Channel Coding/Decoding of Linear Block Codes

1. Channel Coding
2. Binary Block Codes for Channel Coding
3. Decoding of Linear Block Codes

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Block diagram and requirements

We start from the block diagram already shown in the chapter  Channel Models and Decision Structures  where the channel model used is mostly the  Binary Symmetric Channel  (BSC). For codeword estimation, we use the  Maximum Likelihood Decider  (ML), which for binary codes   ⇒   $\underline{x} \in {\rm GF}(2^n)$  at the block level gives the same result as the  MAP Receiver.

Block diagram for decoding block codes

The task of the channel decoder can be described as follows:

• The vector  $\underline{v}$  after decoding (at the sink) should match the information word  $\underline{u}$  as well as possible.
  That is:   The  block error probability  should be as small as possible:

\[{ \rm Pr(block\:error)} = { \rm Pr}( \underline{v} \ne \underline{u}) \stackrel{!}{=} { \rm minimum}\hspace{0.05cm}.\]

• Because of deterministic assignments  $\underline{x} = {\rm enc}(\underline{u})$  respectively,  $\underline{v} = {\rm enc}^{-1}(\underline{z})$  but also holds:

\[{ \rm Pr(block\:error)} = { \rm Pr}( \underline{z} \ne \underline{x}) \stackrel{!}{=} { \rm minimum}\hspace{0.05cm}.\]

• Sought thus is the most likely sent codeword  $\underline{y} = \underline{x} +\underline{e}$  for the given received word  $\underline{x}_i$, which is passed on as result  $\underline{z}$ :

\[\underline{z} = {\rm arg} \max_{\underline{x}_{\hspace{0.03cm}i} \hspace{0.05cm} \in \hspace{0.05cm} \mathcal{C}} \hspace{0.1cm} {\rm Pr}( \underline{x}_{\hspace{0.03cm}i} \hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm} \underline{y} ) \hspace{0.05cm}.\]

• For the BSC–channel, both  $\underline{x}_i \in {\rm GF}(2^n)$  and  $\underline{y} \in {\rm GF}(2^n)$, so the maximum–likelihood–rule can also be written using the  Hamming distance  $d_{\rm H}( \underline{y}, \, \underline{x}_i)$ :

\[\underline{z} = {\rm arg} \min_{\underline{x}_{\hspace{0.03cm}i} \hspace{0.05cm} \in \hspace{0.05cm} \mathcal{C}} \hspace{0.1cm} d_{\rm H}(\underline{y} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.1cm}\underline{x}_{\hspace{0.03cm}i})\hspace{0.05cm}.\]

Principle of syndrome decoding

Assumed here is a  $(n, \, k)$–block code with the parity-check matrix  $\boldsymbol{\rm H}$  and the systematic code words

\[\underline{x}\hspace{0.05cm} = (x_1, x_2, \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, x_i, \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, x_n) = (u_1, u_2, \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, u_k, p_1, \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, p_{n-k})\hspace{0.05cm}. \]

Assumed here is a  $(n, \, k)$–block code with the parity-check matrix  $\boldsymbol{\rm H}$  and the systematic code words

\[\underline{y} = \underline{x} + \underline{e} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.4cm} \underline{y} \in \hspace{0.1cm} {\rm GF}(2^n) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.4cm} \underline{x} \in \hspace{0.1cm} {\rm GF}(2^n) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.4cm} \underline{e} \in \hspace{0.1cm} {\rm GF}(2^n) \hspace{0.05cm}.\]

A bit error at position  $i$, that is  $y_i ≠ x_i$, is expressed by the error coefficient  $e_i = 1$.

$\text{Definition:}$  The  syndrome  $\underline{s} = (s_0, s_1, \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, s_{m-1})$  is calculated (as a row– resp. column vector) from the receive word  $\underline{y}$  and the parity-check matrix  $\boldsymbol{\rm H}$  as follows:

\[\underline{s} = \underline{y} \cdot { \boldsymbol{\rm H} }^{\rm T}\hspace{0.3cm}{\rm bzw.}\hspace{0.3cm} \underline{s}^{\rm T} = { \boldsymbol{\rm H} } \cdot \underline{y}^{\rm T}\hspace{0.05cm}.\]

The vector length of  $\underline{s}$  is equal to  $m = n-k$  $($row number of  $\boldsymbol{\rm H})$.

