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模型Model

秩度量码

Rank-metric code · 秩距离码

以错误矩阵的秩或扩域符号张成的底域维数衡量噪声,证明矩形Singleton界、秩一球计数及唯一纠错半径。

四个位置都错了,是否一定比只错两个位置更难恢复?如果四处都叠加同一个未知方向,而另两处的错误方向彼此独立,答案可能相反。秩度量把“多少个位置出错”换成“错误一共用了多少个独立方向”。选择哪种距离,必须由噪声模型说明;同一批码字可以放进不同的距离几何中。

形式陈述 ​

矩阵表示与扩域表示 ​

取有限域 K=Fq 及扩域 L=Fqm,其中 m,n≥1。选定 L 的一组有序 K-基 B。对 x=(x1,…,xn)∈Ln,令 MB(x)∈Km×n 的第 i 列为 xi 的基坐标,定义

(1)wtR(x)=dimK⁡⟨x1,…,xn⟩K=rankKMB(x),dR(x,y)=wtR(x−y).

这里的秩是底域上的像空间维数。若换基,整个矩阵只是在左侧乘一个可逆底域矩阵,秩不变;所以(1)不依赖所选基。也可以直接以矩阵为码字,定义 dR(A,B)=rankK(A−B)。

秩度量码是一份码字集合 C⊆Ln,连同上述秩距离;等价地,是 Km×n 中的矩阵码本。码本是组合块码的一种具体选择,尚不指定随机信道或译码算法。以下讨论最小距离时要求 |C|≥2,记

d=minc≠c′, c,c′∈CdR(c,c′).

C 可以是任意集合,也可以是底域线性子空间。若它还是 L-线性的,设其扩域维数为 k,则 |C|=qmk;扩域维数和底域维数 mk 不能混记。

矩形Singleton界 ​

任意这样的矩阵码均满足

(2)|C|≤qmax(m,n)(min(m,n)−d+1).

达到此界的码称为最大秩距离码,简称MRD码。特别地,当 n≤m 且 C 是 k≥1 维 L-线性码时,(2)给

(3)d≤n−k+1.

(2)允许非线性码;这时 logq⁡|C| 只是信息量,不必是一个向量空间的维数。本页不对单元素码另设无限距离约定。

直觉

独立噪声源和被污染位置不是同一件事 ​

若错误矩阵可写成 E=UV,其中 U∈Km×s、V∈Ks×n,则每个错误列都是 U 的列的线性组合,故 rankE≤s。一个方向可以通过许多非零组合系数传播到所有位置,并不因传播得广就增加独立方向数。

反过来,秩为 r 的矩阵可选 r 个独立列作为 U,再把所有列的坐标放入 V,得到这种分解。因此秩恰好是表达全部错误所需的最少方向数,而不只是某种方便的上界。

例如在 L=F16=F2[a]/(a4+a+1),取基 (1,a,a2,a3),错误

e=(a3,a3,a3,a3)

的四列全为 (0,0,0,1)t。它有四个非零坐标,却只有一个独立列。相比之下,(1,a,0,0) 只改动两个位置,秩却是二。

位置计数与错误方向计数

为什么它确实是一种距离 ​

零秩矩阵只能是零矩阵,负号不改变秩,所以分离性和对称性成立。三角不等式来自

im(A+B)⊆imA+imB,rank(A+B)≤rankA+rankB.

令 A=MB(x−y)、B=MB(y−z) 即得 dR(x,z)≤dR(x,y)+dR(y,z)。距离的这个性质会直接用于证明译码球不相交。

删除行和删除列要各做一次 ​

沿用Singleton界的“删去部分数据但保持单射”思路。对所有码字删除同样的 d−1 列。若两份剩余矩阵相同,它们之差只有这 d−1 列可能非零,秩至多 d−1,与最小距离矛盾。因此删列映射在码本上单射,得到

|C|≤qm(n−d+1).

