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Intelligence des signaux
MacArthur Fellow Dina Katabi, SM '98, PhD '03, exploite les propriétés physiques des ondes radio pour rendre le calcul plus efficace. 20 octobre 2015
En 1989, Dina Katabi, SM '98, PhD '03, comme tous les lycéens syriens, a passé un test standardisé qui déterminerait les programmes d'études auxquels elle était éligible à l'université. Elle a terminé sixième du pays.
Cela signifiait qu'elle était destinée à suivre une formation médicale - le stage de premier cycle le plus prestigieux, disponible uniquement pour les étudiants ayant obtenu les meilleurs scores à l'examen. De plus, dit-elle, je viens d'une famille composée uniquement de médecins. Mon père est médecin, la plupart de mes tantes et oncles sont médecins, mon grand-père est médecin – il y a tellement de médecins des deux côtés. C'était donc le chemin pour moi.
Mais après une année d'études, durant laquelle elle était première de sa classe, Katabi a eu une révélation. J'ai juste décidé: 'Je ne peux pas vivre sans maths', dit-elle. Elle a donc été transférée dans le programme moins prestigieux d'ingénierie électrique de l'Université de Damas. C'était une grosse dispute avec mes parents, dit-elle.
Vingt-cinq ans plus tard, cela ressemble à une assez bonne décision : Katabi, aujourd'hui professeur Andrew (1956) et Erna Viterbi de génie électrique et d'informatique et membre du Laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle (CSAIL), est dans le troisième année d'une bourse de génie MacArthur et revient tout juste de présenter certains de ses nouveaux travaux au président Obama à la Maison Blanche. Les protocoles de mise en réseau basés sur son travail ont trouvé leur place dans les produits commerciaux, et sa réinterprétation innovante du problème des interférences radioélectriques change la façon dont les ingénieurs conçoivent les réseaux sans fil. Mais cela ne veut pas dire que l'opposition de ses parents n'était pas fondée. Non seulement la médecine était la profession la plus estimée en Syrie, mais elle y offrait également beaucoup plus de possibilités d'emploi et attirait un plus grand nombre de femmes.
La société syrienne à l'époque était assez libérale, dit Katabi. Mais même ainsi, ses parents craignaient que se lancer dans une profession avec un faible pourcentage de femmes ne lui rende la vie plus difficile. C'est quelque chose que même aux États-Unis, nous ressentons dans certains domaines, dit-elle. Katabi estime que seulement 10 à 15 % de ses camarades de classe en génie électrique étaient des femmes.
Après avoir obtenu son diplôme - encore une fois, en tête de sa classe - Katabi est venue aux États-Unis pour ses études supérieures, suivant les traces de son père, qui était venu pour sa spécialisation médicale. Après avoir obtenu une maîtrise en informatique au MIT, elle s'est inscrite au programme de doctorat, sous la direction de David Clark, chercheur principal au Laboratoire d'informatique (qui a depuis fusionné avec le Laboratoire d'intelligence artificielle pour produire CSAIL) et, pendant la majeure partie des années 1980, l'architecte en chef du protocole Internet.
Il est devenu clair très rapidement qu'elle allait faire un travail remarquable, dit Clark. Elle a apporté une formation très particulière, car elle avait une formation en génie électrique et en informatique, elle avait donc un éventail de compétences plus large que beaucoup d'étudiants en informatique, ce qui lui a permis d'aborder un ensemble de problèmes différent.
La thèse de Katabi portait sur les protocoles de réseau, le domaine d'expertise de Clark, mais elle a adopté une approche inhabituelle. Un problème central dans la gestion du réseau est le contrôle de la congestion, c'est-à-dire la limitation des transmissions lorsqu'elles menacent d'étouffer le réseau. Le mécanisme de contrôle de la congestion d'Internet consistait pour chaque ordinateur à surveiller ses propres transmissions et, s'il détectait des signes de congestion, à réduire unilatéralement son débit de transmission.
Cette approche semblait fonctionner dans la pratique, mais elle n'avait pas de fondement théorique très sûr. Katabi a importé des principes de la théorie du contrôle, qui analyse le comportement de grands systèmes dynamiques, dans la conception de protocoles réseau. En utilisant ces principes, elle et ses collaborateurs ont pu non seulement concevoir de meilleurs mécanismes de contrôle de la congestion, mais également fournir l'assurance mathématique qu'ils fonctionneraient à grande échelle.
Cisco, le plus grand fabricant mondial d'équipements réseau, a depuis intégré une partie du travail de Katabi sur le contrôle de la congestion dans l'un de ses produits, et 12 ans après avoir soutenu sa thèse, il a remporté le prix Test of Time du réseau de l'Association for Computing Machinery et groupe de communication, qui honore les recherches passées qui se sont révélées particulièrement influentes.