The syndrome  $\underline{s}$  shows the following characteristics:

• Because of the equation  $\underline{x} \cdot { \boldsymbol{\rm H}}^{\rm T} = \underline{0}$  the syndrome  $\underline{s}$  does not depend on the codeword  $\underline{x}$  but solely on the error vector  $\underline{e}$:

\[\underline{s} = \underline{y} \cdot { \boldsymbol{\rm H}}^{\rm T} = \hspace{0.05cm} \underline{x} \cdot { \boldsymbol{\rm H}}^{\rm T} + \hspace{0.05cm} \underline{e} \cdot { \boldsymbol{\rm H}}^{\rm T} = \hspace{0.05cm} \underline{e} \cdot { \boldsymbol{\rm H}}^{\rm T} \hspace{0.05cm}.\]

• For sufficiently few bit errors, $\underline{s}$  provides a clear indication of the error locations, allowing full error correction.
  
  

$\text{Example 1:}$  Starting from the systematic  $\text{(7, 4, 3)}$ Hamming code, the following result is obtained for the receive vector  $\underline{y} = (0, 1, 1, 0, 0, 1)$ :

\[{ \boldsymbol{\rm H} } \cdot \underline{y}^{\rm T} = \begin{pmatrix} 1 &1 &1 &0 &1 &0 &0\\ 0 &1 &1 &1 &0 &1 &0\\ 1 &1 &0 &1 &0 &0 &1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \\ 1 \\ 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 1 \\ 1 \end{pmatrix} = \underline{s}^{\rm T} \hspace{0.05cm}.\]

Comparing the syndrome with the  parity-check equations  of the Hamming code, we see that

• most likely the fourth symbol  $(x_4 = u_4)$  of the codeword has been corrupted,
  

• the codeword estimator will thus yield the result  $\underline{z} = (0, 1, 1, 0, 0, 1)$ ,
  

• the decision is correct only if only one bit was corrupted during transmission.
  
  

Below are the required corrections for the  $\text{(7, 4, 3)}$ Hamming code resulting from the calculated syndrome  $\underline{s}$  corresponding to the columns of the parity-check matrix:

\[\underline{s} = (0, 0, 0) \hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm}{\rm keine\hspace{0.15cm} Korrektur}\hspace{0.05cm};\hspace{0.8cm}\underline{s} = (1, 0, 0)\hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm}p_1{\rm \hspace{0.15cm} invertieren}\hspace{0.05cm};\]

\[\underline{s} =(0, 0, 1)\hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm} p_3{\rm \hspace{0.15cm} invertieren}\hspace{0.05cm};\hspace{1.22cm}\underline{s} = (1, 0, 1)\hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm} u_1{\rm \hspace{0.15cm} invertieren}\hspace{0.05cm};\]

\[\underline{s} =(0, 1, 0)\hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm} p_2{\rm \hspace{0.15cm} invertieren}\hspace{0.05cm};\hspace{1.22cm}\underline{s} = (1, 1, 0)\hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm} u_3{\rm \hspace{0.15cm} invertieren}\hspace{0.05cm};\]

\[\underline{s} =(0, 1, 1)\hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm} u_4{\rm \hspace{0.15cm} invertieren}\hspace{0.05cm};\hspace{1.22cm}\underline{s} = (1, 1, 1)\hspace{0.10cm} \Rightarrow\hspace{0.10cm} u_2{\rm \hspace{0.15cm} invertieren}\hspace{0.05cm}. \]

Generalization of syndrome coding

We continue to assume the BSC channel model. This means:

• The receive vector  $\underline{y}$  and the error vector  $\underline{e}$  are elements of  ${\rm GF}(2^n)$.
• The possible codewords  $\underline{x}_i$  belong to the code  $\mathcal{C}$, which spans a  $(n-k)$ dimensional subspace of  ${\rm GF}(2^n)$ .

