补齐有限检验点、复高斯检验与 SBL 更新的推导。 区分实值向量 AMP 示例和复值结构字典,撤回未经证明的等价性。 同步正文与符号索引,保留误指定有限检验点界的推导待办。
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\section{门限区界:Barankin 与 Ziv--Zakai}
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\label{sec:thresholdBounds}
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\begin{mdquote}
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\noindent\textbf{本附录设定}:在局部信息分析之外,用相距有限的参数点考察大误差。
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\begin{itemize}[leftmargin=1.5em,itemindent=0pt]
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\item \emph{Barankin 型界} 在参考点和检验点施加无偏约束,给出确定参数的协方差下界。
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\item \emph{Ziv--Zakai 界} 指定参数先验,通过二元检验错误率给出贝叶斯均方误差下界。
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\item \emph{高斯闭式} 两个假设均为圆对称复高斯且具有相同的已知协方差;其他情形须重新计算似然比矩或检验错误率。
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\end{itemize}
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\end{mdquote}
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\gls{crb} 由真值附近的导数构造,\gls{efim} 则是消去干扰参数后的信息矩阵,其逆才是相应的协方差下界。局部界的成立不要求整个似然单峰,但它可能无法紧密描述跳入远处模糊峰所造成的大误差~\cite{athleyThresholdRegionPerformance2005}。本附录先给出匹配模型的有限检验点界,再说明模型误指定时需要改变的条件。
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\subsection{有限检验点的 Barankin 型界}
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\label{subsec:J1_barankin}
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设 $\boldsymbol\eta$ 是实值参数向量,参考点为 $\boldsymbol\eta_{\mathrm r}$,检验点为 $\boldsymbol\eta_1,\ldots,\boldsymbol\eta_q$。密度在这些点有共同支撑,似然比二阶矩有限。定义
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\begin{equation}
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\label{eq:J_likelihood_ratio}
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L_i(\mathbf y)=\frac{p(\mathbf y;\boldsymbol\eta_i)}
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{p(\mathbf y;\boldsymbol\eta_{\mathrm r})},
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\qquad
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\boldsymbol\Delta=
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[\boldsymbol\eta_1-\boldsymbol\eta_{\mathrm r},\ldots,
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\boldsymbol\eta_q-\boldsymbol\eta_{\mathrm r}],
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\qquad
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[\mathbf M]_{ij}=\mathbb E_{\mathrm r}[L_iL_j].
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\end{equation}
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若估计器在参考点及全部检验点无偏,则 $\mathbb E_{\mathrm r}[L_i]=1$,且
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\begin{equation}
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\label{eq:J_cross_moment}
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\mathbb E_{\mathrm r}\!\left[
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(\widehat{\boldsymbol\eta}-\boldsymbol\eta_{\mathrm r})(L_i-1)
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\right]=\boldsymbol\eta_i-\boldsymbol\eta_{\mathrm r}.
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\end{equation}
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令 $\mathbf B_{\mathrm{test}}=\mathbf M-\mathbf1\mathbf1^\Tran$。当它正定时,对估计误差和中心化似然比的联合协方差取 Schur 补,得到
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\begin{equation}
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\label{eq:J_barankin}
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\operatorname{Cov}_{\mathrm r}(\widehat{\boldsymbol\eta})
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\succeq\boldsymbol\Delta\mathbf B_{\mathrm{test}}^{-1}
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\boldsymbol\Delta^\Tran .
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\end{equation}
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有限检验点给出 Barankin 型下界;沿任一标量方向对所有有限检验点集合取上确界,才得到该方向的 Barankin 界。若 $\mathbf B_{\mathrm{test}}$ 奇异,须检查无偏约束是否相容,再在其有效子空间使用广义逆。例如,两个不同目标参数具有完全相同的分布时,不存在同时在两点无偏的估计器。正则条件下,令检验点沿完整的局部参数方向趋近参考点,可恢复相应的 \gls{crb}。
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\paragraph{复高斯似然比的二阶矩}
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设 $\mathbf y\sim\mathcal{CN}(\boldsymbol\mu_{\mathrm r},\mathbf R)$,$\mathbf R\succ0$ 在所有检验点相同,记 $\mathbf d_i=\boldsymbol\mu_i-\boldsymbol\mu_{\mathrm r}$。展开二次型可得
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\begin{equation}
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\label{eq:J_gaussian_moment}
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\begin{aligned}
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\log L_i
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&=2\Re\{\mathbf d_i^\Herm\mathbf R^{-1}
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(\mathbf y-\boldsymbol\mu_{\mathrm r})\}
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-\mathbf d_i^\Herm\mathbf R^{-1}\mathbf d_i,\\
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[\mathbf M]_{ij}
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&=\exp\!\left(2\Re\{\mathbf d_i^\Herm\mathbf R^{-1}\mathbf d_j\}\right).
