天才的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)科學(xué)家

蘇小白

現(xiàn)在，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)幾乎無(wú)處不在了，它是人類目前短距離通信的最重要途經(jīng)。和有線網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用電磁波的方式進(jìn)行通信，這種通信看不見(jiàn)、摸不著，在開(kāi)放的環(huán)境中進(jìn)行，就會(huì)出現(xiàn)許多必需的或者有趣的研究項(xiàng)目，這使得無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成為計(jì)算機(jī)科學(xué)中最熱門(mén)的研究領(lǐng)域。

在全世界，數(shù)不清的科學(xué)家研究著怎樣使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)變得更快、更可靠，或者怎樣最大限度地利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。如今，在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈、男子漢居多的計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)界，一位膚白貌美的女科學(xué)家竟然展現(xiàn)出了天才般的研究能力，成為顏值和學(xué)識(shí)雙料的人生贏家。這位女科學(xué)家就是麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)教授——迪娜·卡塔比。

任性的求學(xué)之路

迪娜·卡塔比出生于中東地區(qū)的敘利亞，她在年少時(shí)便非常聰明，顯示出了不錯(cuò)的學(xué)習(xí)天分。1989年，和所有高三的學(xué)生一樣，卡塔比參加了高考，并拿到了全國(guó)第六名的成績(jī)，這意味著她可以選擇醫(yī)學(xué)這一敘利亞最熱門(mén)的專業(yè)。

“我來(lái)自一個(gè)醫(yī)學(xué)世家，我的父親是醫(yī)生，爺爺是醫(yī)生，大部分叔叔姑姑也都是醫(yī)生，當(dāng)時(shí)我理所當(dāng)然地要學(xué)醫(yī)了?！笨ㄋ仍诮邮懿稍L時(shí)說(shuō)道。在大學(xué)里度過(guò)了第一年之后，卡塔比成為班里成績(jī)最好的學(xué)生，但是卡塔比非常喜歡數(shù)學(xué)，而且在她看來(lái)，“在醫(yī)學(xué)院里學(xué)習(xí)人類的生理，一切都是固定的知識(shí)，但是如果學(xué)習(xí)工程學(xué)，就可以發(fā)揮想象力，自主設(shè)計(jì)全新的系統(tǒng)?！彼?，卡塔比做了一個(gè)出乎所有人意料的決定，她轉(zhuǎn)學(xué)到大馬士革大學(xué)，學(xué)習(xí)不那么熱門(mén)的電氣工程專業(yè)。

“因?yàn)檫@件事情，我和父母大吵了一架。雖然當(dāng)時(shí)敘利亞的社會(huì)風(fēng)氣是很自由的，但父母擔(dān)心，進(jìn)入一個(gè)女性比例很低的行業(yè)會(huì)對(duì)將來(lái)找工作不利?！笨ㄋ日f(shuō)道，“即使在美國(guó)，電氣工程專業(yè)的女學(xué)生也只占10%到15%?！比欢頌榕圆](méi)有影響卡塔比的學(xué)習(xí)成績(jī)，她仍然是最優(yōu)秀的。畢業(yè)之后，卡塔比順利考入了世界最頂尖的科學(xué)殿堂——麻省理工學(xué)院，但這一次她又換了專業(yè)，因?yàn)樗_(kāi)始對(duì)計(jì)算機(jī)感興趣，所以，她攻讀的是計(jì)算機(jī)科學(xué)碩士學(xué)位。

1998年，卡塔比拿到了碩士學(xué)位，她繼續(xù)在麻省理工學(xué)院攻讀計(jì)算機(jī)科學(xué)博士學(xué)位，師從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的頂級(jí)專家、曾是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議主要設(shè)計(jì)師的大衛(wèi)·克拉克。2003年，卡塔比成功拿到了博士學(xué)位。她的博士論文與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有關(guān)，這是克拉克的專業(yè)領(lǐng)域，但是卡塔比用了不尋常的方式加以研究。在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)管理的一個(gè)核心問(wèn)題是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)擁塞的控制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在過(guò)多的數(shù)據(jù)包時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能就會(huì)下降，這種現(xiàn)象稱為擁塞。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致信息吞吐量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生“擁塞崩潰”的現(xiàn)象。

