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定义Definition

Shannon 零错误容量与强图积

Shannon capacity of a graph

由无记忆支持推导强图积,证明独立数的超乘性及容量极限,并用五个二字码展示联合编码收益。

形式陈述 ​

设 G 是有限非空简单混淆图。它的强积 G⊠H 以顶点对 (x,y) 为顶点;两个不同顶点 (x,y),(x′,y′) 相邻,当且仅当

(1)(x=x′ 或 x∼Gx′)且(y=y′ 或 y∼Hy′).

记 G⊠n 为 n 次强幂。无记忆信道上,两个输入串可能产生相同输出串,恰好是每一坐标的输入相等或相邻。所以无反馈、固定块长 n 的最优零错误消息数为

Mn=α(G⊠n).

图的 Shannon 容量定义为消息增长因子

(2)Θ(G)=limn→∞α(G⊠n)1/n=supn≥1α(G⊠n)1/n.

对应的信息率是

C0(W)=log2⁡Θ(GW)bit/use.

Θ 本身不是每次使用的比特数;文献也有直接把取对数的量称作图容量的约定,使用公式前应先核对。[1]

直觉

两个串要发生混淆,每一坐标都必须能“配合”产生同一输出。只要有一个坐标明确不能混淆,整对串就能区分。这给设计者留下空间:第一坐标很相近的两条消息,可以故意把第二坐标放得很远。

逐次独立选一次最优码,只利用了每一坐标都安全的方案;联合编码允许不同消息对在不同坐标被区分,可能获得更大的总码本。

红框标出00在强积中的闭邻域,含自身和与它混淆的输入;其余四个蓝色码点都在框外。模5的首尾相邻也已计入。

例子与边界

两次五边形信道传五条消息 ​

一次 C5 只有两个互不混淆输入。两次联合使用时,选择

C={(i,2imod5):i=0,1,2,3,4}={00,12,24,31,43}.

任取两个不同码字,令第一坐标差为 d∈{1,2,3,4}。若 d=±2(mod5),第一坐标已经不相邻。若 d=±1,第一坐标虽然相邻,第二坐标差为 2d=±2,所以第二坐标不相邻。

因此每一对都由某一坐标区分,五个码字构成强积中的独立集。于是

α(C5⊠2)≥5>22,Θ(C5)≥5.

这已经证明两次独立选码不是最优。要把下界升级为精确容量,还需对所有块长的上界;Lovász theta 函数给出的正是 5。

为什么极限存在 ​

若 I 是 G⊠r 的独立集、J 是 G⊠s 的独立集,把两段串拼接得到 I×J。任意两份拼接串只要在某一段不同,就由该段的独立性找到不混淆坐标。因此

α(G⊠(r+s))≥α(G⊠r)α(G⊠s).

令 an=log2⁡α(G⊠n),并置 a0=0(空块只有一个码字),则 ar+s≥ar+as,并有 0≤an≤nlog2⁡|V(G)|。

固定块长 r,把 n=kr+t,0≤t<r。由超可加性,an≥kar+at≥kar,故

lim infn→∞ann≥arr.

它对每个 r 成立;另一方面每项 an/n 都不超过这些比值的上确界。因此上下极限相同,极限等于上确界,式 (2) 得证。这不表示某个有限块长一定达到极限。

三种容易混淆的图积 ​

强积要求每一坐标“相等或相邻”。笛卡尔积只连接恰有一个坐标改变且该坐标相邻的顶点;OR 积则只要某个坐标相邻就连边,而不管其他坐标。它们给出不同约束。

例如 C5 中的串 00 与 12,第一坐标相邻、第二坐标不相邻:在强积中不相邻,可以同处零错误码;在 OR 积中相邻。把 OR 积误放进式 (2),会直接否定刚才的五消息码。

推论与应用

完全图的所有强幂仍完全,故 Θ(Km)=1;无边图的强幂仍无边,故 Θ(K―m)=m。因此有限信道具有正的无反馈零错误容量,当且仅当存在一对输出支持不交的输入,也就是混淆图不完全。

普通Shannon 信道容量允许错误概率随块长趋零,可删除极小概率的坏事件;严格零错误容量不允许这一步。两者都研究长块,但错误标准不同,不可直接把 maxI(X;Y) 代入式 (2)。

分数团覆盖和 theta 都给出跨越全部块长的证书。另一个对偶方向是Witsenhausen 率:发送源描述时要给强幂的全部顶点着色,而不是从中选一个独立集。相同图积因此出现于两个不同的优化任务。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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