+ All Categories
Home > Documents > On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set...

On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set...

Date post: 19-Jul-2020
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
67
On q -ary Antipodal Matchings and Applications Gadiel Seroussi 1 Universidad de la Rep´ ublica, Montevideo, Uruguay, and XPERI Corp., Los Gatos, California, USA 1 based on joint work with Erik Ordentlich (Oath Inc., CA, USA) and Ronny Roth (Technion, Haifa, Israel) done in part while at HP Labs, CA, USA 1 / 28
Transcript
Page 1: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

On q-ary Antipodal Matchings and Applications

Gadiel Seroussi 1

Universidad de la Republica, Montevideo, Uruguay, and

XPERI Corp., Los Gatos, California, USA

1based on joint work with

Erik Ordentlich (Oath Inc., CA, USA) andRonny Roth (Technion, Haifa, Israel)

done in part while at HP Labs, CA, USA

1 / 28

Page 2: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Motivation1: weight-constrained q-ary arrays

• We wish to encode data into n× n arrays over the integeralphabet Q , {0, 1, . . . , q−1}.• Clearly, the maximum possible weight (integer sum of entries)

of a row or column in such an array is wmax = n(q − 1).

• We are interested in constrained arrays where the weight ofany row or column is at most 1

2wmax = 12n(q − 1).

1 3 0 1

0 0 2 1

0 0 1 0

0 2 2 2

q = 4, n = 4, 12wmax = 6

2 / 28

Page 3: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Motivation1: weight-constrained q-ary arrays

• We wish to encode data into n× n arrays over the integeralphabet Q , {0, 1, . . . , q−1}.• Clearly, the maximum possible weight (integer sum of entries)

of a row or column in such an array is wmax = n(q − 1).

• We are interested in constrained arrays where the weight ofany row or column is at most 1

2wmax = 12n(q − 1).

1 3 0 1 5

0 0 2 1 3

0 0 1 0 1

0 2 2 2 6

1 5 5 4 X

q = 4, n = 4, 12wmax = 6

2 / 28

Page 4: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Motivation1: weight-constrained q-ary arrays

• We wish to encode data into n× n arrays over the integeralphabet Q , {0, 1, . . . , q−1}.• Clearly, the maximum possible weight (integer sum of entries)

of a row or column in such an array is wmax = n(q − 1).

• We are interested in constrained arrays where the weight ofany row or column is at most 1

2wmax = 12n(q − 1).

2 3 3 1 9

0 3 2 1 6

3 0 2 3 8

3 2 1 1 7

8 8 8 6 X

q = 4, n = 4, 12wmax = 6

2 / 28

Page 5: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Motivation1: weight-constrained q-ary arrays

• We wish to encode data into n× n arrays over the integeralphabet Q , {0, 1, . . . , q−1}.• Clearly, the maximum possible weight (integer sum of entries)

of a row or column in such an array is wmax = n(q − 1).

• We are interested in constrained arrays where the weight ofany row or column is at most 1

2wmax = 12n(q − 1).

1 3 0 1 5

0 0 2 1 3

0 0 1 0 1

0 2 2 2 6

1 5 5 4 X

q = 4, n = 4, 12wmax = 6

A problem in constrained coding .

2 / 28

Page 6: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Outline

1 IntroductionMotivation1: coding into weight-constrained q-ary arraysMotivation2: multi-level memristor memoriesA q-ary symbol-flipping code

2 q-ary antipodal matchingsDefinitionsThe binary case (q = 2)q-ary antipodal matchings: The unary constructionComplementary matchings: main toolsComplementary matchings: constructionComplementary matchings: complexity considerationsCoding into weight-constrained q-ary arrays

3 / 28

Page 7: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Problem definition

Definition

An×n : Set of all n× n arrays over Q = {0, 1, . . . , q−1} such thatthe weight of each row and column is at most 1

2wmax = 12(q − 1)n.

1 3 0 1 5

0 0 2 1 3

0 0 1 0 1

0 2 2 2 6

1 5 5 4 X

Problem

Construct 1–1 encoders

f : {0, 1}K −→ An×nsuch that

• f and f−1 can be computed efficiently.

• Redundancy n2 log2 q −K is small.

4 / 28

Page 8: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Problem definition

Definition

An×n : Set of all n× n arrays over Q = {0, 1, . . . , q−1} such thatthe weight of each row and column is at most 1

2wmax = 12(q − 1)n.

1 3 0 1 5

0 0 2 1 3

0 0 1 0 1

0 2 2 2 6

1 5 5 4 X

Problem

Construct 1–1 encoders

f : {0, 1}K −→ An×nsuch that

• f and f−1 can be computed efficiently.

• Redundancy n2 log2 q −K is small.

The binary case was addressed in [Ordentlich-Roth’12]. Here, weemphasize q > 2.

• For simplicity, we’ll often assume that q is even, or even a powerof 2 . The results apply in general, though.

4 / 28

Page 9: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Motivation2: multi-level memristor memories

Memristor crossbar

• Each memristor can be in one of qconductance states labeled0, 1, . . . , q − 1 (increasing 0).

• State is changed by applyingappropriate opposite voltages tothe row/column of the selectedmemristor (2VW voltage drop).

