網絡信息論 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

本書作者Gamal是三十幾年來信息論領域中的重量級人物，既是一位世界級的理論研究者，也曾經是多傢科技公司的創始人。他以一個親曆者和創造者的視角去講授信息論這門經典的課程，立意非凡

本書多年來已經在多所大學用於網絡信息論的教學，包括斯坦福大學、加州大學聖地亞哥分校、香港中文大學、加州伯剋利分校、清華大學、首爾國立大學、Notre Dame大學、McGill大學等，取得瞭很好的效果。

網絡信息論研究的是網絡中信息流的基本極限，以及達到這些極限的zui優編碼方法。除瞭研究本身的優雅和美感之外，網絡信息論還給現有的通信技術帶來瞭巨大的性能提升。對於這個領域關鍵成果的瞭解有助於下一代通信網絡的研發。網絡信息論研究中用到的數學工具和方法還可能用於其他的領域，例如計算機科學、經濟學和生物學。本書采用高度結構化和濃縮的方法將網絡信息論領域中令人興奮的結果呈現給讀者。

本書完整、結構化地梳理瞭自經典信息論以來本領域zui主要的研究結論，並在方法層麵上做瞭簡潔優雅的統一，是一本難能可貴的“刪削述正”的教科書，可以作為本科生高年級和研究生基礎信息論的輔助教材，或者研究生高等信息論的教材使用。

內容簡介

本書首次對經典信息論和網絡信息論的研究成果形成瞭完整係統的覆蓋。其內容較好地平衡瞭新模型和新編碼方法，使得讀者可以全麵地掌握香農經典點到點信息論、單跳網絡、多跳網絡、分布式計算、保密通信、無綫通信和網絡等內容。全書並沒有特彆苛刻的數學要求，讀者隻須掌握基礎概率論和基本數學工具即可。作者通過幾個簡單引理，將大部分編碼定理的證明進行瞭統一，大大改善瞭網絡信息論內容紛繁復雜的狀況，對初學者尤其有利。本書既可供課堂教學使用，也可供自學使用，或充當研究人員和工程技術人員的參考書。

作者簡介

Abbas El Gamal，1972年在埃及開羅大學獲得學士學位，1977年和1978年分彆獲得斯坦福大學統計學碩士和電機工程博士學位。1978年至1980年，他在南加州大學擔任助理教授，1981年至今在斯坦福大學任教，目前為日立北美講座講授、斯坦福電子係係主任。他曾擔任清華大學無綫通信講席教授組教授，並於2009—2010年春季訪問清華。

他的研究跨越瞭幾個領域，包括網絡信息理論、FPGA、數字成像設備和係統等。他曾發錶瞭230篇論文，並擁有超過30項專利。他是美國工程院院士和IEEE院士。他獲得瞭多項榮譽，其中包括 the 2016 IEEE Richard W. Hamming Medal, the 2014 Viterbi Lecture, the 2013 Shannon Memorial Lecture, the 2012 Claude E. Shannon Award, the inaugural Padovani Lecture, and the 2004 INFOCOM Paper Award.

他在工業界也發揮瞭重要作用。1984年，他創辦瞭LSI Logic Research Lab。1986年，他聯閤創辦Actel公司。1990年，他聯閤創辦瞭Silicon Architects。1995-1997年，他擔任Synopsys公司的副總裁。1999年，他聯閤創辦瞭Pixim公司。 2011年，他聯閤創辦瞭Inscopix公司。他也曾擔任多傢半導體、EDA、生物技術公司的董事會和谘詢委員會成員。

