天才的无线网络科学家

苏小白

现在，无线网络几乎无处不在了，它是人类目前短距离通信的最重要途经。和有线网络不同，无线网络采用电磁波的方式进行通信，这种通信看不见、摸不着，在开放的环境中进行，就会出现许多必需的或者有趣的研究项目，这使得无线网络成为计算机科学中最热门的研究领域。

在全世界，数不清的科学家研究着怎样使无线网络变得更快、更可靠，或者怎样最大限度地利用无线网络。如今，在这个竞争激烈、男子汉居多的计算机学术界，一位肤白貌美的女科学家竟然展现出了天才般的研究能力，成为颜值和学识双料的人生赢家。这位女科学家就是麻省理工学院的计算机科学教授——迪娜·卡塔比。

任性的求学之路

迪娜·卡塔比出生于中东地区的叙利亚，她在年少时便非常聪明，显示出了不错的学习天分。1989年，和所有高三的学生一样，卡塔比参加了高考，并拿到了全国第六名的成绩，这意味着她可以选择医学这一叙利亚最热门的专业。

“我来自一个医学世家，我的父亲是医生，爷爷是医生，大部分叔叔姑姑也都是医生，当时我理所当然地要学医了。”卡塔比在接受采访时说道。在大学里度过了第一年之后，卡塔比成为班里成绩最好的学生，但是卡塔比非常喜欢数学，而且在她看来，“在医学院里学习人类的生理，一切都是固定的知识，但是如果学习工程学，就可以发挥想象力，自主设计全新的系统。”所以，卡塔比做了一个出乎所有人意料的决定，她转学到大马士革大学，学习不那么热门的电气工程专业。

“因为这件事情，我和父母大吵了一架。虽然当时叙利亚的社会风气是很自由的，但父母担心，进入一个女性比例很低的行业会对将来找工作不利。”卡塔比说道，“即使在美国，电气工程专业的女学生也只占10%到15%。”然而，身为女性并没有影响卡塔比的学习成绩，她仍然是最优秀的。毕业之后，卡塔比顺利考入了世界最顶尖的科学殿堂——麻省理工学院，但这一次她又换了专业，因为她开始对计算机感兴趣，所以，她攻读的是计算机科学硕士学位。

1998年，卡塔比拿到了硕士学位，她继续在麻省理工学院攻读计算机科学博士学位，师从计算机领域的顶级专家、曾是互联网协议主要设计师的大卫·克拉克。2003年，卡塔比成功拿到了博士学位。她的博士论文与网络协议有关，这是克拉克的专业领域，但是卡塔比用了不寻常的方式加以研究。在互联网中，网络管理的一个核心问题是对于网络拥塞的控制。当网络中存在过多的数据包时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。在网络发生拥塞时，会导致信息吞吐量下降，严重时会发生“拥塞崩溃”的现象。

卡塔比从电气控制理论中找到了分析了大型动态系统行为的理论，创造性地将其用于设计新的网络协议。使用这些电气控制理论，卡塔比不仅帮助计算机专家设计出更好的拥塞控制机制，还可以在数学上保证这些机制在无论多大的网络系统中都能有效。

卡塔比的博士工作得到了计算机学界很高的评价。比如，世界上最大的网络设备制造商思科公司就已经将卡塔比处理网络拥塞的理论应用到产品设计中，而在卡塔比提交了博士论文12年之后，她获得了美国计算机协会网络与通信组颁发的“时间考验奖“。这是一个计算机学界里倍受尊崇的大奖，只有在过去至少十年时间里，那些证明了自身非凡贡献和影响力的工作才有资格获此殊荣。

实现Wi-Fi的网络编码

凭借博士阶段出色的工作，麻省理工学院迅速把卡塔比“抢购“下来，将她录用为教员。卡塔比教授的第一门研究生课程是《数据通信网络》，她和信息理论学家穆丽尔·梅达尔德以及塞西尔·H·格林教授联合授课。在那个时候，梅达尔德正在研究网络编码，这是一个信息理论中非常有前途的新课题。