• Non-selected devices on samerow/column see a VW voltage drop⇒ they draw parasitic current.

• Limit parasitic current ⇔limit the total conductance of each row and column.

• 12wmax weight-constrained arrays ⇒ current / 1/2 of maxunder reasonable assumptions on the conductance states.

5 / 28

Page 10: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Motivation2: multi-level memristor memories

Memristor crossbar

• Each memristor can be in one of qconductance states labeled0, 1, . . . , q − 1 (increasing 0).

• State is changed by applyingappropriate opposite voltages tothe row/column of the selectedmemristor (2VW voltage drop).

• Non-selected devices on samerow/column see a VW voltage drop⇒ they draw parasitic current.

• Limit parasitic current ⇔limit the total conductance of each row and column.

• 12wmax weight-constrained arrays ⇒ current / 1/2 of maxunder reasonable assumptions on the conductance states.

5 / 28

Page 11: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Motivation2: multi-level memristor memories

Memristor crossbar

• Each memristor can be in one of qconductance states labeled0, 1, . . . , q − 1 (increasing 0).

• State is changed by applyingappropriate opposite voltages tothe row/column of the selectedmemristor (2VW voltage drop).

• Non-selected devices on samerow/column see a VW voltage drop⇒ they draw parasitic current.

• Limit parasitic current ⇔limit the total conductance of each row and column.

• 12wmax weight-constrained arrays ⇒ current / 1/2 of maxunder reasonable assumptions on the conductance states.

5 / 28

Page 12: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

A q-ary symbol-flipping code

Definition: x , q − 1− x , complement of x ∈ Q (x→ x : flip).

Flipping encoder into An×n (similar to binary case)

1 Initialize the upper-left (n−1)×(n−1) entries witharbitrary elements from Q.

2 Initialize last row and column with 2n−1 arbitraryelements from {0, 1, . . . , bq/2c−1 }.

3 While there is any row/column of weight ≥ 12wmax do:

Flip one such (overweight) row or column (else stop).

.....

.....

.....

..

..

......

..

..

.......

-� n

6

?

n

� -n−1

6 / 28

Page 13: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

A q-ary symbol-flipping code

Definition: x , q − 1− x , complement of x ∈ Q (x→ x : flip).

Flipping encoder into An×n (similar to binary case)

1 Initialize the upper-left (n−1)×(n−1) entries witharbitrary elements from Q.

2 Initialize last row and column with 2n−1 arbitraryelements from {0, 1, . . . , bq/2c−1 }.

3 While there is any row/column of weight ≥ 12wmax do:

Flip one such (overweight) row or column (else stop).

.....

.....

.....

..

..

......

..

..

.......

-� n

6

?

n

� -n−1

6 / 28

Page 14: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

A q-ary symbol-flipping code

Definition: x , q − 1− x , complement of x ∈ Q (x→ x : flip).

Flipping encoder into An×n (similar to binary case)

1 Initialize the upper-left (n−1)×(n−1) entries witharbitrary elements from Q.

2 Initialize last row and column with 2n−1 arbitraryelements from {0, 1, . . . , bq/2c−1 }.

3 While there is any row/column of weight ≥ 12wmax do:

Flip one such (overweight) row or column (else stop).

.....

.....

.....

..

..

......

..

..

.......

-� n

6

?

n

� -n−1

• Guaranteed to stop (each row/column flip reduces overall weight).• Redundancy: 2n− 1 bits (not qits).

• n− o(n) is a trivial lower bound; ρn+ o(n) has been proven forthe binary case with ρ ≈ 1.45.

• Complexity: O(n3) symbol flips for encoding (somewhat unpredictablebetween n2 and n3), O(n2) for decoding.

6 / 28

Page 15: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

A q-ary symbol-flipping code

• Problematic issue: flipping an overweightcolumn fixes its weight, but might make arow overweight (and vice versa).

• Wanted: a more predictable number ofencoding iterations.

We seek a 1-1 map that fixes anoverweight vector without increasing anyof its component weights

q=4, n=4, 12wmax=6

7

42 0 2

3

0

1

3

7 / 28

Page 16: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

A q-ary symbol-flipping code

• Problematic issue: flipping an overweightcolumn fixes its weight, but might make arow overweight (and vice versa).

• Wanted: a more predictable number ofencoding iterations.

We seek a 1-1 map that fixes anoverweight vector without increasing anyof its component weights

q=4, n=4, 12wmax=6

5

72 0 2

0

3

2

0

7 / 28

Page 17: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

A q-ary symbol-flipping code

• Problematic issue: flipping an overweightcolumn fixes its weight, but might make arow overweight (and vice versa).

• Wanted: a more predictable number ofencoding iterations.

We seek a 1-1 map that fixes anoverweight vector without increasing anyof its component weights

q=4, n=4, 12wmax=6

7

42 0 2

3

0

1

3

7 / 28

Page 18: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

A q-ary symbol-flipping code

• Problematic issue: flipping an overweightcolumn fixes its weight, but might make arow overweight (and vice versa).

• Wanted: a more predictable number ofencoding iterations.

We seek a 1-1 map that fixes anoverweight vector without increasing anyof its component weights

q=4, n=4, 12wmax=6

2 0 2

3

0

1

3

⇒ q-ary antipodal matchings.

