誤り検出訂正
誤り検出訂正(あやまりけんしゅつていせい)またはエラー検出訂正 (error detection and correction/error check and correct) とは、データに符号誤り(エラー)が発生した場合にそれを検出、あるいは検出し訂正(前方誤り訂正)することである。検出だけをする誤り検出またはエラー検出と、検出し訂正する誤り訂正またはエラー訂正を区別することもある。また改竄検出を含める場合も含めない場合もある。誤り検出訂正により、記憶装置やデジタル通信・信号処理の信頼性が確保されている。
一般に誤り検出訂正では、k 単位長(k ビット、k バイト など)の符号を、n = m + k 単位長の符号語に変換する。これを (n, k) 符号、あるいは、符号形式を添えて (n, k) ××符号などと呼ぶ(誤り訂正符号"Error Correction Code"を特にECCと略す)。符号語は、最小ハミング距離が d > 1、つまり、互いに少なくとも d 単位が異なっていて、この冗長性を利用して前方誤り訂正が可能となる。dを添えて、(n, k, d) 符号ともいう。
適切な (n, k, d) 符号は、符号語あたり d - 1 単位の誤りを検出でき、[(d - 1) / 2] 単位([ ] は床関数)の誤りを訂正できる。d ≦ 2 ならば、誤り訂正能力は [(d - 1) / 2] = 0 となり、単なる誤り検出となる。ただし、データの消失に対しては、つまり誤り位置がわかっているときは、d 単位の消失を訂正できる。これを特に消失訂正と呼ぶ。単なる誤り訂正も、最低 1 単位の消失訂正能力を持つ。
たとえば、(2, 1, 2) 符号であるミラーリングは、
どちらかに誤りが起これば検出できるが、両方に起これば検出できない。(誤り検出能力1)
どちらか(どちらかはわからない)に誤りが起これば訂正できない。(誤り訂正能力0)
どちらかが消失すれば訂正できるが、両方に起これば訂正できない。(消失訂正能力1)
となる。(3, 1, 3) 符号である三重ミラーリングでは、誤り検出能力と消失訂正能力が2となり、誤り訂正能力1も得る。
双方向の通信では、前方誤り訂正ができなくても誤り検出さえできれば、送信者に再送を要求することで実質的に誤りを訂正できる。これを自動的におこなう仕組みを、自動再送要求 (ARQ, Automatic Repeat reQuest) と呼ぶ。
誤りには、
の2種類がある。
多くの誤り検出・訂正は、全体の誤り率が許容範囲でも、バースト誤りに対しては、1つのブロックに多くの誤りが集中するため、対応できない。そこで、符号の順序を入れ替え、同じブロックのデータを分散させ、バースト誤りが1つのブロックに集中しないようにする。この技術をインターリーブという。
切り替え動作、フェージングなどが原因。%SESを評価尺度に用いるのに適している。
熱雑音などが原因。BERを評価尺度に用いるのに適している。
特に音声や映像など、人間の感覚に訴える信号のディジタル化されたデータで真の値から多少の誤差が許容される場合、誤り検出は可能でも誤り訂正が不可能(訂正能力を超えている)かまたは誤り訂正が実装されていないとき、元のデータ自身に含まれる冗長性を利用して欠落データを予測して置き換えることがある。これを特に誤り補正 (error compensation) と呼んで区別する。補正されたデータは真の値と一致するとは限らないが、真の値から許容される誤差内にあると期待される。CDなどでは、誤り補正がデータ読み取り誤りに対する「最後の手段」として使われている。
誤り補正では、一般には、近傍の標本に重み付けをした和、すなわちフィルタを畳み込んだ値を予測値(補正値)とする。特に、直前・直後の標本を使うものを、以下のように呼ぶ。
x_n = \frac{1}{2} (x_{n - 1} + x_{n + 1}) - 平均値補間
x_n = x_{n - 1} \, - 前値ホールド
x_n = x_{n + 1} \, - 後値ホールド
誤り補正は原信号自身に含まれる冗長性を使うため、データ圧縮、特に非可逆圧縮と同種の原理に基づいている。
ミラーリング - RAID-1
一方向誤り訂正 (FEC, forward error correction)
パリティ符号(パリティチェック) - シリアル通信、RAID-3/4/5/6
垂直パリティチェック (VRC)
水平パリティチェック (LRC)
定比率符号(l out of n 符号)
暗号学的ハッシュ関数 - 誤り検出の代用にしたり、改ざん防止と誤り検出を兼ねることがある。(改ざんや盗聴ではなく)ノイズの影響のみを考慮する場合、脆弱性があっても問題ない。
MD MD4 - MD5
反復符号 (repetition code)
ハミング符号 - RAM、RAID-2
2元ゴレイ符号 (binary Golay code)
BCH符号 - 自動車無線(43,31)、衛星ラジオ(63,56)
リード・ソロモン符号(RS符号、RSC)
リードソロモン積符号 (RSP符号) - DAT
短縮化差集合巡回符号 - 文字放送(272,190)
ターボ符号 (turbo code)
低密度パリティ検査符号 (LDPC) - 10GBASE-T (IEEE 802.3an)、Mobile WiMAX (IEEE 802.16e)
畳み込み符号(convolutional code)
最尤復号符号、ビタビアルゴリズム(Viterbi Algorithm)
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