tam, kas nepieciešams, lai publicētu šajā vietā, saka Klārks. Pēc tam, kad viņa demonstrēja kontroles teorijas lietderību šo algoritmu izpratnē, kļuva daudz grūtāk veiksmīgi publicēt rakstu, neizmantojot šāda veida analīzi.
2003. gadā, pamatojoties uz viņas disertāciju, MIT iecēla Katabi par jaunāko mācībspēku. Viens no viņas pirmajiem absolventu pedagoģiskajiem uzdevumiem bija datu komunikācijas tīkli, ko viņa mācīja kopā ar informācijas teorētiķi Murielu Mēdardu, Sesilu H. Grīnu, elektrotehnikas un datorzinātņu profesoru.
Tajā laikā Médard pētīja tīkla kodēšanu, kas tolaik bija viena no daudzsološākajām jaunajām tēmām informācijas teorijā. Izmantojot parasto interneta maršrutēšanu, ja datu pakete tiek pārvietota no datora Bostonā uz datoru Kalifornijā, ierašanās brīdī tā izskatās tieši tāda pati kā izbraukšanas brīdī. Visi biti atrodas tajā pašā vietā. Katra pakete arī seko vienam noteiktam maršrutam caur tīklu. Bet, ja viena no saitēm šajā maršrutā ir mirusi, pakete vienkārši netiks cauri.
Izmantojot tīkla kodēšanu, konkrētais maršrutētājs tīklā tā vietā sajauc kopā saņemto pakešu saturu noteiktā laika periodā, nosūtot apvienotās paketes pa visām tam pieejamajām saitēm. Ja paketes tiek aizturētas pie pārslogota maršrutētāja, maršrutētājs tās var vienkārši nomest; katrs adresāts pēc tam var iegūt tieši viņam paredzēto informāciju, identificējot pārklāšanos hibridizētajās paketēs, kas nonāk pa citiem maršrutiem.
Médard un kolēģi bija izstrādājuši elegantus matemātiskos pierādījumus, kas apliecina, ka tīkla kodēšanai jāpalielina tīklu datu ietilpība. Bet Katabi, strādājot ar Médard, pašas Katabi grupas absolventiem un Kembridžas universitātes pētniekiem, demonstrēja pirmo praktisko tīkla kodēšanas ieviešanu, izmēģinot to Wi-Fi maršrutētāju tīklā, kas pārklāj divus MIT stāvus. Valsts centrs. Viņi atklāja, ka viņu protokoli palielināja tīkla jaudu trīs reizes.
2011. gadā Katabi un Médard nodibināja uzņēmumu Code On Technologies, lai komercializētu savu darbu tīkla kodēšanas jomā. Kopš tā laika Code On ir sadarbojies ar astoņiem citiem bezvadu uzņēmumiem, lai sāktu veidot infrastruktūru, kas ļaus Wi-Fi lietotājiem izmantot tīkla kodēšanas priekšrocības, un testos viņi ir parādījuši, ka viņu sistēma ir pat piecas reizes ātrāka nekā parastais Wi-Fi tīkls.
Domājot par to, kā realizēt elegantās tīkla kodēšanas abstrakcijas, Katabi pievērsa uzmanību vienai no bezvadu tīklu pamatproblēmām: traucējumiem. Ja tuvumā esošās bezvadu ierīces pārraida vienlaikus, to signāli traucē viens otru, radot to, ko inženieri sauc par sadursmi. Tradicionālā bezvadu tīklā sadursme padarītu abus signālus nesaprotamus, tāpēc inženieri uzskatīja, ka traucējumi ir kaut kas tāds, no kā jāizvairās. Katabi pētījums ieviesa filozofiskas pārmaiņas tajā, kā tiek uztverta iejaukšanās. Viņa un viņas skolēni ir ne tikai parādījuši, kā rekonstruēt pārraidīto informāciju sadursmju gadījumā, bet arī spējuši izmantot traucējumus, lai palielinātu bezvadu tīklu datu pārraides ātrumu.
Savā disertācijā Katabi bija analizējusi sakaru tīklus pa tiem ceļojošo pakešu līmenī. Viņa saka, ka viņas darbs ar Médard pāriet no paketes uz atsevišķu bitu. Un tajā brīdī bija tā, kāpēc apstāties pie mazliet? Kāpēc mēs nepaejam zem tā un neejam uz signālu?
Pēc tam par Katabi darba tēmu kļuva bezvadu signālu fizisko īpašību izmantošana, lai veicinātu aprēķinus, kas iepriekš veikti bitu līmenī. Viens no plaši pazīstamiem piemēriem bija zigzaga dekodēšana, kas ieguva labākā papīra balvu 2008. gada Sigcomm, ACM tīkla un sakaru grupas galvenajā konferencē. (Katabi laboratorija atkal iegūs balvu trīs gadus vēlāk par sistēmu, kas neļauj manipulēt ar bezvadu pieejamiem medicīniskiem implantiem, piemēram, elektrokardiostimulatoriem un defibrilatoriem.)
Es tikko nolēmu: 'Es nevaru dzīvot bez matemātikas.'
Savā rakstā par zigzaga dekodēšanu Katabi un viņas studenti aprakstīja algoritmus, kas analizē vienas un tās pašas pārraides secīgas sadursmes un vienā no tām identificē signāla posmu, kas nāk tikai no viena sūtītāja. Pēc tam viņi atņem šo signālu no otras sadursmes, atgūstot daļu no pārraides no otrā sūtītāja, ko viņi atņem no pirmās sadursmes, atgūstot daļu no pārraides no pirmā signāla un tā tālāk, starp sadursmēm zigzagot uz priekšu un atpakaļ. Lai gan dekodēšanas process ir sarežģīts, pētnieki varēja pierādīt, ka tas izmanto joslas platumu efektīvāk nekā citi sadursmes problēmas risinājumi.
