Aufgaben:Exercise 2.15Z: Block Error Probability once more: Difference between revisions

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Fehlerwahrscheinlichkeit und Anwendungsgebiete}}
{{quiz-Header|Buchseite=Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application}}


[[File:P_ID2574__KC_Z_2_15.png|right|frame|Binominal–Wahrscheinlichkeiten]]
[[File:P_ID2574__KC_Z_2_15.png|right|frame|Binominal probabilities]]
Bei Verwendung eines Reed–Solomon–Codes mit der Korrekturfähigkeit  $t$  und  [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete#Blockfehlerwahrscheinlichkeit_f.C3.BCr_RSC_und_BDD|Bounded Distance Decoding]]  (BDD) erhält man mit
Using a Reed–Solomon–code with the correctability  $t$  and  [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application#Block_error_probability_for_RSC_and_BDD|"Bounded Distance Decoding"]]  (BDD) is obtained with
* der Codewortlänge  $n$  und
* the code word length  $n$  and
* der Symbolverfälschungswahrscheinlichkeit  $\varepsilon_{\rm S}$
* the symbol corruption probability  $\varepsilon_{\rm S}$  




für die Blockfehlerwahrscheinlichkeit:
for the block error probability:
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  =
:$${\rm Pr(Block\:error)}  =
\sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm}.$$
\sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm}.$$


In dieser Aufgabe soll die Blockfehlerwahrscheinlichkeit für den  $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$  und verschiedene  $\varepsilon_{\rm S}$–Werte berechnet und angenähert werden.  
In this exercise, the block error probability for the  $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$  and various  $\varepsilon_{\rm S}$ values shall be calculated and approximated.  


Obige Gleichung erinnert an die  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Binomialverteilung|Biomialverteilung]]. Die Grafik zeigt die Wahrscheinlichkeiten der Binomialverteilung für die Parameter  $n = 7$  (Codewortlänge) und  $\varepsilon_{\rm S} = 0.25$  (Symbolverfälschungswahrscheinlichkeit).
The above equation is reminiscent of the  [[Theory_of_Stochastic_Signals/Binomial_Distribution|"Biomial Distribution"]]. The graph shows the probabilities of the binomial distribution for parameters  $n = 7$  (codeword length) and  $\varepsilon_{\rm S} = 0.25$  (symbol corruption probability).




Line 22: Line 22:




''Hinweise:''
Hints:
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel  [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete| Fehlerwahrscheinlichkeit und Anwendungsgebiete]].
* This exercise belongs to the chapter  [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application| "Error Probability and Application Areas"]].
* Zur Kontrolle können Sie das  interaktive Applet  [[Applets:Binomial-_und_Poissonverteilung_(Applet)|Binomial- und Poissonverteilung]]  benutzen.
* For checking, you can use the interactive applet  [[Applets:Binomial_and_Poisson_distribution_(Applet)|"Binomial and Poisson Distribution"]] .




Line 30: Line 30:




===Fragebogen===
===Questions===
<quiz display=simple>
<quiz display=simple>
{Welche Blockfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich für&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-1}$?
{What is the block error probability for&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-1}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\rm Pr(Blockfehler) \ = \ ${ 2.57 3% } $\ \cdot 10^{-2}$
$\rm Pr(Block\:error) \ = \ ${ 2.57 3% } $\ \cdot 10^{-2}$


{Welche Blockfehlerwahrscheinlichkeit ergibt sich für&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} =10^{-2}$?
{What is the block error probability for&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} =10^{-2}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\rm Pr(Blockfehler) \ = \ ${ 3.396 3% } $\ \cdot 10^{-5}$
$\rm Pr(Block\:error) \ = \ ${ 3.396 3% } $\ \cdot 10^{-5}$


{Welches Ergebnis erhält man  für&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} =10^{-2}$, wenn man nur den Term&nbsp; $f = t + 1$&nbsp; berücksichtigt?
{What result is obtained for&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} =10^{-2}$, considering only the term&nbsp; $f = t + 1$&nbsp;?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\rm Näherung \text{:} \hspace{0.2cm} Pr(Blockfehler) \ \approx \ ${ 3.362 3% } $\ \cdot 10^{-5}$
$\rm Näherung \text{:} \hspace{0.2cm} Pr(Block\:error) \ \approx \ ${ 3.362 3% } $\ \cdot 10^{-5}$


{Welches Ergebnis erhält man näherungsweise für&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-3}$?
{What result is obtained approximately for&nbsp; $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-3}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\rm Pr(Blockfehler) \ \approx \ ${ 3.49 3% } $\ \cdot 10^{-8}$
$\rm Pr(Block\:error) \ \approx \ ${ 3.49 3% } $\ \cdot 10^{-8}$


