Aufgabe 1.09Z: Erweiterung und/oder Punktierung
Häufig kennt man einen Code, der für eine Anwendung als geeignet erscheint, dessen Coderate aber nicht exakt mit den Vorgaben übereinstimmt.
Zur Ratenanpassung gibt es verschiedene Möglichkeiten
- Erweiterung (englisch Extension): Ausgehend vom $(n, \, k)$–Code, dessen Prüfmatrix $\mathbf{H}$ gegeben ist, erhält man einen $(n+1, \, k)$–Code, indem man die Prüfmatrix um eine Zeile und eine Spalte erweitert und die neuen Matrixelemente entsprechend der oberen Grafik mit Nullen und Einsen ergänzt. Man fügt ein neues Prüfbit
- $$x_{n+1} = x_1 \oplus x_2 \oplus ... \hspace{0.05cm} \oplus x_n$$
hinzu und damit auch eine neue Prüfgleichung, die in $\mathbf{H}'$ berücksichtigt ist.
- Punktierung (englisch Puncturing): Entsprechend der unteren Abbildung kommt man zu einem $(n–1, \, k)$–Code größerer Rate, wenn man auf ein Prüfbit und eine Prüfgleichung verzichtet, was gleichbedeutend damit ist, aus der Prüfmatrix $\mathbf{H}$ eine Zeile und eine Spalte zu streichen.
- Verkürzung (englisch Shortening): Verzichtet man anstelle eines Prüfbits auf ein Informationsbit, so ergibt sich ein $(n–1, \, k–1)$–Code kleinerer Rate.
In dieser Aufgabe sollen ausgehend von einem $(5, \, 2)$–Blockcode
- $$\mathcal{C} = \{ (0, 0, 0, 0, 0) \hspace{0.1cm}, (0, 1, 0, 1, 1) \hspace{0.1cm},(1, 0, 1, 1, 0) \hspace{0.1cm},(1, 1, 1, 0, 1) \}$$
folgende Codes konstruiert und analysiert werden:
- ein $(6, \, 2)$–Code durch einmalige Erweiterung,
- ein $(7, \, 2)$–Code durch nochmalige Erweiterung,
- ein $(4, \, 2)$–Code durch Punktierung.
Die Prüfmatrix und die Generatormatrix des systematischen $(5, \, 2)$–Codes lauten:
- $${ \boldsymbol{\rm H}}_{(5, 2)} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 &0\\ 1 &1 &0 &1 &0\\ 0 &1 &0 &0 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow\hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm G}}_{(5, 2)} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &1 &0\\ 0 &1 &0 &1 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.05cm}.$$
Hinweise :
- Die Aufgabe bezieht sich auf das Kapitel Allgemeine Beschreibung linearer Blockcodes.
- In der Aufgabe 1.09 wird beispielhaft gezeigt, wie aus dem $(7, \, 4, \, 3)$–Hamming–Code durch Erweiterung ein $(8, \, 4, \, 4)$–Code entsteht.
Fragebogen
Musterlösung
(2) Bei Erweiterung vom $(5, \, 2)$–Code zum $(6, \, 2)$–Code wird ein weiteres Prüfbit hinzugefügt. Das Codewort hat somit die Form
- $$\underline{x} = ( x_1, x_2, x_3, x_4, x_5, x_6) = ( u_1, u_2, p_1, p_2, p_{3}, p_4) \hspace{0.05cm}.$$
Für das hinzugekommene Prüfbit muss dabei gelten:
- $$p_4 = x_6 = x_1 \oplus x_2 \oplus x_3 \oplus x_4 \oplus x_5 \hspace{0.05cm}.$$
Das heißt: Das neue Prüfbit $p_{4}$ wird so gewählt, dass sich in jedem Codewort eine gerade Anzahl von Einsen ergibt ⇒ Antwort 2. Löst man diese Aufgabe mit der Prüfmatrix, so erhält man
- $${ \boldsymbol{\rm H}}_{(6,\hspace{0.05cm} 2)} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 &0 &0\\ 1 &1 &0 &1 &0 &0\\ 0 &1 &0 &0 &1 &0\\ 1 &1 &1 &1 &1 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm H}}_{{\rm (6,\hspace{0.05cm} 2)\hspace{0.05cm}sys}} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 &0 &0\\ 1 &1 &0 &1 &0 &0\\ 0 &1 &0 &0 &1 &0\\ 1 &1 &0 &0 &0 &1 \end{pmatrix}$$
- $$\Rightarrow\hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm G}}_{{\rm (6,\hspace{0.05cm} 2)\hspace{0.05cm}sys}} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &1 &0 &1\\ 0 &1 &0 &1 &1 &1 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm}.$$
Die beiden Zeilen der Generatormatrix $\boldsymbol{\rm G}$ ergeben zwei der vier Codeworte, die Modulo–$2$–Summe das dritte und schließlich ist auch noch das Nullwort zu berücksichtigen.
