Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.16: Bounded Distance Decoding: Decision Regions"

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{{quiz-Header|Buchseite=Kanalcodierung/Fehlerwahrscheinlichkeit und Anwendungsgebiete}}
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Betrachtete Codierraumschemata
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[[File: P_ID2583__KC_A_2_16neu.png|right|frame|Considered coding space schemes]]
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We assume a block code of length  $n$  with symbols  $c_i ∈ {\rm GF}(2^m)$  that can correct up to  $t$  symbols. Each possible received word  $\underline{y}_i$  can then be viewed as a point in a high-dimensional space. Assuming the basis  ${\rm GF}(2) = \{0, \, 1\}$  the dimension  $n is \cdot m$.
  
[[File: P_ID2583__KC_A_2_16neu.png|right|frame|Betrachtete Codierraumschemata]]
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The diagram shows such a space in simplified, schematic two dimensional representation.  
Wir gehen von einem Blockcode der Länge  $n$  mit Symbolen  $c_i ∈ {\rm GF}(2^m)$  aus, der bis zu  $t$  Symbole korrigieren kann. Jedes mögliche Empfangswort  $\underline{y}_i$  kann dann als ein Punkt in einem hochdimensionalen Raum angesehen werden. Geht man von der Basis  ${\rm GF}(2) = \{0, \, 1\}$  aus, so beträgt die Dimension  $n \cdot m$.
 
  
Die Grafik zeigt einen solchen Raum in vereinfachender, schematischer 2D–Darstellung.  
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The illustration is to be interpreted as follows:
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* The red dot&nbsp; $\underline{c}_j$ was sent. All red outlined points&nbsp; $\underline{y}_i$&nbsp; in a hypersphere around this point&nbsp; $\underline{c}_j$&nbsp; with the parameter&nbsp; $t$&nbsp; as radius can be corrected. Using the nomenclature according to the&nbsp; [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application#Block_error_probability_for_RSC_and_BDD|"graph"]]&nbsp; in the theory section, then&nbsp; $\underline{z}_i = \underline{c}_j$ &nbsp; <br>&#8658; &nbsp; "Error correction is successful".
  
Die Abbildung ist wie folgt zu interpretieren:
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* For very many symbol errors,&nbsp; $\underline{c}_j$&nbsp; may be corrupted into a blue (or white-blue) dot&nbsp; $\underline{y}_j$&nbsp; belonging to the hyper-sphere of another codeword&nbsp; $\underline{c}_{k &ne; j}$&nbsp;. In this case the decoder makes a wrong decision &nbsp; <br>&#8658; &nbsp; "The received word&nbsp; $\underline{y}_j$&nbsp; is decoded incorrectly".
* Gesendet wurde der rote Punkt&nbsp; $\underline{c}_j$. Alle rot umrandeten Punkte&nbsp; $\underline{y}_i$&nbsp; in einer Hyperkugel um diesen Punkt&nbsp; $\underline{c}_j$&nbsp; mit dem Parameter&nbsp; $t$&nbsp; als Radius können korrigiert werden. Mit der Nomenklatur gemäß der&nbsp; [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete#Blockfehlerwahrscheinlichkeit_f.C3.BCr_RSC_und_BDD|Grafik]]&nbsp; im Theorieteil gilt dann&nbsp; $\underline{z}_i = \underline{c}_j$ &nbsp; <br>&#8658; &nbsp; "Die Fehlerkorrektur ist erfolgreich".
 
  
* Bei sehr vielen Symbolfehlern kann&nbsp; $\underline{c}_j$&nbsp; in einen blauen (oder weißblauen) Punkt&nbsp; $\underline{y}_j$&nbsp; verfälscht werden, der zur Hyperkugel eines anderen Codewortes&nbsp; $\underline{c}_{k &ne; j}$&nbsp; gehört. In diesem Fall trifft der Decoder eine falsche Entscheidung &nbsp; <br>&#8658; &nbsp; "Das Empfangswort&nbsp; $\underline{y}_j$&nbsp; wird falsch decodiert".
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* Finally, as in the sketch below, there may be yellow dots that do not belong to any hypersphere &nbsp; <br>&#8658; &nbsp; "The received word&nbsp; $\underline{y}_j$&nbsp; is not decodable".
  
* Schließlich kann es wie in der unteren Skizze auch noch gelbe Punkte geben, die zu keiner Hyperkugel gehören &nbsp; <br>&#8658; &nbsp; "Das Empfangswort&nbsp; $\underline{y}_j$&nbsp; ist nicht decodierbar".
 