7 / 28

Page 19: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings

• Consider the sets of overweight and underweight n-vectors

L ={x ∈ Qn : w(x) > 1

2wmax

}R =

{x ∈ Qn : w(x) < 1

2wmax

}.

• A q-ary antipodal matching is a bijection ϕ : L → R suchthat x ≥ ϕ(x) (componentwise, x dominates ϕ(x)).

• ϕ corresponds to a perfect matching in the bipartite graphGn,q = (L : R, E), where E = {(x,y) : x ≥ y} .

8 / 28

Page 20: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings

• Consider the sets of overweight and underweight n-vectors

L ={x ∈ Qn : w(x) > 1

2wmax

}R =

{x ∈ Qn : w(x) < 1

2wmax

}.

• A q-ary antipodal matching is a bijection ϕ : L → R suchthat x ≥ ϕ(x) (componentwise, x dominates ϕ(x)).

• ϕ corresponds to a perfect matching in the bipartite graphGn,q = (L : R, E), where E = {(x,y) : x ≥ y} .

8 / 28

Page 21: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings

• Consider the sets of overweight and underweight n-vectors

L ={x ∈ Qn : w(x) > 1

2wmax

}R =

{x ∈ Qn : w(x) < 1

2wmax

}.

• A q-ary antipodal matching is a bijection ϕ : L → R suchthat x ≥ ϕ(x) (componentwise, x dominates ϕ(x)).

• ϕ corresponds to a perfect matching in the bipartite graphGn,q = (L : R, E), where E = {(x,y) : x ≥ y} .

G2,4

( 12wmax = 3)

(3, 3)

(3, 2)

(3, 1)

(2, 2)

(2, 3)

(1, 3)

(0, 0)

(0, 1)

(0, 2)

(1, 1)

(1, 0)

(2, 0)

PPPPPQQQQQ

@@@@@

SSSSSS

TTTTTTTT

�����

PPPPPQQQQQ

@@@@@

SSSSSS

�����

�����

PPPPPQQQQQ

@@@@@

�����

�����

�����

PPPPPQQQQQ

������

�����

�����

�����

PPPPP��������

������

�����

�����

�����uu

uuuu

uuuuuu

8 / 28

Page 22: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings

• Consider the sets of overweight and underweight n-vectors

L ={x ∈ Qn : w(x) > 1

2wmax

}R =

{x ∈ Qn : w(x) < 1

2wmax

}.

• A q-ary antipodal matching is a bijection ϕ : L → R suchthat x ≥ ϕ(x) (componentwise, x dominates ϕ(x)).

• ϕ corresponds to a perfect matching in the bipartite graphGn,q = (L : R, E), where E = {(x,y) : x ≥ y} .

G2,4

( 12wmax = 3)

(3, 3)

(3, 2)

(3, 1)

(2, 2)

(2, 3)

(1, 3)

(0, 0)

(0, 1)

(0, 2)

(1, 1)

(1, 0)

(2, 0)

PPPPPQQQQQ

@@@@@

SSSSSS

TTTTTTTT

�����

PPPPPQQQQQ

@@@@@

SSSSSS

�����

�����

PPPPPQQQQQ

@@@@@

�����

�����

�����

PPPPPQQQQQ

������

�����

�����

�����

PPPPP��������

������

�����

�����

�����uu

uuuu

uuuuuu

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

uuuuuu

uuuuuu

q-ary antipodal matching

8 / 28

Page 23: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings

• Consider the sets of overweight and underweight n-vectors

L ={x ∈ Qn : w(x) > 1

2wmax

}R =

{x ∈ Qn : w(x) < 1

2wmax

}.

• A q-ary antipodal matching is a bijection ϕ : L → R suchthat x ≥ ϕ(x) (componentwise, x dominates ϕ(x)).

• ϕ corresponds to a perfect matching in the bipartite graphGn,q = (L : R, E), where E = {(x,y) : x ≥ y} .

G2,4

( 12wmax = 3)

(3, 3)

(3, 2)

(3, 1)

(2, 2)

(2, 3)

(1, 3)

(0, 0)

(0, 1)

(0, 2)

(1, 1)

(1, 0)

(2, 0)

PPPPPQQQQQ

@@@@@

SSSSSS

TTTTTTTT

�����

PPPPPQQQQQ

@@@@@

SSSSSS

�����

�����

PPPPPQQQQQ

@@@@@

�����

�����

�����

PPPPPQQQQQ

������

�����

�����

�����

PPPPP��������

������

�����

�����

�����uu

uuuu

uuuuuu��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������uuuuuu

uuuuuu Even more desirable:

complementary q-ary antipodal

matching

ϕ(x)i ∈ {xi, xi} .Yields better leakage current

reduction guarantees.

8 / 28

Page 24: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

The binary case (q = 2)

• Existence of a perfect match in Gn,2 is established bypartitioning the graph into to the subgraphs induced by theconstant-weight node subsets Lw(x)=w : Rw(x)=n−w.

These graphs are regular , and thus satisfy Hall’s condition,guaranteeing existence of a perfect matching.

Hall’s condition on a graph (L : R,E)

For every subset S ⊆ L, the set N (S) of neighbors of S satisfies|N (S)| ≥ |S|.

