Difference between revisions of "Channel Coding/Some Basics of Algebra"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Reed–Solomon–Codes und deren Decodierung
+
|Untermenü=Reed–Solomon–Codes and Their Decoding
|Vorherige Seite=Informationstheoretische Grenzen der Kanalcodierung
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|Vorherige Seite=Information Theoretical Limits of Channel Coding
|Nächste Seite=Erweiterungskörper
+
|Nächste Seite=Extension Field
 
}}
 
}}
  
== # ÜBERBLICK ZUM ZWEITEN HAUPTKAPITEL # ==
+
== # OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER # ==
 
<br>
 
<br>
Dieses Kapitel behandelt die ''Reed–Solomon–Codes'', die Anfang der 1960er Jahre von&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Irving_Stoy_Reed Irving Stoy Reed]&nbsp; und&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/Gustave_Solomon Gustave Solomon]&nbsp; erfunden wurden. Im Gegensatz zu den binären Blockcodes basieren diese auf einem Galoisfeld&nbsp; GF(2m)&nbsp; mit&nbsp; m>1. Sie arbeiten also mit mehrstufigen Symbolen anstelle von Binärzeichen (Bit).
+
This chapter discusses the&nbsp; &raquo;Reed-Solomon codes&laquo;,&nbsp; invented in the early 1960s by&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Irving_S._Reed $\text{Irving Stoy Reed}$]&nbsp; and&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Gustave_Solomon $\text{Gustave Solomon}$].&nbsp; Unlike binary block codes,&nbsp; these codes are based on a Galois field &nbsp; GF(2m) &nbsp; with&nbsp; m>1.&nbsp; So they work with multi-level symbols instead of binary characters&nbsp; ("bits").
  
Im Einzelnen werden in diesem Kapitel behandelt:
+
Specifically,&nbsp; this chapter covers:
  
*Die Grundlagen der linearen Algebra: &nbsp; Menge, Gruppe, Ring, Körper, endlicher Körper,
+
*The basics of&nbsp; &raquo;linear algebra&laquo;: &nbsp; &raquo;set&laquo;, &nbsp; &raquo;group&laquo;, &nbsp; &raquo;ring&laquo;, &nbsp; &raquo;field&laquo;,&nbsp; finite field&laquo;,
*die Definition von Erweiterungskörpern  &nbsp; ⇒  &nbsp; GF(2m)&nbsp; und die zugehörigen Operationen,
 
*die Bedeutung von irreduziblen Polynomen und primitiven Elementen,
 
*die Beschreibungs– und Realisierungsmöglichkeiten eines Reed–Solomon–Codes,
 
*die Fehlerkorrektur eines solchen Codes beim Auslöschungskanal (BEC),
 
*die Decodierung mit Hilfe des ''Error Locator Polynoms'' &nbsp; ⇒  &nbsp; ''Bounded Distance Decoding'' (BDD),
 
*die Blockfehlerwahrscheinlichkeit der Reed–Solomon–Codes und typische Anwendungen.
 
  
 +
*the definition of&nbsp; &raquo;extension fields&laquo; &nbsp; ⇒ &nbsp; GF(2m)&nbsp; and the corresponding operations,
  
 +
*the meaning of&nbsp; &raquo;irreducible polynomials&laquo; &nbsp; and&nbsp; &raquo;primitive elements&laquo;,
  
 +
*the&nbsp; &raquo;description and realization possibilities&laquo; &nbsp; of a Reed-Solomon code,
  
 +
*the error correction of such a code at the&nbsp; &raquo;binary ersaure channel&laquo; &nbsp; (BEC),
  
== Definition eines Galoisfeldes ==
+
*the decoding using the&nbsp; &raquo;Error Locator Polynomial &nbsp; ⇒ &nbsp; "Bounded Distance Decoding" &nbsp; (BDD),
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*the&nbsp; &raquo;block error probability&laquo; &nbsp; of Reed-Solomon codes&nbsp; and &nbsp; &raquo;typical applications&laquo;.
 +
 
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 +
== Definition of a Galois field ==
 
