Simplified decoding techniques for linear block codes

Error correcting codes are combinatorial objects, designed to enable reliable transmission of digital data over noisy channels. They are ubiquitously used in communication, data storage etc. Error correction allows reconstruction of the original data from received word. The classical decoding algorithms are constrained to output just one codeword. However, in the late 50’s researchers proposed a relaxed error correction model for potentially large error rates known as list decoding. The research presented in this thesis focuses on reducing the computational effort and enhancing the efficiency of decoding algorithms for several codes from algorithmic as well as architectural standpoint. The codes in consideration are linear block codes closely related to Reed Solomon (RS) codes. A high speed low complexity algorithm and architecture are presented for encoding and decoding RS codes based on evaluation. The implementation results show that the hardware resources and the total execution time are significantly reduced as compared to the classical decoder. The evaluation based encoding and decoding schemes are modified and extended for shortened RS codes and software implementation shows substantial reduction in memory footprint at the expense of latency. Hermitian codes can be seen as concatenated RS codes and are much longer than RS codes over the same aphabet. A fast, novel and efficient VLSI architecture for Hermitian codes is proposed based on interpolation decoding. The proposed architecture is proven to have better than Kötter’s decoder for high rate codes. The thesis work also explores a method of constructing optimal codes by computing the subfield subcodes of Generalized Toric (GT) codes that is a natural extension of RS codes over several dimensions. The polynomial generators or evaluation polynomials for subfield-subcodes of GT codes are identified based on which dimension and bound for the minimum distance are computed. The algebraic structure for the polynomials evaluating to subfield is used to simplify the list decoding algorithm for BCH codes. Finally, an efficient and novel approach is proposed for exploiting powerful codes having complex decoding but simple encoding scheme (comparable to RS codes) for multihop wireless sensor network (WSN) applications.

The decoupling approach to quantum information theory

La théorie de l'information quantique étudie les limites fondamentales qu'imposent les lois de la physique sur les tâches de traitement de données comme la compression et la transmission de données sur un canal bruité. Cette thèse présente des techniques générales permettant de résoudre plusieurs problèmes fondamentaux de la théorie de l'information quantique dans un seul et même cadre. Le théorème central de cette thèse énonce l'existence d'un protocole permettant de transmettre des données quantiques que le receveur connaît déjà partiellement à l'aide d'une seule utilisation d'un canal quantique bruité. Ce théorème a de plus comme corollaires immédiats plusieurs théorèmes centraux de la théorie de l'information quantique. Les chapitres suivants utilisent ce théorème pour prouver l'existence de nouveaux protocoles pour deux autres types de canaux quantiques, soit les canaux de diffusion quantiques et les canaux quantiques avec information supplémentaire fournie au transmetteur. Ces protocoles traitent aussi de la transmission de données quantiques partiellement connues du receveur à l'aide d'une seule utilisation du canal, et ont comme corollaires des versions asymptotiques avec et sans intrication auxiliaire. Les versions asymptotiques avec intrication auxiliaire peuvent, dans les deux cas, être considérées comme des versions quantiques des meilleurs théorèmes de codage connus pour les versions classiques de ces problèmes. Le dernier chapitre traite d'un phénomène purement quantique appelé verrouillage: il est possible d'encoder un message classique dans un état quantique de sorte qu'en lui enlevant un sous-système de taille logarithmique par rapport à sa taille totale, on puisse s'assurer qu'aucune mesure ne puisse avoir de corrélation significative avec le message. Le message se trouve donc «verrouillé» par une clé de taille logarithmique. Cette thèse présente le premier protocole de verrouillage dont le critère de succès est que la distance trace entre la distribution jointe du message et du résultat de la mesure et le produit de leur marginales soit suffisamment petite.

