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Reed-Muller碼 -- 構(gòu)造

2023-02-07 23:59 作者:樂吧的數(shù)學(xué)  | 我要投稿

這篇文章我們講一下線性分組碼中的一種,稱為 Reed-Muller 碼,主要先講一下其編碼過程,背后的數(shù)學(xué)理論,將另辟文章來講解。本文需要的背景知識只有 "線性分組碼的基本定義和概念"。
(錄制的視頻:https://www.bilibili.com/video/BV1xx4y1L7Dc/ )

Reed-Muller 碼是一種線性分組碼,我們知道,線性分組碼有兩個基本的參數(shù),即 (n,k),表示 輸入 k 個符號,產(chǎn)生 n? 個符號,則增加的冗余校驗符號有 n-k 個,當(dāng)然,如果是符號是二進制的情況,則是 輸入 k 個比特,產(chǎn)生 n 個比特。

Reed-Muller 碼用 (r,m) 來表示上面兩個基本參數(shù),對應(yīng)編碼后輸出符號長度為:
n%20%3D%202%5Em

例如 (2,3) 的 Reed-Muller 碼,其輸出的符號長度為?2%5E3%3D8 , 即輸出符號長度為 8.

可以猜測到,輸入符號的長度與 (r,m) 中的 r 有關(guān):

k%20%3D%20%5Csum_%7Bi%3D0%7D%5Er%20C_m%5Ei%20%3D%20C_m%5E0%20%2B%20C_m%5E1%2B%5Ccdots%20%2BC_m%5Er%20%3D%201%20%2B%20m%20%2B%20C_m%5E2%2B%5Ccdots%20%2BC_m%5Er


其中
C_m%5Ei%20%3D%20%5Cfrac%7Bm!%7D%7B(m-i)!i!%7D


例如:(2,3) 的 Reed-Muller 碼:

k%20%3D%20%5Csum_%7Bi%3D0%7D%5E2%20C_3%5Ei%20%3D%20C_3%5E0%20%2B%20C_3%5E1%2BC_3%5E2%20%3D%201%2B3%2B3%3D7


所以 (2,3) 的 Reed-Muller,就是 (8,7) 的線性分組碼.


Reed-Muller 碼的編碼,有很多種描述的方法,本文先講一個基本的遞推(Recursive) 方法。

我們用 R(r,m) 來表示參數(shù)為 r 和 m 的 Reed-Muller 碼. 則遞推(Recursive)公式為:

R(r%2Cm)%20%3D%20%5Cbegin%7Bcases%7D%0A%20Z_2%5E%7B2%5Er%7D%20%26%20%5Ctext%7B%20if%20%7D%20m%3Dr%20%5C%5C%0A%20%5C%7B%20(u%5C%20%20%5C%26%5C%20%20u%2Bv)%2C%20u%5Cin%20R(r%2Cm-1)%2C%20v%5Cin%20R(r-1%2Cm-1)%5C%7D%20%26%20%5Ctext%7B%20if%20%7D%20m%3Er%0A%5Cend%7Bcases%7D


( &? 表示 把前后兩個連在一起,例如 01 & 10 = 0110 )

其中 Z_2%5E%7B2%5Er%7D,表示長度為?2%5Er 的序列,是一個所有可能取值的全排列,例如:r=2
%0AZ_2%5E%7B2%5E2%7D%3DZ_2%5E4%5C%7B%20%20%5C%5C%0A0000%5C%5C%0A0001%5C%5C%0A0010%5C%5C%0A0011%5C%5C%0A0100%5C%5C%0A0101%5C%5C%0A0110%5C%5C%0A0111%5C%5C%0A1000%5C%5C%0A1001%5C%5C%0A1010%5C%5C%0A1011%5C%5C%0A1100%5C%5C%0A1101%5C%5C%0A1110%5C%5C%0A1111%5C%5C%0A%5C%7D

上面的遞推,要么遞推到 R(r,m), r=m ,或者遞推到 R(0,m).

R(0%2Cm)%20%3D%20%5C%7B%5Cunderset%7B2%5Em%7D%7B%5Cunderbrace%7B0%5Ccdots0%7D%7D%2C%20%5Cunderset%7B2%5Em%7D%7B%5Cunderbrace%7B1%5Ccdots1%7D%7D%5C%7D

我們舉個例子,R(2,3),遞推圖如下:


根據(jù)上圖,則需要先列出來所有的葉子節(jié)點:
R(0%2C1)%20%3D%5C%7B00%2C11%5C%7D%20%20%5Ctag%201

以及

R(1%2C1)%20%3D%20%5C%7B00%2C01%2C10%2C11%5C%7D%20%5Ctag%202


R(2%2C2)%20%3D%20%5C%7B%5C%5C%0A0000%2C0001%2C0010%2C0011%2C%5C%5C%0A0100%2C0101%2C0110%2C0111%2C%5C%5C%0A1000%2C1001%2C1010%2C1011%2C%5C%5C%0A1100%2C1101%2C1110%2C1111%5C%5C%0A%5C%7D%20%5Ctag%203

根據(jù)圖的遞推關(guān)系,則:

R(1%2C2)%20%3D%20%5C%7Bu%5C%20%5C%26%20%5C%20u%2Bv%2Cu%20%5Cin%20%E5%85%AC%E5%BC%8F(2)%2C%20v%5Cin%20%E5%85%AC%E5%BC%8F(1)%5C%7D%20%3D%5C%7B%20%5C%5C%0A0000%5C%5C%0A0011%5C%5C%0A0101%5C%5C%0A0110%5C%5C%0A1010%5C%5C%0A1001%5C%5C%0A1111%5C%5C%0A1100%0A%5C%5C%0A%5C%7D%20%5Ctag%204


再根據(jù)圖示的遞推,則:
R(2%2C3)%20%3D%20%5C%7Bu%5C%20%5C%26%20%5C%20u%2Bv%2Cu%20%5Cin%20%E5%85%AC%E5%BC%8F(3)%2C%20v%5Cin%20%E5%85%AC%E5%BC%8F(4)%5C%7D%20%20%5Ctag%205

公式(5) 的所有排列如下圖所示:


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