Inteligencia de señal

MacArthur Fellow Dina Katabi, SM '98, PhD '03, explota las propiedades físicas de las ondas de radio para hacer que el cálculo sea más eficiente. Por

• larry hardesty página de archivo

20 de octubre de 2015

En 1989, Dina Katabi, SM '98, PhD '03, como todos los estudiantes de último año de secundaria sirios, realizó una prueba estandarizada que determinaría para qué cursos de estudio era elegible en la universidad. Terminó sexta en la nación.

Eso significaba que estaba destinada a la formación médica, la colocación de pregrado más prestigiosa, disponible solo para los estudiantes con las puntuaciones más altas en el examen. Además, dice, vengo de una familia de médicos. Mi padre es médico, la mayoría de mis tías y tíos son médicos, mi abuelo es médico, hay tantos médicos en ambos lados. Así que fue el camino para mí.

Pero después de un año de estudio, durante el cual fue la mejor de su clase, Katabi tuvo una epifanía. Simplemente decidí: 'No puedo vivir sin las matemáticas', dice ella. Así que se transfirió al plan de estudios de ingeniería eléctrica menos prestigioso de la Universidad de Damasco. Esa fue una gran pelea con mis padres, dice ella.

Veinticinco años después, parece una muy buena decisión: Katabi, ahora Andrew (1956) y Erna Viterbi Profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación y miembro del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL), está en el tercer año de una beca MacArthur para genios y acaba de regresar de presentar parte de su nuevo trabajo al presidente Obama en la Casa Blanca. Los protocolos de red basados ​​en su trabajo han llegado a productos comerciales, y su innovadora reinterpretación del problema de la interferencia de radiofrecuencia está cambiando la forma en que los ingenieros diseñan redes inalámbricas. Pero eso no significa que la oposición de sus padres fuera infundada. La medicina no solo era la profesión más apreciada en Siria, sino que también ofrecía muchas más oportunidades de empleo allí y atraía a un mayor número de mujeres.

La sociedad siria en ese momento era bastante liberal, dice Katabi. Pero aun así, a sus padres les preocupaba que dedicarse a una profesión con un bajo porcentaje de mujeres le hiciera la vida más difícil. Es algo que incluso en los EE. UU. sentimos en ciertos campos, dice ella. Katabi estima que solo del 10 al 15 por ciento de sus compañeros de clase en ingeniería eléctrica eran mujeres.

Después de graduarse, nuevamente como la mejor de su clase, Katabi vino a los Estados Unidos para realizar estudios de posgrado, siguiendo los pasos de su padre, quien había venido para especializarse en medicina. Después de obtener una maestría en ciencias de la computación en el MIT, se inscribió en el programa de doctorado, bajo la supervisión de David Clark, científico investigador sénior en el Laboratorio de Ciencias de la Computación (que desde entonces se fusionó con el Laboratorio de Inteligencia Artificial para producir CSAIL) y, durante la mayor parte de la década de 1980, el principal arquitecto de protocolos de Internet.

Rápidamente quedó claro que iba a hacer un trabajo sobresaliente, dice Clark. Aportó una formación muy distintiva, porque tenía formación tanto en ingeniería eléctrica como en informática, por lo que tenía una gama más amplia de habilidades que muchos estudiantes de informática, y eso le permitió abordar un conjunto diferente de problemas.

La disertación de Katabi fue sobre protocolos de red, el área de especialización de Clark, pero adoptó un enfoque inusual. Un problema central en la administración de la red es el control de la congestión: reducir las transmisiones cuando amenazan con ahogar la red. El mecanismo de control de congestión de Internet consistía en que cada computadora monitoreara sus propias transmisiones y, si detectaba evidencia de congestión, redujera unilateralmente su tasa de transmisión.

Ese enfoque parecía funcionar en la práctica, pero no tenía una base teórica muy segura. Katabi importó principios de la teoría de control, que analiza el comportamiento de grandes sistemas dinámicos, al diseño de protocolos de red. Utilizando estos principios, ella y sus colaboradores no solo pudieron diseñar mejores mecanismos de control de la congestión, sino también proporcionar una garantía matemática de que funcionarían a gran escala.

Cisco, el fabricante de equipos de red más grande del mundo, ha incorporado desde entonces parte del trabajo de Katabi sobre el control de la congestión en uno de sus productos, y 12 años después de que ella defendiera su disertación, ganó el premio Test of Time de la Asociación para la Red de Maquinaria de Computación y grupo de comunicación, que honra investigaciones anteriores que han demostrado ser particularmente influyentes.