再删除同样的 d−1 行,得到 |C|≤qn(m−d+1)。两式取较小上界:若 m≥n,第一式较紧;若 n≥m,第二式较紧,恰好合成(2)。证明只比较不同码字,从未用线性性。

例子与边界

改变底域会改变重量 ​

对任意 x,其底域张成维数不超过非零生成元个数,因此

(4)wtR(x)≤wtH(x),

右侧是Hamming重量。通常不相等,而且秩重量还依赖底域。以 L=F16 中的 b=a2+a 为例,b∈F4∖F2。向量 (1,b) 在二元底域上秩二,在四元底域上秩一。只给扩域和向量,省略底域,无法确定这个重量。

同一个扩域非零标量同时乘所有坐标,是一个可逆底域线性变换,保持秩。右乘任意 V∈GLn(K) 也保持秩,因为它可逆地重新混合各列。

然而,不同坐标分别乘不同扩域标量未必保持秩。在 a∉K 时,(1,1) 的秩为一,分别乘以 1,a 后得到 (1,a),秩变为二。不能直接搬用Hamming码中任意非零逐坐标缩放保持距离的结论。

两种上界的取法能算出不同答案 ​

设矩阵尺寸为 m=2,n=4,希望最小秩距离为二。只删一列给 |C|≤q6,还没得到最紧结论;删一行给 |C|≤q4,故矩形界为 q4。尺寸和底域都是界的一部分。

若 n≤m、扩域线性维数为 k,代入 |C|=qmk 后得到(3)。若 n>m,不能仍把 n−k+1 当作矩形界的完整内容,应回到(2)重新代入。

秩一球有多少个词 ​

非零秩一矩阵均可写成 uvt,其中 u∈Km∖{0}、v∈Kn∖{0}。两对向量给同一矩阵,当且仅当它们相差

(u,v)⟼(λu,λ−1v),λ∈K×.

证明可以先比较非零列得到两份 u 成比例,再逐列确定 v 的逆比例。因此非零秩一矩阵数为 (qm−1)(qn−1)/(q−1)。加上零错误,半径一球大小为

(5)|BR(0,1)|=1+(qm−1)(qn−1)q−1.

二元 4×4 矩阵中,这个数是 226。这里是在计算整个球,不能只枚举“恰好一个非零坐标”的错误。

推论与应用

距离保证与译码证书 ​

设 t≥0 为整数且 2t<d。若接收词 y 同时距两个不同码字至多 t,三角不等式就给 dR(c,c′)≤2t<d,矛盾。因此每个接收词至多属于一个半径 t 的码字球。

这说明:若实际错误秩至多 t,找到球内码字就恢复了发送者。但若实际错误超出预算,一个接收词仍可能落入另一合法码字球。成功输出认证球内唯一候选;它不独自证明传输过程遵守了错误预算。若算法能完整判定球内是否有码字,失败则应准确表述为“没有半径内码字”,而不是“已经定位了真实错误”。

在 4×4 二元矩阵中,下一页构造的256码字、距离三的Gabidulin码有互不相交的226元半径一球,共覆盖 256⋅226=57856 份输入。全部输入有 216=65536 份,因此还剩7680份不属于任何这样的球。

能解释哪些网络错误 ​

线性网络编码中的包被底域线性组合传播;若加性污染最终可表示为 UV,秩界就量化独立污染方向。但本页没有自动处理未知传输矩阵、丢包或行列擦除。把接收数据化成已知求值点下的加性向量信道,还需要单独说明相应网络接口。

终点任务要求同时交出错误矩阵、两种重量、矩形删除界和完整秩一球计数,先把噪声的含义说清,再进入结构化编码与恢复。

参考资料
  • Alberto Ravagnani,Rank-metric codes and their duality theory,2015年v3,§§1–2的矩阵码、扩域坐标展开、Theorem 8和Definition 9的矩形界与MRD术语。该文把一般扩域线性码也称为Gabidulin codes;本路线仅将这个名称用于下一页的特定Moore求值构造。正文用两种删矩阵方式给出适用于任意码本的自足证明。
  • Sven Puchinger、Antonia Wachter-Zeh,Sub-Quadratic Decoding of Gabidulin Codes,2016年v2,§II的矩阵/扩域表示与§III的错误、行擦除和列擦除区别。本文只处理明确底域下的加性秩错误,不引用该文的快速复杂度结果。
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