Young-Han Kim，1996年於韓國國立首爾大學獲得學士學位，2006年在斯坦福大學獲得統計學碩士和電機工程博士學位，目前是加州聖迭戈大學副教授。

張林，分彆於1998年、2001和2005年在清華大學獲得電機工程本科和電子工程碩士、博士學位，目前為清華大學副教授。

目錄

第1章  緒論     1.1  網絡信息流問題     1.2  最大流–最小割定理     1.3  點到點信息論     1.4  網絡信息論 第一部分  基礎知識   第2章  信息度量和典型性     2.1  熵     2.2  微分熵     2.3  互信息     2.4  典型序列     2.5  聯閤典型序列     小結     文獻說明     習題     附錄2A  條件典型性引理的證明   第3章  點到點信息論     3.1  信道編碼     3.2  填充引理     3.3  有輸入代價的信道編碼     3.4  高斯信道     3.5  無損信源編碼     3.6  有損信源編碼     3.7  覆蓋引理     3.8  二次高斯信源編碼     3.9  信源–信道聯閤編碼     小結     文獻說明     習題     附錄3A  引理3.2的證明 第二部分  單跳網絡   第4章  多址接入信道     4.1  離散無記憶多址接入信道     4.2  容量域的簡單邊界     4.3  *容量域的多字母錶達     4.4  分時     4.5  容量域的單字母錶達     4.6  高斯多址接入信道     4.7  拓展到多於兩個用戶的情形     小結     文獻說明     習題     附錄4A  集閤Q勢的界   第5章  退化的廣播信道     5.1  離散無記憶廣播信道     5.2  簡單的容量域的界     5.3  疊加編碼內界     5.4  退化的     5.5  高斯廣播信道     5.6  高低噪聲廣播信道和大小容量廣播信道     5.7  推廣     小結     文獻說明     習題   第6章  乾擾信道     6.1  離散無記憶乾擾信道     6.2  簡單編碼方式     6.3  強乾擾     6.4  高斯乾擾信道     6.5   Han–Kobayashi內界     6.6  確定性內射乾擾信道     6.7  半比特內的高斯乾擾信道的容量區域     6.8  高斯乾擾信道的確定性近似     6.9  推廣到多於兩個用戶對     小結     文獻說明     習題     附錄6A  引理6.2的證明     附錄6B  命題6.1的證明   第7章  有狀態信道   第8章  一般廣播信道   第9章  高斯矢量信道   第10章  分布式無損壓縮   第11章  已知邊信息的有損壓縮   第12章  分布式有損壓縮   第13章  多重描述編碼   第14章  聯閤信源信道編碼 第三部分  多跳網絡   第15章  圖網絡   第16章  中繼信道   第17章  交互信道編碼   第18章  離散無記憶網絡   第19章  高斯網絡   第20章  圖網絡中的壓縮 第四部分  擴展內容   第21章  麵嚮計算的通信   第22章  信息論中的保密性   第23章  無綫衰落信道   第24章  網絡與信息論 附錄 參考文獻 常用符號錶 作者索引 中英文序詞索引

精彩書摘

前言/序言

網絡信息論旨在建立網絡中信息流的根本極限，並探索獲得這些極限的編碼方法。它拓展瞭香農（Shannon）的點到點通信基礎理論以及針對單播圖網絡的最大流–最小割定理，適用於多信源、多信宿共享資源的一般網絡模型。雖然這個理論還遠未成熟，但在過去的四十年中，研究者還是取得瞭很多優美的結果，並且在現實網絡中展現齣很大的潛力。本書采用簡潔和有內在邏輯的結構，把這些結果呈現給讀者，為電氣工程、計算機科學、統計學以及其他相關學科的研究生和科研人員服務，並將這些結果普及到工業界的研究人員中。

網絡信息論的第一篇論文是Shannon(....)發錶的關於雙嚮信道的研究結果。直到十年之後，這項工作纔得到一係列開創性論文的跟進，包括Cover(....)關於廣播信道的論文，Ahlswede(...., ....)以及Liao(....)關於多址接入信道的論文，Slepian, Wolf(....a)關於無損分布式壓縮的論文。這些研究成果在....年代中期到 ....年代前期引發瞭網絡信息論研究的熱潮，産生瞭很多新的成果和方法，有興趣的讀者可以閱讀vanderMeulen (....)和El Gamal,Cover(....)發錶的兩篇綜述論文，也可以閱讀Csiszár, K.rner(....b)影響深遠的專著。然而，時至今日，包括香農雙嚮信道在內的很多問題依然沒有得到解答， ....年代中期到 ....年代中期，隨著通信理論專傢和實踐者對這些問題興趣的降低，網絡信息論經曆瞭“失去的十年”。在這期間，學術論文的發錶數量很少，很多研究者轉移瞭研究興趣。....年代中期以來，由半導體技術、壓縮和糾錯編碼、信號處理和計算機科學所引發的互聯網和無綫通信技術的發展重新點燃瞭學者們對於網絡信息論的研究興趣。除瞭舊有的開放問題，近期的工作針對新的網絡模型、新的網絡編碼方法、容量的近似、尺度定律以及網絡與信息論交叉等領域展開研究，一係列的新技術，諸如：連續抵消解碼、多重描述編碼、連續信息修正、網絡編碼等，已經開始在實際的網絡中應用。