Under this assumption, we briefly summarize again the results of the last pages:

• Syndrome decoding is a realization possibility of maximum likelihood detection of block codes. One decides on the codeword  $\underline{x}_i$  with the least Hamming distance to the receiving word  $\underline{y}$ :

\[\underline{z} = {\rm arg} \min_{\underline{x}_{\hspace{0.03cm}i} \hspace{0.05cm} \in \hspace{0.05cm} \mathcal{C}} \hspace{0.1cm} d_{\rm H}(\underline{y} \hspace{0.05cm}, \hspace{0.1cm}\underline{x}_{\hspace{0.03cm}i})\hspace{0.05cm}.\]

• But the syndrome decoding is also the search for the most probable error vector  $\underline{e}$ that satisfies the condition  $\underline{e} \cdot { \boldsymbol{\rm H}}^{\rm T} = \underline{s}$ . The  syndrome  is thereby determined by the equation  $\underline{s} = \underline{y} \cdot { \boldsymbol{\rm H}}^{\rm T} $ .

• With the  Hamming weight  $w_{\rm H}(\underline{e})$  the second interpretation can also be mathematically formulated as follows:

\[\underline{z} = \underline{y} + {\rm arg} \min_{\underline{e}_{\hspace{0.03cm}i} \hspace{0.05cm} \in \hspace{0.05cm} {\rm GF}(2^n)} \hspace{0.1cm} w_{\rm H}(\underline{e}_{\hspace{0.03cm}i})\hspace{0.05cm}.\]

$\text{Conclusion:}$  Note that the error vector  $\underline{e}$  as well as the receive vector  $\underline{y}$  is an element of  ${\rm GF}(2^n)$  unlike the syndrome  $\underline{s} \in {\rm GF}(2^m)$  with number  $m = n-k$  of parity-check equations. This means,

• that the association between the syndrome  $\underline{s}$  and the error vector  $\underline{e}$  is not unique, but

• that each  $2^k$  error vectors lead to the same syndrome  $\underline{s}$  which one groups together into a  coset 

.

$\text{Example 2:}$  The facts shall be illustrated here by the example  $n = 5, \ k = 2$   ⇒   $m = n-k = 3$ .

Splitting the  $2^k$  error vectors into  "cosets".

You can see from this graph:

• The  $2^n = 32$  possible error vectors  $\underline{e}$  are divided into  $2^m = 8$  cosets  ${\it \Psi}_0$,  ...  , ${\it \Psi}_7$  split.
• Explicitly drawn here are only the cosets  ${\it \Psi}_0$  and  ${\it \Psi}_5$.
  

• All  $2^k = 4$  error vectors of the coset  ${\it \Psi}_\mu$  lead to the syndrome  $\underline{s}_\mu$.
• Each minor class  ${\it \Psi}_\mu$  has a leader  $\underline{e}_\mu$, namely the one with the minimum Hamming weight.

$\text{Example 3:}$  Starting from the systematic  $\text{(5, 2, 3)}$ code  $\mathcal{C} = \big \{ (0, 0, 0, 0, 0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}(0, 1, 0, 1, 1) \hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}(1, 0, 1, 1, 0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}(1, 1, 1, 0, 1) \big \}$  the syndrome decoding procedure is now described in detail.

Example  $\text{(5, 2, 3)}$ syndrome table with cosets

The generator matrix and the parity-check matrix are:

\[{ \boldsymbol{\rm G} } = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &1 &0 \\ 0 &1 &0 &1 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.05cm},\]

\[{ \boldsymbol{\rm H} } = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 &0 \\ 1 &1 &0 &1 &0 \\ 0 &1 &0 &0 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.05cm}.\]

The table summarizes the final result. Note:

• The index  $\mu$  is not identical to the binary value of  $\underline{s}_\mu$.
• The order is rather given by the number of ones in the minor class leader  $\underline{e}_\mu$.
• For example, the syndrome  $\underline{s}_5 = (1, 1, 0)$  and the syndrome  $\underline{s}_6 = (1, 0, 1)$.
  

