天才的無線網絡科學家

蘇小白

現在，無線網絡幾乎無處不在了，它是人類目前短距離通信的最重要途經。和有線網絡不同，無線網絡采用電磁波的方式進行通信，這種通信看不見、摸不著，在開放的環境中進行，就會出現許多必需的或者有趣的研究項目，這使得無線網絡成為計算機科學中最熱門的研究領域。

在全世界，數不清的科學家研究著怎樣使無線網絡變得更快、更可靠，或者怎樣最大限度地利用無線網絡。如今，在這個競爭激烈、男子漢居多的計算機學術界，一位膚白貌美的女科學家竟然展現出了天才般的研究能力，成為顏值和學識雙料的人生贏家。這位女科學家就是麻省理工學院的計算機科學教授——迪娜·卡塔比。

任性的求學之路

迪娜·卡塔比出生于中東地區的敘利亞，她在年少時便非常聰明，顯示出了不錯的學習天分。1989年，和所有高三的學生一樣，卡塔比參加了高考，并拿到了全國第六名的成績，這意味著她可以選擇醫學這一敘利亞最熱門的專業。

“我來自一個醫學世家，我的父親是醫生，爺爺是醫生，大部分叔叔姑姑也都是醫生，當時我理所當然地要學醫了。”卡塔比在接受采訪時說道。在大學里度過了第一年之后，卡塔比成為班里成績最好的學生，但是卡塔比非常喜歡數學，而且在她看來，“在醫學院里學習人類的生理，一切都是固定的知識，但是如果學習工程學，就可以發揮想象力，自主設計全新的系統。”所以，卡塔比做了一個出乎所有人意料的決定，她轉學到大馬士革大學，學習不那么熱門的電氣工程專業。

“因為這件事情，我和父母大吵了一架。雖然當時敘利亞的社會風氣是很自由的，但父母擔心，進入一個女性比例很低的行業會對將來找工作不利。”卡塔比說道，“即使在美國，電氣工程專業的女學生也只占10%到15%。”然而，身為女性并沒有影響卡塔比的學習成績，她仍然是最優秀的。畢業之后，卡塔比順利考入了世界最頂尖的科學殿堂——麻省理工學院，但這一次她又換了專業，因為她開始對計算機感興趣，所以，她攻讀的是計算機科學碩士學位。

1998年，卡塔比拿到了碩士學位，她繼續在麻省理工學院攻讀計算機科學博士學位，師從計算機領域的頂級專家、曾是互聯網協議主要設計師的大衛·克拉克。2003年，卡塔比成功拿到了博士學位。她的博士論文與網絡協議有關，這是克拉克的專業領域，但是卡塔比用了不尋常的方式加以研究。在互聯網中，網絡管理的一個核心問題是對于網絡擁塞的控制。當網絡中存在過多的數據包時，網絡的性能就會下降，這種現象稱為擁塞。在網絡發生擁塞時，會導致信息吞吐量下降，嚴重時會發生“擁塞崩潰”的現象。

卡塔比從電氣控制理論中找到了分析了大型動態系統行為的理論，創造性地將其用于設計新的網絡協議。使用這些電氣控制理論，卡塔比不僅幫助計算機專家設計出更好的擁塞控制機制，還可以在數學上保證這些機制在無論多大的網絡系統中都能有效。

卡塔比的博士工作得到了計算機學界很高的評價。比如，世界上最大的網絡設備制造商思科公司就已經將卡塔比處理網絡擁塞的理論應用到產品設計中，而在卡塔比提交了博士論文12年之后，她獲得了美國計算機協會網絡與通信組頒發的“時間考驗獎“。這是一個計算機學界里倍受尊崇的大獎，只有在過去至少十年時間里，那些證明了自身非凡貢獻和影響力的工作才有資格獲此殊榮。

實現Wi-Fi的網絡編碼

憑借博士階段出色的工作，麻省理工學院迅速把卡塔比“搶購“下來，將她錄用為教員。卡塔比教授的第一門研究生課程是《數據通信網絡》，她和信息理論學家穆麗爾·梅達爾德以及塞西爾·H·格林教授聯合授課。在那個時候，梅達爾德正在研究網絡編碼，這是一個信息理論中非常有前途的新課題。