9 / 28

Page 25: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

The binary case (q = 2)

An efficiently computable matching ϕb was derived in

[Ordentlich-Roth’12].

• Based on a “random walk” drivenby x (0: ‘down’, 1: ‘up’).

• Identify minimal points on thewalk, extended cyclically,

@@��@@�����s s s s ss ss

0 1 0 1 1 1 1

10 / 28

Page 26: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

The binary case (q = 2)

An efficiently computable matching ϕb was derived in

[Ordentlich-Roth’12].

• Based on a “random walk” drivenby x (0: ‘down’, 1: ‘up’).

• Identify minimal points on thewalk, extended cyclically, @@��@@�

����s s s s ss ss

s ss

hights notreturned to @@��@@��s s s s s

0 1 0 1 1 1 1

10 / 28

Page 27: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

The binary case (q = 2)

An efficiently computable matching ϕb was derived in

[Ordentlich-Roth’12].

• Based on a “random walk” drivenby x (0: ‘down’, 1: ‘up’).

• Identify minimal points on thewalk, extended cyclically,then flip them.

@@��@@�����s s s s ss ss

s ss

hights notreturned to @@��@@��s s s s s

0 1 0 0 0 0 1

10 / 28

Page 28: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

The binary case (q = 2)

An efficiently computable matching ϕb was derived in

[Ordentlich-Roth’12].

• Based on a “random walk” drivenby x (0: ‘down’, 1: ‘up’).

• Identify minimal points on thewalk, extended cyclically,then flip them.

@@��@@�����s s s s ss ss

s ss

hights notreturned to @@��@@��s s s s s

0 1 0 0 0 0 1

• Overall complexity is O(n).

• Inverse is ϕ−1b (y) = (ϕb(y

∗))∗, where(y0, y1, . . . , yn−1)∗ = (yn−1, . . . , y1, y0).

10 / 28

Page 29: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

The binary case (q = 2)

An efficiently computable matching ϕb was derived in

[Ordentlich-Roth’12].

• Based on a “random walk” drivenby x (0: ‘down’, 1: ‘up’).

• Identify minimal points on thewalk, extended cyclically,then flip them.

@@��@@�����s s s s ss ss

s ss

hights notreturned to @@��@@��s s s s s

0 1 0 0 0 0 1

• Overall complexity is O(n).

• Inverse is ϕ−1b (y) = (ϕb(y

∗))∗, where(y0, y1, . . . , yn−1)∗ = (yn−1, . . . , y1, y0).

For q > 2:• No obvious decomposition of Gn,q into regular bipartite graphs

=⇒ no obvious proof of existence of q-ary antipodal matchings.

• Natural generalization of “random walk” construction does notwork (step sizes: {0, 1, . . . , q−1} → {−q+1,−q+3, . . . , q−1}).

10 / 28

Page 30: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings: The unary construction

A useful property of the binary antipodal matching:

x 111110111100111110

bits that get flipped are always in prefixes of runs of 1s.

• Unary representation of x ∈ Q:

u(x) = 0 0 · · · 0︸ ︷︷ ︸x

1 1 · · · 1︸ ︷︷ ︸x

(total length: q−1) .

• Extends to vectors: u(x) = u(x0)u(x1) . . . u(xn−1).Clearly, w(x) = Hamming weight of u(x).

Proposition

The mapping ϕu : Qn → Qn defined by

ϕu(x) = u−1(ϕb

(u(x)

))is a q-ary antipodal matching.

12 / 28

Page 31: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings: The unary construction

A useful property of the binary antipodal matching:

000010001100000010ϕb(x)

bits that get flipped are always in prefixes of runs of 1s.

• Unary representation of x ∈ Q:

u(x) = 0 0 · · · 0︸ ︷︷ ︸x

1 1 · · · 1︸ ︷︷ ︸x

(total length: q−1) .

• Extends to vectors: u(x) = u(x0)u(x1) . . . u(xn−1).Clearly, w(x) = Hamming weight of u(x).

Proposition

The mapping ϕu : Qn → Qn defined by

ϕu(x) = u−1(ϕb

(u(x)

))is a q-ary antipodal matching.

12 / 28

Page 32: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings: The unary construction

A useful property of the binary antipodal matching:

000010001100000010ϕb(x)

bits that get flipped are always in prefixes of runs of 1s.

• Unary representation of x ∈ Q:

u(x) = 0 0 · · · 0︸ ︷︷ ︸x

1 1 · · · 1︸ ︷︷ ︸x

(total length: q−1) .

• Extends to vectors: u(x) = u(x0)u(x1) . . . u(xn−1).Clearly, w(x) = Hamming weight of u(x).

Proposition

The mapping ϕu : Qn → Qn defined by

ϕu(x) = u−1(ϕb

(u(x)

))is a q-ary antipodal matching.

12 / 28

Page 33: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary antipodal matchings: The unary construction

A useful property of the binary antipodal matching:

000010001100000010ϕb(x)

bits that get flipped are always in prefixes of runs of 1s.

• Unary representation of x ∈ Q:

u(x) = 0 0 · · · 0︸ ︷︷ ︸x

1 1 · · · 1︸ ︷︷ ︸x

(total length: q−1) .