Zur Herleitung dieser Tabelle ist anzumerken:

• Die Zeile 1 bezieht sich auf das Syndrom  $\underline{s}_0 = (0, 0, 0)$  und die dazugehörige Nebenklasse  ${\it \Psi}_0$. Am wahrscheinlichsten ist hier die Fehlerfolge  $(0, 0, 0, 0, 0)$   ⇒   kein Bitfehler, die wir als Nebenklassenanführer  $\underline{e}_0$  bezeichnen.
• Auch die weiteren Einträge in der ersten Zeile, nämlich  $(1, 0, 1, 1, 0 )$,  $(0, 1, 0, 1, 1)$  und  $(1, 1, 1, 0, 1 )$, liefern jeweils das Syndrom  $\underline{s}_0 = (0, 0, 0)$, ergeben sich aber nur mit mindestens drei Bitfehlern und sind entsprechend unwahrscheinlich.
  

• In den Zeilen 2 bis 6 beinhaltet der jeweilige Nebenklassenanführer  $\underline{e}_\mu$  genau eine einzige Eins  $(\mu = 1$, ... , $5)$. Dabei ist  $\underline{e}_\mu$  stets das wahrscheinlichste Fehlermuster der Klasse  ${\it \Psi}_\mu$. Die anderen Gruppenmitglieder ergeben sich erst bei mindestens zwei Bitfehlern.
  

• Das Syndrom  $\underline{s}_6 = (1, 0, 1)$  ist mit nur einem Bitfehler nicht möglich. Bei der Erstellung der Tabelle wurden daraufhin alle  $5\text{ über }2 = 10$  Fehlermuster  $\underline{e}$  mit Gewicht  $w_{\rm H}(\underline{e}) = 2$  betrachtet.
• Die zuerst gefundene Folge mit dem Syndrom  $\underline{s}_6 = (1, 0, 1)$  wurde als Nebenklassenanführer  $\underline{e}_6 = (1, 1, 0, 0, 0)$  ausgewählt. Bei anderer Probierreihenfolge hätte sich auch die Folge  $(0, 0, 1, 0, 1)$ aus ${\it \Psi}_6$  ergeben können.
  

• Ähnlich wurde bei der Bestimmung des Anführers  $\underline{e}_7 = (0, 1, 1, 0, 0)$  der Nebenklasse  ${\it \Psi}_7$  vorgegangen, die durch das einheitliche Syndrom  $\underline{s}_7 = (1, 1, 1)$  gekennzeichnet ist. Auch in der Klasse  ${\it \Psi}_7$  gibt es eine weitere Folge mit Hamming–Gewicht  $w_{\rm H}(\underline{e}) = 2$, nämlich  $(1, 0, 0, 0, 1)$.
  
  

Die obige Tabelle muss nur einmal erstellt und kann beliebig oft genutzt werden. Zunächst muss das Syndrom ermittelt werden. Dieses lautet beispielsweise für den Empfangsvektor  $\underline{y} = (0, 1, 0, 0, 1)$:

\[\underline{s} = \underline{y} \cdot { \boldsymbol{\rm H} }^{\rm T} = \begin{pmatrix} 0 &1 &0 &0 &1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 1 &1 &0 \\ 0 &1 &1 \\ 1 &0 &0 \\ 0 &1 &0 \\ 0 &0 &1 \\ \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 &1 &0 \end{pmatrix}= \underline{s}_2 \hspace{0.05cm}.\]

Mit dem Nebenklassenanführer  $\underline{e}_2 = (0, 0, 0, 1, 0)$  aus obiger Tabelle $($roter Eintrag für  $\mu =2)$  gelangt man schließlich zum Decodierergebnis:

\[\underline{z} = \underline{y} + \underline{e}_2 = (0,\hspace{0.05cm} 1,\hspace{0.05cm} 0,\hspace{0.05cm} 0,\hspace{0.05cm} 1) + (0,\hspace{0.05cm} 0,\hspace{0.05cm} 0,\hspace{0.05cm} 1,\hspace{0.05cm} 0) = (0,\hspace{0.05cm} 1,\hspace{0.05cm} 0,\hspace{0.05cm} 1,\hspace{0.05cm} 1) \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Fazit:}$  Aus diesen Beispielen geht schon hervor, dass die  Syndromdecodierung mit einem erheblichen Aufwand  verbunden ist, wenn man nicht wie bei zyklischen Codes gewisse Eigenschaften nutzen kann:

• Bei großen Blockcodelängen versagt diese Methode vollständig. So müsste man zur Decodierung eines  BCH–Codes  – die Abkürzung steht für deren Erfinder Bose, Chaudhuri und Hocquenghem – mit den Codeparametern  $n = 511$,  $k = 259$  und  $d_{\rm min} = 61$  genau  $2^{511-259} \approx 10^{76}$  Fehlermuster der Länge  $511$  auswerten und abspeichern.
• Für diese und auch für andere Codes großer Blocklänge gibt es aber erfreulicherweise spezielle Decodieralgorithmen, die mit weniger Aufwand zum Erfolg führen.

