Signalintelligenz

MacArthur Fellow Dina Katabi, SM ’98, PhD ’03, nutzt die physikalischen Eigenschaften von Radiowellen, um die Berechnung effizienter zu machen. Durch

• Larry Hardesty Archivseite

20. Oktober 2015

1989 legte Dina Katabi, SM ’98, PhD ’03, wie alle syrischen Abiturienten, einen standardisierten Test ab, der feststellte, für welche Studiengänge sie an der Universität zugelassen war. Sie wurde Sechste in der Nation.

Das bedeutete, dass sie für eine medizinische Ausbildung bestimmt war – die prestigeträchtigste Stelle im Grundstudium, die nur den Studenten mit den höchsten Punktzahlen bei der Prüfung zur Verfügung stand. Außerdem, sagt sie, komme ich aus einer Familie, die nur aus Ärzten besteht. Mein Vater ist Arzt, die meisten meiner Tanten und Onkel sind Ärzte, mein Großvater ist Arzt – es gibt so viele Ärzte auf beiden Seiten. Das war also der Weg für mich.

Doch nach einem Studienjahr, in dem sie Klassenbeste war, hatte Katabi eine Erleuchtung. Ich habe einfach entschieden: „Ich kann ohne Mathe nicht leben“, sagt sie. Also wechselte sie in den weniger prestigeträchtigen Studiengang Elektrotechnik an der Universität Damaskus. Das war ein großer Streit mit meinen Eltern, sagt sie.

Fünfundzwanzig Jahre später sieht es nach einer ziemlich guten Entscheidung aus: Katabi, jetzt Andrew (1956) und Erna Viterbi Professor für Elektrotechnik und Informatik und Mitglied des Computer Science and Artificial Intelligence Lab (CSAIL), ist in der drittes Jahr eines MacArthur-Genie-Stipendiums und gerade zurück von der Präsentation einiger ihrer neuen Arbeiten vor Präsident Obama im Weißen Haus. Auf ihrer Arbeit basierende Netzwerkprotokolle haben ihren Weg in kommerzielle Produkte gefunden, und ihre innovative Neuinterpretation des Problems der Hochfrequenzstörungen verändert die Art und Weise, wie Ingenieure drahtlose Netzwerke entwerfen. Das heißt aber nicht, dass der Widerstand ihrer Eltern unbegründet war. Die Medizin war nicht nur der angesehenere Beruf in Syrien, sondern bot dort auch viel mehr Beschäftigungsmöglichkeiten und zog mehr Frauen an.

Die syrische Gesellschaft sei damals ziemlich liberal gewesen, sagt Katabi. Trotzdem befürchteten ihre Eltern, dass der Einstieg in einen Beruf mit einem geringen Frauenanteil ihr Leben erschweren würde. Es ist etwas, das wir sogar in den USA in bestimmten Bereichen spüren, sagt sie. Katabi schätzt, dass nur 10 bis 15 Prozent ihrer Mitschüler in Elektrotechnik Frauen waren.

Nach ihrem Abschluss – wieder als Klassenbeste – kam Katabi für die Graduiertenschule in die Vereinigten Staaten und trat in die Fußstapfen ihres Vaters, der wegen seiner medizinischen Spezialisierung gekommen war. Nachdem sie einen Master in Informatik am MIT erworben hatte, schrieb sie sich für das PhD-Programm unter der Leitung von David Clark ein, einem leitenden Forschungswissenschaftler am Laboratory for Computer Science (das inzwischen mit dem Artificial Intelligence Laboratory fusioniert ist, um CSAIL zu produzieren) und, für den größten Teil der 1980er Jahre der Chefprotokollarchitekt des Internets.

Es sei sehr schnell klar gewesen, dass sie hervorragende Arbeit leisten würde, sagt Clark. Sie brachte einen sehr ausgeprägten Hintergrund mit, da sie sowohl in Elektrotechnik als auch in Informatik ausgebildet war, also über ein breiteres Spektrum an Fähigkeiten verfügte als viele Informatikstudenten, und das ermöglichte ihr, sich anderen Problemstellungen zu widmen.

Katabis Dissertation befasste sich mit Netzwerkprotokollen, Clarks Fachgebiet, aber sie verfolgte einen ungewöhnlichen Ansatz. Ein zentrales Problem bei der Netzwerkverwaltung ist die Staukontrolle – das Zurückdrosseln von Übertragungen, wenn sie das Netzwerk zu ersticken drohen. Der Überlastungskontrollmechanismus des Internets bestand darin, dass jeder Computer seine eigenen Übertragungen überwachte und, wenn er Anzeichen einer Überlastung entdeckte, einseitig seine Übertragungsrate reduzierte.

