‹

03 · สารสนเทศและการเข้ารหัส

03 · ​สารสนเทศ​และ​การเข้ารหัส

​บท​นี้​คือ​พื้น​หิน​ชั้นล่าง​สุด​ใต้​ทุก​ข้อความ​ที่​หอคอย​ลำเลียง — ​ตรึง​ว่า​สัญญาณ (signal) ​คือ​อะไร ​และ​ช่องสัญญาณ (channel) ​หนึ่ง​แบก​ได้มาก​แค่​ไหน

​ช่องสัญญาณ​หนึ่ง​แบก​ความประหลาดใจ​ได้มาก​แค่​ไหน

​ก่อน​ปี 1948 ​วิศวกร​ทุกคน​ที่ทำงาน​กับ​สาย​ที่​มี​สัญญาณรบกวน (noise) ​เชื่อ​เหมือนกัน​หมด ​และ​เชื่อ​ผิด ​สัญญาณรบกวน​กัด​ข้อความ​ให้​เสียหาย ​จะ​สู้​ก็​ต้อง​ตะโกน​ดัง​ขึ้น​หรือ​พูด​ซ้ำ ​ทาง​ไหน​ก็ตาม​คือ​ซื้อ​ความแม่นยำ​ด้วย​พลังงาน​หรือ​ด้วย​เวลา ​และ​อัตราแลกเปลี่ยน​ไม่​ปรานี​ใคร — ​จะ​กด​อัตรา​ความผิดพลาด​ให้​เข้าใกล้​ศูนย์ ​ต้อง​หน่วง​ข้อความ​จน​เกือบ​หยุดนิ่ง ​ความน่าเชื่อถือ (reliability) ​กับ​ความเร็ว​นั่ง​อยู่​คนละ​ข้าง​ของ​ไม้กระดก ​และ​นั่น​คือ​ธรรมชาติ​ของ​ช่องสัญญาณ​ทางกายภาพ

​ไม้กระดก​ตัว​นั้น​หัก​ลง​เมื่อ Claude Shannon ​ที่ Bell Labs ​ตีพิมพ์​เปเปอร์​สอง​ภาค​ใน​ฉบับ​เดือน​กรกฎาคม​และ​ตุลาคม​ปี 1948 ​ของ Bell System Technical Journal (Shannon, 1948) ​เขา​พิสูจน์​ว่า​ทุก​ช่องสัญญาณ​มี​ตัวเลข​ติดตัว​มา​หนึ่ง​ตัว — ​ความจุ​ช่องสัญญาณ (channel capacity) ​ส่ง​ด้วย​อัตรา​ใด​ก็ตาม​ที่ ​ต่ำกว่า ​ตัวเลข​นั้น ​คุณ​กด​ความน่าจะเป็น​ของ​ความผิดพลาด​ให้​ใกล้​ศูนย์​เท่าไร​ก็ได้ ​โดย​ไม่ต้อง​ช้า​ลง​เลย​สักนิด ​ส่ง​เกินตัว​เลข​นั้น ​ไม่​มี​อะไร​ช่วย​คุณ​ได้ ​ไม่​ว่า​จะ​เพิ่ม​พลังงาน ​เพิ่ม​การพูด​ซ้ำ ​หรือ​วิธี​เข้ารหัส (encoding) ​แบบ​ใด​ที่​ใคร​จะ​คิด​ขึ้น​ได้​ในอนาคต ​ไม่​ใช่​ไม้กระดก ​แต่​เป็น​ขีดจำกัด​ความเร็ว ​ที่​มี​ของ​ฟรี​ซ่อน​อยู่​ข้างใต้

