This paper studies implicit communication in linear quadratic Gaussian control systems. We show that the control system itself can serve as an implicit communication channel, enabling the controller to transmit messages through its inputs to a receiver that observes the system state. This communication is considered implicit because (i) no explicit communication channels are needed; and (ii) information is transmitted while simultaneously fulfilling the controller's primary objective--maintaining the control cost within a specified level. As a result, there exists an inherent trade-off between control and communication performance. This trade-off is formalized through the notion of implicit channel capacity, which characterizes the supremum reliable communication rate subject to a constraint on control performance. We investigate the implicit channel capacity in two settings. When both the controller and the receiver have noiseless observations of the system state, the channel capacity admits a closed-form expression. When both the controller and the receiver have noisy observations, we establish a lower bound on the implicit channel capacity. Surprisingly, in the noiseless observation case, the capacity-achieving input policy adheres to a separation principle, allowing the control and channel coding tasks to be addressed independently, without loss of optimality. While this separation principle no longer holds in the noisy observation setting, we show that linear Gaussian input policies still decouple the channel coding problem from control, and can thus greatly simplify the practical implementation of implicit communication.


翻译:本文研究了线性二次高斯控制系统中的隐式通信问题。我们证明,控制系统本身可作为隐式通信信道,使控制器能够通过其输入向观测系统状态的接收端传输信息。这种通信之所以称为隐式,是因为(i)无需显式通信信道;(ii)信息传输过程同时满足控制器的主要目标——将控制成本维持在指定水平。因此,控制性能与通信性能之间存在固有的权衡关系。该权衡关系通过隐式信道容量的概念形式化定义,该容量表征了在控制性能约束下可达到的最高可靠通信速率。我们在两种场景下探究了隐式信道容量:当控制器与接收端均能无噪观测系统状态时,信道容量存在闭式解;当双方均存在观测噪声时,我们建立了隐式信道容量的下界。值得注意的是,在无噪观测场景中,达到容量的输入策略遵循分离原理,使得控制任务与信道编码任务可独立处理而不损失最优性。虽然在有噪观测场景中该分离原理不再成立,但我们证明线性高斯输入策略仍能将信道编码问题与控制问题解耦,从而显著简化隐式通信的实际实现。

0
下载
关闭预览

相关内容

FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
163+阅读 · 2019年10月12日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
43+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
23+阅读 · 2021年12月19日
VIP会员
相关资讯
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
43+阅读 · 2019年1月3日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员