<br>
 
<br>
Bevor wir uns der Beschreibung der Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes zuwenden können, benötigen wir einige algebraische Grundbegriffe. Wir beginnen mit den Eigenschaften des  Galoisfeldes&nbsp; GF(q), benannt nach dem Franzosen&nbsp; [https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%89variste_Galois Évariste Galois], dessen Biografie für einen Mathematiker eher ungewöhnlich ist.<br>
+
Before we can turn to the description of&nbsp; Reed&ndash;Solomon codes,&nbsp; we need some basic algebraic notions.&nbsp; We begin with the properties of the Galois field &nbsp; GF(q),&nbsp; named after the Frenchman&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/%C3%89variste_Galois $\text{Évariste Galois}$], whose biography is rather unusual for a mathematician.<br>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
Definition:&nbsp;  Ein&nbsp; $\rm Galoisfeld&nbsp;{\rm GF}(q)$&nbsp; ist ein&nbsp; [[Kanalcodierung/Einige_Grundlagen_der_Algebra#Algebraischer_Ring_und_Beispiele| endlicher Körper]]&nbsp; mit&nbsp; q&nbsp; Elementen&nbsp; z0,&nbsp; z1,&nbsp; ... ,&nbsp; zq1, wenn die acht nachfolgend aufgeführten Aussagen &nbsp;(A)&nbsp; ... &nbsp;(H)&nbsp; hinsichtlich ''Addition'' (&bdquo;+&rdquo;) und  ''Multiplikation'' (&bdquo;&rdquo;)  zutreffen.   
+
Definition:&nbsp;  A &nbsp; $\rm Galois\:field&nbsp;{\rm GF}(q)$&nbsp; is a&nbsp; [[Channel_Coding/Some_Basics_of_Algebra#Group.2C_ring.2C_field_-_basic_algebraic_concepts|finite field]]&nbsp; with&nbsp; q&nbsp; elements&nbsp; z0,&nbsp; z1,&nbsp; ... ,&nbsp; zq1, if the eight statements listed below &nbsp;(A)&nbsp; ... &nbsp;(H)&nbsp; with respect to&nbsp; "addition" &nbsp; &rArr; &nbsp; "+" &nbsp; and&nbsp; "multiplication"&nbsp; &rArr; &nbsp;"$\hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}$" &nbsp; are true.   
*Addition und Multiplikation sind hierbei modulo&nbsp; q&nbsp; zu verstehen.
+
*Addition and multiplication are to be understood here modulo&nbsp; q&nbsp;.
*Die&nbsp; $\rm Ordnung&nbsp;q$&nbsp; gibt die Anzahl der Elemente des Galoisfeldes an.}}
+
 
 +
*The&nbsp; $\rm order&nbsp;q$&nbsp; indicates the number of elements of the Galois field.}}
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Kriterien eines Galoisfeldes:}$&nbsp;
+
$\text{Criteria of a Galois field:}$&nbsp;
 
   
 
   
(A)&nbsp; GF(q)&nbsp; ist in sich abgeschlossen Closure:
+
(A)&nbsp; GF(q)&nbsp; is closed Closure:
  
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i \in {\rm GF}(q),\hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i \in {\rm GF}(q),\hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
Line 43: Line 50:
 
\hspace{0.05cm}. </math>
 
\hspace{0.05cm}. </math>
  
(B)&nbsp; Es gibt ein hinsichtlich der Addition neutrales Element NA, das so genannte <i>Nullelement</i> $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Identity \ for \ &bdquo;\hspace{-0.05cm}+\hspace{0.05cm}&rdquo;$:
+
(B)&nbsp; There is a neutral element&nbsp; NA&nbsp; with respect to addition,&nbsp; the so-called&nbsp; "zero element" $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Identity \ for \ "\hspace{-0.05cm}+\hspace{0.05cm}"$:
  
 
::<math>\exists \hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\exists \hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
\hspace{0.25cm}z_i + z_j  = z_i \hspace{0.25cm} \Rightarrow \hspace{0.25cm} z_j  = N_{\rm A} = \text{ 0} \hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.25cm}z_i + z_j  = z_i \hspace{0.25cm} \Rightarrow \hspace{0.25cm} z_j  = N_{\rm A} = \text{ 0} \hspace{0.05cm}.</math>
  
(C)&nbsp; Es gibt ein hinsichtlich der Multiplikation neutrales Element NM, das  so genannte <i>Einselement</i>  $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Identity \ for \ &bdquo;\hspace{-0.05cm}&middot;\hspace{0.05cm}&rdquo;$:
+
(C)&nbsp; There is a neutral element&nbsp; NM&nbsp; with respect to multiplication,&nbsp; the so-called&nbsp; "identity element" $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Identity \ for \ "\hspace{-0.05cm}&middot;\hspace{0.05cm}"$:
  