​กว่า​จะ​ไป​ถึง​จุด​นั้น Shannon ​ต้อง​บอก​ก่อน​ว่า​ข้อความ*​คือ*​อะไร

​สารสนเทศ (information) ​คือ​ความประหลาดใจ ​ไม่​ใช่​ความหมาย ​ย่อหน้า​ที่สอง​ของ​เขา​โยนทิ้ง​สิ่ง​ที่​คนอื่น​ทั้ง​วงการ​หวงแหน — "​แง่มุม​เชิง​ความหมาย (semantic) ​เหล่านี้​ของ​การสื่อสาร​ไม่​เกี่ยวข้อง​กับ​โจทย์​ทาง​วิศวกรรม" ​ที่​สำคัญ​มี​อย่าง​เดียว ​คือ​ข้อความ​หนึ่ง​คือ​การ*​เลือก*​จาก​ชุด​ข้อความ​ที่​เป็นไปได้ ​และ​งาน​ของ​วิศวกร​คือ​สร้าง​การเลือก​นั้น​ขึ้น​ใหม่​ที่​ปลายทาง ​กรอบ​ใหม่​นี้​คลอด​หน่วย​วัด​ออกมา — "​ถ้า​ใช้​ฐาน 2 ​หน่วย​ที่​ได้​จะ​เรียก​ว่า binary digit ​หรือ​เรียก​สั้นๆ ​ว่า bit ​คำ​ที่ J. W. Tukey ​เป็น​คน​เสนอ" ​โยน​เหรียญ​เที่ยงตรง​หนึ่ง​ครั้ง​ได้​หนึ่ง​บิต (bit) ​ลูกเต๋า​เที่ยงตรง​หนึ่ง​ลูก​ได้​ราว 2.6 ​บิต ​ข้อความ​ที่​ทาย​ได้​อยู่แล้ว​ไม่​ให้​อะไร​เลย ​ยาว​แค่​ไหน​ก็ตาม ​ข้อความ​ที่​ทาย​ไม่​ได้​ให้​มาก ​สั้น​แค่​ไหน​ก็ตาม ​เอนโทรปี (entropy) — ​ตัว H ​ของ Shannon — ​คือ​ค่าเฉลี่ย​ความประหลาดใจ​ต่อ​สัญลักษณ์​หนึ่ง​ตัว​จาก​แหล่งข้อมูล​หนึ่ง​แหล่ง Harry Nyquist ​และ Ralph Hartley ​วนรอบ​ไอเดีย​นี้​ใน​วารสาร​เดียวกัน​มา​แล้ว​เมื่อ​ปี 1924 ​และ 1928 Shannon ​ปิด​วง​ด้วย​การทำให้​มัน​วัด​ได้

​เอนโทรปี​คือ​พื้น​ชั้นล่าง​สุด​ของ​การบีบ​อัด (compression) ​พอ​ความประหลาดใจ​มี​ตัวเลข​กำกับ ​ตัวเลข​นั้น​ก็​ผูกมัด ​ผลลัพธ์​การเข้ารหัส​แบบ​ไร้​สัญญาณรบกวน​ของ Shannon (Theorem 9 ​ใน​เปเปอร์) ​บอก​ว่า​แหล่งข้อมูล​ที่​มี​เอนโทรปี H ​เข้ารหัส​ให้​ต่ำกว่า H ​บิต​ต่อ​สัญลักษณ์​โดยเฉลี่ย​ไม่​ได้ ​และ​เข้ารหัส​ให้​ใกล้ H ​ได้มาก​เท่าที่​ต้องการ ​ภาษาอังกฤษ​อยู่​ห่าง​จาก 4.7 ​บิต​ต่อตัว​อักษร​ที่​ตัวอักษร 26 ​ตัว​เปิดช่อง​ให้​อยู่​มาก ​เพราะ​ตัวอักษร​ทำนาย​กันเอง — q ​ตาม​ด้วย u ​และ​คุณ​รู้อยู่​ก่อน​แล้ว​ว่า​ประโยค​นี้​จะ​จบ​อย่างไร ​ช่องว่าง​ระหว่าง​ความจุ​ของ​ตัวอักษร​กับ​เอนโทรปี​ของ​ภาษา ​คือ​สิ่ง​ที่​ไฟล์​บีบ​อัด​ทุก​ไฟล์​กิน​เข้าไป ​การบีบ​อัด​จึง​ไม่​ใช่​กล​ที่​เล่น​กับ​ข้อมูล ​แต่​คือ​การรูด​ความที่​ทาย​ได้​ออก​ทิ้ง ​ซึ่ง​อธิบาย​สอง​เรื่อง​ที่​ทุกคน​เคย​เจอ — ​ไฟล์​ที่​บีบ​อัด​แล้ว​บีบ​ซ้ำ​อีก​ไม่​ได้ ​และ​ข้อมูล​ที่​สุ่ม​จริงๆ ​บีบ​ไม่​ลง​เลย