Dieser Ansatz schien in der Praxis zu funktionieren, hatte aber keine sehr sichere theoretische Grundlage. Katabi importierte Prinzipien aus der Steuerungstheorie, die das Verhalten großer dynamischer Systeme analysiert, in das Design von Netzwerkprotokollen. Mithilfe dieser Prinzipien konnten sie und ihre Mitarbeiter nicht nur bessere Staukontrollmechanismen entwerfen, sondern auch mathematisch sicherstellen, dass sie in großem Maßstab funktionieren würden.

Cisco, der weltweit größte Hersteller von Netzwerkgeräten, hat seitdem einige der Arbeiten von Katabi zur Überlastungskontrolle in eines seiner Produkte integriert, und 12 Jahre nachdem sie ihre Dissertation verteidigt hatte, gewann es den Test of Time Award der Association for Computing Machinery's network and Kommunikationsgruppe, die vergangene Forschung würdigt, die sich als besonders einflussreich erwiesen hat.

Dina Katabi und ihre Gruppe haben an einem neuen Gerät für Indoor-Navigation und Standortverfolgung gearbeitet. Der Yorkshire-Terrier von Katabi, Mica, dient als Versuchsobjekt in Experimenten zur genauen Ortung mit drahtlosen Signalen. Simon Simard

Ich würde sagen, in gewisser Weise hat sie den Standard für das, was es braucht, um in diesem Bereich zu veröffentlichen, verschoben, sagt Clark. Nachdem sie die Nützlichkeit der Kontrolltheorie für das Verständnis dieser Algorithmen demonstriert hatte, wurde es viel schwieriger, eine Arbeit erfolgreich zu veröffentlichen, ohne diese Art von Analyse zu verwenden.

Im Jahr 2003 stellte das MIT Katabi aufgrund ihrer Dissertation als Junior-Fakultätsmitglied ein. Eine ihrer ersten Lehraufträge für Graduierte war Data Communication Networks, die sie zusammen mit der Informationstheoretikerin Muriel Médard, der Cecil H. Green-Professorin für Elektrotechnik und Informatik, unterrichtete.

Zu dieser Zeit hatte Médard die Netzwerkcodierung untersucht, die damals eines der vielversprechendsten neuen Themen in der Informationstheorie war. Wenn beim herkömmlichen Internet-Routing ein Datenpaket von einem Computer in Boston zu einem Computer in Kalifornien reist, sieht es bei der Ankunft genauso aus wie bei der Abreise. Alle Bits sind an der gleichen Stelle. Jedes Paket folgt außerdem einer einzelnen, festgelegten Route durch das Netzwerk. Aber wenn einer der Links entlang dieser Route tot ist, wird das Paket einfach nicht durchkommen.

Bei der Netzwerkcodierung würde ein bestimmter Router im Netzwerk stattdessen den Inhalt von Paketen, die er innerhalb eines bestimmten Zeitfensters empfängt, zusammenmischen und die kombinierten Pakete über alle ihm verfügbaren Links senden. Wenn Pakete an einem überlasteten Router aufgehalten werden, kann der Router sie einfach verwerfen; Jeder Empfänger kann dann die nur für ihn bestimmten Informationen extrahieren, indem er die Überlappung in hybridisierten Paketen identifiziert, die über andere Routen ankommen.

Médard und Kollegen hatten elegante mathematische Beweise entwickelt, die belegen, dass die Netzwerkcodierung die Datenkapazität von Netzwerken erhöhen sollte. Aber es war Katabi, der mit Médard, Doktoranden in Katabis eigener Gruppe und Forschern der University of Cambridge zusammenarbeitete, die die erste praktische Implementierung der Netzwerkcodierung demonstrierten und sie in einem Netzwerk von Wi-Fi-Routern testeten, das zwei Stockwerke des MIT bedeckte Stata-Center. Sie fanden heraus, dass ihre Protokolle die Kapazität des Netzwerks um das Dreifache erhöhten.