 
::<math>\exists \hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\exists \hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
Line 54: Line 61:
 
\hspace{0.05cm}. </math>
 
\hspace{0.05cm}. </math>
  
(D)&nbsp; Für jedes&nbsp; zi&nbsp; existiert eine ''additive Inverse'' &nbsp; InvA(zi)  $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Inverse \ for \ &bdquo;\hspace{-0.05cm}+\hspace{0.05cm}&rdquo;$:
+
(D)&nbsp; For each&nbsp; zi&nbsp; there exists an&nbsp; "additive inverse" &nbsp; InvA(zi)  $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Inverse \ for \ "\hspace{-0.05cm}+\hspace{0.05cm}"$:
  
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i \in {\rm GF}(q),\hspace{0.15cm} \exists \hspace{0.15cm} {\rm Inv_A}(z_i) \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i \in {\rm GF}(q),\hspace{0.15cm} \exists \hspace{0.15cm} {\rm Inv_A}(z_i) \in {\rm GF}(q)\text{:}
\hspace{0.25cm}z_i + {\rm Inv_A}(z_i) = N_{\rm A} = {0}  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\text{kurz:}\hspace{0.3cm}
+
\hspace{0.25cm}z_i + {\rm Inv_A}(z_i) = N_{\rm A} = {0}  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\text{short:}\hspace{0.3cm}
 
{\rm Inv_A}(z_i) = - z_i \hspace{0.05cm}. </math>
 
{\rm Inv_A}(z_i) = - z_i \hspace{0.05cm}. </math>
  
(E)&nbsp; Für jedes&nbsp; zi&nbsp; mit Ausnahme des Nullelements existiert die ''multiplikative Inverse'' &nbsp; InvM(zi) $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Inverse \ for \ &bdquo;\hspace{-0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}&rdquo;$:
+
(E)&nbsp; For each&nbsp; zi&nbsp; except the zero element,&nbsp; there exists the&nbsp; "multiplicative inverse" &nbsp; InvM(zi) $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Inverse \ for \ "\hspace{-0.05cm}\cdot\hspace{0.05cm}"$:
  
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i \in {\rm GF}(q),\hspace{0.15cm} z_i \ne N_{\rm A}, \hspace{0.15cm} \exists \hspace{0.15cm} {\rm Inv_M}(z_i) \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i \in {\rm GF}(q),\hspace{0.15cm} z_i \ne N_{\rm A}, \hspace{0.15cm} \exists \hspace{0.15cm} {\rm Inv_M}(z_i) \in {\rm GF}(q)\text{:}
\hspace{0.25cm}z_i \cdot {\rm Inv_M}(z_i) = N_{\rm M} = {1}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\text{kurz:}\hspace{0.3cm}
+
\hspace{0.25cm}z_i \cdot {\rm Inv_M}(z_i) = N_{\rm M} = {1}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}\text{short:}\hspace{0.3cm}
 
{\rm Inv_M}(z_i) = z_i^{-1}
 
{\rm Inv_M}(z_i) = z_i^{-1}
 
\hspace{0.05cm}. </math>
 
\hspace{0.05cm}. </math>
  
(F)&nbsp; Für Addition und Multiplikation gilt jeweils das ''Kommutativgesetz'' $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Commutative \ Law$:
+
(F)&nbsp; For addition and multiplication applies in each case the&nbsp; "Commutative Law":
  
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i,\hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i,\hspace{0.15cm} z_j \in {\rm GF}(q)\text{:}
Line 73: Line 80:
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.05cm}.</math>
  
(G)&nbsp; Für Addition und Multiplikation gilt jeweils das ''Assoziativgesetz'' $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Associative \ Law$:
+
(G)&nbsp; For addition and multiplication applies in each case the&nbsp; "Associative Law":
  
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i,\hspace{0.1cm} z_j ,\hspace{0.1cm} z_k \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i,\hspace{0.1cm} z_j ,\hspace{0.1cm} z_k \in {\rm GF}(q)\text{:}
Line 79: Line 86:
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
\hspace{0.05cm}.</math>
  