​ความจุ​คือ​ขีดจำกัด​ความเร็ว ​ความซ้ำซ้อน (redundancy) ​คือ​วิธี​ขับ​ให้​ถึง​ขีด​นั้น ​ทฤษฎีบท​ช่องสัญญาณ​ที่​มี​สัญญาณรบกวน​ของ Shannon (Theorem 11) ​คือ​ของ​ฟรี​ที่​เขียน​ไว้​อย่าง​เป็นทางการ ​และ Theorem 17 ​ใส่​ตัวเลข​ให้​กรณี​ที่​พบ​บ่อย​ที่สุด — "​ความจุ​ของ​ช่องสัญญาณ​ย่าน​ความถี่ W ​ที่​ถูก​รบกวน​โดย​สัญญาณรบกวน​ความร้อน​สี​ขาว​กำลัง N ​เมื่อ​กำลัง​ส่ง​เฉลี่ย​คือ P" ​คือ C = W log(1 + P/N) ​บิต​ต่อ​วินาที (BSTJ 27, no. 4) ​สังเกตว่า​ข้อ​นี้​เปิดทาง​ให้​อะไร ​พูด​ข้อความ​ซ้ำสาม​ครั้ง​คือ​ใช้​ความซ้ำซ้อน​อย่าง​โง่ๆ ​ต้นทุน​สาม​เท่า​แลก​กำไร​นิดเดียว Shannon ​พิสูจน์​ว่าความ​ซ้ำซ้อน​ที่​ใช้​อย่าง*​ฉลาด*​ซื้อ​ความน่าเชื่อถือ​ที่​เกือบ​สมบูรณ์แบบ​มา​ได้​โดย​แทบ​ไม่​เสีย​อัตรา​เลย ​แต่​เขา​ไม่​ได้​บอก​ว่า​ทำ​อย่างไร ​บทพิสูจน์​ของ​เขา​แสดงว่า​รหัส​ที่​ดี​มี​อยู่​จริง ​ด้วย​การแสดง​ว่า​รหัส​ที่​หยิบ​มา​แบบ​สุ่ม​น่าจะ​ดี — ​บทพิสูจน์​เชิง​มี​อยู่​จริง (existence proof) ​ที่​ยื่น​โครงการ​ก่อสร้าง​ยาว​ห้าสิบ​ปี​ใส่​มือ​วิศวกร

​โครงการ​ก่อสร้าง​นั้น Richard Hamming ​มีเรื่อง​ส่วนตัว​ค้าง​อยู่ ​ปี 1947 ​เขา​ทำงาน​เสาร์​อาทิตย์​กับ​เครื่อง​คำนวณ​แบบ​รีเลย์​ของ Bell Labs ​โดย​ไม่​มี​เจ้าหน้าที่​ควบคุม​สัก​คน ​ส่ง​งาน​เข้าไป​วัน​ศุกร์ ​กลับมา​วัน​จันทร์​ก็​พบ​ว่า​เครื่อง​จับ​ข้อผิดพลาด​ใน​การอ่าน​บัตร​ได้ ​ทิ้ง​งาน​ของ​เขา ​แล้ว​เดินหน้า​ต่อ ​สอง​ครั้ง​ติดกัน "​แม่ง​เอ๊ย" ​เขา​เล่า​ว่า​คิด​แบบ​นั้น "​ถ้า​เครื่อง​หา​เจอ​ว่า​มี​ข้อผิดพลาด​ได้ ​ทำไม​มัน​ถึง​หา​ตำแหน่ง​ที่​ผิด​แล้ว​เปลี่ยน​ค่า​รีเลย์​จาก​หนึ่ง​เป็น​ศูนย์​หรือ​ศูนย์​เป็นหนึ่ง​เอง​ไม่​ได้​ล่ะ" (IEEE Computer Society) ​คำตอบ​กลายเป็น Hamming code (BSTJ 29, no. 2, April 1950: 147–160) — ​บิต​พา​ริ​ตี (parity bit) ​วาง​เรียง​ไว้​จน​รูปแบบ​ของ​การตรวจสอบ​ที่​ล้มเหลว​สะกด​ตำแหน่ง​ของ​บิต​ที่​พลิก​ออกมา​เป็น​เลขฐานสอง ​การตรวจจับ (detection) ​กลายเป็น​การแก้ไข (correction)