  
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In this exercise you are to decide which of the two code space schemes is suitable for describing
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* [[Channel_Coding/Examples_of_Binary_Block_Codes#Hamming_Codes|"Bounded Distance Decoding &nbsp;(BDD) of Hamming codes"]] respectively.
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* [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application#Block_error_probability_for_RSC_and_BDD|"Bounded Distance Decoding &nbsp;(BDD) by Reed&ndash;Solomon codes"]].
  
In dieser Aufgabe sollen Sie entscheiden, welches der beiden Coderaumschemata geeignet ist zur Beschreibung von
 
* [[Channel_Coding/Beispiele_bin%C3%A4rer_Blockcodes#Hamming.E2.80.93Codes|Bounded Distance Decoding &nbsp;(BDD) von Hamming&ndash;Codes]] bzw.
 
* [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete#Blockfehlerwahrscheinlichkeit_f.C3.BCr_RSC_und_BDD|Bounded Distance Decoding &nbsp;(BDD)  von Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes]].
 
  
  
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Hints:
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* The exercise complements the topic of the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Error_Probability_and_Areas_of_Application|"Error Probability and Application Areas"]].
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* It is intended to illustrate significant differences in decoding Reed&ndash;Solomon codes and Hamming codes.
  
''Hinweise:''
 
* Die Aufgabe ergänzt die Thematik des Kapitels&nbsp; [[Channel_Coding/Fehlerwahrscheinlichkeit_und_Anwendungsgebiete|Fehlerwahrscheinlichkeit und Anwendungsgebiete]].
 
* Sie soll signifikante Unterschiede bei der Decodierung von Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes und Hamming&ndash;Codes verdeutlichen.
 
  
  
 
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===Questions===
===Fragebogen===
 
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welches Codierraumschema trifft für die Hamming&ndash;Codes zu?
+
{Which coding space scheme applies to the Hamming codes?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Codierraumschema &nbsp;$\rm A$,
+
+ Coding space scheme &nbsp;$\rm A$,
- Codierraumschema &nbsp;$\rm B$.
+
- Coding space scheme &nbsp;$\rm B$.
  
{Welche Aussage gilt für die Wahrscheinlichkeit, dass bei Hamming&ndash;Codierung ein Empfangswort&nbsp; $\underline{y}$&nbsp; nicht decodiert werden kann?
+
{Which statement is true for the probability that a received word&nbsp; $\underline{y}$&nbsp; cannot be decoded when Hamming coding?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die Wahrscheinlichkeit&nbsp; ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ ist \ nicht \ decodierbar)$&nbsp; ist exakt Null.
+
+ The probability ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$&nbsp; is exactly zero.
- ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ ist \ nicht \ decodierbar)$&nbsp; ist ungleich Null, aber vernachlässigbar.  
+
- ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$&nbsp; is nonzero, but negligible.  
- Es gilt&nbsp; ${\rm Pr}(\underline{y} {\rm \ ist \ nicht \ decodierbar}) > {\rm Pr}(\underline{y} \rm \ wird \ falsch \ decodiert)$.
+
- It holds&nbsp; ${\rm Pr}(\underline{y} {\rm \ is \ not \ decodable}) > {\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ incorrectly \ decoded)$.
  
{Welches Codierraumschema trifft für die Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes zu?
+
{Which coding space scheme applies to the Reed&ndash;Solomon codes?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
- Codierraumschema &nbsp;$\rm A$,
+
- Coding space scheme &nbsp;$\rm A$,
+ Codierraumschema &nbsp;$\rm B$.
+
+ Coding space scheme &nbsp;$\rm B$.
  