{Welches&nbsp; $\varepsilon_{\rm S}$&nbsp; benötigt man für die Blockfehlerwahrscheinlichkeit&nbsp; $10^{-10}$?
{What&nbsp; $\varepsilon_{\rm S}$&nbsp; is needed for the block error probability&nbsp; $10^{-10}$?
|type="{}"}
|type="{}"}
$\varepsilon_{\rm S} \ = \ ${ 1.42 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
$\varepsilon_{\rm S} \ = \ ${ 1.42 3% } $\ \cdot 10^{-4}$
</quiz>
</quiz>


===Musterlösung===
===Solution===
{{ML-Kopf}}
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Für den $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$ ergibt sich wegen $d_{\rm min} = 5 \ \Rightarrow \ t = 2$ für die Blockfehlerwahrscheinlichkeit:
'''(1)'''&nbsp; For the $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$, because $d_{\rm min} = 5 \ \Rightarrow \ t = 2$ gives the block error probability:
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}
:$${\rm Pr(Block\:error)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}
\sum_{f = 3}^{7} {7 \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{7-f} $$
\sum_{f = 3}^{7} {7 \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{7-f} $$
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr(Blockfehler)} ={7 \choose 3} \cdot 0.1^3 \cdot 0.9^4 + {7 \choose 4} \cdot 0.1^4 \cdot 0.9^3
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr(Block\:error)} ={7 \choose 3} \cdot 0.1^3 \cdot 0.9^4 + {7 \choose 4} \cdot 0.1^4 \cdot 0.9^3
+ {7 \choose 5} \cdot 0.1^5 \cdot 0.9^2+
+ {7 \choose 5} \cdot 0.1^5 \cdot 0.9^2+
  {7 \choose 6} \cdot 0.1^6 \cdot 0.9+ {7 \choose 7} \cdot 0.1^7
  {7 \choose 6} \cdot 0.1^6 \cdot 0.9+ {7 \choose 7} \cdot 0.1^7
\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.05cm}.$$


*Nach dieser Berechnung müssten fünf Terme berücksichtigt werden. Da aber auch
*According to this calculation, five terms would have to be considered. However, since
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  =
:$${\rm Pr(Block\:error)}  =
\sum_{f = 0}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} = 1$$
\sum_{f = 0}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} = 1$$


gilt, kommt man über den nachfolgenden Rechenweg schneller zum Erfolg:
is also valid, the following calculation is faster:
:$${\rm Pr(Blockfehler)} =1 - \big [ {7 \choose 0}  \cdot 0.9^7 + {7 \choose 1} \cdot 0.1 \cdot 0.9^6
:$${\rm Pr(Block\:error)} =1 - \big [ {7 \choose 0}  \cdot 0.9^7 + {7 \choose 1} \cdot 0.1 \cdot 0.9^6
+ {7 \choose 2} \cdot 0.1^2 \cdot 0.9^5 \big ] =1 - \big [ 0.4783 + 0.3720 + 0.1240  \big ] \hspace{0.15cm} \underline{= 2.57 \cdot 10^{-2}}
+ {7 \choose 2} \cdot 0.1^2 \cdot 0.9^5 \big ] =1 - \big [ 0.4783 + 0.3720 + 0.1240  \big ] \hspace{0.15cm} \underline{= 2.57 \cdot 10^{-2}}
\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.05cm}.$$




'''(2)'''&nbsp; Analog zur Teilaufgabe '''(1)''' erhält man hier:
'''(2)'''&nbsp; Analogous to the subtask '''(1)''' one obtains here:
:$${\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - \big [ 0.99^7 + 7 \cdot 0.01 \cdot 0.99^6
:$${\rm Pr(Block\:error)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - \big [ 0.99^7 + 7 \cdot 0.01 \cdot 0.99^6
+ 21 \cdot 0.01^2 \cdot 0.99^5 \big ] =1 - \big [ 0.9321 + 0.0659 + 0.0020  \big ] \approx 0
+ 21 \cdot 0.01^2 \cdot 0.99^5 \big ] =1 - \big [ 0.9321 + 0.0659 + 0.0020  \big ] \approx 0
\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.05cm}.$$