​จากนั้น​รหัส​ก็​เก่ง​ขึ้น ​การสร้าง​ของ Reed ​และ Solomon ​ใน​ปี 1960 ​บน​ฟิลด์​จำกัด (finite field) (Journal of the SIAM 8: 300–304) ​ทน​ความเสียหาย​ที่มา​เป็นช่วง (burst) ​ไม่​ใช่​แค่​บิต​พลิก​เดี่ยวๆ ​ซึ่ง​เป็น​สิ่ง​ที่​อวกาศ​ห้วง​ลึก​เรียกร้อง JPL ​ปล่อย​ยาน Voyager 2 ​มุ่ง​ดาว​ยูเรนัส​ทั้งที่​ตัว​ถอดรหัส Reed–Solomon ​ของ​มัน​ยัง​ไม่​มี​ตัวตน ​โดย "​พนัน​ว่า​เมื่อ​ถึง​เวลา​ที่ Voyager II ​ไป​ถึง​ดาว​ยูเรนัส​ใน​ปี 1986 ​อัลกอริทึม​และ​อุปกรณ์​ถอดรหัส​จะ​พร้อม​ใช้งาน​และ​สมบูรณ์​แล้ว ​ซึ่ง​พวกเขา​คิด​ถูก!" (NASA TM 102162) ​ระหว่าง​นั้น Robert Gallager ​คิด low-density parity-check code (LDPC) ​ขึ้น​ใน​วิทยานิพนธ์​ที่ MIT ​ปี 1960 ​ตีพิมพ์​ใน​ปี 1962 (IRE Transactions on Information Theory 8: 21–28) ​แล้ว​ยืน​ดู​มัน​จางหาย​ไป ​เพราะ​ถอดรหัส​แพง​เกิน​ฮาร์ดแวร์​ยุค​นั้น MacKay ​และ Neal ​ขุด​มัน​ขึ้น​มา​ใหม่​ใน​ปี 1995–96 ​พร้อมกับ turbo code ​ของ Berrou, Glavieux ​และ Thitimajshima (Proc. IEEE ICC, 1993) ​และ​กำแพง​ที่ Shannon ​ขีด​ไว้​ก็​ถูก​แตะ​ถึง​ในที่สุด — ​ภายใน​ปี 2001 LDPC ​แบบ irregular ​เข้าใกล้​ความจุ​เหลือ​ระยะ 0.0045 ​เดซิเบล (Chung, Forney, Richardson & Urbanke, IEEE Communications Letters 5, 2001) ​โทรศัพท์​ของ​คุณ​ใช้​ทายาท​ทั้งสอง​สาย — LDPC ​สำหรับ​ช่อง​ข้อมูล 5G ​และ polar code ​ของ Erdal Arıkan ​ตีพิมพ์​ปี 2009 ​เข้า​เป็นมาตร​ฐาน​ภายใน​สิบ​ปี ​สำหรับ​ช่อง​ควบคุม

​ความเงียบ​ของ​ชั้นนี้​คือ​รอย​รั่ว (leak) ​ของ​มัน​เอง ​ทุกอย่าง​ข้างต้น​ไม่​สนใจ​ว่า​ข้อความ​พูดว่า​อะไร ​คำปฏิเสธ​ความรับผิดชอบ​ของ Shannon ​เป็น​เงื่อนไข​ที่​จำเป็น​ต่อ​พลัง​ของ​ทฤษฎี ​ไม่​ใช่​การมองข้าม — ​แต่​แปล​ว่า​ชั้นนี้​ตั้งราคา​การส่งผล​วินิจฉัยโรค​เท่ากับ​การส่ง​ข้อความ​สแปม ​และ​พูด​ไม่​ได้​สัก​คำ​ว่า​อัน​ไหน​คุ้ม​ที่จะ​ส่ง ​ทุก​ชั้น​เหนือ​ขึ้นไป​จ่าย​ค่า​ความเงียบ​นี้​ด้วย​สกุล​เงิน​ของ​ตัวเอง — ​วิทยาการ​รหัสลับ (cryptography, ​บท​ที่ 11) ​ต้อง​เติม​ว่า​ใคร​เป็น​คน​ส่ง ​ฐานข้อมูล (​บท​ที่ 08) ​ต้อง​เติม​ว่า​มัน​หมายความว่า​อะไร ​และ machine learning (​บท​ที่ 12) ​ใช้ชีวิต​ทั้ง​ชีวิต​ไล่​กู้​ความหมาย​กลับ​จาก​สถิติ — ​พร้อมกับ​แอบ​ใช้​เอนโทรปี​ของ Shannon ​เป็น loss function