• Extends to vectors: u(x) = u(x0)u(x1) . . . u(xn−1).Clearly, w(x) = Hamming weight of u(x).

Proposition

The mapping ϕu : Qn → Qn defined by

ϕu(x) = u−1(ϕb

(u(x)

))is a q-ary antipodal matching.

12 / 28

Page 34: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary random walk interpretation

• A direct implementation of ϕu based on the binary matching ϕb

would have complexity O(qn).• A more efficient procedure, not involving a conversion of the

input x = (x0, x1, . . . , xn−1) to binary, is obtained byconsidering a q-ary “random walk” with steps

∆i = xi + xi+1 − (q − 1) .

13 / 28

Page 35: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary random walk interpretation

• A direct implementation of ϕu based on the binary matching ϕb

would have complexity O(qn).• A more efficient procedure, not involving a conversion of the

input x = (x0, x1, . . . , xn−1) to binary, is obtained byconsidering a q-ary “random walk” with steps

∆i = xi + xi+1 − (q − 1) .

• Also based on finding minimalpoints. The values there are notflipped, but adjusted downappropriately.

• Not necessarily complementarycoordinate-wise, butw(ϕu(x)) = wmax −w(x).

• O(n) integer operations.

s s s ss ss

∆ : 2 -3 -1 4 2 2

Example: q = 6, n = 6

x : 5 2 0 4 5 2

13 / 28

Page 36: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary random walk interpretation

• A direct implementation of ϕu based on the binary matching ϕb

would have complexity O(qn).• A more efficient procedure, not involving a conversion of the

input x = (x0, x1, . . . , xn−1) to binary, is obtained byconsidering a q-ary “random walk” with steps

∆i = xi + xi+1 − (q − 1) .

• Also based on finding minimalpoints. The values there are notflipped, but adjusted downappropriately.

• Not necessarily complementarycoordinate-wise, butw(ϕu(x)) = wmax −w(x).

• O(n) integer operations.

s s s ss sss s s ss

ss

∆ : 2 -3 -1 4 2 2

Example: q = 6, n = 6

x : 5 2 0 4 5 2

13 / 28

Page 37: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

q-ary random walk interpretation

• A direct implementation of ϕu based on the binary matching ϕb

would have complexity O(qn).• A more efficient procedure, not involving a conversion of the

input x = (x0, x1, . . . , xn−1) to binary, is obtained byconsidering a q-ary “random walk” with steps

∆i = xi + xi+1 − (q − 1) .

• Also based on finding minimalpoints. The values there are notflipped, but adjusted downappropriately.

• Not necessarily complementarycoordinate-wise, butw(ϕu(x)) = wmax −w(x).

• O(n) integer operations.

s s s ss sss s s ss

ss

∆ : 2 -3 -1 4 2 2

Example: q = 6, n = 6

ϕu(x) : 5 2 0 0 3 2

13 / 28

Page 38: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Efficient computation of ϕu(x)

Input: x = (x0, x1, . . . , xn−1) ∈ Ln,q (vectors x,∆ derived from x)Output: y = ϕu(x)Variables: i, t ∈ Z/`Z (arithmetic modulo `); d, S,W ∈ Z

t = 0; d = 0; S = 0;for i = 1 to `− 1 do

S += ∆i−1;if S ≤ d then

d = S; t = i;end if

end fory = x; W = w(x);while W > 0 do

d = 0;while d ≤ 0 do

d += ∆t−1; t−−;end whileyt = xt − d; W −= d;

end whilereturn y.

14 / 28

Page 39: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary q-ary antipodal matchings

A q-ary antipodal matching ϕc s.t.

(ϕc)i ∈ {xi, xi}.

⇒ Perfect matching in Gcn,q ⊆ Gn,q.

G2,4

q = 4, n = 2( 12wmax = 3)

(3, 3)

(3, 2)

(3, 1)

(2, 2)

(2, 3)

(1, 3)

(0, 0)

(0, 1)

(0, 2)

(1, 1)

(1, 0)

(2, 0)

PPPP����

PPPP����ss

ssss

ssssssPPPPQ

QQQ

@@@@

SSSSS

TTTTTT

����

PPPPQQQQ

@@@@

SSSSS

����

����

PPPPQQQQ

@@@@

����

����

����

PPPPQQQQ

�����

����

����

����

PPPP������

�����

����

����

����ss

ssss

ssssss

ssssss

ssssss

15 / 28

Page 40: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary q-ary antipodal matchings

A q-ary antipodal matching ϕc s.t.

(ϕc)i ∈ {xi, xi}.

⇒ Perfect matching in Gcn,q ⊆ Gn,q.

Gc2,4

q = 4, n = 2( 12wmax = 3)

(3, 3)

(3, 2)

(3, 1)

(2, 2)

(2, 3)

(1, 3)

(0, 0)

(0, 1)

(0, 2)

(1, 1)

(1, 0)

(2, 0)

PPPP����

PPPP����ss

ssss

ssssssPPPP��

��

PPPP����ss

ssss

ssssss

ssssss

ssssss

15 / 28

Page 41: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary q-ary antipodal matchings

A q-ary antipodal matching ϕc s.t.

(ϕc)i ∈ {xi, xi}.