卡塔比從電氣控制理論中找到了分析了大型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)行為的理論，創(chuàng)造性地將其用于設(shè)計(jì)新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。使用這些電氣控制理論，卡塔比不僅幫助計(jì)算機(jī)專家設(shè)計(jì)出更好的擁塞控制機(jī)制，還可以在數(shù)學(xué)上保證這些機(jī)制在無(wú)論多大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中都能有效。

卡塔比的博士工作得到了計(jì)算機(jī)學(xué)界很高的評(píng)價(jià)。比如，世界上最大的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商思科公司就已經(jīng)將卡塔比處理網(wǎng)絡(luò)擁塞的理論應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，而在卡塔比提交了博士論文12年之后，她獲得了美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)網(wǎng)絡(luò)與通信組頒發(fā)的“時(shí)間考驗(yàn)獎(jiǎng)“。這是一個(gè)計(jì)算機(jī)學(xué)界里倍受尊崇的大獎(jiǎng)，只有在過(guò)去至少十年時(shí)間里，那些證明了自身非凡貢獻(xiàn)和影響力的工作才有資格獲此殊榮。

實(shí)現(xiàn)Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)編碼

憑借博士階段出色的工作，麻省理工學(xué)院迅速把卡塔比“搶購(gòu)“下來(lái)，將她錄用為教員?？ㄋ冉淌诘牡谝婚T(mén)研究生課程是《數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)》，她和信息理論學(xué)家穆麗爾·梅達(dá)爾德以及塞西爾·H·格林教授聯(lián)合授課。在那個(gè)時(shí)候，梅達(dá)爾德正在研究網(wǎng)絡(luò)編碼，這是一個(gè)信息理論中非常有前途的新課題。

按照傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的路由，數(shù)據(jù)傳送的方式是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，即除了數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)以外，中間節(jié)點(diǎn)只扮演著轉(zhuǎn)發(fā)器的角色，而不對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容做任何處理。如果一個(gè)數(shù)據(jù)包從波士頓的一臺(tái)電腦輸送到加利福尼亞的一臺(tái)電腦，所有的比特都在一起運(yùn)輸，而網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)數(shù)據(jù)包都遵循著各自單一確定的路徑。如果順著這個(gè)路徑的一處節(jié)點(diǎn)擁塞了，那么這個(gè)數(shù)據(jù)包就可能傳送不到了。

但是，網(wǎng)絡(luò)編碼就可以解決這個(gè)問(wèn)題。利用網(wǎng)絡(luò)編碼，中間節(jié)點(diǎn)就不止扮演數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器的角色了，它們還會(huì)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行重新編碼。這些中間節(jié)點(diǎn)可以將一個(gè)時(shí)間段內(nèi)收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容整合，做一些數(shù)學(xué)處理，然后把整合后的數(shù)據(jù)信息沿著所有可用的路徑發(fā)到下游節(jié)點(diǎn)。如果某處節(jié)點(diǎn)擁塞了，那么路由器把這里的數(shù)據(jù)丟掉就行了，更下游的節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)編碼判斷出遺失的部分，最終在目的端，所有信息都會(huì)被演繹還原。這樣一來(lái)，數(shù)據(jù)包不僅不會(huì)遺失，而且多個(gè)數(shù)據(jù)包中重復(fù)的部分不必反復(fù)傳輸和復(fù)制了，這可以提高信息的傳輸量。

卡塔比和她的學(xué)生一起展示了網(wǎng)絡(luò)編碼在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)效。在麻省理工學(xué)院斯塔特中心一個(gè)覆蓋兩層樓的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，卡塔比設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)編碼使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的容量增加了3倍。如今，她們的編碼工作已經(jīng)商業(yè)化，一些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)公司的設(shè)備利用她們的網(wǎng)絡(luò)編碼，能夠?qū)鹘y(tǒng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的速度提升5倍。

此后，卡塔比并沒(méi)有停止理論創(chuàng)新，2012年，卡塔比又將目光投向了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)最重要的理論——傅里葉變換。