​เชื่อมโยง

​ชั้น​ข้างเคียง: ​บท​ที่ 02 ​ซึ่ง​ขอบ​ล่าง Ω(n log n) ​ของ​การเรียง​ลำดับ​คือ​ข้อโต้แย้ง​เรื่อง​การนับ​ของ​บท​นี้​ที่​แฝงตัว​มา — log₂(n!) ​คือ​จำนวน​บิต​ที่​ต้อง​ใช้​ระบุ​ลำดับ​หนึ่ง​แบบ ​ชั้นบน: ​บท​ที่ 09 ​ที่ TCP ​ก่อ​ความน่าเชื่อถือ​ขึ้น​จาก​ช่องสัญญาณ​ที่​ไม่​น่าเชื่อถือ ​ข้อตกลง​เดียวกัน ​ทำ​ที่​ชั้นสูง​กว่า ​บท​ที่ 08 ​ที่​การบีบ​อัด​และ checksum ​เฝ้า​ข้อมูล​ที่​จัดเก็บ​ไว้ ​บท​ที่ 11 ​ที่​ความแข็ง​แกร่ง​ของ cipher ​นับ​กัน​เป็น​บิต ​บท​ที่ 12 ​ที่​โมเดล​ซึ่ง​ทาย​โท​เคน​ถัดไป​ได้ดี ​ตาม​ข้อโต้แย้ง​ข้างต้น​ก็​คือ​ตัว​บีบ​อัด​ตัว​หนึ่ง

​คำถาม​ที่​ยัง​เปิด​อยู่

Shannon ​ตัด​ความหมาย (meaning) ​ออก​ไป​โดยตั้งใจ — ​และ​ยัง​ไม่​มี​ทฤษฎี​สารสนเทศ​เชิง​ความหมาย (semantic information) ​ที่​ได้รับ​การยอมรับ​เข้ามา​แทน​สิ่ง​ที่​เขา​วาง​ทิ้ง​ไว้ ​แม้​คำถาม​นี้​จะ​กลับมา​มีชีวิต​อีกครั้ง​เพราะ​โมเดล​ภาษา​ทำให้​มัน​ใช้ได้​จริง ​การบีบ​อัด​คือ​สิ่ง​เดียว​กับ​ความเข้าใจ ​หรือ​แค่​สัมพันธ์กัน​เฉยๆ ​และ​ในแง่​กายภาพ — ​ใกล้​ความจุ​แค่​ไหน​ถึง​เรียก​ว่า​ใกล้​พอที่จะ​หยุด ​ใน​เมื่อ​เดซิเบล​เศษ​เสี้ยว​สุดท้าย​ตอนนี้​กิน​พลังงาน​ใน​การถอดรหัส​มากกว่า​ที่​ประหยัด​ได้​ตอน​ส่ง

​อ่าน​ต่อ

บทถัดไป · 5 / 1604 · สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
Size
Page
Font

The Tower of Abstractions — An Encyclopedia of the Computing Disciplines

❦
100 · แผนที่201 · ทฤษฎีการคำนวณ302 · อัลกอริทึมและโครงสร้างข้อมูล403 · สารสนเทศและการเข้ารหัส504 · สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์605 · ระบบปฏิบัติการ706 · ภาษาและคอมไพเลอร์807 · วิศวกรรมซอฟต์แวร์908 · ฐานข้อมูล1009 · เครือข่าย1110 · ระบบกระจาย1211 · ความปลอดภัยและวิทยาการรหัสลับ1312 · ปัญญาประดิษฐ์และการเรียนรู้ของเครื่อง1413 · ปฏิสัมพันธ์มนุษย์–คอมพิวเตอร์ และกราฟิกส์1514 · พรมแดน1699 · ปิดเล่ม — หอคอยเมื่อมองทั้งหลัง