Practical and Foundational Aspects of Secure Computation

Il y a des problemes qui semblent impossible a resoudre sans l'utilisation d'un tiers parti honnete. Comment est-ce que deux millionnaires peuvent savoir qui est le plus riche sans dire a l'autre la valeur de ses biens ? Que peut-on faire pour prevenir les collisions de satellites quand les trajectoires sont secretes ? Comment est-ce que les chercheurs peuvent apprendre les liens entre des medicaments et des maladies sans compromettre les droits prives du patient ? Comment est-ce qu'une organisation peut ecmpecher le gouvernement d'abuser de l'information dont il dispose en sachant que l'organisation doit n'avoir aucun acces a cette information ? Le Calcul multiparti, une branche de la cryptographie, etudie comment creer des protocoles pour realiser de telles taches sans l'utilisation d'un tiers parti honnete. Les protocoles doivent etre prives, corrects, efficaces et robustes. Un protocole est prive si un adversaire n'apprend rien de plus que ce que lui donnerait un tiers parti honnete. Un protocole est correct si un joueur honnete recoit ce que lui donnerait un tiers parti honnete. Un protocole devrait bien sur etre efficace. Etre robuste correspond au fait qu'un protocole marche meme si un petit ensemble des joueurs triche. On demontre que sous l'hypothese d'un canal de diusion simultane on peut echanger la robustesse pour la validite et le fait d'etre prive contre certains ensembles d'adversaires. Le calcul multiparti a quatre outils de base : le transfert inconscient, la mise en gage, le partage de secret et le brouillage de circuit. Les protocoles du calcul multiparti peuvent etre construits avec uniquements ces outils. On peut aussi construire les protocoles a partir d'hypoth eses calculatoires. Les protocoles construits a partir de ces outils sont souples et peuvent resister aux changements technologiques et a des ameliorations algorithmiques. Nous nous demandons si l'efficacite necessite des hypotheses de calcul. Nous demontrons que ce n'est pas le cas en construisant des protocoles efficaces a partir de ces outils de base. Cette these est constitue de quatre articles rediges en collaboration avec d'autres chercheurs. Ceci constitue la partie mature de ma recherche et sont mes contributions principales au cours de cette periode de temps. Dans le premier ouvrage presente dans cette these, nous etudions la capacite de mise en gage des canaux bruites. Nous demontrons tout d'abord une limite inferieure stricte qui implique que contrairement au transfert inconscient, il n'existe aucun protocole de taux constant pour les mises en gage de bit. Nous demontrons ensuite que, en limitant la facon dont les engagements peuvent etre ouverts, nous pouvons faire mieux et meme un taux constant dans certains cas. Ceci est fait en exploitant la notion de cover-free families . Dans le second article, nous demontrons que pour certains problemes, il existe un echange entre robustesse, la validite et le prive. Il s'effectue en utilisant le partage de secret veriable, une preuve a divulgation nulle, le concept de fantomes et une technique que nous appelons les balles et les bacs. Dans notre troisieme contribution, nous demontrons qu'un grand nombre de protocoles dans la litterature basee sur des hypotheses de calcul peuvent etre instancies a partir d'une primitive appelee Transfert Inconscient Veriable, via le concept de Transfert Inconscient Generalise. Le protocole utilise le partage de secret comme outils de base. Dans la derniere publication, nous counstruisons un protocole efficace avec un nombre constant de rondes pour le calcul a deux parties. L'efficacite du protocole derive du fait qu'on remplace le coeur d'un protocole standard par une primitive qui fonctionne plus ou moins bien mais qui est tres peu couteux. On protege le protocole contre les defauts en utilisant le concept de privacy amplication .

Interactive quantum information theory

La théorie de l'information quantique s'est développée à une vitesse fulgurante au cours des vingt dernières années, avec des analogues et extensions des théorèmes de codage de source et de codage sur canal bruité pour la communication unidirectionnelle. Pour la communication interactive, un analogue quantique de la complexité de la communication a été développé, pour lequel les protocoles quantiques peuvent performer exponentiellement mieux que les meilleurs protocoles classiques pour certaines tâches classiques. Cependant, l'information quantique est beaucoup plus sensible au bruit que l'information classique. Il est donc impératif d'utiliser les ressources quantiques à leur plein potentiel. Dans cette thèse, nous étudions les protocoles quantiques interactifs du point de vue de la théorie de l'information et étudions les analogues du codage de source et du codage sur canal bruité. Le cadre considéré est celui de la complexité de la communication: Alice et Bob veulent faire un calcul quantique biparti tout en minimisant la quantité de communication échangée, sans égard au coût des calculs locaux. Nos résultats sont séparés en trois chapitres distincts, qui sont organisés de sorte à ce que chacun puisse être lu indépendamment. Étant donné le rôle central qu'elle occupe dans le contexte de la compression interactive, un chapitre est dédié à l'étude de la tâche de la redistribution d'état quantique. Nous prouvons des bornes inférieures sur les coûts de communication nécessaires dans un contexte interactif. Nous prouvons également des bornes atteignables avec un seul message, dans un contexte d'usage unique. Dans un chapitre subséquent, nous définissons une nouvelle notion de complexité de l'information quantique. Celle-ci caractérise la quantité d'information, plutôt que de communication, qu'Alice et Bob doivent échanger pour calculer une tâche bipartie. Nous prouvons beaucoup de propriétés structurelles pour cette quantité, et nous lui donnons une interprétation opérationnelle en tant que complexité de la communication quantique amortie. Dans le cas particulier d'entrées classiques, nous donnons une autre caractérisation permettant de quantifier le coût encouru par un protocole quantique qui oublie de l'information classique. Deux applications sont présentées: le premier résultat général de somme directe pour la complexité de la communication quantique à plus d'une ronde, ainsi qu'une borne optimale, à un terme polylogarithmique près, pour la complexité de la communication quantique avec un nombre de rondes limité pour la fonction « ensembles disjoints ». Dans un chapitre final, nous initions l'étude de la capacité interactive quantique pour les canaux bruités. Étant donné que les techniques pour distribuer de l'intrication sont bien étudiées, nous nous concentrons sur un modèle avec intrication préalable parfaite et communication classique bruitée. Nous démontrons que dans le cadre plus ardu des erreurs adversarielles, nous pouvons tolérer un taux d'erreur maximal de une demie moins epsilon, avec epsilon plus grand que zéro arbitrairement petit, et ce avec un taux de communication positif. Il s'ensuit que les canaux avec bruit aléatoire ayant une capacité positive pour la transmission unidirectionnelle ont une capacité positive pour la communication interactive quantique. Nous concluons avec une discussion de nos résultats et des directions futures pour ce programme de recherche sur une théorie de l'information quantique interactive.