{Welche Aussage gilt für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Empfangswort&nbsp; $\underline{y}$&nbsp; nach Reed&ndash;Solomon&ndash;Codierung nicht decodiert werden kann?
+
{Which statement applies to the probability that a received word&nbsp; $\underline{y}$&nbsp; cannot be decoded after Reed&ndash;Solomon coding?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Die Wahrscheinlichkeit&nbsp; ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ ist \ nicht \ decodierbar)$&nbsp; ist exakt Null.
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- The probability ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$&nbsp; is exactly zero.
- ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ ist \ nicht \ decodierbar)$&nbsp; ist ungleich Null, aber vernachlässigbar.  
+
- ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$&nbsp; is nonzero, but negligible.  
+ Es gilt&nbsp; ${\rm Pr}(\underline{y} {\rm \ ist \ nicht \ decodierbar}) > {\rm Pr}(\underline{y} \rm \ wird \ falsch \ decodiert)$.
+
+ It holds&nbsp; ${\rm Pr}(\underline{y} {\rm \ is \ not \ decodable}) > {\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ incorrectly \ decoded)$.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1</u>, da das Codierraumschema &nbsp;$\rm A$&nbsp; einen perfekten Code  beschreibt und jeder Hamming&ndash;Code $(n, \, k, \, 3)$ ein perfekter Code ist:  
+
'''(1)'''&nbsp; Correct is <u>solution 1</u>, since the coding space scheme &nbsp;$\rm A$&nbsp; describes a perfect code and each Hamming code $(n, \, k, \, 3)$ is a perfect code:  
*Bei einem jeden Hamming&ndash;Code $(n, \, k, \, 3)$ gibt es insgesamt $2^n$ mögliche Empfangsworte $\underline{y}_i$, die bei der Syndromdecodierung einem von $2^k$ möglichen Codeworten $\underline{c}_j$ zugeordnet werden.  
+
*For any Hamming code $(n, \, k, \, 3)$, there are a total of $2^n$ possible received words $\underline{y}_i$, which are assigned to one of $2^k$ possible codewords $\underline{c}_j$ during syndrome decoding.  
*Aufgrund der HC&ndash;Eigenschaft $d_{\rm min} = 3$ haben alle Kugeln im $n$&ndash;dimensionalen Raum den Radius $t = 1$. In allen Kugeln gibt es somit $2^{n-k}$ Punkte, zum Beispiel
+
*Because of the HC property $d_{\rm min} = 3$, all spheres in $n$ dimensional space have radius $t = 1$. Thus in all spheres there are $2^{n-k}$ points, for example.
:* $\text{HC (7, 4, 3)}$: &nbsp; einen Punkt für die fehlerfreie Übertragung und sieben Punkte für einen Bitfehler &nbsp; &#8658; &nbsp; $1 + 7 = 8 = 2^3 = 2^{7-4}$.
+
:* $\text{HC (7, 4, 3)}$: &nbsp; one point for error-free transmission and seven points for a bit error &nbsp; &#8658; &nbsp; $1 + 7 = 8 = 2^3 = 2^{7-4}$.
:* $\text{HC (15, 11, 3)}$: &nbsp; einen Punkt für die fehlerfreie Übertragung und nun 15 Punkte für einen Bitfehler &nbsp; &#8658; &nbsp; $1 + 15 = 16 = 2^4 = 2^{15-11}$.
+
:* $\text{HC (15, 11, 3)}$: &nbsp; one point for error-free transmission and now 15 points for a bit error &nbsp; &#8658; &nbsp; $1 + 15 = 16 = 2^4 = 2^{15-11}$.
  
''Hinweis:'' &nbsp;Da der Hamming&ndash;Code ein Binärcode ist, hat hier der Coderaum die Dimension&nbsp; $n$.
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Note: &nbsp;Since the Hamming code is a binary code, here the code space has the dimension&nbsp; $n$.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist die <u>Antwort 1</u>:  
+
'''(2)'''&nbsp; Correct is <u>answer 1</u>:  
*Im grauen Bereich außerhalb von "Kugeln" gibt es bei einem perfekten Code keinen einzigen Punkt.
+
*In the gray area outside "spheres" there is not a single point in a perfect code.
*Dies wurde auch in der Rechnung zur Teilaufgabe (1) gezeigt.  
+
*This was also shown in the calculation for subtask (1).  
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Die Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes werden durch das Codierraumschema &nbsp;$\rm B$&nbsp; beschrieben &nbsp;&#8658;&nbsp; <u>Antwort 2</u>.  
+
'''(3)'''&nbsp; The Reed&ndash;Solomon codes are described by the coding space scheme &nbsp;$\rm B$&nbsp; &nbsp;&#8658;&nbsp; <u>Answer 2</u>.  
*Hier gibt es zahlreiche gelbe Punkte im grauen Bereich, also Punkte die bei <i>Bounded Distance Decoding</i> (BDD) keiner Kugel zugeordnet werden können.
+
*Here there are numerous yellow points in the gray area, i.e. points that cannot be assigned to any sphere in <i>Bounded Distance Decoding</i> (BDD).
*Betrachten wir beispielweise den $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$ mit den Codeparametern $n = 7, \, k = 3$ und $t = 2$, so gibt es hier insgesamt $8^7 = 2097152$ Punkte und $8^3 = 512$ Hyperkugeln.  
+
*For example, if we consider the $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$ with code parameters $n = 7, \, k = 3$ and $t = 2$, there are a total of $8^7 = 2097152$ points and $8^3 = 512$ hypersphere here.  
*Wäre dieser Code perfekt, so müsste es also innerhalb jeder Kugel $8^4 = 4096$ Punkte geben. Es gilt aber:
+
*If this code were perfect, then there should be $8^4 = 4096$ points within each sphere. However, it holds:
 
