Исходя из такого рода соображений, А.Н.Колмогоров определил сложность двоичной строки как длину кратчайшей программы для универсального компьютера, способной генерировать эту строку. (Такое представление о сложности независимо и почти одновременно предложили Г.Чайтин и Р.Соломонофф.) Универсальный компьютер можно рассматривать как машину Тьюринга, которая может моделировать любой другой универсальный компьютер. На первый взгляд кажется, что предложенное А.Н.Колмогоровым определение сложности бесполезно, поскольку зависит от возможностей конкретного компьютера. Но это не так, поскольку любой универсальный компьютер может моделировать любой другой универсальный компьютер, то любая программа, написанная для одного компьютера, может быть конвертирована в программу для другого компьютера путем добавления в качестве префикса «программы имитации», имеющей постоянную длину. Опираясь на эту идею, можно показать, что величина сложности по существу не зависит от компьютера. Внутренняя сложность описания любого объекта не зависит от компьютера или лица, описывающего данный объект. При некоторых предположениях можно доказать, что сложность по Колмогорову есть не что иное, как шенноновская энтропия. Иначе говоря, в среднем длина кратчайшей компьютерной программы, способной воспроизвести случайный объект, равна энтропии вероятностного распределения, из которого этот объект был извлечен. Сложность по Колмогорову предлагает единый подход к проблемам сжатия данных. Кроме того, она служит основой теории статистических выводов (бритва Оккама: «Простейшее объяснение – лучшее») и тесно связана с теорией вычислимости.

Каналы связи. До сих пор мы рассматривали сложность описания источника информации и показали, что естественной мерой этой сложности служит коэффициент энтропии случайного процесса, моделирующего источник. Рассмотрим теперь проблему передачи этого описания по каналу связи. Примерами каналов связи могут служить телеграфные и телефонные провода, передающие информацию посредством электрических сигналов. В сотовых телефонах информация передается с помощью электромагнитного излучения.

Вместо того, чтобы заниматься конкретными деталями той или иной системы связи, мы можем построить ее общую модель. Это делается заданием списков возможных входных и выходных символов, а также функции распределения вероятностей, указывающей вероятность различных возможных выходных символов для каждого возможного входного символа. В простейшем случае выходной сигнал канала равен входному сигналу, и любая поступающая на вход информация без ошибок передается на выход. Например, если бы у нас был канал, который мог бы передавать два символа, и оба они принимались на выходе без ошибки (рис. 2), то с каждым символом мы могли бы передавать один бит информации. Такие каналы получили название каналов без шума. Их пропускная способность равна максимальному количеству информации, которое может поступить на вход. Если канал имеет N возможных входных символов, то его пропускная способность равна log N битов за передачу. Если такой канал может передавать 1 символ в секунду, то его пропускная способность равна log N битов в секунду.

(1.08 Кб)

Однако в общем случае сигналы на входе и выходе канала связи не совпадают. Рассмотрим, например, изображенный на рис. 3 канал связи с двумя входами и двумя выходами. Входами для этого канала служат символы «0» или «1». Если передается «0», то на выходе получатель видит в 90% случаев «0», а в 10% символ «1», что составляет ошибку в 10%. Следовательно, передав по каналу длинную последовательность битов, мы получим на выходе последовательность, в которой 10% двоичных цифр будут ошибочными. Если бы получатель знал, какие знаки неверны, их можно было бы исправить, заменив 0 на 1 и наоборот. Однако, поскольку такой информации у него нет, он может знать значение первого переданного по каналу бита не более, чем с 90%-й уверенностью.

(2.57 Кб)

Степень уверенности получателя можно повысить, повторяя сообщение. Например, мы можем трижды повторить передачу первого бита. Взглянув на трижды полученные биты, тот, кому они предназначены, «по большинству голосов» решает, какой именно двоичный знак был ему передан. Ошибиться он может только в том случае, если неверными были два или более битов. Вычисляя вероятность такого события, мы приходим к заключению, что получатель на этот раз будет ошибаться в 2,8% случаев. Увеличивая число повторений, мы можем и далее снижать вероятность ошибки.

Однако для этого нам понадобится все больше и больше сообщений. В результате скорость передачи информации снизится: например, если мы использовали 9 сообщений для передачи 1 бита, то она составит ¹/₉ бита на передачу. До Шеннона инженеры-связисты полагали, что повторная передача сигнала – лучшее средство повышения ее надежности, т.е. для того, чтобы снизить вероятность ошибки, надо снизить скорость передачи информации. Но Шеннон в своей основополагающей статье показал, что снижать скорость передачи информации для этого совсем не обязательно. С каждым каналом связи связана некоторая критическая скорость передачи информации, называемая пропускной способностью, или емкостью, канала. Информацию можно передавать со сколь угодно малой вероятностью ошибки и с любой скоростью, если она меньше критической. Для скоростей, превышающих пропускную способность канала, вероятность ошибки не может быть малой, более того, с ростом длины используемого кода она приближается к 1.

В приведенном выше примере двоичного канала его пропускная способность составляет 0,53 бита на передачу. Таким образом, с помощью 100-кратного повторения мы можем передать по этому каналу 53 бита информации с пренебрежимо малой вероятностью ошибки.