在數(shù)學(xué)上，傅里葉變換是一種用于處理數(shù)據(jù)流的算法。它的基本原理是，所有信號(hào)，比如錄音，都可以表現(xiàn)為一系列不同頻率、振幅的正弦、余弦波的組合。進(jìn)行傅里葉變換之后，對(duì)這組信號(hào)的處理就會(huì)相對(duì)容易些，我們可以用傅里葉變換來(lái)壓縮一段錄音或消除噪音。然而，卡塔比意識(shí)到，我們關(guān)注的信息大都擁有不同的波結(jié)構(gòu)，比如，音樂(lè)與不規(guī)則噪聲的結(jié)構(gòu)就完全不同。實(shí)際上，對(duì)我們有用的東西通常只是信號(hào)中的少部分有價(jià)值的片段，也就是說(shuō)，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(duì)所有可能的數(shù)據(jù)流都進(jìn)行處理，只需要對(duì)有價(jià)值的片段進(jìn)行處理，這意味著，在處理既定量的信息時(shí)只需更少的計(jì)算量，這對(duì)于智能手機(jī)這類使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，不啻于天賜福音。稀疏傅里葉變換被麻省理工學(xué)院評(píng)為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的十大突破性技術(shù)之一。

Wi-Fi魔術(shù)——“shield”、“MagMIMO”、“WiTrack”

作為跨學(xué)科出身的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，卡塔比不但改進(jìn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)所用的算法理論，而且更善于將理論的研究成果加以應(yīng)用。她喜歡將計(jì)算機(jī)科學(xué)和物理學(xué)或者醫(yī)學(xué)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。

比如，卡塔比將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾技術(shù)用于醫(yī)療。她發(fā)明了一種叫做“盾”（“shield”）的無(wú)線設(shè)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(gè)未授權(quán)的無(wú)線電波想要訪問(wèn)病人體內(nèi)的無(wú)線設(shè)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(hào)。在一些緊急情況下，醫(yī)務(wù)人員如果想對(duì)植入病人體內(nèi)的無(wú)線設(shè)備發(fā)出新的指令，那么把“盾”摘下來(lái)就可以了。卡塔比的這項(xiàng)發(fā)明，另外加上她對(duì)于解決網(wǎng)絡(luò)擁堵、提升了Wi-Fi通信能力的貢獻(xiàn)，使她獲得了象征跨領(lǐng)域最高綜合研究成果的麥克阿瑟天才獎(jiǎng)。

除了中規(guī)中矩的使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，卡塔比比其他計(jì)算機(jī)科學(xué)家更善于利用無(wú)線信號(hào)的物理性質(zhì)，這使她好像魔術(shù)師一樣，把一些奇思妙想變成了現(xiàn)實(shí)。比如，用Wi-Fi來(lái)充電的“MagMIMO”技術(shù)，以及用Wi-Fi來(lái)做“監(jiān)視運(yùn)動(dòng)物體”的“WiTrack”技術(shù)。

其實(shí)，現(xiàn)在已經(jīng)有一些無(wú)線充電技術(shù)存在了，但目前無(wú)線充電的最遠(yuǎn)充電距離也只有4.5厘米，而且設(shè)備也必須擺放到正確的位置，這并不比有線充電更方便?？ㄋ群蛯W(xué)生研發(fā)的“MagMiMo”技術(shù)另辟蹊徑，采用了類似Wi-Fi路由器的工作原理，可以做到遠(yuǎn)距離為手機(jī)充電，并打破對(duì)電子設(shè)備的擺放位置的限制。使用MagMIMO無(wú)線充電技術(shù)，你所需要做的只是在辦公桌抽屜里或側(cè)面安裝一個(gè)發(fā)射線圈，給手機(jī)安裝一個(gè)接收線圈，然后不用將手機(jī)從口袋里掏出來(lái)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)充電。

所有這些優(yōu)點(diǎn)得益于一項(xiàng)原本在高端路由器上使用的技術(shù)，卡塔比將這種技術(shù)移植到了MagMIMO無(wú)線充電技術(shù)里。當(dāng)高端路由器探測(cè)到某個(gè)電子設(shè)備要接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路由器能加大無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，直接將無(wú)線信號(hào)朝向該電子設(shè)備發(fā)射。MagMIMO無(wú)線充電技術(shù)同樣也采用了此技術(shù)，只是它利用的是磁場(chǎng)。MagMIMO無(wú)線充電設(shè)備能很容易地探測(cè)出手機(jī)，在與手機(jī)連接后，無(wú)線充電設(shè)備隨即朝手機(jī)或平板電腦發(fā)射錐形磁場(chǎng)能量波束，手機(jī)或平板電腦的接收線圈能將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化成電流，為電池充電。