Dina Katabi y su grupo han estado trabajando en un nuevo dispositivo para navegación interior y seguimiento de ubicación. El Yorkshire terrier de Katabi, Mica, sirve como sujeto en experimentos sobre seguimiento preciso con señales inalámbricas. Simón Simard

Diría que, en cierto sentido, cambió el estándar de lo que se necesita para publicar en este espacio, dice Clark. Después de demostrar la utilidad de la teoría de control para comprender estos algoritmos, se hizo mucho más difícil publicar con éxito un artículo sin usar ese tipo de análisis.

En 2003, gracias a su tesis doctoral, el MIT contrató a Katabi como profesora junior. Una de sus primeras asignaciones de enseñanza de posgrado fue Redes de comunicación de datos, que enseñó con la teórica de la información Muriel Médard, profesora Cecil H. Green de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación.

En ese momento, Médard había estado investigando la codificación de redes, que entonces era uno de los nuevos temas más prometedores en la teoría de la información. Con el enrutamiento convencional de Internet, si un paquete de datos viaja desde una computadora en Boston a una computadora en California, se ve exactamente igual al llegar que al partir. Todos los bits están en el mismo lugar. Cada paquete también sigue una ruta única y determinada a través de la red. Pero si uno de los enlaces a lo largo de esa ruta está muerto, el paquete simplemente no pasará.

Con la codificación de red, un enrutador dado en la red mezclaría el contenido de los paquetes que recibe dentro de una ventana de tiempo, enviando los paquetes combinados a través de todos los enlaces disponibles para él. Si los paquetes se retienen en un enrutador congestionado, el enrutador simplemente puede descartarlos; cada destinatario puede luego extraer la información destinada solo para él al identificar la superposición en los paquetes híbridos que llegan por otras rutas.

Médard y sus colegas habían ideado elegantes pruebas matemáticas que establecían que la codificación de redes debería aumentar la capacidad de datos de las redes. Pero fue Katabi, en colaboración con Médard, estudiantes de posgrado en el propio grupo de Katabi e investigadores de la Universidad de Cambridge, quienes demostraron la primera implementación práctica de la codificación de red, probándola en una red de enrutadores Wi-Fi que cubren dos pisos de MIT. Centro Stata. Descubrieron que sus protocolos triplicaban la capacidad de la red.

En 2011, Katabi y Médard fundaron una empresa, Code On Technologies, para comercializar su trabajo sobre codificación de redes. Desde entonces, Code On se asoció con otras ocho compañías inalámbricas para comenzar a construir la infraestructura que permitirá a los usuarios de Wi-Fi aprovechar la codificación de red y, en las pruebas, demostraron que su sistema es hasta cinco veces más rápido que un Red Wi-Fi convencional.

Sin embargo, pensar en cómo realizar las elegantes abstracciones de la codificación de redes había llamado la atención de Katabi sobre uno de los problemas fundamentales de las redes inalámbricas: la interferencia. Si los dispositivos inalámbricos cercanos transmiten al mismo tiempo, sus señales interfieren entre sí, produciendo lo que los ingenieros llaman colisión. En una red inalámbrica tradicional, una colisión haría que ambas señales fueran ininteligibles, por lo que los ingenieros han tratado la interferencia como algo que debe evitarse. La investigación de Katabi introdujo un cambio filosófico en cómo se percibe la interferencia. Ella y sus alumnos no solo han demostrado cómo reconstruir la información transmitida en presencia de colisiones, sino que también han podido aprovechar la interferencia para aumentar las velocidades de datos de las redes inalámbricas.

Para su disertación, Katabi había analizado las redes de comunicación al nivel de los paquetes que viajaban por ellas. Su trabajo con Médard fue como ir más allá del paquete a la parte individual, dice. Y en ese momento, fue como, ¿por qué detenerse en ese momento? ¿Por qué no vamos por debajo de eso y vamos a la señal?

A partir de entonces, el uso de las propiedades físicas de las señales inalámbricas para ayudar a los cálculos realizados previamente al nivel del bit se convirtió en un tema del trabajo de Katabi. Un ejemplo de alto perfil fue la decodificación en zigzag, que ganó el premio al mejor artículo en Sigcomm 2008, la principal conferencia del grupo de comunicaciones y redes ACM. (El laboratorio de Katabi volvería a ganar el premio tres años después, por un sistema que evita la manipulación de implantes médicos accesibles de forma inalámbrica, como marcapasos y desfibriladores).

Simplemente decidí: 'No puedo vivir sin las matemáticas'.

En su artículo sobre decodificación en zigzag, Katabi y sus alumnos describieron algoritmos que analizan colisiones sucesivas de las mismas transmisiones e identifican, en una de ellas, un tramo de señal que proviene de un solo emisor. Luego restan esa señal de la otra colisión, recuperando parte de la transmisión del segundo emisor, que restan de la primera colisión, recuperando parte de la transmisión de la primera señal, y así sucesivamente, zigzagueando entre colisiones. Aunque el proceso de decodificación es complejo, los investigadores pudieron demostrar que usaba el ancho de banda de manera más eficiente que otras soluciones al problema de la colisión.