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\end{aligned}
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\end{equation}
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第二行利用了实高斯变量的矩母函数:第一行随机项的交叉协方差为 $2\Re\{\mathbf d_i^\Herm\mathbf R^{-1}\mathbf d_j\}$。所得 $\mathbf M$ 为实对称矩阵。单个检验点时,分母为 $\exp(2D_i^2)-1$,其中 $D_i^2=\mathbf d_i^\Herm\mathbf R^{-1}\mathbf d_i$;远处参数若仍具有较小的白化均值距离,就会给出较强的大误差约束。具体门限需结合检验点优化及所采用的估计器分析,不能仅由 $D_i^2$ 的数量级确定。
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\paragraph{模型误指定的适用边界}
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误指定模型的性能界还需规定真实分布、假设分布及估计器的无偏性或矩约束~\cite{richmondParameterBoundsEstimation2015}。若数据服从真实密度,却把 \eqref{eq:J_likelihood_ratio} 中的两项换成假设同步模型,则一般既没有 $\mathbb E_{\mathrm r}[L_i]=1$,也没有 \eqref{eq:J_cross_moment}。因此,不能通过这一替换把 \eqref{eq:J_barankin} 直接改成误指定界,也不能据此宣称其局部极限就是 \gls{mcrb}。这里的有限点公式用于匹配模型;忽略时间戳的局部失配分析仍使用\appref{subsec:F5_mcrb} 中明确给定的真实与假设模型。
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% TODO: 在给定估计器矩约束后,推导含时间戳真实模型与假设同步模型之间的误指定有限检验点界。
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\subsection{Ziv--Zakai 界与二元检验}
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\label{subsec:J2_zzb}
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取实值标量目标 $a$,先验密度为 $\pi(a)$,观测条件密度为 $p(\mathbf y\mid a)$。如果 $a=\mathbf c^\Tran\mathbf p$ 是位置投影,$p(\mathbf y\mid a)$ 应按给定条件先验对其余位置分量与干扰参数积分;若把它们固定为已知量,则得到的是条件子模型。标量 Ziv--Zakai 界可写为~\cite{tsangZivZakai2023}
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\begin{equation}
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\label{eq:J_zzb}
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\begin{aligned}
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\mathbb E[(\widehat a-a)^2]
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&\geq\frac12\int_0^\infty h\,\mathcal V\{g\}(h)\,\diff h,\\
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g(h)&=\int_{\mathbb R}[\pi(a)+\pi(a+h)]P_{\min}(a,a+h)\,\diff a,\\
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\mathcal V\{g\}(h)&=\sup_{u\geq h}g(u).
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\end{aligned}
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\end{equation}
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这里的二元检验先验为 $\rho_0=\dfrac{\pi(a)}{\pi(a)+\pi(a+h)}$ 与 $\rho_1=\dfrac{\pi(a+h)}{\pi(a)+\pi(a+h)}$;权重和为零的点对积分贡献为零。$P_{\min}$ 使用这些先验,而非一律使用等先验。填谷算子取非增上包络,利用误差尾概率的单调性加强下界。
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其依据是恒等式 $\mathbb E[(\widehat a-a)^2]=\dfrac12\int_0^\infty h\,\Pr(|\widehat a-a|\geq h/2)\,\diff h$。用估计值与两个假设的中点比较可构造二元判决;它的错误概率不小于最优二元检验错误概率。对点对积分便得到尾概率的下界 $g(h)$,再利用单调性得到 \eqref{eq:J_zzb}。
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\paragraph{等协方差复高斯检验}
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当两个条件分布为 $\mathcal{CN}(\boldsymbol\mu_0,\mathbf R)$ 与 $\mathcal{CN}(\boldsymbol\mu_1,\mathbf R)$ 时,令
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\begin{equation}
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\label{eq:J_distance}
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D^2=(\boldsymbol\mu_1-\boldsymbol\mu_0)^\Herm
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\mathbf R^{-1}(\boldsymbol\mu_1-\boldsymbol\mu_0).
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\end{equation}
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在两个假设下,对数似然比分别服从均值为 $-D^2$、$D^2$,方差同为 $2D^2$ 的实高斯分布。以 $\log(\rho_0/\rho_1)$ 为判决阈值,得到
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\begin{equation}
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\label{eq:J_pmin}
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\begin{aligned}
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P_{\min}
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&=\rho_0 Q\!\left(\frac{D^2+\log(\rho_0/\rho_1)}{\sqrt{2D^2}}\right)
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+\rho_1 Q\!\left(\frac{D^2-\log(\rho_0/\rho_1)}{\sqrt{2D^2}}\right),\\
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P_{\min}\big|_{\rho_0=\rho_1=1/2}
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&=Q\!\left(\sqrt{D^2/2}\right).
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\end{aligned}
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\end{equation}
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其中 $Q$ 为标准正态右尾函数。$D=0$ 时,直接取 $P_{\min}=\min(\rho_0,\rho_1)$。对干扰参数积分后,条件密度通常成为混合分布,此时 \eqref{eq:J_pmin} 的高斯闭式不再直接适用。
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\paragraph{近似模糊与误差地板}
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在独立星噪声模型下,$D^2=\sum_\ell\|\boldsymbol\mu_{1,\ell}-\boldsymbol\mu_{0,\ell}\|_2^2/\sigma_\ell$,因此白化距离跨星可加。若两组固定参数的均值差非零,降低噪声方差会使 $D^2$ 增大,检验错误率趋于零;很小的均值差可推迟门限转折,却不必产生高信噪比地板。若不同参数有相同均值,则该点对始终不可区分;要使贝叶斯均方误差保持非零地板,还需这种模糊对先验积分具有非零贡献。
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多用户均值是各用户信号之和,其差的平方范数一般含用户间交叉项。只有相应差向量正交时,白化距离才可再按用户相加。增加用户既提供观测结构,也引入未知参数,其效果应结合\appref{subsec:F6_tauDeltaConfound} 的投影秩判据与有限距离检验判断,不存在仅由用户数决定的统一门限或地板结论。
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局部满秩与全局唯一性是两个不同条件:前者支持有限的局部协方差界,后者还要求排除搜索域内的远距离模糊。Barankin 型界和 Ziv--Zakai 界分别在无偏约束与先验平均的框架下补充这一分析。
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