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Máster y doctorado

Capacidad de canales y cotas de información

Queremos enviar un mensaje, pero el receptor puede ver un símbolo distinto del enviado. Dibujaremos primero esas posibilidades. Después distinguiremos tres preguntas: cuánto sabemos de un mensaje, qué hace un código concreto y qué tasas permiten transmitir con errores cada vez menores.

1. Una fila del canal describe qué puede llegar al enviar un símbolo

La entrada X es lo que enviamos y la salida Y lo que se recibe. W(y|x) es la probabilidad de recibir y cuando se envía x. Cada fila fija una entrada y reparte probabilidad uno entre todas las salidas. Primero se especifica el canal; después elegimos con qué frecuencia enviar cada entrada.

Dos caminos por cada bit enviado
EnviadoRecibido1−p1−ppp0101Desde cada entrada:(1−p)+p=1Y = X ⊕ Z
Canal binario simétrico con dos entradas a la izquierda y dos salidas a la derecha. Desde cada entrada, el camino horizontal conserva el bit con probabilidad uno menos p y el diagonal lo cambia con probabilidad p. Los cruces de caminos no representan nuevos estados. Cada par de caminos que sale de una entrada suma uno. Las probabilidades describen el canal; no son las probabilidades de enviar cada entrada. El ruido se considera independiente entre usos para multiplicar probabilidades de secuencias.

Usaremos alfabetos finitos y un canal sin memoria: dadas las entradas, los usos tienen transiciones independientes, W^n(y^n\mid x^n)=\prod_{i=1}^n W(y_i\mid x_i). No se supone que cualquier secuencia de entradas sea independiente: un código puede relacionar sus posiciones.

Leer una fila

Cada bit cambia con probabilidad 1/10.

  1. Entrada cero

    Llega cero con 9/10 y uno con 1/10.

  2. Entrada uno

    Llega cero con 1/10 y uno con 9/10.

  3. Comprobar

    Cada fila suma uno; las cuatro casillas juntas suman dos.

Resultado

Las filas son distribuciones condicionadas distintas.

Lo comprobamos

No dividimos por dos las filas para que toda la matriz sume uno.

Dos usos

Se envía 01 con ruido independiente de probabilidad 1/10.

  1. Recibir 01

    Ningún cambio: (9/10)²=81/100.
  2. Recibir 11

    Cambia solo la primera posición: (1/10)(9/10)=9/100.
  3. Completar

    00 tiene 9/100 y 10 tiene 1/100; total uno.

Resultado

El producto calcula una salida concreta, no la probabilidad de todas a la vez.

Lo comprobamos

Si el ruido tuviera memoria, este producto necesitaría otra justificación.

2. La entropía mide incertidumbre, no cuenta errores

Si un resultado tiene probabilidad p, su sorpresa en bits es −log₂p. La entropía promedia esa sorpresa: H(X)=-\sum_x p(x)\log_2p(x), con 0·log₂0=0 por continuidad. Un resultado seguro no sorprende; dos equiprobables aportan un bit.

H(Y|X) promedia la entropía de cada fila del canal con los pesos de las entradas. La información mutua I(X;Y)=H(Y)-H(Y\mid X)=H(X)-H(X\mid Y) mide incertidumbre eliminada al conocer la otra variable. No es una probabilidad de acertar.

Tres distribuciones

Compara un bit seguro, uno equilibrado y uno con probabilidad 1/4 de ser uno.

  1. Seguro

    H=−1·log₂1=0.
  2. Equilibrado

    Dos términos de 1/2 bit suman uno.

  3. Sesgado

    H₂(1/4)=−(1/4)log₂(1/4)−(3/4)log₂(3/4)≈0,811 bits.
Resultado

Tener dos valores posibles no obliga a tener un bit de entropía.

Lo comprobamos

Las probabilidades también importan.

Saber o no saber la entrada

X es uniforme. Compara Y=X con Y independiente y uniforme.

  1. Copia

    H(Y)=1 y H(Y|X)=0: I=1.
  2. Independencia

    H(Y)=1 y H(Y|X)=1: I=0.
  3. Diferencia

    En ambos casos vemos ceros y unos equilibrados; solo en el primero informan de X.

Resultado

La distribución de salida sola no mide la calidad del canal.

Lo comprobamos

Hay que estudiar la relación entre entrada y salida.