⇒ Perfect matching in Gcn,q ⊆ Gn,q.

Gc2,4

q = 4, n = 2( 12wmax = 3)

(3, 3)

(3, 2)

(3, 1)

(2, 2)

(2, 3)

(1, 3)

(0, 0)

(0, 1)

(0, 2)

(1, 1)

(1, 0)

(2, 0)

PPPP����

PPPP����ss

ssss

ssssssPPPP��

��

PPPP����ss

ssss

ssssss��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ss

ssss

ssssss

ssssss

ssssss

Main results:

Existence

For all q and n, there exist complementary q-ary antipodalmatchings on Qn.

Construction

We present efficient constructions of complementary q-aryantipodal matchings for small q and all n.

15 / 28

Page 42: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: main tools

Proposition (a more general matching result)

Let v = (v1, . . . , vn)∈Rn, vi ≥ 0, and w(v)=∑

i vi.Define the bipartite graph G(v) = (L:R, E), with

L ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi >

12w(v)

},

R ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi <

12w(v)

},

E = { (a, b) ∈ L×R : a ≥ b } .

Then, G(v) has a perfect matching.

G(6, 5, 3)12w(v) = 7

011

101

110

111

000

100

010

001

@@@@

JJJJJ

����

@@@@

����

����

����

����tt

tttttt

16 / 28

Page 43: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: main tools

Proposition (a more general matching result)

Let v = (v1, . . . , vn)∈Rn, vi ≥ 0, and w(v)=∑

i vi.Define the bipartite graph G(v) = (L:R, E), with

L ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi >

12w(v)

},

R ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi <

12w(v)

},

E = { (a, b) ∈ L×R : a ≥ b } .

Then, G(v) has a perfect matching.

G(6, 5, 3)12w(v) = 7

011

101

110

111

000

100

010

001

@@@@

JJJJJ

����

@@@@

����

����

����

����

@@@@

@@@@

@@@@

@@@@

@@@@

@@@@

����

����

����

tttt

tttt

• Proof: using the Marica-Schonheim (1969) inequality on setdifferences, we show that Hall’s condition holds for G(v) (nota regular graph).

16 / 28

Page 44: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: main tools

Proposition (a more general matching result)

Let v = (v1, . . . , vn)∈Rn, vi ≥ 0, and w(v)=∑

i vi.Define the bipartite graph G(v) = (L:R, E), with

L ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi >

12w(v)

},

R ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi <

12w(v)

},

E = { (a, b) ∈ L×R : a ≥ b } .

Then, G(v) has a perfect matching.Gc2,4

(3, 3)(3, 2)(3, 1)(2, 2)(2, 3)(1, 3)

(0, 0)(0, 1)(0, 2)(1, 1)(1, 0)(2, 0)

PPP���

PPP���sss

sssssssss��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������ssssss

ssssss

• Existence of a perfect matching in Gcq,n is reduced to theexistence of perfect matchings in G(v) for various vectors v.• These graphs G(v) have sizes exponential in n.

• Construction uses G(v) and the proposition in a different way.• Matching on one graph G(v), length(v)=q/2 (indep. of n).• up to q/2 applications of ϕb on binary vectors of lengthsn0, n1, . . . , nq/2−1 adding up to n (overall time O(n)).

16 / 28

Page 45: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: main tools

Proposition (a more general matching result)

Let v = (v1, . . . , vn)∈Rn, vi ≥ 0, and w(v)=∑

i vi.Define the bipartite graph G(v) = (L:R, E), with

L ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi >

12w(v)

},

R ={a ∈ {0, 1}n :

∑i aivi <

12w(v)

},

E = { (a, b) ∈ L×R : a ≥ b } .

Then, G(v) has a perfect matching.Gc2,4

(3, 3)(3, 2)(3, 1)(2, 2)(2, 3)(1, 3)

(0, 0)(0, 1)(0, 2)(1, 1)(1, 0)(2, 0)

PPP���

PPP���sss

sssssssss��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������������������������ssssss

ssssss

• Existence of a perfect matching in Gcq,n is reduced to theexistence of perfect matchings in G(v) for various vectors v.• These graphs G(v) have sizes exponential in n.

• Construction uses G(v) and the proposition in a different way.• Matching on one graph G(v), length(v)=q/2 (indep. of n).• up to q/2 applications of ϕb on binary vectors of lengthsn0, n1, . . . , nq/2−1 adding up to n (overall time O(n)).

16 / 28

Page 46: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: construction (example)

• x ∈ Qn, w(x)=24 (q=6, n=8, 12wmax=20)5 2 0 4 5 2 4 2

17 / 28

Page 47: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: construction (example)

• x ∈ Qn, w(x)=24 (q=6, n=8, 12wmax=20)5 2 0 4 5 2 4 25 0 52 22 44

• gather by complementary pairs into q/2sub-vectors x|r, r=0, 1, ...q/2−14 4

x|1

5 0 5

x|0

2 2 2

x|2

17 / 28

Page 48: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: construction (example)

• x ∈ Qn, w(x)=24 (q=6, n=8, 12wmax=20)5 2 0 4 5 2 4 25 0 52 22 44

• gather by complementary pairs into q/2sub-vectors x|r, r=0, 1, ...q/2−14 4

x|1

5 0 5

x|0

2 2 2

x|2

• derive binary vectors br( 1 1 )

