高斯信道

正态分布

正态分布的微分熵

\(\newcommand{\d}{\text{ d}}\)\(\newcommand{\E}{\mathbb{E}}\)当\(X\)满足正态分布\(N(\mu,\sigma^2)\)时，\(f(x)=\dfrac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}\)。我们以\(e\)为底数计算\(h(X)=-\displaystyle\int_S f(x)\ln f(x)\d x\)，那么\(h(X)=-\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\ln\dfrac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}\d x\)\(=-\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\ln\dfrac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}\d x-\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\ln e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}\d x\)\(=-\ln\dfrac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\d x+\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\cdot \frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\d x\)，第一项根据概率密度函数的定义\(\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\d x=1\)，第二项中根据方差的定义\(\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x)\cdot {(x-\mu)^2}\d x=\E[(X-\E[X])^2]=\text{Var}(X)=\sigma^2\)，于是\(h(X)=\dfrac{1}{2}\ln(2\pi\sigma^2)+\dfrac{1}{2}=\dfrac{1}{2}\ln(2\pi e\sigma^2)\)。

高维正态分布

\(\newcommand{\Cov}{\text{Cov}}\newcommand{\Var}{\text{Var}}\)对于\(n\)维随机向量\(X=(X_1,\cdots,X_n)\)，定义随机向量的期望\(\E[X]=(\E[X_1],\cdots,\E[X_n])\)。相应的，随机矩阵的期望也定义为每一项的期望形成的矩阵。那么，定义随机向量\(X\)的协方差(Covariance)矩阵为\(\Cov(X)=\E[(X-\E[X])(X-\E[X])^\top]\)。对于\(i,j\in[n]\)，\(\Cov(X)_{ij}=\E[(X_i-\E[X_i])(X_j-\E[X_j])]\)就称为\(X_i,X_j\)的协方差。注意到，\(\Cov(X)_{ii}=\E[(X_i-\E[X_i])^2=\Var[X_i]\)，方差是一个随机变量与自己的协方差。如果\(X_i,X_j\)独立，那么\(\Cov(X)_{ij}\)\(=\E[X_iX_j]-2\E[X_i]\E[X_j]\)\(+\E[X_i]\E[X_j]=0\)，也即独立随机变量的协方差为0。显然，协方差矩阵是对称的。同时，我们证明协方差矩阵是半正定的：\(\forall x\in \R^n\)，\(x^\top \Cov(X)x=x^\top\E[(X-\E[X])(X-\E[X])^\top]x\)\(=\E[x^\top(X-\E[X])(X-\E[X])^\top x]=\E[((X-\E[x])^\top x)^2]\geq 0\)。

如果存在一个\(n\times n\)的矩阵\(A\)以及一个\(n\)维向量\(\mu\)满足\(X=A\xi+\mu\)，其中\(\xi=(\xi_1,\cdots,\xi_n)\)，\(\xi_i\sim N(0,1)\)且相互独立，就称\(X\)满足高维正态分布。下面我们计算一个满足高维正态分布的随机向量\(X\)的协方差矩阵：\(\Cov(X)=\Cov(A\xi+\mu)\)\(=\E[(A\xi+\mu-\E[A\xi+\mu])(A\xi+\mu-\E[A\xi+\mu])^\top]\)\(=\E[(A\xi-\E[A\xi])(A\xi-\E[A\xi])^\top]\)，而\(\E[\xi]=0\)，那么\(\Cov(X)=\E[(A\xi)(A\xi)^\top]=A\E[\xi\xi^\top]A^\top\)。\(\forall i\neq j\)，\(\E[\xi_i\xi_j]=\E[\xi_i]\E[\xi_j]=0\)；\(\E[\xi_i^2]=\E[\xi_i^2]-\E[\xi_i]^2=\Var[\xi_i]=0\)，因此\(\E[\xi\xi^\top]=I\)，因此\(\Cov(X)=AA^\top\)。可见，高维正态分布的协方差矩阵由\(A\)描述，我们把\(AA^\top\)记为\(K\)。

在概率论中我们证明了高维正态分布有density \(f(x)=\dfrac{1}{(2\pi)^{\frac{n}{2}}|K|^\frac{1}{2}}e^{-\frac{1}{2}(x-\mu)^\top K^{-1}(x-\mu)}\)（见雷神笔记 Lecture17），可见\(n\)维正态分布只与\(\mu,K\)有关，记为\(X\sim \mathcal{N}(\mu,K)\)。此时可以计算化简得到\(h(f)=-\displaystyle\int_{\R^n}f(x)\ln f(x)\d x=\dfrac{1}{2}\ln [(2\pi e)^n\cdot |K|]\)。