按照传统互联网的路由，数据传送的方式是存储转发，即除了数据的发送节点和接收节点以外，中间节点只扮演着转发器的角色，而不对数据内容做任何处理。如果一个数据包从波士顿的一台电脑输送到加利福尼亚的一台电脑，所有的比特都在一起运输，而网络中的每一个数据包都遵循着各自单一确定的路径。如果顺着这个路径的一处节点拥塞了，那么这个数据包就可能传送不到了。

但是，网络编码就可以解决这个问题。利用网络编码，中间节点就不止扮演数据转发器的角色了，它们还会对传输的数据包进行重新编码。这些中间节点可以将一个时间段内收到的数据内容整合，做一些数学处理，然后把整合后的数据信息沿着所有可用的路径发到下游节点。如果某处节点拥塞了，那么路由器把这里的数据丢掉就行了，更下游的节点会根据编码判断出遗失的部分，最终在目的端，所有信息都会被演绎还原。这样一来，数据包不仅不会遗失，而且多个数据包中重复的部分不必反复传输和复制了，这可以提高信息的传输量。

卡塔比和她的学生一起展示了网络编码在无线网络中的实效。在麻省理工学院斯塔特中心一个覆盖两层楼的Wi-Fi网络中，卡塔比设计的网络编码使无线网络的容量增加了3倍。如今，她们的编码工作已经商业化，一些无线网络公司的设备利用她们的网络编码，能够将传统Wi-Fi网络的速度提升5倍。

此后，卡塔比并没有停止理论创新，2012年，卡塔比又将目光投向了计算机科学领域中一个最重要的理论——傅里叶变换。

在数学上，傅里叶变换是一种用于处理数据流的算法。它的基本原理是，所有信号，比如录音，都可以表现为一系列不同频率、振幅的正弦、余弦波的组合。进行傅里叶变换之后，对这组信号的处理就会相对容易些，我们可以用傅里叶变换来压缩一段录音或消除噪音。然而，卡塔比意识到，我们关注的信息大都拥有不同的波结构，比如，音乐与不规则噪声的结构就完全不同。实际上，对我们有用的东西通常只是信号中的少部分有价值的片段，也就是说，信息是“稀疏”的。

所以，卡塔比提出了一种新式的稀疏傅里叶变换，它不需要对所有可能的数据流都进行处理，只需要对有价值的片段进行处理，这意味着，在处理既定量的信息时只需更少的计算量，这对于智能手机这类使用无线网络的设备来说，不啻于天赐福音。稀疏傅里叶变换被麻省理工学院评为网络领域的十大突破性技术之一。

Wi-Fi魔术——“shield”、“MagMIMO”、“WiTrack”

作为跨学科出身的计算机科学家，卡塔比不但改进了无线网络所用的算法理论，而且更善于将理论的研究成果加以应用。她喜欢将计算机科学和物理学或者医学结合起来，创造出新型的无线网络应用系统。

比如，卡塔比将无线网络的抗干扰技术用于医疗。她发明了一种叫做“盾”（“shield”）的无线设备。这种“盾”非常轻巧，可以像手表或者吊坠一样佩戴。如果一个未授权的无线电波想要访问病人体内的无线设备，比如心脏起搏器，“盾”可以将其屏蔽掉，但是另一方面，“盾”却可以帮助传播拥有正确密钥的信号。在一些紧急情况下，医务人员如果想对植入病人体内的无线设备发出新的指令，那么把“盾”摘下来就可以了。卡塔比的这项发明，另外加上她对于解决网络拥堵、提升了Wi-Fi通信能力的贡献，使她获得了象征跨领域最高综合研究成果的麦克阿瑟天才奖。

除了中规中矩的使用无线网络，卡塔比比其他计算机科学家更善于利用无线信号的物理性质，这使她好像魔术师一样，把一些奇思妙想变成了现实。比如，用Wi-Fi来充电的“MagMIMO”技术，以及用Wi-Fi来做“监视运动物体”的“WiTrack”技术。