Dina Katabi et son groupe ont travaillé sur un nouvel appareil de navigation intérieure et de localisation. Le Yorkshire terrier de Katabi, Mica, sert de sujet dans des expériences sur le suivi précis avec des signaux sans fil. Simon Simard
Je dirais que dans un certain sens, elle a changé la norme pour ce qu'il faut pour publier dans cet espace, dit Clark. Après avoir démontré l'utilité de la théorie du contrôle pour comprendre ces algorithmes, il est devenu beaucoup plus difficile de publier un article avec succès sans utiliser ce type d'analyse.
En 2003, sur la base de sa thèse, le MIT a recruté Katabi en tant que membre junior du corps professoral. L'une de ses premières missions d'enseignement aux cycles supérieurs était les réseaux de communication de données, qu'elle a enseignée avec la théoricienne de l'information Muriel Médard, professeure Cecil H. Green de génie électrique et d'informatique.
À l'époque, Médard étudiait le codage en réseau, qui était alors l'un des nouveaux sujets les plus prometteurs de la théorie de l'information. Avec le routage Internet conventionnel, si un paquet de données se déplace d'un ordinateur à Boston vers un ordinateur en Californie, il a exactement le même aspect à l'arrivée qu'au départ. Tous les bits sont au même endroit. Chaque paquet suit également une seule route déterminée à travers le réseau. Mais si l'un des liens le long de cette route est mort, le paquet ne passera tout simplement pas.
Avec le codage réseau, un routeur donné du réseau mélangerait plutôt le contenu des paquets qu'il reçoit dans un certain laps de temps, en envoyant les paquets combinés sur toutes les liaisons disponibles. Si des paquets sont bloqués sur un routeur encombré, le routeur peut simplement les abandonner ; chaque destinataire peut alors extraire les informations qui lui sont destinées en identifiant le chevauchement dans les paquets hybrides arrivant sur d'autres routes.
Médard et ses collègues avaient conçu des preuves mathématiques élégantes établissant que le codage réseau devrait augmenter la capacité de données des réseaux. Mais c'est Katabi, en collaboration avec Médard, des étudiants diplômés du propre groupe de Katabi et des chercheurs de l'Université de Cambridge, qui ont démontré la première mise en œuvre pratique du codage réseau, en le testant sur un réseau de routeurs Wi-Fi couvrant deux étages du MIT. Stata Center. Ils ont découvert que leurs protocoles multipliaient par trois la capacité du réseau.
En 2011, Katabi et Médard ont fondé une entreprise, Code On Technologies, pour commercialiser leurs travaux sur le codage en réseau. Code On s'est depuis associé à huit autres sociétés sans fil pour commencer à construire l'infrastructure qui permettra aux utilisateurs Wi-Fi de tirer parti du codage réseau, et lors de tests, ils ont montré que leur système était jusqu'à cinq fois plus rapide qu'un réseau Wi-Fi classique.
Réfléchir à la manière de réaliser les élégantes abstractions du codage de réseau avait cependant attiré l'attention de Katabi sur l'un des problèmes fondamentaux des réseaux sans fil : les interférences. Si des appareils sans fil à proximité transmettent en même temps, leurs signaux interfèrent les uns avec les autres, produisant ce que les ingénieurs appellent une collision. Dans un réseau sans fil traditionnel, une collision rendrait les deux signaux inintelligibles, c'est pourquoi les ingénieurs ont traité les interférences comme quelque chose à éviter. Les recherches de Katabi ont introduit un changement philosophique dans la façon dont les interférences sont perçues. Non seulement elle et ses étudiants ont montré comment reconstruire les informations transmises en présence de collisions, mais ils ont également pu exploiter les interférences pour augmenter les débits de données des réseaux sans fil.
Pour sa thèse, Katabi avait analysé les réseaux de communication au niveau des paquets qui les traversent. Son travail avec Médard allait en quelque sorte au-delà du paquet vers l'individuel, dit-elle. Et à ce moment-là, c'était comme, pourquoi s'arrêter là? Pourquoi ne descendons-nous pas en dessous et n'allons-nous pas au signal ?
Par la suite, l'utilisation des propriétés physiques des signaux sans fil pour faciliter les calculs précédemment effectués au niveau du bit est devenue un thème du travail de Katabi. Un exemple très médiatisé a été le décodage en zigzag, qui a remporté le prix du meilleur article au Sigcomm 2008, la principale conférence du groupe de réseau et de communication ACM. (Le laboratoire de Katabi remportera à nouveau le prix trois ans plus tard, pour un système qui empêche la falsification des implants médicaux accessibles sans fil tels que les stimulateurs cardiaques et les défibrillateurs.)
J'ai juste décidé: 'Je ne peux pas vivre sans maths.'