(H)&nbsp; Für die Kombination &bdquo;Addition &ndash; Multiplikation&rdquo; gilt das ''Distributivgesetz'' $\hspace{0.2cm}\Rightarrow \hspace{0.2cm}\rm Distributive \ Law$:
+
(H)&nbsp; For the combination&nbsp; "addition &ndash; multiplication"&nbsp; holds the&nbsp; "Distributive Law":
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i,\hspace{0.15cm} z_j ,\hspace{0.15cm} z_k \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
::<math>\forall \hspace{0.15cm}  z_i,\hspace{0.15cm} z_j ,\hspace{0.15cm} z_k \in {\rm GF}(q)\text{:}
 
\hspace{0.25cm}(z_i + z_j) \cdot z_k = z_i \cdot z_k + z_j \cdot z_k  
 
\hspace{0.25cm}(z_i + z_j) \cdot z_k = z_i \cdot z_k + z_j \cdot z_k  
Line 85: Line 92:
  
  
== Beispiele und Eigenschaften von Galoisfeldern ==
+
== Examples and properties of Galois fields ==
 
<br>
 
<br>
Wir überprüfen zunächst, ob für die binäre Zahlenmenge&nbsp; Z2={0,1} &nbsp; &#8658; &nbsp; q=2&nbsp; (gültig für den einfachen Binärcode) die auf der letzten Seite genannten acht Kriterien erfüllt werden, so dass man tatsächlich von &bdquo;GF(2)&rdquo; sprechen kann. Sie sehen nachfolgend die Additions&ndash; und Multiplikationstabelle:
+
We first check that for the binary number set&nbsp; Z2={0,1} &nbsp; &#8658; &nbsp; q=2 &nbsp; $(validforthesimplebinarycode)$
 +
*the eight criteria mentioned in the last section are met,
 +
 +
*so that we can indeed speak of&nbsp; "GF(2)".  
 +
 
 +
 
 +
You can see the addition table and multiplication table below:
  
 
:$$Z_2 = \{0, 1\}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition:      }  
 
:$$Z_2 = \{0, 1\}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition:      }  
Line 93: Line 106:
 
                                                           0 & 0 & 1  \\  
 
                                                           0 & 0 & 1  \\  
 
                                                           1 & 1 & 0   
 
                                                           1 & 1 & 0   
\end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplikation:      }  
+
\end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplication:      }  
 
\left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 \\ \hline  
 
\left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 \\ \hline  
 
                                                           0 & 0 & 0  \\
 
                                                           0 & 0 & 0  \\
Line 100: Line 113:
 
$$
 
$$
  
Man erkennt aus dieser Darstellung:
+
One can see from this representation:
*Jedes Element der Additions&ndash; und der Multiplikationstabelle von&nbsp; Z2&nbsp; ist wieder&nbsp; z0=0&nbsp; oder&nbsp; z0=1 &nbsp; &#8658; &nbsp; das Kriterium&nbsp; (A)&nbsp; ist erfüllt.<br>
+
#Each element of the addition and multiplication table of&nbsp; Z2&nbsp; is again&nbsp; z0=0&nbsp; or&nbsp; z0=1 &nbsp; &#8658; &nbsp; the criterion&nbsp; (A)&nbsp; is satisfied.<br>
 
+
#The set&nbsp; Z2&nbsp; contains the zero element&nbsp; (NA=z0=0)&nbsp; and the one element (NM=z1=1)&nbsp; &#8658; &nbsp; the criteria&nbsp; (B)&nbsp; and&nbsp; (C)&nbsp; are satisfied.<br>
*Die Menge&nbsp; Z2&nbsp; enthält das Nullelement&nbsp; (NA=z0=0)&nbsp; und das Einselement  (NM=z1=1) &nbsp; &#8658; &nbsp; die Kriterien&nbsp; (B)&nbsp; und&nbsp; (C)&nbsp; sind erfüllt.<br>
+
#The additive inverses&nbsp; InvA(0)=0&nbsp; and&nbsp; InvA(1)=1 mod 2=1&nbsp; exist and belong to&nbsp; Z2 &nbsp; &#8658; &nbsp; the criterion&nbsp; (D)&nbsp; is satisfied.  
 