3. La capacidad elige la mejor distribución de entradas

Para este canal discreto finito sin memoria y sin restricciones adicionales, C=\max_{P_X}I(X;Y). W permanece fija: variamos la distribución de entrada. La maximización encuentra la mayor información mutua por uso, no modifica las probabilidades físicas del ruido.

La unidad es bits por uso. Una velocidad en bits por segundo requiere además especificar usos por segundo. Restricciones de coste, memoria o alfabetos distintos cambian el problema; la fórmula se interpreta dentro de las hipótesis declaradas.

Una mala elección desperdicia un canal perfecto

El canal copia sin errores. Compara enviar siempre cero con enviar ceros y unos equiprobables.

  1. Siempre cero

    El receptor ya conocía el símbolo: H(X)=I=0.
  2. Equilibrado

    H(X)=I=1 bit por uso.
  3. Optimizar

    Ninguna entrada binaria tiene entropía mayor que uno; C=1.

Resultado

Capacidad uno no significa que toda estrategia transmita un bit.

Lo comprobamos

La información de la fuente y la del canal deben distinguirse.

Cambiar de unidad

Un sistema ideal admite 2000 usos por segundo y C=3/4 bits por uso.

  1. Multiplicar

    2000·3/4=1500 bits por segundo.
  2. Interpretar

    Es la tasa límite del modelo, con bloques adecuados.

  3. Cautela

    No garantiza que un código corto concreto logre ese rendimiento.

Resultado

La capacidad sola no contenía un reloj.

Lo comprobamos

No confundimos bits por uso con una probabilidad del 75 %.

4. En el canal binario simétrico se suma un bit de ruido

Escribimos Y=X⊕Z.

XOR da cero si los bits coinciden y uno si difieren.

Z es independiente de X, con P(Z=1)=p.

Entre usos el ruido es independiente.

Si conocemos X, conocer Y equivale a conocer Z: H(Y\mid X)=H_2(p).
Si q=P(X=1), entonces P(Y=1)=q(1-p)+(1-q)p=p+(1-2p)q.

Un uno puede venir de un uno conservado o de un cero cambiado; son caminos incompatibles y se suman.

Una fuente sesgada

q=1/5 y p=1/10.

  1. Uno conservado

    (1/5)(9/10)=18/100.
  2. Cero cambiado

    (4/5)(1/10)=8/100.
  3. Sumar

    P(Y=1)=26/100.
    I=H₂(0,26)−H₂(0,1)≈0,358 bits.
Resultado

La salida no queda uniforme porque la fuente tampoco lo era.

Lo comprobamos

La información es menor que la que obtendremos optimizando.

Un ruido equilibrado borra la relación

p=1/2 y q cualquiera.

  1. Salida uno

    1/2+(1−1)q=1/2.
  2. Cada fila

    Con entrada cero o uno, ambas salidas tienen probabilidad 1/2.

  3. Conclusión

    La distribución de salida no depende de lo enviado: I=0.
Resultado

El canal no transporta información sobre el mensaje.

Lo comprobamos

Cambiar la frecuencia de entrada no arregla filas idénticas.

5. La capacidad del BSC se obtiene con una cota y una entrada que la alcanza

Una salida binaria tiene H(Y)≤1.
Restando la incertidumbre del ruido, I(X;Y)=H(Y)-H_2(p)\le1-H_2(p).

Para demostrar capacidad no basta esta cota: hay que conseguir la igualdad.

La capacidad depende de lo imprevisible del cambio
C = 1−H₂(p)1001/21pp=0: copiap=1/2: no informap=1: invertir recupera
Curva de capacidad del canal binario simétrico en bits por uso. El eje horizontal es la probabilidad de cambio p, de cero a uno; el vertical la capacidad C, de cero a uno. C vale uno en ambos extremos y cero cuando p es un medio. La curva es simétrica porque cambiar con probabilidad p equivale, después de invertir la salida, a cambiar con probabilidad uno menos p. No es una curva de probabilidad de acierto ni de error de un código finito. Se incluyen los extremos por continuidad de la entropía binaria.

Elegimos X uniforme. La fórmula anterior da P(Y=1)=1/2 para todo p; por tanto H(Y)=1.

Hemos alcanzado la cota: C_{\mathrm{BSC}}=1-H_2(p).
La curva es simétrica respecto a p=1/2.

Ruido de un décimo

p=0,1.

  1. Entropía

    H₂(0,1)≈0,468996.
  2. Restar

    C≈1−0,468996=0,531004 bits por uso.
  3. Comparar

    No es 0,9: conservar el 90 % de símbolos no equivale a capacidad 0,9.

