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Exercise 4.4Z: Supplement to Exercise 4.4

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Hamming weights and sequence probabilities

Der Informationstheoretiker  "Robert G. Gallager"  hat sich bereits 1963 mit folgender Fragestellung beschäftigt:

  • Gegeben ist ein Zufallsvektor  x_=(x1,x2, ...,xn)  mit  n  binären Elementen  xi{0,1}.
  • Bekannt sind alle Wahrscheinlichkeiten  pi=Pr(xi=1)  und  qi=Pr(xi=0)=1pi  mit Index  i=1, ..., n.
  • Gesucht ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Anzahl der Einsen in diesem Vektor geradzahlig ist.
  • Oder ausgedrückt mit dem  "Hamming–Gewicht":   Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit  Pr[wH(x_) ist gerade]?


Die Grafik verdeutlicht die Aufgabenstellung für das Beispiel  n=4  sowie  p1=0.2p2=0.9p3=0.3  und  p4=0.6.

  • Für die grün hinterlegte Zeile   ⇒   x_=(1,0,0,1)  gilt  wH(x_)=2  und
Pr(x_)=p1q2q3p4=0.0084.
  • Blaue Schrift bedeutet "wH(x_) ist gerade". Rote Schrift steht für "wH(x_) ist ungerade".
  • Die Wahrscheinlichkeit  Pr[wH(x_) ist gerade]  ist die Summe der blauen Zahlen in der letzten Spalte.
  • Die Summe der roten Zahlen ergibt  Pr[wH(x_) ist ungerade]=1Pr[wH(x_) ist gerade].


Gallager hat das Problem in analytischer Weise gelöst:

Pr[wH(x_)istgerade] = 1/2[1+π],
Pr[wH(x_)istungerade] = 1/2[1π].

Hierbei ist die folgende Hilfsgröße verwendet:

π=ni=1(12pi).

Die Gleichung wendet man zum Beispiel an, um die extrinsischen  L–Werte eines  Single Parity–check Codes  zu berechnen.

Wie bereits in der  "Aufgabe A4.4"  dargelegt, lautet nämlich der extrinsische L–Wert mit dem Hamming–Gewicht  wH  der verkürzten Folge  x_(i):

LE(i)=lnPr[wH(x_(i))istgerade|y_]Pr[wH(x_(i))istungerade|y_].

Hierbei ist berücksichtigt, dass man für  LE(i)  nur die anderen Symbole  (ji)  heranziehen darf:

x_(i)=(x1, ...,xi1,xi+1, ...,xn).





Hints:



Questions

1

We consider the vector  x_=(x1,x2)  n=2  with  xi{0,1}  and  p1=0.2, p2=0.9.
What is the probability that  x_  contains an even number of ones?

Pr[wH(x_) ist gerade] = 

2

Berechnen Sie die gleiche Wahrscheinlichkeit für  x_=(x1,x2,x3)  n=3  und  p1=0.2, p2=0.9, p3=0.3.

Pr[wH(x_) ist gerade] = 

3

Now let  n=4  and  p1=0.2, p2=0.9, p3=0.3, p4=0.6. Calculate the following quantities according to Gallager's equation:

Pr(blue)=Pr[wH(x_) is even]= 

Pr(red)=Pr[wH(x_) is uneven]= 

Quotient Q=Pr(blau)/Pr(rot)= 

4

What is the extrinsic  L value for the symbol  i=5  at  SPC (5, 4, 2)  with  p1=0.2, p2=0.9, p3=0.3, p4=0.6, p5=0.9?

LE(i=5) = 

5

How does  LE(i=5) change if we assume  p5=0.1  instead?

LE(i=5)  becomes larger.
LE(i=5)  becomes smaller.
LE(i=5)  is not changed compared to subtask (4).


Solution

Derivation "wH is even" for code length n=2.

(1)  According to the adjacent table applies:

Pr[wH(x_)iseven]=Pr[wH=0]+Pr[wH=2].

With the probabilities

p1=Pr(x1=1) = 0.2,q1=Pr(x1=0)=0.8,
p2=Pr(x2=1) = 0.9,q2=Pr(x2=0)=0.1

one obtains:

Pr[wH(x_)=0] = Pr[(x1=0)(x2=0)]=q1q2=0.80.1=0.08,
Pr[wH(x_)=2] = Pr[(x1=1)(x2=1)]=p1p2=0.20.9=0.18
Pr[wH(x_)istgerade]=0.8+0.18=0.26_.

The Gallager's equation provides for the same set of parameters:

Pr[wH(x_)istgerade] = 0.5+0.52i=1(12pi)=0.5+0.5(120.2)(120.9)=0.26.

The equation given by Gallager 1963 was hereby verified for n=2.


Derivation "wH is even" for code length n=3.

(2)  In the second table, the four combinations with an even number of ones are marked in blue. The probabilities of occurrence of each combination are given in the last column. Thus, the result is:

Pr[wH(x_)istgerade]=0.056+0.216+0.006+0.126=0.404_.

The red rows provide the complementary event:

Pr[wH(x_)istungerade]=0.024+0.504+0.014+0.054=0.596.

The Gallager's equation again gives the exact same result, although it should be noted that this equation is valid for all n and all arbitrary probabilities:

Pr[wH(x_)iseven] = 0.5+0.53i=1(12pi)
Pr[wH(x_)iseven] = 0.5+0.5(+0.6)(0.8)(+0.4)=0.404.


(3)  According to the specification page applies:

π=4i=1(12pi) = (120.2)(120.9)(120.3)(120.6)
π=4i=1(12pi) = (+0.6)(0.8)(+0.4)(0.2)=0.0384.

From this can be calculated:

Pr(blue)=Pr[wH(x_)iseven] = 0.5+0.5π=0.5+0.50.0384=0.5192_,
Pr(red)=Pr[wH(x_)isuneven] = 0.50.5π=0.50.50.0384=0.4808_.

If you add up the blue and red probabilities on the information page, you get exactly the values calculated here.

For the quotient we get:

Q=Pr[wH(x_)istgerade]Pr[wH(x_)istungerade]=0.51920.4808=1.0799_.


(4)  For the single parity–check code, the extrinsic L value with respect to the ith bit was specified as follows:

LE(i)=lnPr[wH(x_(i))istgerade|y_]Pr[wH(x_(i))istungerade|y_],

or:

LE(i)=ln1+ji(12pj)1ji(12pj).

At  SPC (5, 4, 2)   ⇒   n=5, this product for i=5 results from the following four factors:

π=j=1,2,3,4(12pj)=(12p1)(12p2)(12p3)(12p4).

The comparison with the subtask (3) shows that LE(i=5)=lnQ=ln(1.0799) 0.077_.


(5)  Correct is proposed solution 3 because the result for LE(i=5) is independent of p5.