6

( 1 0 1 )

5

( 0 0 0 )

−3 • compute signed weights w(x|r)=∑

i(2xi−q+1)

17 / 28

Page 49: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: construction (example)

• x ∈ Qn, w(x)=24 (q=6, n=8, 12wmax=20)5 2 0 4 5 2 4 25 0 52 22 44

• gather by complementary pairs into q/2sub-vectors x|r, r=0, 1, ...q/2−14 4

x|1

5 0 5

x|0

2 2 2

x|2

• derive binary vectors br( 1 1 )

6

6[

1[

( 1 0 1 )

5

5

1

( 0 0 0 )

−33 ]

0 ]

• compute signed weights w(x|r)=∑

i(2xi−q+1)

• v : abs values of weights

• s : signs of weights (1: non-neg, 0: neg)

17 / 28

Page 50: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: construction (example)

• x ∈ Qn, w(x)=24 (q=6, n=8, 12wmax=20)5 2 0 4 5 2 4 25 0 52 22 44

• gather by complementary pairs into q/2sub-vectors x|r, r=0, 1, ...q/2−14 4

x|1

5 0 5

x|0

2 2 2

x|2

• derive binary vectors br( 1 1 )

6

6[

1[

( 1 0 1 )

5

5

1

( 0 0 0 )

−33 ]

0 ]

• compute signed weights w(x|r)=∑

i(2xi−q+1)

• v : abs values of weights

• s : signs of weights011101110111

000100010001

@@JJ

��@@��������@@@@@@@@@@@@������qqqq qqqq

G(6, 5, 3)

qqqq qqqq[ 1 0 0 ]

• find the image of s in aperfect matching of G(v).

17 / 28

Page 51: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: construction (example)

• x ∈ Qn, w(x)=24 (q=6, n=8, 12wmax=20)5 2 0 4 5 2 4 25 0 52 22 44

• gather by complementary pairs into q/2sub-vectors x|r, r=0, 1, ...q/2−14 4

x|1

5 0 5

x|0

2 2 2

x|2

• derive binary vectors br( 1 1 )

6

6[

1[

( 1 0 1 )

5

5

1

( 0 0 0 )

−33 ]

0 ]

• compute signed weights w(x|r)=∑

i(2xi−q+1)

• v : abs values of weights

• s : signs of weights011101110111

000100010001

@@JJ

��@@��������@@@@@@@@@@@@������qqqq qqqq

G(6, 5, 3)

qqqq qqqq[ 1 0 0 ]

• find the image of s in aperfect matching of G(v).

• If a bit in s was flipped 1→0, apply thebinary mapping ϕb to the correspondingvector br, and transform x|r accordingly.

���

� �

(1, 0, 1)ϕb−→ (0, 0, 1)

5 0 5 −→ 0 0 5

17 / 28

Page 52: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: construction (example)

• x ∈ Qn, w(x)=24 (q=6, n=8, 12wmax=20)5 2 0 4 5 2 4 25 0 52 22 44

• gather by complementary pairs into q/2sub-vectors x|r, r=0, 1, ...q/2−14 4

x|1

5 0 5

x|0

2 2 2

x|2

• derive binary vectors br( 1 1 )

6

6[

1[

( 1 0 1 )

5

5

1

( 0 0 0 )

−33 ]

0 ]

• compute signed weights w(x|r)=∑

i(2xi−q+1)

• v : abs values of weights

• s : signs of weights011101110111

000100010001

@@JJ

��@@��������@@@@@@@@@@@@������qqqq qqqq

G(6, 5, 3)

qqqq qqqq[ 1 0 0 ]

• find the image of s in aperfect matching of G(v).

• If a bit in s was flipped 1→0, apply thebinary mapping ϕb to the correspondingvector br, and transform x|r accordingly.

���

� �

(1, 0, 1)ϕb−→ (0, 0, 1)

5 0 5 −→ 0 0 5

w=24 5 2 0 4 5 2 4 2ϕc−→ 0 2 0 4 5 2 4 2 w=19

17 / 28

Page 53: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: complexity considerations

• Overall computation is O(n)• Grouping of symbols by magnitude, computation of the weight

vector v, the binary vectors br and s, and any necessaryapplications of ϕb are of overall complexity O(n).

• Remaining task: identify the graph G(v), its perfect matching,and the image of s under the matching (recall len(v) = q

2 ).

• Given q, there is a finite number of possible graphs G(v), anda perfect matching for each one could be pre-computed.

18 / 28

Page 54: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: complexity considerations

• Overall computation is O(n)• Grouping of symbols by magnitude, computation of the weight

vector v, the binary vectors br and s, and any necessaryapplications of ϕb are of overall complexity O(n).

• Remaining task: identify the graph G(v), its perfect matching,and the image of s under the matching (recall len(v) = q

2 ).

• Given q, there is a finite number of possible graphs G(v), anda perfect matching for each one could be pre-computed.

Example: Graphs G(v) and matchings for q = 6 (q/2 = 3)

18 / 28

Page 55: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Complementary matchings: complexity considerations

• However, the number of graphs G(v) growssuper-exponentially with q, so, in practice, they can bepre-computed only for relatively small values of q.