:$${\rm Pr}(\underline{\it y}_{\it i} {\rm \hspace{0.1cm}liegt\hspace{0.1cm} innerhalb\hspace{0.1cm} der\hspace{0.1cm} roten\hspace{0.1cm} Kugel)}  
 
:$${\rm Pr}(\underline{\it y}_{\it i} {\rm \hspace{0.1cm}liegt\hspace{0.1cm} innerhalb\hspace{0.1cm} der\hspace{0.1cm} roten\hspace{0.1cm} Kugel)}  
 
= {\rm Pr}(f \le t) = {\rm Pr}(f = 0)+ {\rm Pr}(f = 1)+{\rm Pr}(f = 2) =1 + {7 \choose 1} \cdot 7 + {7 \choose 2} \cdot 7^2 = 1079  
 
= {\rm Pr}(f \le t) = {\rm Pr}(f = 0)+ {\rm Pr}(f = 1)+{\rm Pr}(f = 2) =1 + {7 \choose 1} \cdot 7 + {7 \choose 2} \cdot 7^2 = 1079  
 
\hspace{0.05cm}.$$
 
\hspace{0.05cm}.$$
  
*Für ${\rm Pr}(f = 1)$ ist berücksichtigt, dass es "$7 \rm \ über \ 1$" $= 7$ Fehlerpositionen geben kann, und für jede Fehlerposition auch sieben unterschiedliche Fehlerwerte. Entsprechendes ist auch für ${\rm Pr}(f = 2)$ berücksichtigt.
+
*For ${\rm Pr}(f = 1)$ it is considered that there can be "$7 \rm \ over \ 1$" $= 7$ error positions, and for each error position also seven different error values. The same is considered for ${\rm Pr}(f = 2)$.
  
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist die <u>Antwort 3</u>:
+
'''(4)'''&nbsp; Correct is <u>answer 3</u>:
*Ein Punkt im grauen Niemandsland wird mit weniger Symbolfehlern erreicht als ein Punkt in einer anderen Hyperkugel.  
+
*A point in gray no-man's land is reached with fewer symbol errors than a point in another hypersphere.  
*Für lange Codes wird in der Literatur eine obere Schranke für die Verfälschungswahrscheinlichkeit angegeben:
+
*For long codes, an upper bound on the corruption probability is given in the literature:
  
 
:$${\rm Pr}(\underline{y}_{i} {\rm \hspace{0.15cm}wird\hspace{0.15cm} falsch\hspace{0.15cm} decodiert)}  
 
:$${\rm Pr}(\underline{y}_{i} {\rm \hspace{0.15cm}wird\hspace{0.15cm} falsch\hspace{0.15cm} decodiert)}  

Revision as of 18:19, 17 September 2022

Betrachtete Codierraumschemata

Considered coding space schemes

We assume a block code of length  $n$  with symbols  $c_i ∈ {\rm GF}(2^m)$  that can correct up to  $t$  symbols. Each possible received word  $\underline{y}_i$  can then be viewed as a point in a high-dimensional space. Assuming the basis  ${\rm GF}(2) = \{0, \, 1\}$  the dimension  $n is \cdot m$.

The diagram shows such a space in simplified, schematic two dimensional representation.

The illustration is to be interpreted as follows:

  • The red dot  $\underline{c}_j$ was sent. All red outlined points  $\underline{y}_i$  in a hypersphere around this point  $\underline{c}_j$  with the parameter  $t$  as radius can be corrected. Using the nomenclature according to the  "graph"  in the theory section, then  $\underline{z}_i = \underline{c}_j$  
    ⇒   "Error correction is successful".
  • For very many symbol errors,  $\underline{c}_j$  may be corrupted into a blue (or white-blue) dot  $\underline{y}_j$  belonging to the hyper-sphere of another codeword  $\underline{c}_{k ≠ j}$ . In this case the decoder makes a wrong decision  
    ⇒   "The received word  $\underline{y}_j$  is decoded incorrectly".
  • Finally, as in the sketch below, there may be yellow dots that do not belong to any hypersphere  
    ⇒   "The received word  $\underline{y}_j$  is not decodable".