Codiergewinn – Bitfehlerrate bei AWGN

Wir betrachten nun die  Bitfehlerquote   (oder Bitfehlerrate,   englisch: Bit Error Rate , BER)   für folgende Konstellation:

Bitfehlerrate bei  $\text{(7, 4, 3)}$–Hamming–Codierung

• Hamming–Code  $\text{HC (7, 4, 3)}$,
  

EN_KC_T_1_5_S3b_neu.png

• AWGN–Kanal, gekennzeichnet durch den Quotienten  $E_{\rm B}/N_0$ (in dB),
  

• Maximum–Likelihood–Detektion (ML) mit  Hard Decision  bzw.  Soft Decision.

Zu dieser Grafik ist anzumerken:

• Die schwarze Vergleichskurve gilt beispielsweise für die binäre Phasenmodulation (BPSK) ohne Codierung. Hierfür benötigt man für die Bitfehlerrate  $10^{-5}$  etwa  $10 \cdot \lg \, E_{\rm B}/N_0 = 9.6 \, \rm dB$.
  

• Die roten Kreise gelten für den  $\text{(7, 4, 3)}$–Code  und harte Entscheidungen des Maximum–Likelihood–Decoders  $\text{(ML–HD)}$. Die Syndromdecodierung ist hierfür eine mögliche Realisierungsform.
  

• Diese Konfiguration bringt erst für  $10 \cdot \lg \, E_{\rm B}/N_0 >6 \, \rm dB$  eine Verbesserung gegenüber dem Vergleichssystem. Für  $\rm BER =10^{-5}$  benötigt man nur noch  $10 \cdot \lg \, E_{\rm B}/N_0 \approx 9.2 \, \rm dB$.
  

• Die grünen Kreuze für den Hamming–Code und  Soft–Decision  $\text{(ML–SD)}$  liegen im gesamten Bereich unterhalb der Vergleichskurve. Für  $\rm BER =10^{-5}$  ergibt sich  $10 \cdot \lg \, E_{\rm B}/N_0 \approx 7.8 \, \rm dB$.
  
  

$\text{Definition:}$  Als  Codiergewinn  einer Systemkonfiguration (gekennzeichnet durch seinen Code und die Art der Decodierung) bezeichnen wir das gegenüber dem Vergleichssystem (ohne Codierung) kleinere  $10 \cdot \lg \, E_{\rm B}/N_0$, das für eine vorgegebene Bitfehlerrate  $\rm (BER)$  erforderlich ist:

\[G_{\rm Code} (\hspace{0.05cm}{\rm System}\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm}{\rm BER}\hspace{0.05cm}) =10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}{E}_{\rm B}/N_0 \hspace{0.15cm}(\hspace{0.05cm}{\rm ohne\hspace{0.1cm} Codierung}\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm}{\rm BER}\hspace{0.05cm})- 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}{E}_{\rm B}/N_0 \hspace{0.15cm}(\hspace{0.05cm}{\rm System}\hspace{0.05cm}\vert\hspace{0.05cm}{\rm BER}\hspace{0.05cm}) \hspace{0.05cm}. \]

Angewendet auf die obige Grafik erhält man:

\[G_{\rm Code} (\hspace{0.05cm}{\rm Hamming \hspace{0.1cm}(7,\hspace{0.02cm}4,\hspace{0.02cm}3), ML-HD}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}{\rm BER} = 10^{-5}\hspace{0.05cm}) = 0.4\ {\rm dB}\hspace{0.05cm},\]

\[G_{\rm Code} (\hspace{0.05cm}{\rm Hamming \hspace{0.1cm}(7,\hspace{0.02cm}4,\hspace{0.02cm}3), ML-SD}\hspace{0.05cm}|\hspace{0.05cm}{\rm BER} = 10^{-5}\hspace{0.05cm}) = 1.8\ {\rm dB}\hspace{0.05cm}.\]

Decodierung beim Binary Erasure Channel

Abschließend soll noch gezeigt werden, in wie weit der Decoder zu modifizieren ist, wenn anstelle des  BSC–Modells  (Binary Symmetric Channel ) das  BEC–Kanalmodell  (Binary Erasure Channel ) zum Einsatz kommt, der keine Fehler produziert, sondern unsichere Bit als Auslöschungen markiert.