+
#Similarly, the multiplicative inverse&nbsp; InvM(1)=1 &nbsp; &#8658; &nbsp; the criterion&nbsp; (E)&nbsp; is satisfied.<br>
*Die additiven Inversen&nbsp; InvA(0)=0&nbsp; und&nbsp; InvA(1)=1 mod 2=1&nbsp; existieren und gehören zu&nbsp; Z2.  
+
#The validity of the commutative law&nbsp; (F)&nbsp; in the set&nbsp; Z2&nbsp; can be recognized by the symmetry with respect to the table diagonals.  
*Ebenso gibt es die multiplikative Inverse&nbsp; InvM(1)=1 &nbsp; &#8658; &nbsp; die Kriterien&nbsp; (D)&nbsp; und&nbsp; (E)&nbsp; sind erfüllt.<br>
+
#The criteria&nbsp; (G)&nbsp; and&nbsp; (H)&nbsp; are also satisfied here&nbsp; &#8658; &nbsp; all eight criteria are satisfied&nbsp; &#8658; &nbsp; Z2=GF(2).<br>
 
 
*Die Gültigkeit des Kommutativgesetzes&nbsp; (F)&nbsp; in der Menge&nbsp; Z2&nbsp; erkennt man an der Symmetrie bezüglich der Tabellendiagonalen.  
 
*Die Kriterien&nbsp; (G)&nbsp; und&nbsp; (H)&nbsp; werden hier ebenfalls erfüllt &nbsp; &#8658; &nbsp; alle acht Kriterien sind erfüllt &nbsp; &#8658; &nbsp; Z2=GF(2).<br>
 
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;  Die Zahlenmenge&nbsp; Z3={0,1,2} &nbsp; &#8658; &nbsp; q=3&nbsp; erfüllt alle acht Kriterien und ist somit ein Galoisfeld&nbsp; GF(3):
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;  The number set&nbsp; Z3={0,1,2} &nbsp; &#8658; &nbsp; q=3&nbsp; satisfies all eight criteria and is thus a Galois field&nbsp; GF(3):
  
 
:$$Z_3 = \{0, 1, 2\}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition:      }  
 
:$$Z_3 = \{0, 1, 2\}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition:      }  
Line 120: Line 130:
 
                                                           1 & 1 & 2 & 0 \\  
 
                                                           1 & 1 & 2 & 0 \\  
 
                                                           2 & 2 & 0 & 1   
 
                                                           2 & 2 & 0 & 1   
\end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplikation:      }  
+
\end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplication:      }  
 
\left[ \begin{array}{c {{!}} cccccc} \cdot & 0 & 1  & 2\\ \hline  
 
\left[ \begin{array}{c {{!}} cccccc} \cdot & 0 & 1  & 2\\ \hline  
 
                                                           0 & 0 & 0 & 0 \\  
 
                                                           0 & 0 & 0 & 0 \\  
Line 130: Line 140:
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp;  Dagegen ist die Zahlenmenge&nbsp; Z4={0,1,2,3} &nbsp; &#8658; &nbsp; q=4&nbsp; kein Galoisfeld.  
+
$\text{Example 2:}$&nbsp;  In contrast,&nbsp; the number set&nbsp; Z4={0,1,2,3} &nbsp; &#8658; &nbsp; q=4&nbsp; is&nbsp; &raquo;'''not'''&laquo;&nbsp; a Galois field.  
*Der Grund hierfür ist, dass es hier zum Element&nbsp; z2=2&nbsp; keine multiplikative Inverse gibt. Bei einem Galoisfeld müsste nämlich gelten: &nbsp; 2InvM(2)=1.
+
*The reason for this is that here is no multiplicative inverse to the element&nbsp; z2=2.&nbsp; For a Galois field it would have to be true: &nbsp; 2InvM(2)=1.
*In der Multiplikationstabelle gibt es aber in der dritten Zeile und dritten Spalte  (jeweils gültig für den Multiplikanden&nbsp; $z_2 = 2)$&nbsp; keinen Eintrag mit &bdquo;$1$&rdquo;.
+
 
 +
*But in the multiplication table there is no entry with&nbsp; "$1$"&nbsp; in the third row and third column&nbsp; $($each valid for the multiplicand&nbsp; z2=2).
  