Resultado

La capacidad incorpora incertidumbre sobre dónde ocurrieron los cambios.

Lo comprobamos

El valor 0,358 del ejemplo sesgado es inferior a esta capacidad.

Cambiar siempre es reversible

Compara p=0, p=1/2 y p=1.

  1. Cero

    Y=X; capacidad uno.
  2. Un medio

    Y es independiente de X; capacidad cero.

  3. Uno

    Y=1−X siempre.

    El receptor invierte el bit; capacidad uno.

Resultado

Lo imprevisible perjudica; un cambio conocido puede deshacerse.

Lo comprobamos

La capacidad no decrece en todo el intervalo de cero a uno.

6. La tasa de un código dice cuánto mensaje cabe en un bloque

Un codificador asigna M mensajes a palabras de longitud n. Un decodificador estima el mensaje a partir de lo recibido. Con mensajes uniformes, la tasa es R=\log_2M/n bits por uso.

Si M=2ᵏ, R=k/n.

La probabilidad de error depende también del código, del ruido y del decodificador.

Repetir un bit tres veces da 0→000 y 1→111.
Solo hay dos mensajes: R=1/3.

La mayoría corrige un cambio; dos o tres cambios la llevan al mensaje contrario. Aquí se calcula error promedio de mensaje bajo ruido independiente.

Calcular el error de repetición

BSC con p=1/10 y decodificación por mayoría.

  1. Dos cambios

    Hay tres posiciones posibles para el bit que no cambia: 3p²(1−p).

  2. Tres cambios

    Probabilidad p³.

  3. Total

    3p²−2p³=28/1000=0,028, frente a 0,1 sin repetir.
Resultado

Se reduce el error, a cambio de usar tres veces el canal por bit.

Lo comprobamos

El error sigue siendo positivo.

Una tasa por debajo de capacidad no basta

Para p=1/10, C≈0,531 y la repetición triple tiene R=1/3.

  1. Comparar

    1/3<0,531.
  2. Observar

    Su error calculado es 0,028.

  3. Distinguir

    R<C permite buscar familias de buenos códigos; no vuelve perfecto este bloque de longitud tres.

Resultado

La desigualdad de tasas no sustituye analizar el código.

Lo comprobamos

Tampoco afirma que repetir sea la construcción más eficiente.

7. El teorema de Shannon habla de una familia de bloques crecientes

Para un canal discreto finito sin memoria, cualquier tasa fija R<C puede aproximarse mediante códigos de longitudes crecientes cuyo error promedio de mensaje tiende a cero. Se elige una familia de códigos adecuada. Es una afirmación de existencia y límite, no una promesa sobre cualquier bloque.

Una tasa fija R>C no permite que el error tienda a cero en este marco. El teorema no da por sí solo un algoritmo rápido ni garantiza error exactamente cero. En C=0 no existe una tasa positiva por debajo de capacidad.

Leer correctamente “tiende a cero”

Imagina una familia con errores 0,1; 0,01; 0,001 al aumentar la longitud.

  1. Cada bloque

    Todavía puede fallar.

  2. Límite

    La probabilidad puede hacerse tan pequeña como se pida usando un bloque apropiado.

  3. No deducir

    No hay un último bloque mágico con error necesariamente cero.

Resultado

Error arbitrariamente pequeño y error nulo son afirmaciones distintas.

Lo comprobamos

La lista ilustra un límite; no se afirma que sea la curva de un código específico.

Elegir una tasa objetivo

Un canal tiene capacidad 1/2.

  1. R=2/5

    Está por debajo: hay familias con error que tiende a cero.

  2. R=3/4

    Está por encima: ese objetivo es imposible en el modelo.

  3. Coste

    Bloques, cálculo y retraso deben estudiarse aparte.

Resultado

La capacidad orienta qué objetivos son alcanzables.

Lo comprobamos

El enunciado no resuelve automáticamente el caso frontera R=C.

8. Fano transforma información limitada en una cota de error

Sea U un mensaje uniforme entre M≥2, codificado sin realimentación en n entradas del canal. Si el error de su estimación es P_{e}, Fano da H(U\mid Y^n)\le h_2(P_e)+P_e\log_2(M-1)\le1+P_e\log_2M. La incertidumbre que queda se acota mediante los posibles errores.

Por procesamiento de datos y el canal sin memoria, I(U;Y^n)\le I(X^n;Y^n)\le nC.