In this exercise you are to decide which of the two code space schemes is suitable for describing





Hints:


Questions

1

Which coding space scheme applies to the Hamming codes?

Coding space scheme  $\rm A$,
Coding space scheme  $\rm B$.

2

Which statement is true for the probability that a received word  $\underline{y}$  cannot be decoded when Hamming coding?

The probability ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$  is exactly zero.
${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$  is nonzero, but negligible.
It holds  ${\rm Pr}(\underline{y} {\rm \ is \ not \ decodable}) > {\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ incorrectly \ decoded)$.

3

Which coding space scheme applies to the Reed–Solomon codes?

Coding space scheme  $\rm A$,
Coding space scheme  $\rm B$.

4

Which statement applies to the probability that a received word  $\underline{y}$  cannot be decoded after Reed–Solomon coding?

The probability ${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$  is exactly zero.
${\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ not \ decodable)$  is nonzero, but negligible.
It holds  ${\rm Pr}(\underline{y} {\rm \ is \ not \ decodable}) > {\rm Pr}(\underline{y} \rm \ is \ incorrectly \ decoded)$.


Solution

(1)  Correct is solution 1, since the coding space scheme  $\rm A$  describes a perfect code and each Hamming code $(n, \, k, \, 3)$ is a perfect code:

  • For any Hamming code $(n, \, k, \, 3)$, there are a total of $2^n$ possible received words $\underline{y}_i$, which are assigned to one of $2^k$ possible codewords $\underline{c}_j$ during syndrome decoding.
  • Because of the HC property $d_{\rm min} = 3$, all spheres in $n$ dimensional space have radius $t = 1$. Thus in all spheres there are $2^{n-k}$ points, for example.
  • $\text{HC (7, 4, 3)}$:   one point for error-free transmission and seven points for a bit error   ⇒   $1 + 7 = 8 = 2^3 = 2^{7-4}$.
  • $\text{HC (15, 11, 3)}$:   one point for error-free transmission and now 15 points for a bit error   ⇒   $1 + 15 = 16 = 2^4 = 2^{15-11}$.

Note:  Since the Hamming code is a binary code, here the code space has the dimension  $n$.


(2)  Correct is answer 1:

  • In the gray area outside "spheres" there is not a single point in a perfect code.
  • This was also shown in the calculation for subtask (1).


(3)  The Reed–Solomon codes are described by the coding space scheme  $\rm B$   ⇒  Answer 2.

  • Here there are numerous yellow points in the gray area, i.e. points that cannot be assigned to any sphere in Bounded Distance Decoding (BDD).
  • For example, if we consider the $\rm RSC \, (7, \, 3, \, 5)_8$ with code parameters $n = 7, \, k = 3$ and $t = 2$, there are a total of $8^7 = 2097152$ points and $8^3 = 512$ hypersphere here.
  • If this code were perfect, then there should be $8^4 = 4096$ points within each sphere. However, it holds:
$${\rm Pr}(\underline{\it y}_{\it i} {\rm \hspace{0.1cm}liegt\hspace{0.1cm} innerhalb\hspace{0.1cm} der\hspace{0.1cm} roten\hspace{0.1cm} Kugel)} = {\rm Pr}(f \le t) = {\rm Pr}(f = 0)+ {\rm Pr}(f = 1)+{\rm Pr}(f = 2) =1 + {7 \choose 1} \cdot 7 + {7 \choose 2} \cdot 7^2 = 1079 \hspace{0.05cm}.$$
  • For ${\rm Pr}(f = 1)$ it is considered that there can be "$7 \rm \ over \ 1$" $= 7$ error positions, and for each error position also seven different error values. The same is considered for ${\rm Pr}(f = 2)$.


(4)  Correct is answer 3:

  • A point in gray no-man's land is reached with fewer symbol errors than a point in another hypersphere.
  • For long codes, an upper bound on the corruption probability is given in the literature:
$${\rm Pr}(\underline{y}_{i} {\rm \hspace{0.15cm}wird\hspace{0.15cm} falsch\hspace{0.15cm} decodiert)} = {\rm Pr}(\underline{z} \ne \underline{c}) \le \frac{1}{t\hspace{0.05cm}!} \hspace{0.05cm}.$$
  • Für den ${\rm RSC} \, (225, \, 223, \, 33)_{256} \ \Rightarrow \ t = 16$ liefert diese obere Schranke den Wert $1/(16!) < 10^{-14}$.