按照傳統互聯網的路由，數據傳送的方式是存儲轉發，即除了數據的發送節點和接收節點以外，中間節點只扮演著轉發器的角色，而不對數據內容做任何處理。如果一個數據包從波士頓的一臺電腦輸送到加利福尼亞的一臺電腦，所有的比特都在一起運輸，而網絡中的每一個數據包都遵循著各自單一確定的路徑。如果順著這個路徑的一處節點擁塞了，那么這個數據包就可能傳送不到了。

但是，網絡編碼就可以解決這個問題。利用網絡編碼，中間節點就不止扮演數據轉發器的角色了，它們還會對傳輸的數據包進行重新編碼。這些中間節點可以將一個時間段內收到的數據內容整合，做一些數學處理，然后把整合后的數據信息沿著所有可用的路徑發到下游節點。如果某處節點擁塞了，那么路由器把這里的數據丟掉就行了，更下游的節點會根據編碼判斷出遺失的部分，最終在目的端，所有信息都會被演繹還原。這樣一來，數據包不僅不會遺失，而且多個數據包中重復的部分不必反復傳輸和復制了，這可以提高信息的傳輸量。

卡塔比和她的學生一起展示了網絡編碼在無線網絡中的實效。在麻省理工學院斯塔特中心一個覆蓋兩層樓的Wi-Fi網絡中，卡塔比設計的網絡編碼使無線網絡的容量增加了3倍。如今，她們的編碼工作已經商業化，一些無線網絡公司的設備利用她們的網絡編碼，能夠將傳統Wi-Fi網絡的速度提升5倍。

此后，卡塔比并沒有停止理論創新，2012年，卡塔比又將目光投向了計算機科學領域中一個最重要的理論——傅里葉變換。

在數學上，傅里葉變換是一種用于處理數據流的算法。它的基本原理是，所有信號，比如錄音，都可以表現為一系列不同頻率、振幅的正弦、余弦波的組合。進行傅里葉變換之后，對這組信號的處理就會相對容易些，我們可以用傅里葉變換來壓縮一段錄音或消除噪音。然而，卡塔比意識到，我們關注的信息大都擁有不同的波結構，比如，音樂與不規則噪聲的結構就完全不同。實際上，對我們有用的東西通常只是信號中的少部分有價值的片段，也就是說，信息是“稀疏”的。

所以，卡塔比提出了一種新式的稀疏傅里葉變換，它不需要對所有可能的數據流都進行處理，只需要對有價值的片段進行處理，這意味著，在處理既定量的信息時只需更少的計算量，這對于智能手機這類使用無線網絡的設備來說，不啻于天賜福音。稀疏傅里葉變換被麻省理工學院評為網絡領域的十大突破性技術之一。

Wi-Fi魔術——“shield”、“MagMIMO”、“WiTrack”

作為跨學科出身的計算機科學家，卡塔比不但改進了無線網絡所用的算法理論，而且更善于將理論的研究成果加以應用。她喜歡將計算機科學和物理學或者醫學結合起來，創造出新型的無線網絡應用系統。

比如，卡塔比將無線網絡的抗干擾技術用于醫療。她發明了一種叫做“盾”（“shield”）的無線設備。這種“盾”非常輕巧，可以像手表或者吊墜一樣佩戴。如果一個未授權的無線電波想要訪問病人體內的無線設備，比如心臟起搏器，“盾”可以將其屏蔽掉，但是另一方面，“盾”卻可以幫助傳播擁有正確密鑰的信號。在一些緊急情況下，醫務人員如果想對植入病人體內的無線設備發出新的指令，那么把“盾”摘下來就可以了。卡塔比的這項發明，另外加上她對于解決網絡擁堵、提升了Wi-Fi通信能力的貢獻，使她獲得了象征跨領域最高綜合研究成果的麥克阿瑟天才獎。

