Aufgabe 4.11: Analyse von Prüfmatrizen

From LNTwww

Produktcode, beschrieben durch die Prüfmatrix  $\mathbf{H}$

In nebenstehender Grafik ist oben ein Produktcode angegeben, der durch folgende Prüfgleichungen gekennzeichnet ist:

$$p_1 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} u_1 \oplus u_2\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} p_2 = u_3 \oplus u_4\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} p_3 \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} u_1 \oplus u_3\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} p_4 = u_2 \oplus u_4\hspace{0.05cm}.$$

Darunter sind die Prüfmatrizen  $\mathbf{H}_1, \ \mathbf{H}_2$ und $\mathbf{H}_3$  angegeben. Zu prüfen ist, welche der Matrizen den gegebenen Produktcode entsprechend der Gleichung  $\underline{x} = \underline{u} \cdot \mathbf{H}^{\rm T}$  richtig beschreiben, wenn von folgenden Definitionen ausgegangen wird:

  • dem Codewort  $\underline{x} = (u_1, \, u_2, \, u_3, \, u_4, \, p_1, \, p_2, \, p_3, \, p_4)$,
  • dem Codewort  $\underline{x} = (u_1, \, p_1, \, u_2, \, p_2, \, u_3, \, p_3, \, u_4, \, p_4)$.


Alle  $\mathbf{H}$–Matrizen beinhalten weniger Einsen als Nullen. Dies ist ein Kennzeichen der so genannten Low–density Parity–check Codes  (kurz:  $\rm LDPC$–Codes). Bei den praxisrelevanten LDPC–Codes ist der Einsen–Anteil allerdings noch deutlich geringer als bei diesen Beispielen.

Weiterhin ist für die Aufgabe anzumerken:

  • Ein  $(n, \ k)$–Blockcode ist systematisch, wenn die ersten  $k$  Bit des Codewortes  $\underline{x}$  das Informationswort  $\underline{u}$  beinhaltet. Mit der Codewortdefinition  $\underline{x} = (u_1, \, u_2, \, u_3, \, u_4, \, p_1, \, p_2, \, p_3, \, p_4)$  muss dann die Prüfmatrix  $\mathbf{H}$  mit einer  $k × k$–Diagonalmatrix enden.
  • Ein  regulärer Code  (hinsichtlich LDPC–Anwendung) liegt vor, wenn das Hamming–Gewicht aller Zeilen   ⇒   $w_{\rm Z}$ und das Hamming–Gewicht aller Spalten   ⇒   $w_{\rm S}$ jeweils gleich sind. Andernfalls spricht man von einem  irregulären LDPC–Code.
  • Die Prüfmatrix  $\mathbf{H}$  eines herkömmlichen linearen  $(n, \ k)$–Blockcodes besteht aus exakt  $m = n - k$  Zeilen und  $n$  Spalten. Bei den LDPC–Codes lautet dagegen die Forderung:   $m ≥ n - k$. Das Gleichheitszeichen trifft dann zu, wenn die  $m$  Prüfgleichungen statistisch unabhängig sind.
  • Aus der Prüfmatrix  $\mathbf{H}$  lässt sich eine untere Schranke für die Coderate  $R$  angeben:
$$R \ge 1 - \frac{{\rm E}[w_{\rm S}]}{{\rm E}[w_{\rm Z}]} \hspace{0.5cm}{\rm mit}\hspace{0.5cm} {\rm E}[w_{\rm S}] =\frac{1}{n} \cdot \sum_{i = 1}^{n}w_{\rm S}(i) \hspace{0.5cm}{\rm und}\hspace{0.5cm} {\rm E}[w_{\rm Z}] =\frac{1}{m} \cdot \sum_{j = 1}^{ m}w_{\rm Z}(j) \hspace{0.05cm}.$$
  • Diese Gleichung gilt für reguläre und irreguläre LDPC–Codes gleichermaßen, wobei den regulären Codes  ${\rm E}[w_{\rm S}] = w_{\rm S}$  und  ${\rm E}[w_{\rm Z}] = w_{\rm Z}$  berücksichtigt werden kann.





Hinweise:


Fragebogen

1

Welche Prüfmatrix beschreibt den vorgegebenen Produktcode entsprechend der oberen Skizze?

$\mathbf{H}_1$  unter der Voraussetzung  $\underline{x} = (u_1, \, u_2, \, u_3, \, u_4, \, p_1, \, p_2, \, p_3, \, p_4)$.
$\mathbf{H}_1$  unter der Voraussetzung  $\underline{x} = (u_1, \, p_1, \, u_2, \, p_2, \, u_3, \, p_3, \, u_4, \, p_4)$.
$\mathbf{H}_2$  unter der Voraussetzung  $\underline{x} = (u_1, \, p_1, \, u_2, \, p_2, \, u_3, \, p_3, \, u_4, \, p_4)$.
$\mathbf{H}_3$  unter der Voraussetzung  $\underline{x} = (u_1, \, p_1, \, u_2, \, p_2, \, u_3, \, p_3, \, u_4, \, p_4)$.

2

Für die restlichen Teilaufgaben soll stets von  $\underline{x} = (u_1, \, u_2, \, u_3, \, u_4, \, p_1, \, p_2, \, p_3, \, p_4)$ ausgegangen werden.
Welche Aussagen gelten für die Prüfmatrix  $\mathbf{H}_1$?

Der Code ist systematisch.
Der Code ist regulär.
Für die Coderate gilt  $R > 1/2$.
Für die Coderate gilt  $R = 1/2$.

3

Welche Aussagen gelten für die Prüfmatrix  $\mathbf{H}_3$?