2011 gründeten Katabi und Médard ein Unternehmen, Code On Technologies, um ihre Arbeit zur Netzwerkcodierung zu kommerzialisieren. Code On hat sich seitdem mit acht anderen Wireless-Unternehmen zusammengetan, um mit dem Aufbau der Infrastruktur zu beginnen, die es Wi-Fi-Benutzern ermöglicht, die Vorteile der Netzwerkcodierung zu nutzen, und in Tests haben sie gezeigt, dass ihr System bis zu fünfmal so schnell ist wie ein herkömmliches Wi-Fi-Netzwerk.

Das Nachdenken darüber, wie man die eleganten Abstraktionen der Netzwerkcodierung realisieren könnte, hatte Katabis Aufmerksamkeit jedoch auf eines der grundlegenden Probleme drahtloser Netzwerke gelenkt: Interferenzen. Wenn in der Nähe befindliche drahtlose Geräte gleichzeitig senden, stören sich ihre Signale gegenseitig und erzeugen das, was Ingenieure eine Kollision nennen. In einem herkömmlichen drahtlosen Netzwerk würde eine Kollision beide Signale unverständlich machen, daher haben Ingenieure Interferenzen als etwas behandelt, das es zu vermeiden gilt. Katabis Forschung führte zu einem philosophischen Wandel in der Wahrnehmung von Interferenzen. Sie und ihre Studenten haben nicht nur gezeigt, wie übertragene Informationen bei Kollisionen rekonstruiert werden können, sondern sie konnten auch Interferenzen nutzen, um die Datenraten von drahtlosen Netzwerken zu erhöhen.

Für ihre Dissertation hatte Katabi Kommunikationsnetze auf der Ebene der darüber laufenden Pakete analysiert. Ihre Arbeit mit Médard ging irgendwie über das Paket hinaus und hin zum individuellen Teil, sagt sie. Und an diesem Punkt war es wie, warum an der Stelle aufhören? Warum gehen wir nicht darunter und zum Signal?

Danach wurde die Verwendung der physikalischen Eigenschaften drahtloser Signale zur Unterstützung von Berechnungen, die zuvor auf der Ebene des Bits durchgeführt wurden, zu einem Thema von Katabis Arbeit. Ein prominentes Beispiel war die Zickzack-Decodierung, die auf der Sigcomm 2008, der Hauptkonferenz der ACM-Netzwerk- und Kommunikationsgruppe, mit dem Best-Paper-Award ausgezeichnet wurde. (Katabis Labor würde den Preis drei Jahre später erneut für ein System gewinnen, das Manipulationen an drahtlos zugänglichen medizinischen Implantaten wie Herzschrittmachern und Defibrillatoren verhindert.)

Ich habe einfach entschieden: „Ich kann ohne Mathe nicht leben.“

In ihrer Arbeit über die Zickzack-Decodierung beschrieben Katabi und ihre Studenten Algorithmen, die aufeinanderfolgende Kollisionen derselben Übertragungen analysieren und in einer von ihnen eine Signalstrecke identifizieren, die nur von einem Sender stammt. Dann subtrahieren sie dieses Signal von der anderen Kollision, stellen einen Teil der Übertragung vom zweiten Sender wieder her, den sie von der ersten Kollision subtrahieren, stellen einen Teil der Übertragung vom ersten Signal wieder her und so weiter, wobei sie zwischen den Kollisionen im Zickzack hin und her gehen. Obwohl der Dekodierungsprozess komplex ist, konnten die Forscher zeigen, dass er die Bandbreite effizienter nutzt als andere Lösungen für das Kollisionsproblem.

Im Jahr 2012 wurde ein Algorithmus, an dessen Entwicklung Katabi mitgewirkt hat, zur Berechnung der Fourier-Transformation, die für eine Vielzahl von Signalverarbeitungsaufgaben unerlässlich ist, als einer von ihnen genannt MIT Technology Review Die 10 bahnbrechenden Technologien von . Diese Arbeit war in gewisser Weise die Umkehrung des Prozesses, der sie von den theoretischen Abstraktionen der Netzwerkcodierung zu den physikalischen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen führte. Einer ihrer Studenten beschäftigte sich mit dem praktischen Problem, wie Signale, die gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen gesendet werden, entwirrt werden können. Wenn Sie die Frequenzen im Voraus kennen, können Sie diejenigen, die Sie nicht interessieren, einfach herausfiltern: So funktioniert UKW-Radio. Was aber, wenn Sie die Frequenzen nicht im Voraus kennen?

