НОУ ИНТУИТ | Основы теории информации и криптографии. Лекция 10: Групповые коды

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 11.04.2007 | Доступ: свободный | Студентов: 5905 / 2148 | Оценка: 4.37 / 4.24 | Длительность: 11:19:00

Тема: Безопасность

Специальности: Специалист по безопасности

|

Вам нравится? Нравится 53 студентам

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

Совершенные и квазисовершенные коды

Групповой (m,n) -код, исправляющий все ошибки веса, не большего , и никаких других, называется совершенным.

Свойства совершенного кода²¹:

Для совершенного -кода, исправляющего все ошибки веса, не большего , выполняется соотношение $\sum^k_{i=0}C^i_n=2^{n-m}$ . Верно и обратное утверждение;
Совершенный код, исправляющий все ошибки веса, не большего , в столбцах таблицы декодирования содержит все слова, отстоящие от кодовых на расстоянии, не большем . Верно и обратное утверждение;
Таблица декодирования совершенного кода, исправляющего все ошибки в не более чем позициях, имеет в качестве лидеров все строки, содержащие не более единиц. Верно и обратное утверждение.

Совершенный код - это лучший код, обеспечивающий максимум минимального расстояния между кодовыми словами при минимуме длины кодовых слов. Совершенный код легко декодировать: каждому полученному слову однозначно ставится в соответствие ближайшее кодовое. Чисел , и $(1<k<{n-1\over2})$ , удовлетворяющих условию совершенности кода очень мало. Но и при подобранных , и совершенный код можно построить только в исключительных случаях.

Если , и не удовлетворяют условию совершенности, то лучший групповой код, который им соответствует называется квазисовершенным, если он исправляет все ошибки кратности, не большей , и некоторые ошибки кратности k+1 . Квазисовершенных кодов также очень мало.

Двоичный блочный (m,n) -код называется оптимальным, если он минимизирует вероятность ошибочного декодирования. Совершенный или квазисовершенный код - оптимален. Общий способ построения оптимальных кодов пока неизвестен.

Для любого целого положительного числа существует совершенный (m,n) -код, исправляющий одну ошибку, называемый кодом Хэмминга (Hamming), в котором m=2^r-r-1 и n=2^r-1 .

Действительно, $\sum^1_{i=0}C^i_n=1+2^r-1=2^r=2^{n-m}$ .

Порядок построения кода Хэмминга следующий:

Выбираем целое положительное число . Сообщения будут словами длины , а кодовые слова - длины ;
В каждом кодовом слове $b=b_1b_2\ldots b_n$ бит с индексами-степенями двойки $(2^0, 2^1, \ldots, 2^{r-1})$ - являются контрольными, остальные - в естественном порядке - битами сообщения. Например, если , то биты - контрольные, а $b_3, b_5, b_6, b_7, b_9, b_{10}, b_{11}, b_{12}, b_{13}, b_{14}, b_{15}$ - из исходного сообщения;
Строится матрица из строк и столбцов. В -ой строке стоят цифры двоичного представления числа . Матрицы для r=2, 3 и 4 таковы: $M_{3\times2}=\left\lbrack\matrix{01\cr 10\cr 11\cr}\right\rbrack\qquad M_{7\times3}=\left\lbrack\matrix{001\cr 010\cr 011\cr 100\cr 101\cr 110\cr 111\cr}\right\rbrack\qquad M_{15\times4}=\left\lbrack\matrix{0001\cr 0010\cr 0011\cr 0100\cr 0101\cr 0110\cr 0111\cr 1000\cr 1001\cr 1010\cr 1011\cr 1100\cr 1101\cr 1110\cr 1111\cr}\right\rbrack;$
Записывается система уравнений , где - матрица из предыдущего пункта. Система состоит из уравнений. Например, для :
$\left\lbrace\matrix{ b_4+b_5+b_6+b_7=0\cr b_2+b_3+b_6+b_7=0\cr b_1+b_3+b_5+b_7=0\cr}\right.;$
Чтобы закодировать сообщение , берутся в качестве , не равно степени двойки, соответствующие биты сообщения и отыскиваются, используя полученную систему уравнений, те , для которых - степень двойки. В каждое уравнение входит только одно , . В выписанной системе входит в 1-е уравнение, - во второе и - в третье. В рассмотренном примере сообщение будет закодировано кодовым словом .