正态分布的最大熵性质

正态分布是一种如此特殊的分布：当满足随机变量给定期望和方差时，当且仅当它满足正态分布时微分熵最大。在中心极限定理中我们也能隐约感受到这一点，因为任何分布重复累加后都会趋向正态分布，这说明正态分布总能对应所有的可能性，也就是最大的不确定性。严格地，我们要证明对于任意随机变量\(X\)，若\(\E[X]=\mu,\Var[X]=\sigma^2\)，则\(h(X)\leq \dfrac{1}{2}\ln(2\pi e\sigma^2)\)，当且仅当\(X\sim N(\mu,\sigma^2)\)时取到等号。

我们用相对熵的非负性来证明这一点。对任意满足要求的\(X\)，取\(X_G\sim N(\mu,\sigma^2)\)。那么成立\(D(f_X||f_{X_g})\geq 0\)，也即\(\displaystyle\int_{\R}f_X(x)\ln \dfrac{f_X(x)}{f_{X_g}(x)}\d x\geq 0\)。那么\(\displaystyle\int_{\R}f_X(x)\ln f_X(x)\d x\geq \displaystyle\int_{\R}f_X(x)\ln f_{X_g}(x)\)，代入得到\(-h(f)\geq \displaystyle\int_{\R}f_X(x)\ln \left(\dfrac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}}\right)\d x\)\(=\ln\dfrac{1}{\sqrt{2\pi\sigma^2}}-\displaystyle\int_{\R}f_X(x)\cdot \frac{(x-\mu)^2}{2\sigma^2}\d x\)\(=-\dfrac{1}{2}\ln(2\pi\sigma^2)-\dfrac{1}{2}\)。整理得\(h(f)\leq \dfrac{1}{2}\ln(2\pi e\sigma^2)\)。注意到\(f_X=f_{X_g}\)时取到等号，也即\(X\sim N(\mu,\sigma^2)\)。

高斯信道(Gaussian Channel)

应用最广泛的连续信道是高斯信道。在这里，输入信息允许被编码成连续的随机变量\(X\)。在这个模型下，我们假定\(X\)以“叠加”的方式受到一个噪声\(Z\)，\(Z\)满足正态分布\(\mathcal{N}(0,N)\)，输出\(Y=X+Z\)。其中，\(X\)与\(Z\)独立。

由于\(Z\)的分布随指数递减，大部分的density都集中在\(0\)附近。所以如果我们能够任意选择\(X\)的编码方式，我们完全可以把所有信息都编码在原理\(0\)的位置，这样噪声就几乎不能对信源造成影响。但在实际中\(X\)的编码是有代价的，\(X\)的编码越偏离\(0\)点所需的代价越高。因此在信息论中，我们定义高斯信道的能量限制(Energy Constraint)：我们规定\(X\)的二阶矩不能超过常数\(P\)，也即添加额外限制\(\E[X^2]\leq P\)。那么高斯信道的容量写作\(C=\max\limits_{f(x):\E[X^2]\leq P}I(X;Y)\)。

高斯信道的容量可以化简为只关于方差\(N\)与能量限制\(P\)的表达式。注意到由于\(Y\)是由\(X+Z\)定义的，\(I(X;Y)=h(Y)-h(Y\mid X)=h(Y)-h(X+Z\mid X)\)\(=h(Y)-h(Z\mid X)=h(Y)-h(Z)\)，其中\(h(Z)\)已知等于\(\dfrac{1}{2}\ln(2\pi eN)\)。而\(\Var[Y]=\E[Y^2]-\E[Y]^2\leq \E[Y^2]=\E[(X+Z)^2]\)\(=\E[X^2]+2\E[X]\E[Z]+\E[Z^2]\)\(=\E[X^2]+0+\Var[Z]=\E[X^2]+N\leq P+N\)。根据最大熵原则，\(h(Y)\leq \dfrac{1}{2}\ln(2\pi e\Var[Y])\leq \dfrac{1}{2}\ln(2\pi e(P+N))\)。综上，\(I(X;Y)\leq \dfrac{1}{2}\ln(2\pi e(P+N))-\dfrac{1}{2}\ln(2\pi eN)=\dfrac{1}{2}\ln\left(1+\dfrac{P}{N}\right)\)。而当\(X\sim \mathcal{N}(0,P)\)时等号成立，因此\(C=\dfrac{1}{2}\ln\left(1+\dfrac{P}{N}\right)\)。这就是高斯信道容量的一般表达式。

为什么我们总是假设噪声满足正态分布呢？Shannon证明了，在所有以叠加方式产生干扰的噪声\(Z\)中，如果方差给定，那么正态分布一定是使得信道容量最小的噪声——正态分布产生的干扰是最强的。严格地，可以证明\(\min\limits_{\E[Z^2]\leq N}\max\limits_{\E[X^2]\leq P}I(X;X+Z)=\max\limits_{\E[X^2]\leq P}I(X;X+Z),Z\sim \mathcal N(0,N)\)。