Nachdem Katabi und ihr Student einen hocheffizienten Algorithmus für dieses Problem entwickelt hatten, erkannten sie, dass ihre Lösung dazu beitragen könnte, die Berechnung der Fourier-Transformation zu beschleunigen, die ein zusammengesetztes Signal in seine einzelnen Frequenzen zerlegt. Ursprünglich für die Analyse der Wärmeübertragung entwickelt, wird die Fourier-Transformation nicht nur in der Signalverarbeitung, sondern auch in der Datenkomprimierung, Finanzanalyse und der Lösung von Differentialgleichungen eingesetzt.

In Zusammenarbeit mit Piotr Indyk, einem weiteren MIT-Informatiker, entwickelte Katabi einen Algorithmus, der erstmals seit den 1960er Jahren die Geschwindigkeit erhöht, mit der die Fourier-Transformation berechnet werden kann. Der Algorithmus funktioniert nur in bestimmten Fällen, aber in diesen Fällen kann die Beschleunigung dramatisch sein – bis zum Zehnfachen. Der Algorithmus ermöglicht nicht nur die schnelle Komprimierung von Terabytes an Daten, sondern ist laut Katabi auch für fortschrittliche MRT-Technologie, Grafiken, Astronomie, Spektroskopie und Methoden zur Untersuchung der Proteinstruktur mit Kernspinresonanz nützlich.

In den letzten Jahren hat Katabi medizinische Anwendungen von drahtlosen Technologien erforscht. Ihr preisgekröntes System zum Schutz drahtloser medizinischer Implantate umfasst ein zweites drahtloses Gerät, das als Schild bezeichnet wird und im Prinzip als Uhr oder Anhänger getragen werden könnte. Der Schild blockiert nicht autorisierte Zugriffsversuche auf das Implantat, leitet jedoch Übertragungen weiter, die den entsprechenden kryptografischen Schlüssel verwenden. Im Notfall könnte ein Mediziner den Schild einfach entfernen, um neue Anweisungen an das Implantat zu senden.

Katabi und ihre Studenten haben auch eine neuartige Verwendung von Wi-Fi-Frequenz-Funkwellen erforscht: die Bildgebung. In ihren ersten Ergebnissen zeigten sie, dass sie sogar Bewegungen durch feste Objekte erkennen konnten. Vor kurzem haben sie jedoch gezeigt, dass eine ausgeklügelte Verarbeitung von Funksignalen mit extrem geringer Leistung die menschliche Atemfrequenz und sogar die Herzfrequenz aus Dutzenden von Metern Entfernung messen kann.

Die Forscher gründeten ein Unternehmen namens Emerald, um medizinische Anwendungen der Technologie zu entwickeln, wie z. B. die Fernüberwachung von Vitalfunktionen zur Erkennung des Ausbruchs von Krankheiten bei älteren Menschen. Das Produkt von Emerald kann auch Pflegekräfte warnen, wenn ein Patient einen Sturz erleidet. Im August 2015 wurden Katabi und der Rest des Emerald-Teams ins Oval Office eingeladen, um Präsident Obama das System vorzuführen.

Die potenziellen medizinischen Anwendungen ihrer neuesten Arbeit geben Katabi das Gefühl, als hätte sich der Kreis zu ihrem ersten Studienjahr in Damaskus geschlossen. Seit Ausbruch des Bürgerkriegs war sie jedoch nicht mehr in Syrien. Ihre Eltern haben US-Pässe und könnten jederzeit ausreisen. Aber das werden sie nicht.

Ich rufe sie an und sie sagen: ‚Oh, keine Sorge – jetzt ist es ganz normal, es gibt nur nachts Explosionen, aber meistens ist der Tag schön‘, sagt sie. Worüber redest du? Das ist normal? Ich mache mir ständig Sorgen um sie. Aber ihre Freunde sind noch da. Ihr Leben ist da.

Obwohl Katabi ihre Eltern nicht mehr so ​​oft sieht wie früher, gibt es Aspekte ihrer Persönlichkeit, die sie unausweichlich findet. Ich glaube, ich habe das Schlimmste von meiner Mutter und meinem Vater mitbekommen – die Dinge, die ich an ihnen einfach gehasst habe, sagt sie. Ich habe die Ungeduld meiner Mutter, und ich bin sehr feurig, und was ich will, will ich.

Und von ihrem Vater? Ich habe von ihm erfahren, dass ich ein Workaholic bin, sagt sie. Das stört mich nicht, aber die Leute um mich herum vielleicht.

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