Декодирование кода Хэмминга проходит по следующей схеме. Пусть принято слово b+e , где - переданное кодовое слово, а - строка ошибок. Так как bM=0 , то (b+e)M=bM+eM=eM . Если результат нулевой, как происходит при правильной передаче, считается, что ошибок не было. Если строка ошибок имеет единицу в -й позиции, то результатом произведения будет -я строка матрицы или двоичное представление числа . В этом случае следует изменить символ в -й позиции слова b+e , считая позиции слева, с единицы.

Пример. (4,7) -код Хэмминга имеет в качестве одного из кодовых слов b=0001111 . Матрица $M_{7\times3}$ приведена на шаге 3 хода построения кода Хэмминга. Ясно, что bM=0 . Добавим к строку ошибок e=0010000 . Тогда b+e=0011111 и $(b+e)M=011=3_{10}$ , т.е. ошибка находится в третьей позиции. Если e=0000001 , то b+e=0001110 и позиция ошибки - $(b+e)M=111=7_{10}$ и т.п. Если ошибка допущена в более чем в одной позиции, то декодирование даст неверный результат.

Код Хэмминга - это групповой код.

Это следует из того, что (m,n) -код Хэмминга можно получить матричным кодированием, при помощи $m\times n$ -матрицы, в которой столбцы с номерами не степенями 2 образуют единичную подматрицу. Остальные столбцы соответствуют уравнениям шага 4 построения кода Хэмминга, т.е. 1-му столбцу соответствует уравнение для вычисления 1-го контрольного разряда, 2-му - для 2-го, 4-му - для 4-го и т.д. Такая матрица будет при кодировании копировать биты сообщения в позиции не степени 2 кода и заполнять другие позиции кода согласно схеме кодирования Хэмминга.

Пример. Кодирующая матрица для (4,7) -кода Хэмминга -

$E=\left\lbrack\matrix{1110000\cr 1001100\cr 0101010\cr 1101001\cr}\right\rbrack.$

Ее столбцы с номерами 3, 5, 6 и 7 образуют единичную подматрицу. Столбцы с номерами 1, 2 и 4 соответствуют уравнениям для вычисления контрольных бит, например, уравнению b_1=b_3+b_5+b_7

соответствует столбец 1101, т.е. для вычисления первого контрольного разряда берутся 1, 2 и 4 биты исходного сообщения или биты 3, 5 и 7 кода.

К (m,n) -коду Хэмминга можно добавить проверку четности. Получится (m,n+1) -код с наименьшим весом ненулевого кодового слова 4, способный исправлять одну и обнаруживать две ошибки.

Коды Хэмминга накладывают ограничения на длину слов сообщения: эта длина может быть только числами вида 2^r-r-1 : 1, 4, 11, 26, 57, $\ldots$ Но в реальных системах информация передается байтам или машинными словами, т.е. порциями по 8, 16, 32 или 64 бита, что делает использование совершенных кодов не всегда подходящим. Поэтому в таких случаях часто используются квазисовершенные коды.

Квазисовершенные (m,n) -коды, исправляющие одну ошибку, строятся следующим образом. Выбирается минимальное так, чтобы

${2^n\over n+1}\ge2^m.$

Каждое кодовое слово такого кода будет содержать k=n-m

контрольных разрядов. Из предыдущих соотношений следует, что

$2^k=2^{n-m}\ge n+1=C^1_n+C^0_n=m+k+1.$

Каждому из

разрядов присваивается слева-направо номер от 1 до

. Для заданного слова сообщения составляются

контрольных сумм $S_1, \ldots, S_k$ по модулю 2 значений специально выбранных разрядов кодового слова, которые помещаются в позиции-степени 2 в нем: для S_i

$(1\le i\le k)$ выбираются разряды, содержащие биты исходного сообщения, двоичные числа-номера которых имеют в

-м разряде единицу. Для суммы S_1

это будут, например, разряды 3, 5, 7 и т.д., для суммы S_2

- 3, 6, 7 и т.д. Таким образом, для слова сообщения $a=a_1\ldots a_m$ будет построено кодовое слово $b=S_1S_2a_1S_3a_2a_3a_4S_4a_5\ldots a_m$ . Обозначим S^*_i

сумму по модулю 2 разрядов полученного слова, соответствующих контрольной сумме S_i

и самой этой контрольной суммы. Если $S^*_k\ldots S^*_1=0$ , то считается, что передача прошла без ошибок. В случае одинарной ошибки $S^*_k\ldots S^*_1$ будет равно двоичному числу-номеру сбойного бита. В случае ошибки, кратности большей 1, когда $S^*_k\ldots S^*_1>n$ , ее можно обнаружить. Подобная схема декодирования не позволяет исправлять некоторые двойные ошибки, чего можно было бы достичь, используя схему декодирования с лидерами, но последняя значительно сложнее в реализации и дает незначительное улучшение качества кода.