2012. gadā algoritms, ko Katabi palīdzēja izstrādāt Furjē transformācijas aprēķināšanai, kas ir būtiska daudzu signālu apstrādes uzdevumu veikšanai, tika nosaukts par vienu no. MIT tehnoloģiju apskats 10 revolucionāras tehnoloģijas. Šis darbs savā ziņā bija apgriezts procesam, kas noveda viņu no tīkla kodēšanas teorētiskajām abstrakcijām līdz elektromagnētisko viļņu fiziskajām īpašībām. Viens no viņas studentiem apsvēra praktisku problēmu, kā atdalīt signālus, kas tiek sūtīti dažādās frekvencēs vienlaikus. Ja iepriekš zināt frekvences, ir viegli izfiltrēt tās, kuras jūs neinteresē: tā darbojas FM radio. Bet ko darīt, ja jūs iepriekš nezināt frekvences?
Pēc tam, kad Katabi un viņas audzēknis bija izstrādājuši ļoti efektīvu šīs problēmas algoritmu, viņi saprata, ka viņu risinājums varētu palīdzēt paātrināt Furjē transformācijas aprēķināšanu, kas sadala salikto signālu tā veidojošajās frekvencēs. Furjē transformācija, kas sākotnēji tika izstrādāta siltuma pārneses analīzei, tiek plaši izmantota ne tikai signālu apstrādē, bet arī datu saspiešanā, finanšu analīzē un diferenciālvienādojumu risināšanā.
Sadarbojoties ar Pjotru Indiku, citu MIT datorzinātnieku, Katabi izstrādāja algoritmu, kas pirmo reizi kopš 1960. gadiem palielina Furjē transformācijas aprēķināšanas ātrumu. Algoritms darbojas tikai noteiktos gadījumos, taču šajos gadījumos paātrinājums var būt dramatisks — līdz pat desmitkārtīgam. Katabi saka, ka papildus tam, ka ir iespējams ātri saspiest terabaitus datu, algoritms, visticamāk, būs noderīgs progresīvām MRI tehnoloģijām, grafikai, astronomijai, spektroskopijai un proteīnu struktūras izpētes metodēm ar kodolmagnētisko rezonansi.
Pēdējos gados Katabi ir pētījis bezvadu tehnoloģiju pielietojumu medicīnā. Viņas godalgotā sistēma bezvadu medicīnisko implantu aizsardzībai ietver otru bezvadu ierīci, ko sauc par vairogu, ko principā varētu nēsāt kā pulksteni vai kulonu. Vairogs aizsprosto nesankcionētus mēģinājumus piekļūt implantam, taču tas pārraida pārraides, kurās tiek izmantota atbilstošā kriptogrāfiskā atslēga. Ārkārtas gadījumā medicīnas darbinieks var vienkārši noņemt vairogu, lai nosūtītu jaunas instrukcijas implantam.
Katabi un viņas skolēni ir arī izpētījuši jaunu Wi-Fi frekvences radioviļņu pielietojumu: attēlveidošanu. Savos sākotnējos rezultātos viņi pierādīja, ka var noteikt kustību pat caur cietiem objektiem. Taču pavisam nesen viņi ir parādījuši, ka īpaši mazjaudas radiosignālu sarežģīta apstrāde var izmērīt cilvēka elpošanas ātrumu un pat sirdsdarbības ātrumu desmitiem jardu attālumā.
Pētnieki nodibināja uzņēmumu Emerald, lai izstrādātu šīs tehnoloģijas medicīniskos pielietojumus, piemēram, dzīvībai svarīgo pazīmju tālvadības uzraudzību, lai noteiktu slimības sākšanos gados vecākiem cilvēkiem. Emerald produkts var arī brīdināt aprūpētājus, ja pacients krīt. 2015. gada augustā Katabi un pārējā Emerald komanda tika uzaicināta uz Ovālo kabinetu, lai demonstrētu sistēmu prezidentam Obamam.
Viņas jaunākā darba potenciālie pielietojumi medicīnā sniedz Katabi sajūtu, ka viņa ir sasniegusi pilnu apli koledžas pirmajam gadam Damaskā. Tomēr viņa nav atgriezusies Sīrijā kopš pilsoņu kara izcelšanās. Viņas vecākiem ir ASV pases, un viņi var doties prom jebkurā laikā. Bet viņi to nedarīs.
Es viņiem piezvanīšu, un viņi teiks: 'Neuztraucieties — tagad tas ir ļoti normāli, sprādzieni notiek tikai naktīs, bet lielākoties diena ir laba,' viņa saka. Par ko tu runā? Tas ir normāli? Es visu laiku uztraucos par viņiem. Bet viņu draugi joprojām ir tur. Viņu dzīve ir tur.
Lai gan Katabi neredz savus vecākus tik daudz kā agrāk, ir viņu personības aspekti, kas viņai šķiet neizbēgami. Viņa saka, ka es domāju, ka esmu dabūjis ļaunāko no savas mammas un tēva — lietas, kuras es tajos vienkārši ienīdu. Man ir mammas nepacietība, un es esmu ļoti ugunīga, un ko es gribu, to es gribu.
Un no viņas tēva? Es no viņa sapratu, ka esmu darbaholiķe, viņa saka. Man tas nav prātā, bet apkārtējie cilvēki varētu.