形式陈述
在给定离散无记忆信道公理库离散无记忆信道Discrete memoryless channel · DMC每次输出只依赖当前输入且各次使用条件独立的有限字母信道。的输入、输出字母表 上,一个长度 、消息数 (均为整数)的信道码含编码器 与译码器 。本页取 ,单位为 bit/次信道使用。令 ,则均匀消息的平均错误为 ,最大错误为 。前者允许少数消息特别难译,后者逐消息保证可靠性。可靠通信要求存在码序列使 时错误趋零,且约定功率、成本或字母限制。
若要求每个支持点都严格无错,就不能删去任何正概率坏输出。混淆图公理库零错误信道与混淆图Confusability graph把有限信道的正概率支持转为混淆图,证明一次严格零错误码恰是独立集,并用五边形与微小正噪声说明支持约束。把共享可能输出的输入连边,一次零错误码恰是图的独立集;长块码还需在相应图幂中检查,而不是仅让上述错误概率逐渐变小。
只规定码字集合的组合块码
经典距离界还使用组合块码这一接口:取整数 、大小为整数 的有限字母表 ,以及非空码字集合 。它只规定哪些等长词合法,尚未指定随机信道或译码器。其 元码率为 ,换成每个符号所承载的 bit 数则为 ;最小距离按Hamming 距离公理库Hamming 距离Hamming distance等长字中不同坐标的数量;由逐位比较、三角不等式和 Hamming 球解释检错与唯一纠错半径。在不同码字对中取最小值,通常须有 才这样定义。
给 固定一个编号,就得到双射 ,再接包含映射 ,便是一个单射编码器。例如 可把两条消息分别映到这两个词。但收到 后输出哪条消息,码本本身并未决定;最坏替换错误可配最近邻或列表译码,概率错误则须另给信道及相应判决规则。选定输入字母表为 的信道、输出字母表与译码器后,才得到前面的编码—译码对。反过来,编码器的像总是码本,但若编码器有碰撞,像的大小会小于消息数。
线性码公理库线性码Linear code有限域向量空间中的线性子空间作为码字集合的信道码。、Reed–Solomon 码公理库Reed–Solomon 码Reed–Solomon code以低次数多项式在互异域元素处的取值向量形成的最大距离可分码。及经典距离界在谈集合包含、子空间和码字数时使用这个组合接口。它们的距离保证不需要先选一个离散无记忆信道,也不自动给出高效译码器或某个信道上的错误概率。
直觉
信道码把消息映射为加入结构和冗余的更长码字,通过在码字集合中留出几何距离,使不同消息经过噪声后仍能在输出空间中分开。编码率衡量有效信息占用,最小距离决定可检测或纠正的错误数;冗余越多通常越稳健,却降低速率。解码根据接收词选择最可能或最近的码字,而信道模型决定“最近”的度量是否合适。
信道码的编码传输译码链
例子与边界
三重重复码把 bit 分别编码为 000,111,码率 、最小 Hamming 距离 ,可纠正任意一位翻转。若收到 101,它与 111 的距离为 、与 000 的距离为 ,所以最近邻解码为 。随机码证明存在性不等于给出高效编码与译码;平均错误小也不自动保证每个消息的错误都小,通常可通过 expurgation 转换,但会损失少量码字。
在翻转概率 的独立二元对称信道上,多数译码失败当且仅当至少两位翻转,故
与不编码的错误率 比,可靠性提高,但传一 bit 需三次信道使用。若三位总是一起翻转,错误率仍为 ,所以距离保证与随机错误率不是同一指标。
平均错误转最大错误也可具体计算:若 ,错误率超过 的消息不可能占一半以上。保留其余至少 个消息,最大错误不超过 ,码率损失至多 bit/次使用。
删消息还要修改译码器:保留原译码器对保留消息的所有判决区;若原来输出已删消息,就改为任一固定的保留消息,再重新编号。这样输出仍属于新的消息集合,保留消息原本判对的事件不会丢失,条件错误不会增加。随机抽码允许重复码字;但若删码后最大错误小于 ,两条保留消息不可能共用码字,因为相同输出分布下两者的成功概率之和至多为 。
这个删码论证针对单用户。两个发送者分别编码公理库二用户多址信道容量区域Multiple-access channel capacity region · Two-user DM-MAC capacity · 多址信道容量两个无反馈的独立发送者共享一个接收端时,可靠速率由两条条件互信息界和一条总率界共同限制;时间共享、三类候选错误和整数加法信道给出完整可复算的容量区域。时,合法消息集合须保留笛卡尔积结构;从消息对中删去少数坏点,不保证剩下足够大的消息矩形。因此多用户的平均错误与最大错误必须分别指定。
最小距离 只能保证唯一纠正至多 个任意错误;列表译码公理库列表译码List decoding允许每个接收词对应一个受控候选列表,从而在组合意义上越过唯一译码半径。允许输出至多 个候选,可以越过这个半径,但小列表与高效找到完整列表是两项不同要求。码率高并不单独代表好码,还需在给定信道和块长下考察错误概率、列表大小与译码复杂度。
推论与应用
信道码支撑数字通信、存储和网络传输,并把容量定义转化为可达码率问题。Hamming 距离公理库Hamming 距离Hamming distance等长字中不同坐标的数量;由逐位比较、三角不等式和 Hamming 球解释检错与唯一纠错半径。提供码字几何,线性码公理库线性码Linear code有限域向量空间中的线性子空间作为码字集合的信道码。用子空间结构简化编码译码;Singleton 界公理库Singleton 界Singleton bound通过删去最小距离减一个坐标,给出码字数、块长与距离之间的普适上界。给出码大小的普适上界,Gilbert–Varshamov 界公理库Gilbert–Varshamov 界Gilbert–Varshamov bound · GV bound由极大码的覆盖性质证明具有给定最小距离的大码存在,并导出渐近可达率下界。则给出存在性下界,二者方向不能互换。信道编码定理公理库有噪信道编码定理Noisy-channel coding theorem · Channel coding theorem低于离散无记忆信道容量的速率可实现任意小错误概率,而高于容量的速率不能可靠传输。说明存在速率接近容量的码族,Reed–Solomon、LDPC、polar code 则实现不同错误模型和复杂度权衡。
“通信”在这里指码字经过带噪信道,码率按块长计算;通信复杂度公理库两方通信模型Two-party communication model · Two-party communication complexity model两位参与者各自持有私有输入,只以交换消息协同计算函数或关系,并把通信位数作为核心资源。则假设参与者各持私有输入、本地计算免费,并计算为求函数而交换的 bit。两者都研究可靠传递,却不能把信道容量直接当作函数通信复杂度。若接收者只读受损码字的少数坐标,问题又分成测试与恢复两个目标。局部译码/纠错公理库局部译码与局部纠错Locally decodable code · Locally correctable code · Local decoding在接收词接近某个码字时,以少量坐标查询恢复指定消息符号或指定码字符号。恢复指定消息位或码字符号,局部可测试码公理库局部可测试码Locally testable code · LTC通过少量码字符号查询区分合法码字与到整个码至少相距 ε 的接收词,并量化局部拒绝概率。只判断接收词是否属于码或远离码;后者的少量查询不会给出完整译码器。
参考资料
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MIT 6.02, Coping with Bit Errors Using Error Correction Codes, 2011, §§6.2–6.3(重复码误码概率和距离保证)。