Пример построения кодового слова квазисовершенного (9,n) -кода, исправляющего все однократные ошибки, для сообщения 100011010.

${2^{12}\over13}={4096\over13}<2^9=512\quad\hbox{и}\quad {2^{13}\over14}={4096\over7}>512,\hbox{ т.е. }n=13.$

Искомое кодовое слово имеет вид $\lower.1ex\hbox{\vbox{\halign{&\hbox to 1.1em{\hfil # \hfil}\cr _1& _2& _3& _4&_5&_6&_7& _8&_9&_{10}&_{11}&_{12}&_{13}\cr S_1&S_2& 1&S_3& 0& 0& 0&S_4& 1& 1& 0& 1& 0\cr}}}$ . Далее нужно вычислить контрольные суммы.

$\matrix{\hfill1_{10}=0001_2\cr \hfill2_{10}=0010_2\cr \hfill3_{10}=0011_2\cr \hfill4_{10}=0100_2\cr \hfill5_{10}=0101_2\cr \hfill6_{10}=0110_2\cr \hfill7_{10}=0111_2\cr \hfill8_{10}=1000_2\cr \hfill9_{10}=1001_2\cr \hfill10_{10}=1010_2\cr \hfill11_{10}=1011_2\cr \hfill12_{10}=1100_2\cr \hfill13_{10}=1101_2\cr}\qquad \matrix{S_1=b_3+b_5+b_7+b_9+b_{11}+b_{13}=0\hfill\cr S_2=b_3+b_6+b_7+b_{10}+b_{11}=0\hfill\cr S_3=b_5+b_6+b_7+b_{12}+b_{13}=1\hfill\cr S_4=b_9+b_{10}+b_{11}+b_{12}+b_{13}=1\hfill\cr}$

Таким образом, искомый код - 0011000111010. Если в процессе передачи этого кода будет испорчен его пятый бит, то приемник получит код 0011100111010. Для его декодирования опять вычисляются контрольные суммы:

$\matrix S_1^*=b_1+b_3+b_5+b_7+b_9+b_{11}+b_{13}=1\hfill\cr\\ S_2^*=b_2+b_3+b_6+b_7+b_{10}+b_{11}=0\hfill\cr\\ S_3^*=b_4+b_5+b_6+b_7+b_{12}+b_{13}=1\hfill\cr\\ S_4^*=b_8+b_9+b_{10}+b_{11}+b_{12}+b_{13}=0\hfill\cr}\\ \ifdim\hsize>155mm\qquad\else$${}$$\fi S_4^*S_3^*S_2^*S_1^*=0101_2=5_{10}.$

Приемник преобразует изменением пятого бита полученное сообщение в отправленное передатчиком, из которого затем отбрасыванием контрольных разрядов восстанавливает исходное сообщение.

Совершенный код Хэмминга также можно строить по рассмотренной схеме, т.к. для него 2^n/(n+1)=2^m .

Для исправление одинарной ошибки к 8-разрядному коду достаточно приписать 4 разряда ( $2^{12}/13>2^8$ ), к 16-разрядному - 5, к 32-разрядному - 6, к 64-разрядному - 7.

Упражнение 41 Может ли (6,14) -код, минимальное расстояние между кодовыми словами которого 5, быть совершенным?

Упражнение 42 Построить кодовые слова квазисовершенного (9,n) -кода, исправляющего однократные ошибки, для тех сообщений, которые соответствуют числам 55, 200 и декодировать слова 1000001000001, 1100010111100, полученные по каналу связи, использующему этот код.

Дальше >>

Авторизоваться

Основы теории информации и криптографии

Групповые коды

Совершенные и квазисовершенные коды

Вопросы и ответы