*Das bedeutet: &nbsp; Für die Wahrscheinlichkeit $\varepsilon_{\rm S} = 0.01$ ist die vereinfachte Rechnung sehr fehleranfällig, weil sich für den Klammerausdruck ein Wert nahezu $1$ ergibt.  
*This means: &nbsp; For the probability $\varepsilon_{\rm S} = 0.01$ the simplified calculation is very error-prone, because a value close to $1$ results for the bracket expression.  
*Die vollständige Rechnung ergibt hier:
*The full calculation yields here:
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}
:$${\rm Pr(Block\:error)}  \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}
{7 \choose 3} \cdot 0.01^3 \cdot 0.99^4 + {7 \choose 4} \cdot 0.01^4 \cdot 0.99^3 +  
{7 \choose 3} \cdot 0.01^3 \cdot 0.99^4 + {7 \choose 4} \cdot 0.01^4 \cdot 0.99^3 +  
{7 \choose 5} \cdot 0.01^5 \cdot 0.99^2+  {7 \choose 6} \cdot 0.01^6 \cdot 0.99+
{7 \choose 5} \cdot 0.01^5 \cdot 0.99^2+  {7 \choose 6} \cdot 0.01^6 \cdot 0.99+
Line 90: Line 90:




'''(3)'''&nbsp; Aus der Musterlösung zur Teilaufgabe '''(2)''' kann das Ergebnis direkt abgelesen werden:
'''(3)'''&nbsp; From the sample solution to the subtask '''(2)''' the result can be read directly:
:$${\rm Pr(Blockfehler)} \hspace{0.15cm}  \underline{ \approx  3.362 \cdot 10^{-5}}
:$${\rm Pr(Block\:error)} \hspace{0.15cm}  \underline{ \approx  3.362 \cdot 10^{-5}}
\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.05cm}.$$


*Der relative Fehler beträgt ca. $-1\%$.  
*The relative error is about $-1\%$.  
*Das Minuszeichen zeigt an, dass es sich hier nur um eine Näherung handelt und nicht um eine Schranke:  
*The minus sign indicates that this is only an approximation and not a bound:  
*Der Näherungswert ist etwas kleiner als der tatsächliche Wert.
*The approximate value is slightly smaller than the actual value.






'''(4)'''&nbsp; Beschränkt man sich auf den relevanten Term $(f = 3)$, so ergibt sich für $\varepsilon_{\rm S} = 0.001$:
'''(4)'''&nbsp; Restricting to the relevant term $(f = 3)$, we get $\varepsilon_{\rm S} = 0.001$:
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  \approx
:$${\rm Pr(Block\:error)}  \approx
{7 \choose 3} \cdot [10^{-3}]^3 \cdot 0.999^4  \hspace{0.15cm} \underline{ \approx  3.49 \cdot 10^{-8}}
{7 \choose 3} \cdot [10^{-3}]^3 \cdot 0.999^4  \hspace{0.15cm} \underline{ \approx  3.49 \cdot 10^{-8}}
\hspace{0.05cm}.$$
\hspace{0.05cm}.$$


*Der relative Fehler beträgt auch hier nur etwa $-0.1\%$.
*The relative error here is also only about $-0.1\%$.




'''(5)'''&nbsp; Entsprechend der hergeleiteten Näherung gilt für den betrachteten Code:
'''(5)'''&nbsp; According to the derived approximation, the following holds for the considered code:
:$${\rm Pr(Blockfehler)}  \approx {7 \choose 3} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^3 = 35 \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^3\hspace{0.3cm}  
:$${\rm Pr(Block\:error)}  \approx {7 \choose 3} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^3 = 35 \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^3\hspace{0.3cm}  
\Rightarrow  \hspace{0.3cm} {\rm Pr(Blockfehler)} = 10^{-10}: \hspace{0.4cm} {\varepsilon_{\rm S}} =  
\Rightarrow  \hspace{0.3cm} {\rm Pr(Blockfehler)} = 10^{-10}: \hspace{0.4cm} {\varepsilon_{\rm S}} =  
\big ( \frac{10^{-10}}{35} \big )^{1/3} = 2.857^{1/3} \cdot 10^{-4}  
\big ( \frac{10^{-10}}{35} \big )^{1/3} = 2.857^{1/3} \cdot 10^{-4}  

Revision as of 22:36, 14 September 2022

Binominal probabilities

Using a Reed–Solomon–code with the correctability  $t$  and  "Bounded Distance Decoding"  (BDD) is obtained with

  • the code word length  $n$  and
  • the symbol corruption probability  $\varepsilon_{\rm S}$


for the block error probability:

$${\rm Pr(Block\:error)} =

\sum_{f = t + 1}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} \hspace{0.05cm}.$$

In this exercise, the block error probability for the  $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$  and various  $\varepsilon_{\rm S}$ values shall be calculated and approximated.

The above equation is reminiscent of the  "Biomial Distribution". The graph shows the probabilities of the binomial distribution for parameters  $n = 7$  (codeword length) and  $\varepsilon_{\rm S} = 0.25$  (symbol corruption probability).





