Advanced Information Theory - 情報理論特論
電気通信大学 — University of Electro-Communications, Tokyo
2011 Fall Semester 後学期
Lectures — 講演内容
Lecture 1 - October 6
- Lecture: Overview, introduction to coding theory, message passing using soldiers, Pearl's belief propagation. Lecture slides.
- No homework
Lecture 2 - October 13
- Lecture: Introduction to coding theory (linear codes, generator and parity check matrices).
- Homework: Justensen Text: Problems 1.5.1 (all), 1.5.2 (1 and 3 only)
Lecture 3 - October 20
- Lecture: minimum distance, minimum distance decoding, cosets and syndrome decoding.
- Matlab Tutorials:
- Homework: Justensen Text: 1.5.10, 1.5.11, 1.5.13, 1.5.21. To prepare for next week, read Ch. 47 of David J.C.MacKay, Information Theory, Inference, and Learning Algorithms.
Lecture 4 - October 27
- Lecture: Introduction to low-density parity-check (LDPC) codes. LDPC decoding algorithm (part one). Lecture slides.
- No homework
Lecture 5 - November 10
- Lecture: Message-passing decoding framework, belief-propagation (sum-product) decoding, LPDC decoding algorithm
- Homework:
- Note: no class next week (Chofu-sai)
Lecture 6 - November 24
- Lecture: LDPC code ensembles, irregular LDPC codes
- No homework (finish your LDPC code simulations)
Lecture 7 - December 15
- Lecture: Erasure channel capacity, LDPC decoding on erasure channel. Density evolution analysis: LDPC code ensembles, noise thresholds, all-zeros codeword, erasure channel DE and EXIT chart.
- Homework 5: Homework 5.
Lecture 8 - December 22
- Lecture: Entropy. Mutual Information. Capacity. Channel Coding Theorem.
- Homework 6 (page 32 of the slides) (1) Calculation of entropy (2) Properties of binary entropy
- Updated slides
Textbook 教科書
Recommended (but not required) textbooks:
- Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory 2nd Edition, Wiley-Interscience, Aug. 1991. book
- David J. C. MacKay, Information Theory, Inference & Learning Algorithms, Cambridge University Press, June 2002. Free PDF
Pre-requirement
- A previous course on information theory or coding theory is required.
- Previous courses in discrete mathematics or linear algebra are desirable.
- 前もって履修しておくべき科目 情報理論、符号理論
- 前もって履修しておくことが望ましい科目 離散数学、線型代数学
Objectives - 主題
Information theory is a field concerned with mathematical aspects of information and communication. Modern communication systems are based on these ideas, which are normally divided into the areas of "channel coding" and "source coding".
The focus of this class is channel coding. In particular, the goal of this class is understanding of Shannon's well-known channel coding theorem, as well as the understanding of how it applies to practical communication systems. Mutual information and channel capacity, used to evaluate channel reliability are explained. The channel coding theorem will be explained. Recent developments in error-correcting codes and decoding algorithms will be reviewed and explained. Codes based upon lattices, and their decoding algorithms will be discussed.
情報理論は情報・通信の様々な性質を数学的に論じる学問分野である.特に,C.E. Shannonによって示された2つの符号化定理(情報源符号化定理と通信路符号化定理)は現在のデジタル通信システムの礎となっている.本授業では,情報理論の2大テーマのうち「通信路符号化」に焦点を当てて講義する.ここでは,Shannonが示した符号化定理を理解し,符号化定理を実現するための様々な技術を理解することを目標とする.
デジタル通信の信頼性の評価に必要な相互情報量や通信路容量について解説した後,通信路符号化定理について述べる.その後,具体的な誤り訂正符号や復号アルゴリズムを最新の技術も取り入れながら概説する.さらに,通信路符号化の発展として,通信路等化アルゴリズムやLattice符号を用いた通信システムなどに言及する.
Outline - 授業内容
- Lecture 1: Overview, models of digital communications systems
- Lecture 2: Coding theory fundamentals
- Lecture 3: Low-density party-check (LDPC) code construction
- Lecture 4: LDPC codes for the erasure channel
- Lecture 5: Belief-propagation decoding of LDPC codes
- Lecture 6: Encoding of LDPC codes
- Lecture 7: Probabilistic inference: Lattice codes
- Lecture 8: Probabilistic inference: Gaussian mixtures for lattices
- Lecture 9: Lattices for the AWGN channel
- Lecture 10: Capacity of the memoryless channel
- Lecture 11: Channel coding theorem: proof
- Lecture 12: Channel coding theorem: proof converse
- Lecture 13: Notable linear codes: Hamming codes and Reed-Solomon codes
- Lecture 14: Capacity-achieving codes: iterative codes
- Lecture 15: Capacity-achieving codes: concatenated codes
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- 第1回: ガイダンス、デジタル情報通信と通信路符号化のモデル
- 第2回: 符号理論の基礎
- 第3回: 確率的復号可能な符号:LDPC符号の構成
- 第4回:2元消失通信路に対する LDPC符号
- 第5回: LDPC符号:確率伝搬復号
- 第6回: LDPC符号:符号化
- 第7回: 統計的推論アルゴリズム:Lattice等
- 第8回: 統計的推論アルゴリズム:ガウス混合分布
- 第9回: AWGN通信路に対するLattice
- 第10回: 無記憶通信路の通信路容量
- 第11回: 通信路符号化定理:順定理
- 第12回: 通信路符号化定理:逆定理
- 第13回: 重要な線形符号:Hamming符号とReed-Solomon符号)
- 第14回: 通信路容量を達成する符号:繰り返し符号
- 第15回: 通信路容量を達成する符号:連接符号
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Brian Kurkoski gives Lectures 1-9. Hideki Yagi gives Lectures 10-15.
Schedule — スケージェル
- 10月6日 第1-講義-BK
- 10月13日 第2-講義-BK
- 10月20日 第3-講義-BK
- 10月27日 第4-講義-BK
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11月3日 文化の日
- 11月10日 第5-講義-BK
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11月17日 調布際
- 11月24日 第6-講義-BK
- 12月1日 第7-講義-BK
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12月8日 創立記念日
- 12月15日 第8-講義-BK
- 12月22日 第9-講義-HY
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12月29日 冬休み
- 1月5日 第10-講義-BK
- 1月12日 第11-講義-HY
- 1月19日 第12-講義-HY
- 1月26日 第13-講義-HY
- 2月2日 第14-講義-HY
- 2月9日 第15-講義-HY
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BK=Brian Kurkoski; HY = Hideki Yagi
Assessment Policy - 成績評価方法
- Homework 課題: 40%
- Midterm project 中間レポート: 30%
- Final project 期末レポート: 30%
Previous Year - 前年度