本書的由來

撰寫本書的想法由來已久，早在 ....年 TomCover和本書的第一作者撰寫前述綜述論文的時候就已經産生。本書第一作者隨後編寫瞭一份手寫的講義，於 ....年到 ....年間在斯坦福大學開設瞭多用戶信息論課程。為瞭滿足研究生對於通信與信息理論學習的需求，他在 ....年恢復瞭這門課，並在講義中增補瞭最新的研究結果。 ....年暑期，更新後的講義在EPFL開課。

....年，本書的第二作者（也是 ....年選課的學生），開始在加州大學聖地亞哥分校教授類似的課程。兩個作者決定閤作將講義拓展為一本正式的教科書。自那以後，不同版本的講義在很多大學經過瞭試用，包括斯坦福大學、加州大學聖地亞哥分校、香港中文大學、加州伯剋利分校、清華大學、首爾國立大學、Notre Dame大學、 McGill大學等。 ....年.月，講義被上載到瞭 arXiv在綫數據庫。本書就是基於這些講義撰寫的。雖然我們盡力提供對於本領域研究成果最廣泛的覆蓋，但卻無法做到毫無遺漏，近年來本領域論文數目爆炸式的增長使得幾乎不可能僅用一本教材就覆蓋全部內容。

本書的結構

我們嘗試瞭幾種內容組織的框架結構，包括沿著信源編碼到信道編碼的順序（或逆序）來組織，或者沿著從圖網絡到一般網絡的邏輯來組織，或者按照曆史的綫索來組織。

最終，我們決定采用麵嚮教學的需求來組織內容，這樣可以較好地平衡對於新網絡模型和新編碼技術的介紹。我們首先討論單跳網絡，然後拓展到多跳網絡。在每一類網絡中，我們首先研究信道編碼，然後介紹對應的信源編碼，之後是聯閤信源–信道編碼。對於無法順利安放到這個框架下的幾個重要內容，我們在拓展部分中加以介紹。本書主要采納瞭離散無記憶網絡和高斯網絡模型，對於更加復雜模型中的信息流的極限，我們幾乎一無所知。集中使用上述的模型也可以幫助我們用最簡單的形式給齣編碼定理和證明。

在第 .章中，我們通過簡述書中一些例子，描畫瞭網絡信息論的全景。接下來的內容劃分為四大部分和一組附錄。

第一部分，基礎知識（第 .、 .章）。我們給齣瞭信息論的必備基礎知識，介紹瞭典型性的定義以及書中反復使用的幾個引理，並迴顧瞭香農的點到點信息編碼定理。

第二部分，單跳網絡（第 .章至第 ..章）。這部分討論單輪、單嚮的通信。其中的每個節點或者是發送者、或者是接收者。本部分的內容分屬三類通信場景。

.獨立消息通過有噪信道傳輸（第 .章至第 .章）。討論有噪單跳網絡的基本單元，第 .章先由多址接入信道開始（多對一通信），隨後第 .章與第 .章介紹廣播信道（一對多通信），第 .章介紹乾擾信道（多個一對一信道）。我們把對廣播信道的介紹分開進行，是齣於教學上的考慮：第 .章對於一般廣播信道的研究需要用到第 .章中有狀態信道的基礎。在第 .章中，我們研究高斯矢量信道，它刻畫瞭多天綫（多入多齣/MIMO）通信係統。

.相關信源通過無噪信道傳輸（第 ..章至第 ..章）。討論與有噪單跳網絡對應的信源編碼問題。第 ..章由分布式無損信源編碼開始，隨後在第 ..章中介紹有邊信息的有損信源編碼，在第