Como H(U)=log₂M=I+H(U|Yⁿ), obtenemos (1-P_e)R\le C+1/n.

Es una cota necesaria; no construye códigos.

Una tasa demasiado alta obliga a fallar

C=1/2, n=100 y R=3/4, es decir M=2⁷⁵.

  1. Sustituir

    (1−P_{e})·0,75≤0,5+0,01=0,51.
  2. Dividir

    1−P_{e}≤0,68.
  3. Despejar

    P_{e}≥0,32.
Resultado

Ningún código de estos parámetros puede tener error promedio menor que 0,32.

Lo comprobamos

La cota puede ser poco ajustada; no dice que 0,32 se alcance.

Pasar al límite

Mantén R fija y deja que n crezca con P_{e}→0.

  1. Izquierda

    (1−P_{e})R→R.
  2. Derecha

    C+1/n→C.
  3. Conclusión

    Necesariamente R≤C.
Resultado

Así se justifica la imposibilidad por encima de capacidad.

Lo comprobamos

Para R<C esta desigualdad sola no prueba existencia.

9. Un borrado conocido no es lo mismo que un cambio oculto

En el canal binario de borrados, con probabilidad ε se recibe “?” y con probabilidad 1−ε se recibe el bit correcto. El receptor sabe qué posiciones faltan. El borrado es independiente del valor enviado.

Al recibir un bit conocemos X; al recibir “?” queda toda la incertidumbre original.

Por eso H(X\mid Y)=\varepsilon H(X) e I(X;Y)=(1-\varepsilon)H(X).
Maximizando H(X) obtenemos C=1−ε.

Un cuarto de borrados

ε=1/4 y entrada uniforme.

  1. Sin borrado

    Probabilidad 3/4; aprendemos el bit.

  2. Con borrado

    Probabilidad 1/4; no aprendemos su valor.

  3. Media

    I=3/4 bits por uso y esta entrada alcanza capacidad.

Resultado

La marca “?” aporta localización de la pérdida.

Lo comprobamos

No es el mismo canal que cambiar un bit con probabilidad 1/4.

Una salida concreta

Se envía 1010 y se recibe 1?10.

  1. Leer

    Las posiciones uno, tres y cuatro son conocidas.

  2. Pendiente

    El segundo bit podría ser cero o uno si no usamos redundancia.

  3. Código

    Una restricción entre posiciones podría permitir reconstruirlo.

Resultado

Saber dónde falta un símbolo ayuda, pero no inventa el símbolo.

Lo comprobamos

La capacidad es asintótica; no asegura recuperar cada patrón de borrados.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Canal completamente ruidoso

Calcula C para p=1/2.

  1. Modelo

    Es un BSC con p=1/2.
  2. Entropía

    H₂(1/2)=−(1/2)(−1)−(1/2)(−1)=1.
  3. Fórmula

    C=1−H₂(p).
  4. Restar

    C=1−1=0 bits por uso.
  5. Interpretar

    Las dos filas del canal son idénticas.

  6. Comprobar

    Con entrada equiprobable la salida es independiente; de hecho ocurre con cualquier entrada.

Resultado

La capacidad es 0.

Lo comprobamos

La salida es independiente de la entrada equiprobable.

EJEMPLO RESUELTO 2

Tasa de código

Un código transmite 4 bits de información en bloques de 7. Calcula su tasa.

  1. Mensaje

    Hay cuatro bits de información: 2⁴=16 mensajes posibles.

  2. Bloque

    Cada palabra ocupa siete usos del canal.

  3. Tasa

    R=log₂16/7.
  4. Calcular

    log₂16=4; R=4/7.
  5. Unidad

    Bits de mensaje por uso, aproximadamente 0,5714.

  6. Comprobar

    No hemos calculado probabilidad de error ni capacidad del canal.

Resultado

R=4/7.

Lo comprobamos

No se confunde la tasa con la probabilidad de error.

Los símbolos que hemos usado

W(y|x)
Probabilidad de salida y cuando entra x.
Sin memoria
Los usos siguen la misma ley y son condicionalmente independientes dadas las entradas.
H(X)
Entropía, medida en bits cuando el logaritmo es de base dos.
I(X;Y)
Información mutua entre entrada y salida.
C
Capacidad en bits por uso del canal definido.
R=k/n
Tasa de k bits de información por n usos en el modelo binario.
P_e
Probabilidad de error de decodificación bajo el criterio especificado.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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