Dans leur article sur le décodage en zigzag, Katabi et ses étudiants ont décrit des algorithmes qui analysent les collisions successives des mêmes transmissions et identifient, dans l'une d'elles, une portion de signal provenant d'un seul émetteur. Ensuite, ils soustraient ce signal de l'autre collision, récupérant une partie de la transmission du deuxième expéditeur, qu'ils soustraient de la première collision, récupérant une partie de la transmission du premier signal, et ainsi de suite, zigzaguant entre les collisions. Bien que le processus de décodage soit complexe, les chercheurs ont pu montrer qu'il utilisait la bande passante plus efficacement que d'autres solutions au problème de collision.
En 2012, un algorithme que Katabi a aidé à développer pour calculer la transformée de Fourier, qui est essentielle à une multitude de tâches de traitement du signal, a été nommé l'un des Examen de la technologie MIT 10 technologies de rupture. Ce travail était en quelque sorte l'inverse du processus qui l'a conduite des abstractions théoriques du codage en réseau aux propriétés physiques des ondes électromagnétiques. L'un de ses étudiants réfléchissait au problème pratique de savoir comment démêler des signaux envoyés à différentes fréquences en même temps. Si vous connaissez les fréquences à l'avance, il est facile de filtrer celles qui ne vous intéressent pas : c'est ainsi que fonctionne la radio FM. Mais que se passe-t-il si vous ne connaissez pas les fréquences à l'avance ?
Après que Katabi et son élève aient conçu un algorithme très efficace pour ce problème, ils ont réalisé que leur solution pouvait aider à accélérer le calcul de la transformée de Fourier, qui décompose un signal composite en ses fréquences constitutives. Conçue à l'origine pour l'analyse du transfert de chaleur, la transformée de Fourier est largement utilisée non seulement dans le traitement du signal, mais aussi dans la compression de données, l'analyse financière et la résolution d'équations différentielles.
En collaboration avec Piotr Indyk, un autre informaticien du MIT, Katabi a développé un algorithme qui, pour la première fois depuis les années 1960, augmente la vitesse à laquelle la transformée de Fourier peut être calculée. L'algorithme ne fonctionne que dans une gamme spécifique de cas, mais dans ces cas, l'accélération peut être spectaculaire, jusqu'à dix fois. En plus de permettre de compresser rapidement des téraoctets de données, dit Katabi, l'algorithme est susceptible d'être utile pour la technologie IRM avancée, les graphiques, l'astronomie, la spectroscopie et les méthodes d'étude de la structure des protéines par résonance magnétique nucléaire.
Ces dernières années, Katabi a exploré les applications médicales des technologies sans fil. Son système primé de protection des implants médicaux sans fil comprend un deuxième dispositif sans fil, appelé bouclier, qui pourrait, en principe, être porté comme une montre ou un pendentif. Le bouclier bloque les tentatives non autorisées d'accès à l'implant, mais il relaie les transmissions qui utilisent la clé cryptographique appropriée. En cas d'urgence, un professionnel de la santé pourrait simplement retirer le bouclier afin d'envoyer de nouvelles instructions à l'implant.
Katabi et ses étudiants ont également exploré une nouvelle utilisation des ondes radio de fréquence Wi-Fi : l'imagerie. Dans leurs premiers résultats, ils ont démontré qu'ils pouvaient détecter des mouvements même à travers des objets solides. Mais plus récemment, ils ont montré qu'un traitement sophistiqué des signaux radio à très faible puissance peut mesurer les fréquences respiratoires humaines, et même les fréquences cardiaques, à des dizaines de mètres de distance.
Les chercheurs ont fondé une société, appelée Emerald, pour développer des applications médicales de la technologie, telles que la surveillance à distance des signes vitaux pour détecter l'apparition d'une maladie chez les personnes âgées. Le produit d'Emerald peut également alerter les soignants si un patient tombe. En août 2015, Katabi et le reste de l'équipe d'Emerald ont été invités au bureau ovale pour faire une démonstration du système au président Obama.
Les applications médicales potentielles de ses derniers travaux donnent à Katabi le sentiment d'avoir bouclé la boucle de sa première année d'université à Damas. Cependant, elle n'est pas retournée en Syrie depuis que la guerre civile a éclaté. Ses parents ont des passeports américains et peuvent partir à tout moment. Mais ils ne le feront pas.
Je vais les appeler et ils diront : 'Oh, ne vous inquiétez pas, maintenant c'est tout à fait normal, il n'y a que des explosions la nuit, mais la plupart du temps, la journée va bien', dit-elle. De quoi parles-tu? C'est normal? Je m'inquiète tout le temps pour eux. Mais leurs amis sont toujours là. Leur vie est là.
Bien que Katabi ne voie plus ses parents autant qu'avant, il y a des aspects de leur personnalité qu'elle trouve incontournables. Je pense que j'ai eu le pire de ma mère et de mon père - les choses que je détestais en eux, dit-elle. J'ai l'impatience de ma mère, et je suis très fougueux, et ce que je veux, je le veux.
Et de son père ? J'ai appris de lui que je suis un bourreau de travail, dit-elle. Cela ne me dérange pas, mais les gens autour de moi pourraient le faire.