形式陈述
设有限无记忆信道 具有无噪、即时、免费的输出反馈:第 次输入可以是消息 与过去输出 的函数 。接收端在固定总次数 后必须对每个可能输出轨迹正确译码。
与无反馈零错误容量公理库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。不同,这里需要保留每个输出的相容输入集合
这些集合组成支持超图。定义分数打包数公理库线性规划Linear programming · LP在线性等式和不等式约束下优化线性目标函数的问题。
由有限维 LP 强对偶公理库线性规划对偶Linear programming duality · LP duality从线性约束生成对偶界,并以弱对偶、强对偶和互补松弛连接两侧最优解。,其对偶是选择输出权重 ,使每个输入被至少一单位权重覆盖:
Shannon 反馈零错误定理为
是完全图不是完全图第二种情况等价于无反馈零错误容量为正。这个例外不能删掉:完全图的支持超图仍可能有 。[1,2]
本页使用固定最坏总块长,不把随机停止时间的期望长度当成分母。输出是否可出现由转移条件概率公理库条件概率Conditional probability在已知正概率事件发生后,把交集概率重新规范到该事件内部。的正支持决定,正概率的具体大小不进入式 (2)。
直觉
没有反馈时,每条消息事先对应一整串输入。反馈让发送端也知道接收端目前看到了什么,因此双方能同步维护“仍有可能的消息集合”,在下一次使用前重新分配这些候选。
分数打包告诉我们怎样把候选消息按比例分配给输入,使任何可能输出都只留下至多约 的候选。整数分配会留下一个常数级尾巴;如果存在一对完全可区分的输入,就能再用常数次信道使用把这小尾巴精确区分完。
例子与边界
五边形从√5提高到5/2
令输入 可能输出 或 ,下标模5。每个输出 的相容输入为 。取每个 ,每个约束恰好等于1,总权重 。
反向把五个约束相加,每个 被数两次,得 ,所以 。信道本来有两个支持不交的输入,因此
高于无反馈的 。
例如当前有25条候选消息,把它们均分到五个输入,每个5条。不论输出哪个 ,只留下对应两个输入下的10条候选。因为发送端得到反馈,下一轮可以把这10条重新均分,再缩到4条。没有反馈时,发送端不能根据实际输出重新安排这张候选分配表。
为什么完全图仍无法起步
取三个输入 ,输出分别标成 ,一个输入可产生包含自己的两个输出。混淆图为 ,但三个权重都取 可得到 。
仍然不能用任何有限次数传两条零错误消息。给定一段共同输出历史,两个候选消息的下一输入无论是什么,都有共同可能输出;选择该输出,就让两条消息继续同时存活。如此递归到最后,它们仍不能区分。因此 ,不是 。
二元对称信道 同样有完全混淆图,反馈不能创造第一对可区分消息。那里的每个输出超边都是全部输入,恰好 ;三角形例子则进一步说明式 (2) 的分支条件确实不可省。
推论与应用
对偶权重给任何反馈策略的上界
固定一份零错误反馈策略。某一输出历史之后,设还有 条候选消息;它们按下一次输入分成各组,大小为 ,总和为 。若下一输出为 ,剩余数量为
用式 (1) 的最优对偶权重,
因为 ,至少存在一个实际可能输出,使 。沿每一轮都选这样的输出, 次后至少还留 个候选。零错误译码要求末尾至多一个,所以
这只是选择一条正概率输出轨迹来检验最坏情况,并不把原信道改成另一个随机模型。
分数比例、整数舍入与常数收尾
现在假设 不完全,取最优打包 ,令 、、。于是对每个输出,。
当前候选数为 时,双方按约定次序把候选分配给输入,令各组大小为 或 ,且总和仍为 。这种分配可由先取下整、再补剩余名额实现。于是任何下一输出保留的候选数满足
反馈保证双方知道相同的候选集合,因此下一轮能重新使用这份分配。连续 次后,
取 ,则剩余数至多常数
由于图不完全,存在两个输出支持不交的输入,可以每次零错误传一位。双方已知道同一个候选列表,只需再发 位确定其中哪条是真消息;这是独立于 的最坏长度开销。总率趋于 ,证明可达性。
完全图的分数收缩也可能把大列表缩到常数,却没有这最后的零错误二元信道。这正是例外出现的机制。
支持超图不能只换成混淆图
考虑混淆图 。若三角形由三个两点输出超边产生,另一个孤立输入有专属输出,则 。若三角形改由一个包含全部三点的输出超边产生,仍是同一混淆图,但 。
两图都有独立输入对,所以反馈容量分别为 与1。只知道两两混淆关系无法区分它们。分数团覆盖公理库分数团覆盖的零错误容量上界Fractional clique cover bound给混淆图的团赋覆盖权重,利用独立集每团至多一点和乘积团证书上界全部块长,并用原对偶精确计算C5的5/2。用的是图的所有团,而式 (1) 只使用信道真实输出的超边;五边形中两者相同,是该支持结构的特性。
参考资料