其实，现在已经有一些无线充电技术存在了，但目前无线充电的最远充电距离也只有4.5厘米，而且设备也必须摆放到正确的位置，这并不比有线充电更方便。卡塔比和学生研发的“MagMiMo”技术另辟蹊径，采用了类似Wi-Fi路由器的工作原理，可以做到远距离为手机充电，并打破对电子设备的摆放位置的限制。使用MagMIMO无线充电技术，你所需要做的只是在办公桌抽屉里或侧面安装一个发射线圈，给手机安装一个接收线圈，然后不用将手机从口袋里掏出来就能实现对手机充电。

所有这些优点得益于一项原本在高端路由器上使用的技术，卡塔比将这种技术移植到了MagMIMO无线充电技术里。当高端路由器探测到某个电子设备要接入网络时，路由器能加大无线信号强度，直接将无线信号朝向该电子设备发射。MagMIMO无线充电技术同样也采用了此技术，只是它利用的是磁场。MagMIMO无线充电设备能很容易地探测出手机，在与手机连接后，无线充电设备随即朝手机或平板电脑发射锥形磁场能量波束，手机或平板电脑的接收线圈能将磁场能量转化成电流，为电池充电。

如今， 在实验室里，MagMIMO无线充电技术可以做到为30厘米外的手机进行充电，卡塔比最终的目的是研制出能对一间房子内任何一台电子设备进行无线充电的技术。即，使用者在房间里走动或者坐下的时候，他口袋里的手机已经开始充电了。如果这项技术能够商业化，那么无线网络路由器将会成为最广泛使用的充电设备。

卡塔比和她的学生还探索了一种Wi-Fi无线电波的新用途：可以监视物体的运动或者透视墙体。由于Wi-Fi也是无线电波，当它遇到物体时，就会被反射，并且反射信号会受到物体形状和状态的影响，那么以某种方式处理反射回来的信号，就可以获得物体运动的信息。她的学生们已经开发出了这种技术，称之为“WiTrack”。“WiTrack”系统主要通过对外发射穿透墙面的Wi-Fi信号，并通过其反射回来的方式判断出墙面另一端物体的主要轮廓和移动情况。为了更好的获得回传信号，该系统会同时发射出两道频率不同的Wi-Fi信号。如果其中一道信号检测到一个静止不动的物体，那么另一道信号则不会继续对该物体进行探测。如果该系统探测到了移动的物体，那便可以在设备屏幕中进行成像显示，而且，该系统甚至还可以实时监控到探测对象的不同动作。

这其实和雷达或者声呐的工作原理是类似的。但是Wi-Fi信号有许多优势。它覆盖广泛，可以穿墙，不需要借助价格昂贵的庞大设备。这种技术的核心是一套编码机制，可以通过芯片实现，并整合进智能手机。卡塔比认为，这使得“WiTrack”具有广阔的应用前景。比如在诸如房屋倒塌和地震等灾后搜救工作方面发挥作用，或者警察可以使用这一设备，在夜间突袭犯罪分子老巢前预先探测屋内的移动情况，甚至它还可以帮助在两个房屋内用游戏手柄玩电脑游戏的人相互配合。“WiTrack”还可以应用于医疗中，用来检测婴儿的心率、防止婴儿猝死，或者在老年人将要跌倒时提醒医务人员。

如今，卡塔比那令人叹为观止的科研能力给她带来了大量的荣誉。她拿下了象征跨领域最高综合研究成果的麦克阿瑟天才奖、用于表彰杰出青年科学家的格雷斯·穆雷·霍帕奖，2015年又获得了奖励计算机教学贡献的杰罗姆·萨特泽教学奖。现在，卡塔比教授已经是麻省理工学院无线网络中心的主任，领导着全世界最顶级的研究小组。可以期待，卡塔比的神奇魔术还将继续下去。