Es ist kein Zusammenhang zwischen  $\mathbf{H}_1$  und  $\mathbf{H}_3$  erkennbar.
Die  $\mathbf{H}_3$–Zeilen sind Linearkombinationen von je zwei  $\mathbf{H}_1$–Zeilen.
Die vier Prüfgleichungen gemäß  $\mathbf{H}_3$  sind linear unabhängig.

4

Welche Aussagen gelten für den durch  $\mathbf{H}_3$  gekennzeichneten Code?

Der Code ist systematisch.
Der Code ist regulär.
Für die Coderate gilt  $R ≥ 1/2$.
Für die Coderate gilt  $R = 1/2$.


Musterlösung

(1)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 3:

  • Mit der Codewortdefinition $\underline{x} = (u_1, \, u_2, \, u_3, \, u_4, \, p_1, \, p_2, \, p_3, \, p_4)$ bezeichnet die Prüfmatrix $\mathbf{H}_1$ folgende Prüfgleichungen:
$$u_1 \oplus u_2 \oplus p_1 = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} u_3 \oplus u_4 \oplus p_2 = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} u_1 \oplus u_3 \oplus p_3 = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} u_2 \oplus u_4 \oplus p_4 = 0\hspace{0.05cm}.$$
  • Dies entspricht genau den vorne getroffenen Annahmen. Das gleiche Ergebnis erhält man für $\mathbf{H}_2$ und der Codewortdefinition $\underline{x} = (u_1, \, p_1, \, u_2, \, p_2, \, u_3, \, p_3, \, u_4, \, p_4)$.


Bei gleicher Codewortdefinition $\underline{x} = (u_1, \, p_1, \, u_2, \, p_2, \, u_3, \, p_3, \, u_4, \, p_4)$ liefern die anderen Prüfmatrizen keinen sinnvollen Gleichungssatz:

  • Entsprechend Prüfmatrix $\mathbf{H}_1$:
$$u_1 \oplus p_1 \oplus u_3 = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} u_2 \oplus p_2 \oplus p_3 = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} u_1 \oplus u_2 \oplus u_4 = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} p_1 \oplus p_2 \oplus p_4 = 0\hspace{0.05cm};$$
  • entsprechend Prüfmatrix $\mathbf{H}_3$:
$$u_1 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} p_2 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} u_3 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} p_4 \hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm} u_1 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} p_2 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} p_3 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm}u_4 \hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm} p_1 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} u_2 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} u_3 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm}u_4 \hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm} 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm} p_1 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} u_2 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} p_3 \hspace{-0.12cm}\oplus\hspace{-0.06cm} p_4 \hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm} 0\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 4:

  • Der Code ist systematisch, weil $\mathbf{H}_1$ mit einer $4 × 4$–Diagonalmatrix endet.
  • Bei einem regulären (LDPC)–Code müssten in jeder Zeile und in jeder Spalte gleich viele Einsen sein.
  • Die erste Bedingung ist erfüllt $(w_{\rm Z} = 3)$, nicht aber die zweite. Vielmehr gibt es (gleich oft) eine Eins bzw. zwei Einsen pro Spalte  ⇒  ${\rm E}[w_{\rm S}] = 1.5$.
  • Bei einem irregulären Code lautet die untere Schranke für die Coderate:
$$R \ge 1 - \frac{{\rm E}[w_{\rm S}]}{{\rm E}[w_{\rm Z}]} = 1 - \frac{1.5}{3} = 1/2 \hspace{0.05cm}.$$
  • Wegen der gegebenen Codestruktur ($k = 4$ Informationsbits, $m = 4$ Prüfbits  ⇒  $n = 8$ Codebits) ist hier die Coderate auch in der herkömmlichen Form angebbar: $R = k/n$   ⇒   Richtig ist Lösungsvorschlag 4 im Gegensatz zur Antwort 3.


(3)  Die $\mathbf{H}_3$–Zeilen ergeben sich aus Linearkombinationen von $\mathbf{H}_1$–Zeilen:

  • Die erste $\mathbf{H}_3$–Zeile ist die Summe von Zeile 1 und Zeile 4.
  • Die zweite $\mathbf{H}_3$–Zeile ist die Summe von Zeile 2 und Zeile 3.
  • Die dritte $\mathbf{H}_3$–Zeile ist die Summe von Zeile 1 und Zeile 3.
  • Die vierte $\mathbf{H}_3$–Zeile ist die Summe von Zeile 2 und Zeile 4.


Durch Linearkombinationen werden aus den vier linear unabhängigen Gleichungen bezüglich $\mathbf{H}_1$ nun vier linear unabhängige Gleichungen bezüglich $\mathbf{H}_3$  
⇒   Richtig sind also die Lösungsvorschläge 2 und 3.


(4)  Hier sind die Lösungsvorschläge 2, 3 und 4 richtig:

  • Wäre der durch $\mathbf{H}_3$ beschriebene Code systematisch, müsste $\mathbf{H}_3$ mit einer $4 × 4$–Diagonalmatrix enden. Dies ist hier nicht der Fall.
  • Die Hamming–Gewichte aller Zeilen sind gleich $(w_{\rm Z} = 4)$ und auch alle Spalten haben jeweils das gleiche Hamming–Gewicht $(w_{\rm S} = 2)$   ⇒   der Code ist regulär.
  • Daraus ergibt sich für die Coderate $R ≥ 1 - 2/4 = 1/2$. Da aber auch die vier Zeilen von $\mathbf{H}_3$ vier unabhängige Gleichungen beschreiben, gilt ebenfalls das Gleichheitszeichen   ⇒   $R = 1/2$.