 
:$$Z_4 = \{0, 1, 2, 3\}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition:      }  
 
:$$Z_4 = \{0, 1, 2, 3\}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition:      }  
Line 140: Line 151:
 
                                                           2 & 2 & 3 & 0 & 1\\  
 
                                                           2 & 2 & 3 & 0 & 1\\  
 
                                                           3 & 3 & 0 & 1 & 2  
 
                                                           3 & 3 & 0 & 1 & 2  
\end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplikation:      }  
+
\end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplication:      }  
 
\left[ \begin{array}{c {{!}} cccccc} \cdot& 0 & 1  & 2 & 3\\ \hline  
 
\left[ \begin{array}{c {{!}} cccccc} \cdot& 0 & 1  & 2 & 3\\ \hline  
 
                                                           0 & 0 & 0 & 0 & 0\\  
 
                                                           0 & 0 & 0 & 0 & 0\\  
Line 146: Line 157:
 
                                                           2 & 0 & 2 & 0 & 2\\  
 
                                                           2 & 0 & 2 & 0 & 2\\  
 
                                                           3 & 0 & 3 & 2 & 1  
 
                                                           3 & 0 & 3 & 2 & 1  
\end{array} \right]\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{kein }{\rm GF}(4) .
+
\end{array} \right]\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{no }{\rm GF}(4) .
 
$$}}
 
$$}}
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Verallgemeinerung (vorerst ohne Beweis):}$
+
$\text{Generalization (without proof for now):}$
*Ein Galoisfeld&nbsp; GF(q)&nbsp; kann in der hier beschriebenen Weise als&nbsp; [[Kanalcodierung/Einige_Grundlagen_der_Algebra#Algebraischer_Ring_und_Beispiele| &bdquo;Ring&rdquo;]]&nbsp; von Integergrößen modulo&nbsp; q&nbsp; nur dann gebildet werden, wenn&nbsp; q&nbsp; eine Primzahl ist: &nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; q=2,&nbsp; q=3,&nbsp; q=5,&nbsp; q=7,&nbsp; q=11, ...<br>
+
*A Galois field&nbsp; GF(q)&nbsp; can be formed in the manner described here as&nbsp; [[Channel_Coding/Some_Basics_of_Algebra#Definition_and_examples_of_an_algebraic_ring| ring]]&nbsp; of integer sizes modulo&nbsp; q&nbsp; only if&nbsp; q&nbsp; is a prime number: &nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; q=2,&nbsp; q=3,&nbsp; q=5,&nbsp; q=7,&nbsp; q=11, ...<br>
  
*Kann man aber die Ordnung&nbsp; q&nbsp; in der Form&nbsp; q=Pm&nbsp; mit einer Primzahl&nbsp; P&nbsp; und ganzzahligem&nbsp; m&nbsp; ausdrücken, so lässt sich das Galoisfeld&nbsp; GF(q)&nbsp; über einen&nbsp; [[Kanalcodierung/Erweiterungskörper#Verallgemeinerte_Definition_eines_Erweiterungsk.C3.B6rpers|Erweiterungskörper]]&nbsp; finden.}}<br>
+
*But if the order&nbsp; q&nbsp; can be expressed in the form&nbsp; q=Pm&nbsp; with a prime&nbsp; P&nbsp; and integer&nbsp; m,&nbsp; the Galois field&nbsp; GF(q)&nbsp; can be found via an&nbsp; [[Channel_Coding/Extension_Field#Generalized_definition_of_an_extension_field|extension field]].&nbsp; }}<br>
  
== Gruppe, Ring, Körper – algebraische Grundbegriffe ==
+
== Group, ring, field - basic algebraic concepts ==
 