$\text{Beispiel 4:}$  Ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit betrachten wir wie im  $\text{Beispiel 3}$  wieder den systematischen  $\text{(5, 2, 3)}$–Blockcode 

$$\mathcal{C} = \big \{ (0, 0, 0, 0, 0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}(0, 1, 0, 1, 1) \hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}(1, 0, 1, 1, 0) \hspace{0.05cm},\hspace{0.15cm}(1, 1, 1, 0, 1) \big \}.$$

Zur Fehlerkorrektur bei BSC und BEC

Die Grafik zeigt das Systemmodell und gibt beispielhafte Werte für die einzelnen Vektoren wider.

• Der linke Bildteil (gelb hinterlegt) gilt für "BSC" mit einem Bitfehler  $0 → 1$  beim dritten Bit.
• Der rechte Bildteil (grün hinterlegt) gilt für "BEC" und zeigt zwei  Erasures  $\rm 1 → E$  bei Bit 2 und Bit 4.

Man erkennt:

• Bei BSC kann wegen  $d_{\rm min} = 3$  nur ein Bitfehler korrigiert werden  ($t = 1$, rot markiert). Beschränkt man sich auf Fehlererkennung, so funktioniert diese bis zu  $e= d_{\rm min} -1 = 2$   Bitfehler.
  

• Bei BEC macht Fehlererkennung keinen Sinn, denn bereits der Kanal lokalisiert ein unsicheres Bit als Erasure  $\rm E$  (Auslöschung). Die Nullen und Einsen im BEC–Empfangswort  $\underline{y}$  sind sicher. Deshalb funktioniert hier die Fehlerkorrektur bis zu  $e = 2$  Auslöschungen mit Sicherheit.
  

• Auch  $e = 3$  Auslöschungen sind manchmal noch korrigierbar. So kann  $\underline{y} \rm = (E, E, E, 1, 1)$  zu  $\underline{z} \rm = (0, 1, 0, 1, 1)$  korrigiert werden, da kein zweites Codewort mit zwei Einsen endet. $\underline{y} \rm = (0, E, 0, E, E)$  ist aber aufgrund des im Code erlaubten Nullwortes nicht korrigierbar.
  

• Wird sichergestellt, dass in keinem Empfangswort mehr als zwei Auslöschungen vorkommen, so ist die BEC–Blockfehlerwahrscheinlichkeit  ${\rm Pr}(\underline{z} \ne \underline{x}) = {\rm Pr}(\underline{v} \ne \underline{u}) \equiv 0$. Dagegen hat die entsprechende Blockfehlerwahrscheinlichkeit beim BSC–Modell stets einen Wert größer als  $0$.

Da nach dem BEC ein jedes Empfangswort entweder richtig oder gar nicht decodiert wird, nennen wir hier den Block  $\underline{y} → \underline{z}$  zukünftig "Codewortfinder". Eine "Schätzung" findet nur beim BSC–Modell statt.

Wie funktioniert aber nun die Decodierung eines Empfangswortes  $\underline{y}$  mit Auslöschungen algorithmisch?

$\text{Beispiel 5:}$  Ausgehend vom Empfangswort  $\underline{y} \rm = (0, E, 0, E, 1)$  im  $\text{Beispiel 4}$  setzen wir den Ausgang des Codewortfinders formal zu  $\underline{z} \rm = (0, z_2, 0, z_4, 1)$, wobei die Symbole  $z_2 \in \{0, \, 1\}$ und $z_4 \in \{0, \, 1\}$  entsprechend folgender Gleichung zu bestimmen sind:

\[\underline{z} \cdot { \boldsymbol{\rm H} }^{\rm T}= \underline{0} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm H} } \cdot \underline{z}^{\rm T}= \underline{0}^{\rm T} \hspace{0.05cm}.\]