如今， 在實(shí)驗(yàn)室里，MagMIMO無(wú)線充電技術(shù)可以做到為30厘米外的手機(jī)進(jìn)行充電，卡塔比最終的目的是研制出能對(duì)一間房子內(nèi)任何一臺(tái)電子設(shè)備進(jìn)行無(wú)線充電的技術(shù)。即，使用者在房間里走動(dòng)或者坐下的時(shí)候，他口袋里的手機(jī)已經(jīng)開(kāi)始充電了。如果這項(xiàng)技術(shù)能夠商業(yè)化，那么無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由器將會(huì)成為最廣泛使用的充電設(shè)備。

卡塔比和她的學(xué)生還探索了一種Wi-Fi無(wú)線電波的新用途：可以監(jiān)視物體的運(yùn)動(dòng)或者透視墻體。由于Wi-Fi也是無(wú)線電波，當(dāng)它遇到物體時(shí)，就會(huì)被反射，并且反射信號(hào)會(huì)受到物體形狀和狀態(tài)的影響，那么以某種方式處理反射回來(lái)的信號(hào)，就可以獲得物體運(yùn)動(dòng)的信息。她的學(xué)生們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了這種技術(shù)，稱之為“WiTrack”?！癢iTrack”系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)外發(fā)射穿透墻面的Wi-Fi信號(hào)，并通過(guò)其反射回來(lái)的方式判斷出墻面另一端物體的主要輪廓和移動(dòng)情況。為了更好的獲得回傳信號(hào)，該系統(tǒng)會(huì)同時(shí)發(fā)射出兩道頻率不同的Wi-Fi信號(hào)。如果其中一道信號(hào)檢測(cè)到一個(gè)靜止不動(dòng)的物體，那么另一道信號(hào)則不會(huì)繼續(xù)對(duì)該物體進(jìn)行探測(cè)。如果該系統(tǒng)探測(cè)到了移動(dòng)的物體，那便可以在設(shè)備屏幕中進(jìn)行成像顯示，而且，該系統(tǒng)甚至還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控到探測(cè)對(duì)象的不同動(dòng)作。

這其實(shí)和雷達(dá)或者聲吶的工作原理是類似的。但是Wi-Fi信號(hào)有許多優(yōu)勢(shì)。它覆蓋廣泛，可以穿墻，不需要借助價(jià)格昂貴的龐大設(shè)備。這種技術(shù)的核心是一套編碼機(jī)制，可以通過(guò)芯片實(shí)現(xiàn)，并整合進(jìn)智能手機(jī)?？ㄋ日J(rèn)為，這使得“WiTrack”具有廣闊的應(yīng)用前景。比如在諸如房屋倒塌和地震等災(zāi)后搜救工作方面發(fā)揮作用，或者警察可以使用這一設(shè)備，在夜間突襲犯罪分子老巢前預(yù)先探測(cè)屋內(nèi)的移動(dòng)情況，甚至它還可以幫助在兩個(gè)房屋內(nèi)用游戲手柄玩電腦游戲的人相互配合?！癢iTrack”還可以應(yīng)用于醫(yī)療中，用來(lái)檢測(cè)嬰兒的心率、防止嬰兒猝死，或者在老年人將要跌倒時(shí)提醒醫(yī)務(wù)人員。

如今，卡塔比那令人嘆為觀止的科研能力給她帶來(lái)了大量的榮譽(yù)。她拿下了象征跨領(lǐng)域最高綜合研究成果的麥克阿瑟天才獎(jiǎng)、用于表彰杰出青年科學(xué)家的格雷斯·穆雷·霍帕獎(jiǎng)，2015年又獲得了獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)算機(jī)教學(xué)貢獻(xiàn)的杰羅姆·薩特澤教學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在，卡塔比教授已經(jīng)是麻省理工學(xué)院無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中心的主任，領(lǐng)導(dǎo)著全世界最頂級(jí)的研究小組?？梢云诖?，卡塔比的神奇魔術(shù)還將繼續(xù)下去。