Aufgaben:Exercise 1.2Z: Three-dimensional Representation of Codes

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Raum $\rm GF(2^3)$ und Code der Länge $n = 3$

Codes zur Fehlererkennung bzw. Fehlererkorrektur lassen sich sehr anschaulich im $n$–dimensionalen Raum darstellen. Wir beschränken uns hier auf binäre Codes der Länge $n = 3$:

$$\underline{x} = (x_{1}, x_{2}, x_{3}) \hspace{0.1cm} \in \hspace{0.1cm}{\rm GF}(2^3) \hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} x_i = \{0, 1 \}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} i = 1, 2, 3\hspace{0.05cm}.$$

Allgemein gilt bei der Blockcodierung:

• Das Informationswort $\underline{u} = (u_{1}, u_{2}, \ \text{...} , \ u_{k})$ wird eindeutig in das Codewort $\underline{x} =(x_{1}, x_{2}, \ \text{...} , \ , x_{n})$ überführt.
• Die Coderate beträgt $R = k/n$.
• Die Hamming–Distanz $d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')$ zwischen zwei Codeworten $x ∈ \mathcal{}C$ und $x\hspace{0.05cm}' ∈ \mathcal{}C$ gibt die Anzahl der Bitpositionen an, in denen sich $x$ und $x\hspace{0.05cm}'$ unterscheiden.
• Die Minimaldistanz $d_{\rm min} = {\rm min}[d_{\rm H}(x, \hspace{0.05cm}x\hspace{0.05cm}')]$ ist ein Maß für die Korrekturfähigkeit eines Codes.
• Es können $e =d_{\rm min} – 1$ Fehler erkannt und $t =(d_{\rm min} – 1)/2$ Fehler korrigiert werden. Die letzte Aussage gilt allerdings nur für ungerades $d_{\rm min}$.

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel Zielsetzung der Kanalcodierung.
• Zusätzlich werden einige einfache Fragen zum Kapitel Beispiele binärer Blockcodes vorweg genommen.
• Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.

Fragebogen

1

Welche Aussagen gelten, wenn alle Punkte in $\rm GF(2^3)$ belegt sind?

	Es gilt die Zuordnung $\underline{u} = (u_{1}, u_{2}, u_{3})$ → $\underline{u} = (x_{1}, x_{2},x_{3})$.
	Es gilt die Identität $\underline{x} = \underline{u}$.
	Die Coderate ist $R = 1$.
	Die Minimaldistanz zwischen zwei Codeworten ist $d_{\rm min} = 2$.

2

Welche Aussagen gelten für einen (3, 2, 2)–Blockcode?

	Code $\mathcal{C}_{1} = \{(0, 0, 0), (0, 1, 1), (1, 0, 1), (1, 1, 0)\}$ ist möglich.
	Code $\mathcal{C}_{2} = \{(0, 0, 1), (0, 1, 0), (1, 0, 0), (1, 1, 1)\}$ ist möglich.
	Code $\mathcal{C}_{3} = \{(0, 0, 0), (0, 1, 1), (1, 0, 0), (1, 1, 1)\}$ ist möglich.

3

Welche Eigenschaften zeigt der in Teilaufgabe (2) definierte Code $\mathcal{C}_{1}$?

	Ein Bitfehler lässt sich erkennen.
	Ein Bitfehler kann korrigiert werden.

4

Welche Eigenschaften zeigt der Code $\mathcal{C}_{4}= \{(0, 0, 0), (1, 1, 1)\}$?

	Die Coderate beträgt $R = 1/4$.
	Die Coderate beträgt $R = 1/3$.
	Ein Bitfehler lässt sich erkennen.
	Ein Bitfehler kann korrigiert werden.

Musterlösung

Solution

(1)  Richtig sind die Aussagen 1 und 3: k = 3 Informationsbits werden bei dieser Belegung auf n = 3 Codebits abgebildet ⇒ R = k/n = 1. Die Aussage <>x = <>u würde nur bei systematischer Codierung gelten. Prinzipiell möglich wäre zum Beispiel auch (0, 0, 0) → (0, 1, 1). Die letzte Aussage ist mit Sicherheit falsch: Aus der Grafik erkennt man die Minimaldistanz $d_{\rm min}$ = 1.

(2) 

Zwei (3, 2, 2)–Blockcodes

$C_{1}$ und $C_{2}$ beschreiben tatsächlich Codes mit der Rate R = 2/3 und der Minimaldistanz $d_{\rm min}$ = 2 ⇒ Antwort 1 und 2.

In nebenstehender Grafik markieren die grünen Punkte den Code $C_{1}$ und die blauen Punkte den Code $C_{2}$. Beim angegebenen Code $C_{3}$ – ebenfalls mit Rate R = 2/3 – ist die minimale Distanz zwischen zwei Codeworten $d_{\rm min}$ = 1, zum Beispiel zwischen (0, 0, 0) und (1, 0, 0) oder auch zwischen (0, 1, 1) und (1, 1, 1).

(3)  Mit der Minimaldistanz $d_{\rm min}$ = 2 kann lediglich ein Bitfehler erkannt werden. In der oberen Grafik kennzeichnen die grünen Punkte zulässige Codeworte von $C_{1}$. Wird ein blauer Punkt empfangen, so weist dies auf einen Übertragungsfehler hin. Eine Fehlerkorrektur ist mit $d_{\rm min}$ = 2 dagegen nicht möglich ⇒ Antwort 1. Hinweis: Der Code $C_{1}$ entspricht dem Single Parity–check Code (3, 2, 2).

(4) 

(3, 1, 3)–Blockcode

$C_{4}$ beschreibt den (3, 1, 3)–Wiederholungscode. Bei diesem Code sind zwar zwei der insgesamt acht möglichen Punkte belegt, woraus man fälschlicherweise auf die Coderate R = 1/4 schließen könnte. Die Coderate berechnet sich aber gemäß R = k/n = 1/3. Aus der unteren Grafik erkennt man, dass wegen dmin = 3 nun auch ein Bitfehler korrigiert werden kann. Bei der Decodierung werden alle hellgrünen Punkte (mit schwarzer Umrahmung) in den grünen Punkt (0, 0, 0) überführt und alle hellblauen in den blauen Punkt (1, 1, 1). Gleichzeitig können bis zu zwei Bitfehler erkannt werden (einer natürlich auch) ⇒ Richtig sind die Antworten 2, 3 und 4.