[论文解读] Communication over a Channel that Wears Out

Ting-Yi Wu, Lav R. Varshney+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2017

Cooperative Communication and Network Coding被引用 4

一句话总结

本文研究了在传输有限个1后会灾难性失效的二进制输入离散无记忆信道上的通信，建模为一种‘老化’信道。通过使用恒定型别码和动态规划，推导出在误差约束下最大化期望传输量的最优有限块长码，表明对于流媒体源，序列块码优于单块码。

ABSTRACT

This work investigates the fundamental limits of communication over a noisy discrete memoryless channel that wears out, in the sense of signal-dependent catastrophic failure. In particular, we consider a channel that starts as a memoryless binary-input channel and when the number of transmitted ones causes a sufficient amount of damage, the channel ceases to convey signals. Constant composition codes are adopted to obtain an achievability bound and the left-concave right-convex inequality is then refined to obtain a converse bound on the log-volume throughput for channels that wear out. Since infinite blocklength codes will always wear out the channel for any finite threshold of failure and therefore cannot convey information at positive rates, we analyze the performance of finite blocklength codes to determine the maximum expected transmission volume at a given level of average error probability. We show that this maximization problem has a recursive form and can be solved by dynamic programming. Numerical results demonstrate that a sequence of block codes is preferred to a single block code for streaming sources.

研究动机与目标

• 确定在传输有限个1后发生信号相关灾难性失效的噪声信道上可靠通信的根本极限。
• 解决由于不可避免的信道老化，无限块长码无法实现正速率通信的问题。
• 在给定平均误码概率约束下，最大化有限块长码的期望传输量。
• 对这种老化信道上的流媒体源进行建模并优化性能。

提出的方法

• 采用恒定型别码，推导出老化信道对数容量吞吐量的可达性界。
• 改进左凹右凸不等式，建立最大可达对数容量吞吐量的对偶界。
• 将优化问题建模为动态规划形式，以计算最优有限块长码序列。
• 将信道失效阈值视为已传输1的个数的函数，从而在优化中引入递归结构。
• 在相同误码概率约束下，分析单块码与块码序列的性能。
• 通过数值评估比较不同码结构的期望传输量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在传输有限个1后发生失效的信道上，可实现的最大期望传输量是多少？
• RQ2 在相同平均误码概率约束下，单块码与块码序列的性能如何比较？
• RQ3 动态规划能否有效应用于老化信道环境下有限块长码的优化？
• RQ4 为何无限块长码在此老化模型中不适合实现正速率通信？
• RQ5 在信号相关信道退化条件下，码序列的何种结构特性可最大化吞吐量？

主要发现

• 在老化信道模型中，有限块长码是可靠通信所必需的，因为无限块长码不可避免地会触发失效。
• 为最大化期望传输量而设计的最优码具有递归形式，可通过动态规划求解。
• 在相同误码概率约束下，块码序列的期望传输量高于单块码。
• 使用恒定型别码可对对数容量吞吐量建立紧致的可达性界。
• 改进的左凹右凸不等式提供了对偶界，刻画了吞吐量的根本极限。
• 数值结果证实，由于更优的老化管理，序列块编码在流媒体源中表现更优。