信道容量是通过通信信道可靠传输信息的根本极限。在信息论中,其操作性定义为:随着信道使用次数增加,译码错误概率趋于零的编码方案所能达到的速率的上确界。容量取决于信道的统计特性及其输入所受的限制。通常以每次信道使用传输的比特数为单位;对于连续时间系统,则以比特每秒为单位。克劳德·香农在其 1948 年的论文《通信的数学理论》中,建立了这一概念的数学框架。(ocw.mit.edu)
数学定义
离散无记忆信道具有输入字母表 、输出字母表 和转移概率 。这些转移概率给出了发送输入 时观测到输出 的条件概率。“无记忆”是指,在给定输入序列的条件下,输出的条件分布满足乘积形式:
对于有限字母表,信道容量为
其中, 和 分别是输入和输出随机变量, 是输入的概率分布, 是二者的互信息。优化时,信道的转移规律保持不变,仅改变输入分布。采用以 2 为底的对数时,
因此,容量衡量的是每次使用信道时,输出所能传达的关于输入的最大信息量。(ocw.mit.edu)
等价地,
其中, 是信息熵, 是条件熵。第一项衡量输出的不确定性;第二项衡量已知输入后仍然存在的不确定性。因此,仅使输出熵最大化通常是不够的。对于连续字母表或受约束的输入,通常将最大值替换为在所有允许的分布上取上确界。(ocw.mit.edu)
操作意义与编码定理
分组码将 个可能消息中的每一个映射为长度为 的输入序列。译码器根据接收到的序列估计所发送的消息。其信息速率为
有噪信道编码定理表明,对于有限离散无记忆信道,任何严格小于 的速率,都可以由错误概率趋于零的一系列编码方案来逼近。反之,以高于 的固定速率进行可靠传输是不可能的。容量是一个上确界:该定理一般不保证在恰好 时,错误概率也能趋于零。(ocw.mit.edu)
纠错码引入具有特定结构的冗余,使不同消息即使受到噪声影响,仍然可以相互区分。可实现速率计算的是消息所含的信息量,而不是所传输的全部编码符号。可靠性是一种渐近性质,并不意味着任何一次有限长度的传输都能保证没有错误。有限码长、译码复杂度和时延还会带来容量数值本身之外的额外约束。(ocw.mit.edu)
基本信道模型
对于具有 个不同输入符号、且输出能准确复现这些符号的无噪信道,
输入采用均匀分布时即可达到这一容量。因此,无噪二元信道每次使用可传输一个比特。如果所有输入对应的输出分布都相同,则输入与输出相互独立,容量为零。(ocw.mit.edu)
二元对称信道以概率 独立地翻转每个传输的比特。其容量为
等概率输入可达到容量。当 时,输出不包含任何关于输入的信息。当 时,每个比特都必然被翻转,因此将输出取反即可恢复输入,容量仍为每次使用一个比特。(ocw.mit.edu)
二元擦除信道以概率 正确复现输入比特,否则输出一个专门的擦除符号。其容量为
与未被察觉的比特翻转不同,擦除会明确指出接收序列中哪个位置缺失了信息。由于这一差别,即使两种信道发生输出损坏的概率相同,其容量公式也不同。(ocw.mit.edu)
高斯信道与物理约束
对于实值加性高斯白噪声信道,
其中,噪声 与输入独立,服从均值为零、方差为 的正态分布。在通过期望值表示的平均输入约束 下,容量为
比特每次实值信道使用。均值为零、方差为 的高斯输入可以达到这一上确界。输入约束至关重要:如果不限制输入功率,这一理想化信道的容量将没有上限。(ocw.mit.edu)
对于理想的连续时间带限高斯信道,相应的表达式为
比特每秒。其中, 是以赫兹为单位的带宽, 是平均接收信号功率, 是该带宽内的噪声功率。二者之比为信噪比。这一公式以所指定的高斯噪声模型和功率约束为前提,并非适用于所有物理通信媒介的通用公式。(ocw.mit.edu)
计算与推广
对于给定的有限信道,互信息是输入分布的凹函数,因此容量求解属于凸优化问题。有时可以利用对称性得到解析解。否则,可使用布拉胡特–阿里本算法迭代改进输入分布,并以数值方式计算容量。(ocw.mit.edu)
讨论容量时,还必须明确具体的通信条件。有记忆信道未必满足上述单次使用信道的公式。无噪因果反馈不会增加离散无记忆信道的容量,但可以改善编码的其他性能。零错误容量提出了更强的要求:译码错误必须不可能发生,而不仅仅是发生的概率越来越小。对于多用户信道,应使用速率组合的可达区域来描述,而不是用单一的标量极限。(ocw.mit.edu)