Each graph G(v) correspondsto a linear threshold Booleanfunction on q/2 variables.These functions have beenextensively studied.

q/2 # of G(v)2 13 24 35 76 217 1358 2,4709 175,428

10 52,980,624

19 / 28

Page 56: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Threshold function search tree for q/2 = 5

Leaves: 7 Depth: 3

20 / 28

Page 57: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Threshold function search tree for q/2 = 5

Leaves: 7 Depth: 3fv(10010) = 0fv(10100) = 1fv(10011) = 0⇒ fv ≡ f0

Each internal node corresponds to the evaluation of the thresholdfunction at a given binary q/2-uple a (i.e. computing a · v andchecking the threshold), and branching accordingly. Leaves identifythe functions.

20 / 28

Page 58: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Threshold function search tree for q/2 = 6

21 / 28

Page 59: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Threshold function search tree for q/2 = 7

Leaves: 137 Depth: 8

22 / 28

Page 60: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Threshold function search tree for q/2 = 8

Leaves: 2470 Depth: 13 (least possible).

23 / 28

Page 61: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Coding into weight-constrained q-ary arrays

• We show encodings based on ϕu ; similar schemes can bedescribed for complementary matchings.

• To encode into An×n, we will apply ϕu to vectors of lengths nand n− 2.

• First stage: data initialization (assume q = 2k).

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

-� n

6

?

n

• Total redundancy: 2n+ 4 bits.

25 / 28

Page 62: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Coding into weight-constrained q-ary arrays

• We show encodings based on ϕu ; similar schemes can bedescribed for complementary matchings.

• To encode into An×n, we will apply ϕu to vectors of lengths nand n− 2.

• First stage: data initialization (assume q = 2k).

1 (n−1)2 − 1 full symbols from Q.

2 2(n−2) even symbols from Q(k−1 bits each).

3 4 symbols in {0, 1, . . . , q4 − 1}(k−2 bits each).

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

-� n

6

?

n

• Total redundancy: 2n+ 4 bits.

25 / 28

Page 63: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Coding into weight-constrained q-ary arrays

• We show encodings based on ϕu ; similar schemes can bedescribed for complementary matchings.

• To encode into An×n, we will apply ϕu to vectors of lengths nand n− 2.

• First stage: data initialization (assume q = 2k).

1 (n−1)2 − 1 full symbols from Q.

2 2(n−2) even symbols from Q(k−1 bits each).

3 4 symbols in {0, 1, . . . , q4 − 1}(k−2 bits each).

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

-� n

6

?

n

• Total redundancy: 2n+ 4 bits.

25 / 28

Page 64: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Coding into weight-constrained q-ary arrays

• We show encodings based on ϕu ; similar schemes can bedescribed for complementary matchings.

• To encode into An×n, we will apply ϕu to vectors of lengths nand n− 2.

• First stage: data initialization (assume q = 2k).

1 (n−1)2 − 1 full symbols from Q.

2 2(n−2) even symbols from Q(k−1 bits each).

3 4 symbols in {0, 1, . . . , q4 − 1}(k−2 bits each). .............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

.............

.............

.............

.............

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.

...

...

...

...

.................

-� n

6

?

n

• Total redundancy: 2n+ 4 bits.

25 / 28

Page 65: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Encoding algorithm (after data initialization)

Input: n×n array A with initialized data (notation: [`]={0, 1, . . ., `−1}).

1 Flip all of the first n−2 rows of A that are overweight.

2 For all j ∈ [n−2] do:

If w(A[n],j) % 4 = 0, set An−1,j += 1.

If (the resulting) w(A[n],j) is positive then do:

(a) replace A[n],j with ϕu(A[n],j);

(b) set An−1,j = (An−1,j + 1) % q.

3 For j ∈ {n−2, n−1} do:

(a) if w(A[n−2],j) > 0, replace A[n−2],j with ϕu(A[n−2],j)

and set An−2,j += q/4;

(b) if w(Aj,[n−2]) > 0, replace Aj,[n−2] with ϕu(Aj,[n−2])

and set An−1,j += q/4.

Output: The resulting n× n array A.

26 / 28

Page 66: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Decoding

Input: n× n array A.

1 For j ∈ {n−2, n−1} do:

(a) if An−2,j ≥ q/4, replace A[n−2],j with ϕ−1u (A[n−2],j)

and set An−2,j −= q/4;

(b) if An−1,j ≥ q/4, replace Aj,[n−2] with ϕ−1u (Aj,[n−2])

and set An−1,j −= q/4.

2 For all j ∈ [n−2] do:If w(A[n],j) % 4 = 0 then do:

(a) set An−1,j = (An−1,j − 1) % q;

(b) replace A[n],j with ϕ−1u (A[n],j).

If An−1,j is odd, set An−1,j −= 1.

3 Flip all of the first n−2 rows of A for which Ai,n−1 is odd.

Output: Original data as laid out in encoder initialization.

27 / 28

Page 67: On @let@token q-ary Antipodal Matchings and Applications · Problem de nition De nition A n n: Set of all n narrays over Q= f0;1;:::;q 1gsuch that the weight of each row and column

Obrigado

Thank you

28 / 28


Recommended