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揭秘信道容量:从数学模型到信息传输极限

揭秘信道容量:从数学模型到信息传输极限

4.1 信道的数学模型及其分类

4.1.1 信道的基本概念和研究方法

信道是信息传输的通道,作用是将发送端输入符号变换为接收端输出符号,传输过程会引入噪声与干扰,造成接收符号失真。
信道研究的核心目标:刻画输入、输出之间的统计依赖关系,求解信道能够可靠传输信息的最大速率,也就是信道容量。

离散信道模型包含三要素:

  1. 输入符号集合X={x1,x2,…,xr}X=\{x_1,x_2,\dots,x_r\}X={x1​,x2​,…,xr​},rrr是输入符号个数
  2. 输出符号集合Y={y1,y2,…,ys}Y=\{y_1,y_2,\dots,y_s\}Y={y1​,y2​,…,ys​},sss是输出符号个数
  3. 转移概率P(yj∣xi)P(y_j|x_i)P(yj​∣xi​):发送xix_ixi​时,收到yjy_jyj​的条件概率,满足
    ∑j=1sP(yj∣xi)=1\sum_{j=1}^{s} P(y_j|x_i)=1j=1∑s​P(yj​∣xi​)=1

重点:信道属于统计模型,不是确定映射,分析信道核心依靠转移概率。

4.1.2 信道分类

  1. 按照输入输出取值:离散信道、连续信道
    离散信道:输入、输出都是离散符号,为本章研究对象;
    连续信道:输入、输出为连续模拟信号,例如高斯信道。

  2. 按照记忆特性:无记忆信道、有记忆信道
    离散无记忆信道:当前时刻输出只和当前输入有关,和过往符号无关。
    P(y1y2⋯yN∣x1x2⋯xN)=∏k=1NP(yk∣xk)P(y_1y_2\cdots y_N | x_1x_2\cdots x_N) = \prod_{k=1}^{N} P(y_k|x_k)P(y1​y2​⋯yN​∣x1​x2​⋯xN​)=k=1∏N​P(yk​∣xk​)
    有记忆信道:输出和历史输入输出有关,比如多径信道、衰落信道,分析难度更高。

  3. 按照转移概率是否随时间变化:时不变信道、时变信道
    时不变信道:转移概率固定不变;
    时变信道:转移概率随时间改变。

  4. 按照噪声特性:对称信道、非对称信道、无损信道、确定信道等

4.1.3 离散信道转移概率矩阵

转移矩阵的行对应输入符号,列对应输出符号,矩阵每一行所有元素相加等于1。


4.2 离散无记忆信道的平均互信息量

单符号离散信道:输入分布P(x)P(x)P(x),输出分布P(y)P(y)P(y),联合分布P(xy)=P(x)P(y∣x)P(xy)=P(x)P(y|x)P(xy)=P(x)P(y∣x)。
平均互信息三个等价公式:
I(X;Y)=H(X)−H(X∣Y)I(X;Y)=H(X)-H(X|Y)I(X;Y)=H(X)−H(X∣Y)
I(X;Y)=H(Y)−H(Y∣X)I(X;Y)=H(Y)-H(Y|X)I(X;Y)=H(Y)−H(Y∣X)
I(X;Y)=H(X)+H(Y)−H(XY)I(X;Y)=H(X)+H(Y)-H(XY)I(X;Y)=H(X)+H(Y)−H(XY)

4.2.1 平均互信息的性质

  1. 非负性:I(X;Y)≥0I(X;Y)\ge 0I(X;Y)≥0
    当且仅当X、Y相互独立时取等号,代表信道没有传递信息。
  2. 对称性:I(X;Y)=I(Y;X)I(X;Y)=I(Y;X)I(X;Y)=I(Y;X)
    从Y获取X的信息,等于从X获取Y的信息。
  3. 凸性
  • 信道固定,I(X;Y)I(X;Y)I(X;Y)关于输入分布P(x)P(x)P(x)上凸;
  • 输入分布固定,I(X;Y)I(X;Y)I(X;Y)关于转移概率P(y∣x)P(y|x)P(y∣x)下凸。

凸性是求解信道容量的数学基础。

  1. 取值范围:0≤I(X;Y)≤min⁡{H(X),H(Y)}0\le I(X;Y)\le \min\{H(X),H(Y)\}0≤I(X;Y)≤min{H(X),H(Y)}

4.2.2 N次扩展离散无记忆信道

N次扩展信道一次传输N个符号,输入序列XN=(X1,X2,…,XN)X^N=(X_1,X_2,\dots,X_N)XN=(X1​,X2​,…,XN​),输出序列YN=(Y1,Y2,…,YN)Y^N=(Y_1,Y_2,\dots,Y_N)YN=(Y1​,Y2​,…,YN​)。
无记忆条件:
P(yN∣xN)=∏i=1NP(yi∣xi)P(y^N|x^N)=\prod_{i=1}^{N} P(y_i|x_i)P(yN∣xN)=i=1∏N​P(yi​∣xi​)
互信息满足:
I(XN;YN)≤∑i=1NI(Xi;Yi)I(X^N;Y^N)\le \sum_{i=1}^{N} I(X_i;Y_i)I(XN;YN)≤i=1∑N​I(Xi​;Yi​)
输入符号相互独立时取等:
I(XN;YN)=N⋅I(X;Y)I(X^N;Y^N)=N\cdot I(X;Y)I(XN;YN)=N⋅I(X;Y)


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