Hints:



Questions

1 What is the block error probability for  $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-1}$?

$\rm Pr(Block\:error) \ = \ $ $\ \cdot 10^{-2}$

2 What is the block error probability for  $\varepsilon_{\rm S} =10^{-2}$?

$\rm Pr(Block\:error) \ = \ $ $\ \cdot 10^{-5}$

3 What result is obtained for  $\varepsilon_{\rm S} =10^{-2}$, considering only the term  $f = t + 1$ ?

$\rm Näherung \text{:} \hspace{0.2cm} Pr(Block\:error) \ \approx \ $ $\ \cdot 10^{-5}$

4 What result is obtained approximately for  $\varepsilon_{\rm S} = 10^{-3}$?

$\rm Pr(Block\:error) \ \approx \ $ $\ \cdot 10^{-8}$

5 What  $\varepsilon_{\rm S}$  is needed for the block error probability  $10^{-10}$?

$\varepsilon_{\rm S} \ = \ $ $\ \cdot 10^{-4}$


Solution

(1)  For the $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$, because $d_{\rm min} = 5 \ \Rightarrow \ t = 2$ gives the block error probability:

$${\rm Pr(Block\:error)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}

\sum_{f = 3}^{7} {7 \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{7-f} $$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr(Block\:error)} ={7 \choose 3} \cdot 0.1^3 \cdot 0.9^4 + {7 \choose 4} \cdot 0.1^4 \cdot 0.9^3

+ {7 \choose 5} \cdot 0.1^5 \cdot 0.9^2+

{7 \choose 6} \cdot 0.1^6 \cdot 0.9+ {7 \choose 7} \cdot 0.1^7

\hspace{0.05cm}.$$

  • According to this calculation, five terms would have to be considered. However, since
$${\rm Pr(Block\:error)} =

\sum_{f = 0}^{n} {n \choose f} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^f \cdot (1 - \varepsilon_{\rm S})^{n-f} = 1$$

is also valid, the following calculation is faster:

$${\rm Pr(Block\:error)} =1 - \big [ {7 \choose 0} \cdot 0.9^7 + {7 \choose 1} \cdot 0.1 \cdot 0.9^6

+ {7 \choose 2} \cdot 0.1^2 \cdot 0.9^5 \big ] =1 - \big [ 0.4783 + 0.3720 + 0.1240 \big ] \hspace{0.15cm} \underline{= 2.57 \cdot 10^{-2}} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Analogous to the subtask (1) one obtains here:

$${\rm Pr(Block\:error)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm} 1 - \big [ 0.99^7 + 7 \cdot 0.01 \cdot 0.99^6

+ 21 \cdot 0.01^2 \cdot 0.99^5 \big ] =1 - \big [ 0.9321 + 0.0659 + 0.0020 \big ] \approx 0 \hspace{0.05cm}.$$

  • This means:   For the probability $\varepsilon_{\rm S} = 0.01$ the simplified calculation is very error-prone, because a value close to $1$ results for the bracket expression.
  • The full calculation yields here:
$${\rm Pr(Block\:error)} \hspace{-0.15cm} \ = \ \hspace{-0.15cm}

{7 \choose 3} \cdot 0.01^3 \cdot 0.99^4 + {7 \choose 4} \cdot 0.01^4 \cdot 0.99^3 + {7 \choose 5} \cdot 0.01^5 \cdot 0.99^2+ {7 \choose 6} \cdot 0.01^6 \cdot 0.99+ {7 \choose 7} \cdot 0.01^7 $$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr(Blockfehler)}= 10^{-6} \cdot

\big [ 33.6209 + 0.3396 + 0.0021 + ... \big ] \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 3.396 \cdot 10^{-5}} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  From the sample solution to the subtask (2) the result can be read directly:

$${\rm Pr(Block\:error)} \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 3.362 \cdot 10^{-5}}

\hspace{0.05cm}.$$

  • The relative error is about $-1\%$.
  • The minus sign indicates that this is only an approximation and not a bound:
  • The approximate value is slightly smaller than the actual value.


(4)  Restricting to the relevant term $(f = 3)$, we get $\varepsilon_{\rm S} = 0.001$:

$${\rm Pr(Block\:error)} \approx

{7 \choose 3} \cdot [10^{-3}]^3 \cdot 0.999^4 \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 3.49 \cdot 10^{-8}} \hspace{0.05cm}.$$

  • The relative error here is also only about $-0.1\%$.


(5)  According to the derived approximation, the following holds for the considered code:

$${\rm Pr(Block\:error)} \approx {7 \choose 3} \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^3 = 35 \cdot {\varepsilon_{\rm S}}^3\hspace{0.3cm}

\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm Pr(Blockfehler)} = 10^{-10}: \hspace{0.4cm} {\varepsilon_{\rm S}} = \big ( \frac{10^{-10}}{35} \big )^{1/3} = 2.857^{1/3} \cdot 10^{-4} \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 1.42 \cdot 10^{-4}}\hspace{0.05cm}.$$