<br>
 
<br>
Auf den ersten Seiten sind bereits einige algebraische Grundbegriffe gefallen, ohne dass deren Bedeutungen genauer erläutert wurden. Dies soll nun in aller Kürze aus Sicht eines Nachrichtentechnikers nachgeholt werden, wobei wir uns vorwiegend auf die Darstellung in [Fri96]<ref name='Fri96'>Friedrichs, B.: ''Kanalcodierung – Grundlagen und Anwendungen in modernen Kommunikationssystemen.'' Berlin – Heidelberg: Springer, 1996.</ref> und [KM+08]<ref name='KM+08'>Kötter, R.; Mayer, T.; Tüchler, M.; Schreckenbach, F.; Brauchle, J.: ''Channel Coding.'' Vorlesungsmanuskript, Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU München, 2008.</ref> beziehen. Zusammenfassend lässt sich sagen:<br>
+
In the first sections,&nbsp; some basic algebraic terms have already been mentioned,&nbsp; without their meanings having been explained in more detail.&nbsp; This is to be made up now in all shortness from view of a communication engineer, whereby we mainly refer to the representation in&nbsp; [Fri96]<ref name='Fri96'>Friedrichs, B.:&nbsp; Kanalcodierung – Grundlagen und Anwendungen in modernen Kommunikationssystemen.&nbsp; Berlin – Heidelberg: Springer, 1996.</ref>&nbsp; and&nbsp; [KM+08]<ref name='KM+08'>Kötter, R.; Mayer, T.; Tüchler, M.; Schreckenbach, F.; Brauchle, J.:&nbsp; Channel Coding.&nbsp; Lecture manuscript, Chair of Communications Engineering, TU Munich, 2008.</ref>.&nbsp; To summarize:<br>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
Definition:&nbsp;  Ein <b>Galoisfeld</b> GF(q) ist ein ''Körper'' (englisch: <i>Field</i>) mit einer begrenzten Anzahl (q) an Elementen &nbsp; &#8658; &nbsp; <i>endlicher Körper</i>. Jeder Körper ist wieder ein Sonderfall eines ''Rings'' (gleichlautende englische Bezeichnung), der sich selbst wieder als Spezialfall einer ''Abelschen Gruppe'' (englisch: <i>Abelian Group</i>) darstellen lässt.}}<br>
+
Definition:&nbsp;   
 +
*A&nbsp; Galoisfield&nbsp; GF(q) is a&nbsp; "field"&nbsp; with a finite number&nbsp; (q)&nbsp; of elements &nbsp; &#8658; &nbsp; &raquo;'''finite field'''&laquo;.&nbsp;
  
[[File:KC_T_2_1_S2_version2.png|right|frame|Algebraische Zusammenhänge zwischen Gruppe, Ring und Körper|class=fit]]
+
*Each field is again a special case of a&nbsp; "ring",&nbsp; which itself can be represented again as a special case of an&nbsp; "Abelian group".}}<br>
Die Grafik verdeutlicht schrittweise, wie sich aus einer Menge durch Definition von Additition, Multiplikation und Division innerhalb dieser Menge M folgende untergeordnete Mengen ergeben:
 
*Abelsche Gruppe G  (englisch: <i>Field</i>&nbsp;) ,
 
*Ring R,  
 
*Körper K  (englisch: <i>Field</i> F),
 
*endlicher Körper Fq oder Galoisfeld GF(q).
 
<br clear=all>
 
Auf den beiden nächsten Seiten werden die hier genannten algebraischen Begriffe genauer behandelt. Zum Verstehen der Reed&ndash;Solomon&ndash;Codes sind diese Kenntnisse allerdings nicht unbedingt erforderlich. Sie könnten also auch direkt zum Kapitel [[Kanalcodierung/Erweiterungskörper| Erweiterungskörper]] springen.<br>  
 
  
 +
[[File:EN_KC_T_2_1_S2.png|right|frame|Algebraic relations between group, ring and field|class=fit]]
 +
The diagram illustrates step by step how the following subordinate sets arise from a set&nbsp; M&nbsp; by definition of addition, multiplication and division:
 +
*Abelian group&nbsp; G ,
 +
*ring&nbsp; R,
 +
*field&nbsp; F,
 +
*finite field&nbsp; Fq&nbsp; or Galois field&nbsp; GF(q).
  
== Definition und  Beispiele einer algebraischen Gruppe ==
+
 
 +
In the next two sections, the algebraic terms mentioned here will be discussed in more detail.
 +
*For understanding the Reed&ndash;Solomon codes, however, this knowledge is not absolutely necessary.
 +
 
 +
*So you could jump directly to the chapter&nbsp; [[Channel_Coding/Extension_Field#Verallgemeinerte_Definition_eines_Erweiterungsk.C3.B6rpers| "Extension Field"]]&nbsp;.<br>
 +
 
 +
 
 +
== Definition and examples of an algebraic group ==
 
<br>
 
<br>
Für die allgemeinen Definitionen von Gruppe (und später Ring) gehen wir von einer Menge mit unendlich vielen Elementen aus:
+
For the general definitions of&nbsp; "group"&nbsp; (and later&nbsp; "ring")&nbsp; we assume a set with infinitely many elements:
  