Performance of the CMS cathode strip chambers with cosmic rays

The Cathode Strip Chambers (CSCs) constitute the primary muon tracking device in the CMS endcaps. Their performance has been evaluated using data taken during a cosmic ray run in fall 2008. Measured noise levels are low, with the number of noisy channels well below 1%. Coordinate resolution was measured for all types of chambers, and fall in the range 47μm to 243μm. The efficiencies for local charged track triggers, for hit and for segments reconstruction were measured, and are above 99%. The timing resolution per layer is approximately 5 ns. © 2010 IOP Publishing Ltd and SISSA.

Proposal of a Continuous Read-out Implementation in the ALICE-TOF detector

The main purpose of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the investigation of the QGP. The ALICE experiment situated at the CERN has been specifically designed to study heavy-ion collisions for centre-of-mass energies up to 5.5 per nucleon pair. Extended particle identification capability is one of the main characteristics of the ALICE experiment. In the intermediate momentum region (up to 2.5 GeV/c for pi/K and 4 GeV/c for K/p), charged particles are identified in the ALICE experiment by the Time of Flight (TOF) detector. The ALICE-TOF system is a large-area detector based on the use of Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) built with high efficiency, fast response and intrinsic time resolution better than 40 ps. This thesis work, developed with the ALICE-TOF Bologna group, is part of the efforts carried out to adapt the read-out of the detector to the new requirements after the LHC Long Shutdown 2. Tests on the feasibility of a new read-out scheme for the TOF detector have been performed. In fact, the achievement of a continuous read-out also for the TOF detector would not be affordable if one considers the replacement of the TRM cards both for hardware and budget reasons. Actually, the read-out of the TOF is limited at 250 kHz i.e. it would be able to collect up to just a fourth of the maximum collision rate potentially achievable for pp interactions. In this Master’s degree thesis work, I discuss a different read-out system for the ALICE-TOF detector that allows to register all the hits at the interaction rate of 1 MHz foreseen for pp interactions after the 2020, by using the electronics currently available. Such solution would allow the ALICE-TOF detector to collect all the hits generated by pp collisions at 1 MHz interaction rate, which corresponds to an amount four times larger than that initially expected at such frequencies with the triggered read-out system operated at 250 kHz for LHC Run 3. The obtained results confirm that the proposed read-out scheme is a viable option for the ALICE TOF detector. The results also highlighted that it will be advantageous if the ALICE-TOF group also implement an online monitoring system of noisy channels to allow their deactivation in real time.

Statistical mechanics of error-correcting codes

We investigate the performance of error-correcting codes, where the code word comprises products of K bits selected from the original message and decoding is carried out utilizing a connectivity tensor with C connections per index. Shannon's bound for the channel capacity is recovered for large K and zero temperature when the code rate K/C is finite. Close to optimal error-correcting capability is obtained for finite K and C. We examine the finite-temperature case to assess the use of simulated annealing for decoding and extend the analysis to accommodate other types of noisy channels.

Finite connectivity systems as error-correcting codes

We investigate the performance of parity check codes using the mapping onto spin glasses proposed by Sourlas. We study codes where each parity check comprises products of K bits selected from the original digital message with exactly C parity checks per message bit. We show, using the replica method, that these codes saturate Shannon's coding bound for K?8 when the code rate K/C is finite. We then examine the finite temperature case to asses the use of simulated annealing methods for decoding, study the performance of the finite K case and extend the analysis to accommodate different types of noisy channels. The analogy between statistical physics methods and decoding by belief propagation is also discussed.

