Exercise 4.4Z: Supplement to Exercise 4.4
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)=1−pi 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=0.2, p2=0.9, p3=0.3 und p4=0.6.
- Für die grün hinterlegte Zeile ⇒ x_=(1,0,0,1) gilt wH(x_)=2 und
- Pr(x_)=p1⋅q2⋅q3⋅p4=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]=1−Pr[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⋅[1−π].
Hierbei ist die folgende Hilfsgröße verwendet:
- π=n∏i=1(1−2pi).
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 (j≠i) heranziehen darf:
- x_(−i)=(x1, ...,xi−1,xi+1, ...,xn).
Hints:
- This exercise belongs to the chapter "Soft–in Soft–out Decoder".
- Reference is made in particular to the page "For calculating the extrinsic L–values".
- The exercise is intended as a supplement to "Exercise 4.4" .
Questions
Solution
(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)]=q1⋅q2=0.8⋅0.1=0.08,
- Pr[wH(x_)=2] = Pr[(x1=1)∩(x2=1)]=p1⋅p2=0.2⋅0.9=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+0.5⋅2∏i=1(1−2⋅pi)=0.5+0.5⋅(1−2⋅0.2)⋅(1−2⋅0.9)=0.26.
The equation given by Gallager 1963 was hereby verified for n=2.
(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+0.5⋅3∏i=1(1−2⋅pi)
- ⇒Pr[wH(x_)iseven] = 0.5+0.5⋅(+0.6)⋅(−0.8)⋅(+0.4)=0.404.
(3) According to the specification page applies:
- π=4∏i=1(1−2⋅pi) = (1−2⋅0.2)⋅(1−2⋅0.9)⋅(1−2⋅0.3)⋅(1−2⋅0.6)
- ⇒π=4∏i=1(1−2⋅pi) = (+0.6)⋅(−0.8)⋅(+0.4)⋅(−0.2)=0.0384.
From this can be calculated:
- Pr(blue)=Pr[wH(x_)iseven] = 0.5+0.5⋅π=0.5+0.5⋅0.0384=0.5192_,
- Pr(red)=Pr[wH(x_)isuneven] = 0.5−0.5⋅π=0.5−0.5⋅0.0384=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+∏j≠i(1−2⋅pj)1−∏j≠i(1−2⋅pj).
At SPC (5, 4, 2) ⇒ n=5, this product for i=5 results from the following four factors:
- π=∏j=1,2,3,4(1−2⋅pj)=(1−2⋅p1)⋅(1−2⋅p2)⋅(1−2⋅p3)⋅(1−2⋅p4).
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.