除了中規中矩的使用無線網絡，卡塔比比其他計算機科學家更善于利用無線信號的物理性質，這使她好像魔術師一樣，把一些奇思妙想變成了現實。比如，用Wi-Fi來充電的“MagMIMO”技術，以及用Wi-Fi來做“監視運動物體”的“WiTrack”技術。

其實，現在已經有一些無線充電技術存在了，但目前無線充電的最遠充電距離也只有4.5厘米，而且設備也必須擺放到正確的位置，這并不比有線充電更方便。卡塔比和學生研發的“MagMiMo”技術另辟蹊徑，采用了類似Wi-Fi路由器的工作原理，可以做到遠距離為手機充電，并打破對電子設備的擺放位置的限制。使用MagMIMO無線充電技術，你所需要做的只是在辦公桌抽屜里或側面安裝一個發射線圈，給手機安裝一個接收線圈，然后不用將手機從口袋里掏出來就能實現對手機充電。

所有這些優點得益于一項原本在高端路由器上使用的技術，卡塔比將這種技術移植到了MagMIMO無線充電技術里。當高端路由器探測到某個電子設備要接入網絡時，路由器能加大無線信號強度，直接將無線信號朝向該電子設備發射。MagMIMO無線充電技術同樣也采用了此技術，只是它利用的是磁場。MagMIMO無線充電設備能很容易地探測出手機，在與手機連接后，無線充電設備隨即朝手機或平板電腦發射錐形磁場能量波束，手機或平板電腦的接收線圈能將磁場能量轉化成電流，為電池充電。

如今， 在實驗室里，MagMIMO無線充電技術可以做到為30厘米外的手機進行充電，卡塔比最終的目的是研制出能對一間房子內任何一臺電子設備進行無線充電的技術。即，使用者在房間里走動或者坐下的時候，他口袋里的手機已經開始充電了。如果這項技術能夠商業化，那么無線網絡路由器將會成為最廣泛使用的充電設備。

卡塔比和她的學生還探索了一種Wi-Fi無線電波的新用途：可以監視物體的運動或者透視墻體。由于Wi-Fi也是無線電波，當它遇到物體時，就會被反射，并且反射信號會受到物體形狀和狀態的影響，那么以某種方式處理反射回來的信號，就可以獲得物體運動的信息。她的學生們已經開發出了這種技術，稱之為“WiTrack”。“WiTrack”系統主要通過對外發射穿透墻面的Wi-Fi信號，并通過其反射回來的方式判斷出墻面另一端物體的主要輪廓和移動情況。為了更好的獲得回傳信號，該系統會同時發射出兩道頻率不同的Wi-Fi信號。如果其中一道信號檢測到一個靜止不動的物體，那么另一道信號則不會繼續對該物體進行探測。如果該系統探測到了移動的物體，那便可以在設備屏幕中進行成像顯示，而且，該系統甚至還可以實時監控到探測對象的不同動作。

這其實和雷達或者聲吶的工作原理是類似的。但是Wi-Fi信號有許多優勢。它覆蓋廣泛，可以穿墻，不需要借助價格昂貴的龐大設備。這種技術的核心是一套編碼機制，可以通過芯片實現，并整合進智能手機。卡塔比認為，這使得“WiTrack”具有廣闊的應用前景。比如在諸如房屋倒塌和地震等災后搜救工作方面發揮作用，或者警察可以使用這一設備，在夜間突襲犯罪分子老巢前預先探測屋內的移動情況，甚至它還可以幫助在兩個房屋內用游戲手柄玩電腦游戲的人相互配合。“WiTrack”還可以應用于醫療中，用來檢測嬰兒的心率、防止嬰兒猝死，或者在老年人將要跌倒時提醒醫務人員。

如今，卡塔比那令人嘆為觀止的科研能力給她帶來了大量的榮譽。她拿下了象征跨領域最高綜合研究成果的麥克阿瑟天才獎、用于表彰杰出青年科學家的格雷斯·穆雷·霍帕獎，2015年又獲得了獎勵計算機教學貢獻的杰羅姆·薩特澤教學獎。現在，卡塔比教授已經是麻省理工學院無線網絡中心的主任，領導著全世界最頂級的研究小組。可以期待，卡塔比的神奇魔術還將繼續下去。