..章中介紹分布式有損信源編碼，在第 ..章中介紹多重描述編碼。我們在這三章中逐步展開對分布式編碼的討論，幫助讀者建立知識體係。 .相關信源經由有噪信道傳輸（第 ..章）。討論經由單跳有噪網絡發送未經壓縮的信源消息的一般問題。

第三部分，多跳網絡（第 ..章至第 ..章）。我們討論有中繼的網絡或者存在多輪通材料的組織信的網絡。在這個模型中，某些節點可以同時充當發送者和接收者。與第二部分的組織一樣，本章的內容也分為三類場景。

.獨立消息經由圖網絡傳輸（第 ..章）。本章超越簡單路由方法，討論瞭網絡圖模型上的編碼。

.獨立消息經由有噪網絡傳輸（第 ..章至第 ..章）。在第 ..章中，我們討論中繼信道。它是一個簡單的兩跳網絡，包括一個發送者、一個接收者和一個中繼。隨後的第 ..章討論反饋信道和雙嚮信道。在第 ..章中，我們將中繼信道和雙嚮信道的結論推廣到一般的有噪網絡中。第

..章進一步討論大規模無綫網絡容量的近似和尺度定律。

.相關信源經由圖網絡傳輸（第 ..章）。這一部分討論與第 ..章至第 ..章中描述的信道編碼對應的信源編碼問題。

第四部分，拓展內容（第 ..章至第 ..章）。本部分介紹瞭前三部分理論的拓展。第 ..章介紹瞭麵嚮計算的通信，第 ..章介紹通信中的保密問題，第 ..章介紹瞭衰落信道，第 ..章介紹瞭網絡和信息論的交叉問題。

附錄。為瞭盡量做到內容完備，我們在附錄 A、B、E中給齣瞭關於凸集、凸函數、概率與估計、凸優化的背景知識。附錄 C介紹瞭對隨機變量的勢進行定界的方法，在本書的很多章中，該方法用於容量和速率區域的刻畫。附錄 D介紹瞭Fourier–Motzkin消去過程。

材料的組織

本書的每一章基本都包含瞭教學材料和高級技術專題。加星號的小節則屬於細節或與主綫無關的內容。每一章的結尾都列齣瞭本章的核心內容、開放問題、文獻說明等內容，正文中略去的證明會以習題的形式給齣，一些過於技術或非核心的證明則會放在章尾的附錄中，以便讀者的精力能夠集中在核心的觀點和邏輯綫條上。

本書遵循“一圖勝韆言”的原則，使用瞭大量圖例來形象地說明模型和概念，證明則遵循盡可能簡單的原則，所需的基本工具隻須讀者掌握基礎概率論和一定程度的數學即可——讀者如果修過基礎信息論課程，那麼其數學水平就足以應付本書的要求。書中可達性的證明基於聯閤典型性，這個性質由香農在其 ....年的論文中給齣，由 Forney和 Cover在....年代進一步發展。在本書中，我們進一步引入一組更為簡化的引理，以使證明步驟更加簡明。我們展示瞭如何通過離散化過程和取恰當的極限，把離散無記憶網絡的證明拓展到對應的高斯網絡中去。本書中的一部分證明是全新的，其餘的大多數證明則是論文中證明的簡化版本，有一部分還更加嚴格。

在課程中使用本書

前麵提到，本書多年來已經在多所大學用於網絡信息論的教學。我們希望本書的齣版可以促進這門課程的推廣。當然，我們撰寫本書最主要的動機之一還是吸引更多的網絡信息論愛好者。當前的通信與網絡工程教育中主要包含的是點到點通信和有綫網絡的內容，而很多現代通信和網絡係統中的創新則更加重視共享資源的有效使用，而這恰是網絡信息論所關注的問題。我們相信，在掌握瞭實用的網絡信息論知識後，下一代通信和網絡工程師可以獲得很多好處。我們盡一切的可能，麵對這類讀者簡明地闡述相關的研究成果。特彆地，本書中關於高斯信道、無綫衰落信道、高斯網絡的內容可以直接整閤進無綫通信的高級課程中去。