Поскольку теорема Шеннона о пропускной способности канала связи в чем-то противоречит нашей интуиции, попытаемся понять, почему эта теорема верна. Рассмотрим канал, изображенный на рис. 4. В этом канале существует 10 возможных входных символов, обозначенных цифрами 0, 1, 2, ј, 9, и десять возможных выходных символов. Каждый входной символ с равной вероятностью порождает выходной символ, обозначенный либо той же цифрой, либо на единицу больше. Например, цифра 3 на входе с равной вероятностью порождает на выходе 3 или 4, а цифра 9, соответственно, – 9 или 0. Поэтому, обнаруживая на выходе канала цифру 5, мы не можем однозначно утверждать, была ли передана цифра 5 или 4.

(6.35 Кб)

Если мы ограничим множество входных символов четными числами, т.е. 0, 2, 4, 6 и 8, то при любом выходном символе без всякой неопределенности или ошибки сможем указать соответствующий входной символ. Таким образом, используя лишь некоторое подмножество возможных входных символов, мы можем передавать информацию без ошибок. Скорость, с которой мы можем передавать информацию по этому каналу, равна log 5 битов на передачу. Можно показать, что эта скорость оптимальна и совпадает с пропускной способностью канала, изображенного на рис. 4.

Таким образом, если считать, что при передаче длинной последовательности символов все каналы подобны каналу, изображенному на рис. 4, то теорема Шеннона может выглядеть интуитивно более оправданной. Длинная последовательность входных символов может порождать любую выходную последовательность, но по законам теории вероятностей скорее всего породит одну из небольшого множества условно «типичных» выходных последовательностей. Например, в двоичном симметричном канале входная последовательность длины n вероятнее всего породит одну из 2^nH(p) условно типичных последовательностей (где H (p) = –p log p – (1 – p) log (1 – p) и p – вероятность того, что «0» будет принят как «1» или наоборот). Так как всего существует 2ⁿ возможных выходных последовательностей длины n, нетрудно показать, что можно выбрать ок. 2ⁿ/2^nH(p) = 2^{n(1 – H(p))} различных входных последовательностей (называемых кодовыми словами), таких, что их выходные варианты будут существенно неперекрывающимися (как на рис. 4), и, следовательно, получатель сможет различить эти последовательности с очень малой ошибкой. Таким образом, пропускная способность такого канала (скорость, с которой информация может быть передана по нему с пренебрежимо малой ошибкой) по существу равна 1 – H (p) битов на одну передачу.

В общем случае пропускная способность канала определяется разностью между безусловной энтропией выхода канала и условной энтропией канала с заданным входным сигналом. Эта величина называется взаимной информацией между входом и выходом канала; максимум взаимной информации по всем распределениям вероятностей входа является пропускной способностью канала. Если распределение вероятностей, которому подчиняется канал, известно, то эта величина может быть вычислена.

До сих пор мы рассматривали дискретные каналы связи. Это каналы, сигналы на входе и выходе которых представлены дискретными последовательностями символов. Однако во многих практически используемых устройствах передачи информации сигналы имеют вид непрерывно меняющихся функций времени. Важным примером здесь является гауссовский канал с заданной полосой пропускания, где параметры входного сигнала ограничены средней мощностью P ватт и спектром частот в некотором их диапазоне шириной W гц, а на выходе получается входной сигнал, искаженный шумом с плоским спектром частот, средней плотностью рассеиваемой мощности N ватт/гц и с гауссовым распределением вероятностей. В этом случае мы можем воспользоваться «теоремой отсчетов» и показать, что входной сигнал можно представить, взяв 2W его выборочных значений в секунду. Можно показать также, что пропускная способность такого канала определяется по формуле

Такой непрерывный канал служит полезной моделью многих широко используемых на практике каналов радио- и телефонной связи.

Коэффициент энтропии источника и пропускная способность канала связаны основной теоремой теории информации, которая гласит: кодирующие и декодирующие устройства, позволяющие безошибочно воссоздавать входной сигнал на выходе, могут быть построены в том и только в том случае, если коэффициент энтропии источника меньше пропускной способности канала. Теория информации ничего не говорит нам о том, как именно такие кодирующие и декодирующие устройства можно сконструировать, она лишь говорит о возможности их существования в принципе, если предположить, что их сложность может быть сколь угодно велика. Создание таких устройств составляет предмет теории кодирования, ставшей самостоятельной наукой со своими методами и важными результатами. Для создания практических кодирующих и декодирующих устройств были разработаны различные тонкие алгебраические методы. Широкому распространению таких кодов способствовали и успехи в развитии технологии интегральных схем. Например, в плейерах для проигрывания компакт-дисков используется один из видов кодов, исправляющих ошибки, который называется кодом Рида – Соломона и способен исправлять до 4000 следующих подряд ошибок.

Последние достижения в области теории информации несколько расширили понятия пропускной способности и сжатия данных на случай сетей каналов связи. Прогресс в теории кодирования позволил создавать модемы для телефонных каналов, вплотную приблизившие скорость передачи информации к их пропускной способности. Универсальные алгоритмы сжатия данных типа алгоритма Лемпеля – Зива ныне широко используются для сжатия компьютерных файлов. Теория информации остается активно развивающейся областью исследований, поставляющей в наш информационный век новые идеи и подходы в сферу проектирования и анализа систем передачи данных и компьютерных систем.

назад