En 2012, un algoritmo que Katabi ayudó a desarrollar para calcular la transformada de Fourier, que es esencial para una gran cantidad de tareas de procesamiento de señales, fue nombrado uno de Revisión de tecnología del MIT Las 10 tecnologías revolucionarias de . Ese trabajo fue, en cierto modo, el proceso inverso que la llevó desde las abstracciones teóricas de la codificación de redes hasta las propiedades físicas de las ondas electromagnéticas. Uno de sus alumnos estaba considerando el problema práctico de cómo desentrañar señales enviadas a diferentes frecuencias al mismo tiempo. Si conoces las frecuencias de antemano, es fácil filtrar las que no te interesan: así funciona la radio FM. Pero, ¿qué sucede si no conoce las frecuencias de antemano?

Después de que Katabi y su alumno diseñaron un algoritmo altamente eficiente para este problema, se dieron cuenta de que su solución podría ayudar a acelerar el cálculo de la transformada de Fourier, que descompone una señal compuesta en sus frecuencias constituyentes. Concebida originalmente para el análisis de la transferencia de calor, la transformada de Fourier se usa ampliamente no solo en el procesamiento de señales, sino también en la compresión de datos, el análisis financiero y la solución de ecuaciones diferenciales.

Trabajando con Piotr Indyk, otro científico informático del MIT, Katabi desarrolló un algoritmo que, por primera vez desde la década de 1960, aumenta la velocidad con la que se puede calcular la transformada de Fourier. El algoritmo funciona solo en un rango específico de casos, pero en esos casos, la aceleración puede ser dramática, hasta diez veces. Además de hacer posible comprimir terabytes de datos rápidamente, dice Katabi, es probable que el algoritmo sea útil para tecnología avanzada de resonancia magnética, gráficos, astronomía, espectroscopia y métodos para estudiar la estructura de proteínas con resonancia magnética nuclear.

En los últimos años, Katabi ha estado explorando las aplicaciones médicas de las tecnologías inalámbricas. Su premiado sistema para proteger implantes médicos inalámbricos involucra un segundo dispositivo inalámbrico, llamado escudo, que podría, en principio, usarse como un reloj o un colgante. El escudo bloquea los intentos no autorizados de acceder al implante, pero transmite transmisiones que utilizan la clave criptográfica adecuada. En caso de emergencia, un profesional médico podría simplemente quitar el escudo para enviar nuevas instrucciones al implante.

Katabi y sus alumnos también han explorado un uso novedoso de las ondas de radio de frecuencia Wi-Fi: la generación de imágenes. En sus resultados iniciales, demostraron que podían detectar movimiento incluso a través de objetos sólidos. Pero más recientemente, han demostrado que el procesamiento sofisticado de señales de radio de potencia ultrabaja puede medir la frecuencia respiratoria humana, e incluso la frecuencia cardíaca, desde decenas de metros de distancia.

Los investigadores fundaron una empresa, llamada Emerald, para desarrollar aplicaciones médicas de la tecnología, como el control remoto de los signos vitales para detectar la aparición de enfermedades en los ancianos. El producto de Emerald también puede alertar a los cuidadores si un paciente sufre una caída. En agosto de 2015, Katabi y el resto del equipo Emerald fueron invitados a la Oficina Oval para demostrar el sistema al presidente Obama.

Las posibles aplicaciones médicas de su último trabajo le dan a Katabi la sensación de haber cerrado el círculo en su primer año de universidad en Damasco. Sin embargo, no ha vuelto a Siria desde que estalló la guerra civil. Sus padres tienen pasaportes estadounidenses y podrían irse en cualquier momento. Pero no lo harán.

Los llamo y me dicen: 'Oh, no te preocupes, ahora es muy normal, solo hay explosiones por la noche, pero la mayoría del día está bien', dice ella. ¿De qué estás hablando? ¿Eso es normal? Me preocupo por ellos todo el tiempo. Pero sus amigos todavía están allí. Su vida está ahí.

Aunque Katabi no ve a sus padres tanto como antes, hay aspectos de sus personalidades que ella encuentra ineludibles. Creo que obtuve lo peor de mi mamá y mi papá, las cosas que odiaba en ellos, dice ella. Tengo la impaciencia de mi mamá, y soy muy fogosa, y lo que quiero, lo quiero.

¿Y de su padre? Aprendí de él que soy una adicta al trabajo, dice ella. No me importa eso, pero la gente a mi alrededor sí.

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