Es geht nun darum, diese Bestimmungsgleichung möglichst effizient umzusetzen. Es ergeben sich folgende Rechenschritte:

• Mit der Prüfmatrix  $\boldsymbol{\rm H}$  des  $\text{(5, 2, 3)}$–Blockcodes und dem Vektor  $\underline{z} \rm = (0, z_2, 0, z_4, 1)$  lautet die obige Bestimmungsgleichung:

\[{ \boldsymbol{\rm H} } \cdot \underline{z}^{\rm T} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 &0\\ 1 &1 &0 &1 &0\\ 0 &1 &0 &0 &1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ z_2 \\ 0 \\ z_4 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 0 \end{pmatrix} \hspace{0.05cm}.\]

• Wir fassen die sicheren (korrekten) Bit zum Vektor  $\underline{z}_{\rm K}$  zusammen und die ausgelöschten Bit zum Vektor  $\underline{z}_{\rm E}$. Dann teilen wir die Prüfmatrix  $\boldsymbol{\rm H}$  in die entsprechenden Teilmatrizen  $\boldsymbol{\rm H}_{\rm K}$  und  $\boldsymbol{\rm H}_{\rm E}$  auf:

\[\underline{z}_{\rm K} =(0, 0, 1)\hspace{0.05cm},\hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm H} }_{\rm K}= \begin{pmatrix} 1 &1 &0\\ 1 &0 &0\\ 0 &0 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.3cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {\rm Spalten\hspace{0.15cm} 1,\hspace{0.15cm}3 \hspace{0.15cm}und \hspace{0.15cm}5 \hspace{0.15cm}der \hspace{0.15cm}Pr\ddot{u}fmatrix} \hspace{0.05cm},\]

\[\underline{z}_{\rm E} = (z_2, z_4)\hspace{0.05cm},\hspace{0.35cm} { \boldsymbol{\rm H} }_{\rm E}= \begin{pmatrix} 0 &0\\ 1 &1\\ 1 &0 \end{pmatrix} \hspace{0.9cm}\Rightarrow\hspace{0.3cm} {\rm Spalten\hspace{0.15cm} 2 \hspace{0.15cm}und \hspace{0.15cm}4 \hspace{0.15cm}der \hspace{0.15cm}Pr\ddot{u}fmatrix} \hspace{0.05cm}.\]

• Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in  $\rm GF(2)$  die Subtraktion gleich der Addition ist, lässt sich die obige Gleichung wie folgt darstellen:

\[{ \boldsymbol{\rm H} }_{\rm K} \cdot \underline{z}_{\rm K}^{\rm T} + { \boldsymbol{\rm H} }_{\rm E} \cdot \underline{z}_{\rm E}^{\rm T}= \underline{0}^{\rm T} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm H} }_{\rm E} \cdot \underline{z}_{\rm E}^{\rm T}= { \boldsymbol{\rm H} }_{\rm K} \cdot \underline{z}_{\rm K}^{\rm T} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \begin{pmatrix} 0 &0\\ 1 &1\\ 1 &0 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} z_2 \\ z_4 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 &1 &0\\ 1 &0 &0\\ 0 &0 &1 \end{pmatrix} \cdot \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 0 \\ 0 \\ 1 \end{pmatrix} \hspace{0.05cm}.\]

• Dies führt zu einem linearen Gleichungssystem mit zwei Gleichungen für die unbekannten  $z_2$  und  $z_4$  $($jeweils  $0$  oder  $1)$.
• Aus der letzten Zeile folgt  $z_2 = 1$  und aus der zweiten Zeile  $z_2 + z_4 = 0$   ⇒   $z_4 = 1$.
• Damit ergibt sich das zulässige Codewort  $\underline{z} \rm = (0, 1, 0, 1, 1)$.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 1.11: Syndromdecodierung

Aufgabe 1.11Z: Nochmals Syndromdecodierung

Aufgabe 1.12: Hard Decision vs. Soft_Decision

Aufgabe 1.12Z: Vergleich von HC (7, 4, 3) und HC (8, 4, 4)

Aufgabe 1.13: Decodierung beim binären Auslöschungskanal (BEC)

Aufgabe 1.13Z: Nochmals BEC–Decodierung