本書可以用作為時長為一學期、強調通信技術的基礎信息論課程的主教材使用，也可以作為時長一學期的高等信息論課程的主教材，對通信、網絡、計算機科學、統計等課程加以補充。書中的大部分教學內容可以通過一個時長為兩學期的課程全麵覆蓋，課程的幻

燈片可以參考：http://arxiv.org/abs/........./。

相關圖

下麵的圖描述瞭各章之間的關聯。每個方塊錶示一個章節，虛綫框錶明瞭先修章節。

實綫箭頭錶明瞭必要的閱讀順序，虛綫箭頭則錶示建議閱讀。

除瞭上麵的分部相關圖外，我們還提供下述按照研究內容組織的相關圖。

..

Abbas ElGamal於加利福尼亞州

Palo Alto市

Young-Han Kim於加利福尼亞州

La Jolla市

....年.月

緻謝

本書是集體努力的成果。很多同事、課程助教、博士後和博士生都對本書的內容、組織、錶述提供瞭極有價值的建議，並審閱瞭早期的初稿。

首先，也是最重要的，我們對 TomCover懷有深深的感恩之情，他教會瞭我們所知關於信息論的一切，鼓勵我們撰寫此書，提供瞭許多深刻的建議。我們還特彆感謝我們的助教 EhsanArdestanizadeh，Chiao-YiChen，Yeow-KhiangChia，ShirinJalali，PaoloMinero， HaimPermuter，Han-ISu，SinaZahedi，LeiZhao，他們為本書的撰寫提供瞭巨大的幫助。

特彆地，我們要感謝SinaZahedi，他幫助完成瞭本書最初的講義版本。我們感謝 Han-ISu對於二次高斯信源編碼和分布式計算兩部分內容的貢獻，也感謝他對於初稿的全麵審讀。 Yeow-KhiangChia為信息論保密性和圖網絡中的壓縮兩章做齣瞭重要的貢獻，還提供瞭一些習題的解答，他還審讀瞭本書的很多部分。 PaoloMinero在信息論和網絡的章節中也有貢獻。

我們還很感激我們的博士生。BerndBandemer對於乾擾信道一章有貢獻，並閱讀瞭書中的若乾部分。SungHoonLim對於離散無記憶高斯網絡一章做齣瞭貢獻。JamesMammen幫助完成瞭尺度定律的第一稿講義，LeleWang和YuXiang也對於書中很多部分提供瞭有益的建議。

我們還從與同事的討論中獲益良多。Chandra Nair貢獻瞭廣播信道一章中的很多結果和習題。 David Tse幫助梳理瞭衰落信道和乾擾信道的內容組織。 Mehdi Mohseni幫助完成瞭高斯矢量信道的關鍵證明。 Amin Gohari幫助完成瞭信息論中的保密性一章的組織並給齣瞭幾個結論的證明。 Olivier Lévêque幫助完成瞭高斯網絡的幾個證明。我們還從 JohnGill處獲得瞭很多排版風格和編輯方麵的建議。 JunChen，Sae-Young Chung，AmosLapidoth，PrakashNarayan，BobakNazer，AlonOrlitsky，OferShayevitz，Yossi Steinberg，AslanTchamkerten，DimitrisToumpakaris，Sergio Verdú，MaiVu，MichèleWigger， Ram Zamir和 Ken Zeger在本書的撰寫過程中提供瞭有益的建議。我們還要感謝VenkatAnantharam，Fran.oisBaccelli，StephenBoyd，MaxCosta，PaulCu.，SuhasDiggavi，MassimoFranceschetti，MichaelGastpar，AndreaGoldsmith，BobGray，TeSunHan， Tara Javidi， Ashish Khisti， Gerhard Kramer， Mohammad Maddah-Ali， Andrea Montanari， BalajiPrabhakar，BixioRimoldi，AnantSahai,，AnandSarwate，DevavratShah，ShlomoShamai， EmreTelatar，AlexVardy，TsachyWeissman和張林。

如果沒有選修我們課程的無數熱情好學的學生和他們的貢獻，本書不可能誕生。他們中的一些人前麵已經提及，此外，我

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