(3) Nach Erweiterung vom $(5, \, 2)$–Code auf den $(6, \, 2)$–Code
- vermindert sich die Rate von $R = 2/5$ auf $R = 2/6 \ \underline{= 0.333}$,
- erhöht sich die Minimaldistanz von $d_{\rm min} = 3$ auf $d_{\rm min} \ \underline{= 4}$ .
Allgemein gilt: Erweitert man einen Code, so nimmt die Rate ab und die Minimaldistanz erhöht sich um $1$, falls $d_{\rm min}$ vorher ungerade war.
(4) Bei gleicher Vorgehensweise wie unter (3) erhält man
- $${ \boldsymbol{\rm H}}_{(7,\hspace{0.05cm} 2)} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 &0 &0 &0\\ 1 &1 &0 &1 &0 &0 &0\\ 0 &1 &0 &0 &1 &0 &0\\ 1 &1 &0 &0 &0 &1 &0\\ 1 &1 &1 &1 &1 &1 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm H}}_{{\rm (7,\hspace{0.05cm} 2)\hspace{0.05cm}sys}} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 &0 &0 &0\\ 1 &1 &0 &1 &0 &0 &0\\ 0 &1 &0 &0 &1 &0 &0\\ 1 &1 &0 &0 &0 &1 &0\\ 0 &0 &0 &0 &0 &0 &1 \end{pmatrix}$$
- $$\Rightarrow\hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm G}}_{{\rm (6,\hspace{0.05cm} 2)\hspace{0.05cm}sys}} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &1 &0 &1 &0 \\ 0 &1 &0 &1 &1 &1 &0 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm}.$$
⇒ Beide Antworten sind richtig.
(5) Die Rate beträgt nun $R = 2/7 = \ \underline{0.266}$. Die Minimaldistanz ist weiterhin $d_{\rm min} \ \underline{= 4}$ , wie man aus den Codeworten des $(7, \, 2)$–Codes ablesen kann:
- $$\mathcal{C} = \{ (0, 0, 0, 0, 0, 0, 0), \hspace{0.1cm}(0, 1, 0, 1, 1, 1, 0), \hspace{0.1cm}(1, 0, 1, 1, 0, 1, 0), \hspace{0.1cm}(1, 1, 1, 0, 1, 0, 0) \}\hspace{0.05cm}.$$
Allgemein gilt: Ist die Minimaldistanz eines Codes geradzahlig, so kann diese durch Erweiterung nicht vergrößert werden.
(6) Richtig sind die Aussagen 1 und 2. Durch Streichen der letzten Zeile und der letzten Spalte erhält man für die Prüfmatrix bzw. die Generatormatrix (jeweils in systematischer Form):
- $${ \boldsymbol{\rm H}}_{(4,\hspace{0.05cm} 2)} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &0 \\ 1 &1 &0 &1 \end{pmatrix} \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} { \boldsymbol{\rm G}}_{{\rm (4,\hspace{0.05cm} 2)}} = \begin{pmatrix} 1 &0 &1 &1 \\ 0 &1 &0 &1 \end{pmatrix}\hspace{0.05cm}.$$
Aus der Generatormatrix ergeben sich die genannten Codeworte $(1, 0, 1, 1), \, (0, 1, 0, 1), \, (1, 1, 1, 0)$ als Zeilensumme sowie das Nullwort $(0, 0, 0, 0)$. Die Minimaldistanz dieses Codes ist $d_{\rm min}= 2$ und damit kleiner als die minimale Distanz $d_{\rm min}= 3$ des $(5, \, 2)$–Codes.
Allgemein gilt: Durch Punktierung wird $d_{\rm min}$ um $1$ kleiner (wenn sie vorher gerade war) oder sie bleibt gleich. Dies kann man sich verdeutlichen, wenn man durch eine weitere Punktierung (des Prüfbits $p_{2}$) den $(3, \, 2)$–Blockcode generiert. Dieser Code
- $$ \mathcal{C} = \{ (0, 0, 0), \hspace{0.1cm}(0, 1, 1), \hspace{0.1cm}(1, 0, 1), \hspace{0.1cm}(1, 1, 0) \}$$
besitzt die gleiche Minimaldistanz $d_{\rm min}= 2$ wie der $(4, \, 2)$–Code.