Error correcting codes for visible light communication systems

Over the past few years, the number of wireless networks users has been increasing. Until now, Radio-Frequency (RF) used to be the dominant technology. However, the electromagnetic spectrum in these region is being saturated, demanding for alternative wireless technologies. Recently, with the growing market of LED lighting, the Visible Light Communications has been drawing attentions from the research community. First, it is an eficient device for illumination. Second, because of its easy modulation and high bandwidth. Finally, it can combine illumination and communication in the same device, in other words, it allows to implement highly eficient wireless communication systems. One of the most important aspects in a communication system is its reliability when working in noisy channels. In these scenarios, the received data can be afected by errors. In order to proper system working, it is usually employed a Channel Encoder in the system. Its function is to code the data to be transmitted in order to increase system performance. It commonly uses ECC, which appends redundant information to the original data. At the receiver side, the redundant information is used to recover the erroneous data. This dissertation presents the implementation steps of a Channel Encoder for VLC. It was consider several techniques such as Reed-Solomon and Convolutional codes, Block and Convolutional Interleaving, CRC and Puncturing. A detailed analysis of each technique characteristics was made in order to choose the most appropriate ones. Simulink models were created in order to simulate how diferent codes behave in diferent scenarios. Later, the models were implemented in a FPGA and simulations were performed. Hardware co-simulations were also implemented to faster simulation results. At the end, diferent techniques were combined to create a complete Channel Encoder capable of detect and correct random and burst errors, due to the usage of a RS(255,213) code with a Block Interleaver. Furthermore, after the decoding process, the proposed system can identify uncorrectable errors in the decoded data due to the CRC-32 algorithm.

Performance of Quantized Equal Gain Transmission With Noisy Feedback Channels

In this paper, new results and insights are derived for the performance of multiple-input, single-output systems with beamforming at the transmitter, when the channel state information is quantized and sent to the transmitter over a noisy feedback channel. It is assumed that there exists a per-antenna power constraint at the transmitter, hence, the equal gain transmission (EGT) beamforming vector is quantized and sent from the receiver to the transmitter. The loss in received signal-to-noise ratio (SNR) relative to perfect beamforming is analytically characterized, and it is shown that at high rates, the overall distortion can be expressed as the sum of the quantization-induced distortion and the channel error-induced distortion, and that the asymptotic performance depends on the error-rate behavior of the noisy feedback channel as the number of codepoints gets large. The optimum density of codepoints (also known as the point density) that minimizes the overall distortion subject to a boundedness constraint is shown to be the same as the point density for a noiseless feedback channel, i.e., the uniform density. The binary symmetric channel with random index assignment is a special case of the analysis, and it is shown that as the number of quantized bits gets large the distortion approaches the same as that obtained with random beamforming. The accuracy of the theoretical expressions obtained are verified through Monte Carlo simulations.

Linear filtering methods for fixed rate quantisation with noisy symmetric error channels

This study considers linear filtering methods for minimising the end-to-end average distortion of a fixed-rate source quantisation system. For the source encoder, both scalar and vector quantisation are considered. The codebook index output by the encoder is sent over a noisy discrete memoryless channel whose statistics could be unknown at the transmitter. At the receiver, the code vector corresponding to the received index is passed through a linear receive filter, whose output is an estimate of the source instantiation. Under this setup, an approximate expression for the average weighted mean-square error (WMSE) between the source instantiation and the reconstructed vector at the receiver is derived using high-resolution quantisation theory. Also, a closed-form expression for the linear receive filter that minimises the approximate average WMSE is derived. The generality of framework developed is further demonstrated by theoretically analysing the performance of other adaptation techniques that can be employed when the channel statistics are available at the transmitter also, such as joint transmit-receive linear filtering and codebook scaling. Monte Carlo simulation results validate the theoretical expressions, and illustrate the improvement in the average distortion that can be obtained using linear filtering techniques.

Robust modelling of noisy ARMA signals

In this paper methods are developed for enhancement and analysis of autoregressive moving average (ARMA) signals observed in additive noise which can be represented as mixtures of heavy-tailed non-Gaussian sources and a Gaussian background component. Such models find application in systems such as atmospheric communications channels or early sound recordings which are prone to intermittent impulse noise. Markov Chain Monte Carlo (MCMC) simulation techniques are applied to the joint problem of signal extraction, model parameter estimation and detection of impulses within a fully Bayesian framework. The algorithms require only simple linear iterations for all of the unknowns, including the MA parameters, which is in contrast with existing MCMC methods for analysis of noise-free ARMA models. The methods are illustrated using synthetic data and noise-degraded sound recordings.

Qubit channels that achieve capacity with two states

This paper considers a class of qubit channels for which three states are always sufficient to achieve the Holevo capacity. For these channels, it is known that there are cases where two orthogonal states are sufficient, two nonorthogonal states are required, or three states are necessary. Here a systematic theory is given which provides criteria to distinguish cases where two states are sufficient, and determine whether these two states should be orthogonal or nonorthogonal. In addition, we prove a theorem on the form of the optimal ensemble when three states are required, and present efficient methods of calculating the Holevo capacity.