 
::<math>\mathcal{M} = \{\hspace{0.1cm}z_1,\hspace{0.1cm} z_2,\hspace{0.1cm} z_3 ,\hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm}\}\hspace{0.05cm}. </math>
 
::<math>\mathcal{M} = \{\hspace{0.1cm}z_1,\hspace{0.1cm} z_2,\hspace{0.1cm} z_3 ,\hspace{0.1cm}\text{ ...} \hspace{0.1cm}\}\hspace{0.05cm}. </math>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
Definition:&nbsp;  Eine <b>algebraische Gruppe</b> (G,+) ist eine (beliebige) Teilmenge $\mathcal{G} &#8834; \mathcal{M})$ zusammen mit einer zwischen allen Elementen definierten additiven Verknüpfung (&bdquo;+&rdquo;), allerdings nur dann, wenn die folgenden Eigenschaften zwingend erfüllt sind:
+
Definition:&nbsp;  A&nbsp; algebraic group&nbsp; (G,+)&nbsp; is an&nbsp; (arbitrary)&nbsp; subset&nbsp; \mathcal{G} &#8834; \mathcal{M}&nbsp; together with an additive linkage&nbsp; ("$+")$&nbsp; defined between all elements,&nbsp; but only if the following properties are necessarily satisfied:
*Für alle z_i, z_j &#8712; \mathcal{G} gilt (z_i + z_j) &#8712; \mathcal{G} &nbsp; &#8658; &nbsp; <i>Closure</i>&ndash;Kriterium für &bdquo;+&rdquo;.<br>
+
#For all&nbsp; z_i, z_j &#8712; \mathcal{G}&nbsp; holds&nbsp; (z_i + z_j) &#8712; \mathcal{G} &nbsp; &#8658; &nbsp; "Closure&ndash;criterion for&nbsp; +".<br>
*Es gibt stets ein hinsichtlich der Addition neutrales Element N_{\rm A} &#8712; \mathcal{G}, so dass für alle z_i &#8712; \mathcal{G} gilt: &nbsp; zi+NA=zi. Bei einer Zahlengruppe ist NA0.<br>
+
#There is always a neutral element&nbsp; N_{\rm A} &#8712; \mathcal{G}&nbsp; with respect to addition,&nbsp; so that for all&nbsp; z_i &#8712; \mathcal{G} holds: &nbsp; zi+NA=zi.&nbsp; Given a group of numbers: &nbsp; NA0.<br>
 +
#For all&nbsp; z_i &#8712; \mathcal{G}&nbsp; there is an inverse element&nbsp; {\rm Inv_A}(z_i) &#8712; \mathcal{G}&nbsp; with respect to addition:&nbsp; zi+InvA(zi)=NA.&nbsp; For a number group:&nbsp; InvA(zi)=zi.<br>
 +
#For all&nbsp; z_i, z_j, z_k &#8712; \mathcal{G}&nbsp; holds:&nbsp; zi+(zj+zk)=(zi+zj)+zk &nbsp; &#8658; &nbsp; "Associative law&nbsp; for&nbsp; +".<br>
 +
#If in addition for all&nbsp; z_i, z_j &#8712; \mathcal{G}&nbsp; the&nbsp; "commutative law"&nbsp; zi+zj=zj+zi&nbsp; is satisfied,&nbsp; one speaks of a&nbsp;  "commutative group"&nbsp; or an&nbsp;  "Abelian group",&nbsp; named after the Norwegian mathematician&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Niels_Henrik_Abel Niels Hendrik Abel].}}<br>
  
*Für alle $z_i &#8712; \mathcal{G}gibteszudemeinhinsichtlichderAdditioninversesElement{\rm Inv_A}(z_i) &#8712; \mathcal{G}$ mit der Eigenschaft $z_i + {\rm Inv_A}(z_i)= N_{\rm A} $. Bei einer Zahlengruppe ist InvA(zi)=zi.<br>
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Examples of algebraic groups:}$
  
*Für alle $z_i, z_j, z_k &#8712; \mathcal{G}$ gilt: $z_i + (z_j + z_k)= (z_i + z_j) + z_k)$ &nbsp;&#8658;&nbsp; ''Assoziativgesetz'' für &bdquo;$+$&rdquo;.<br><br>
+
'''(1)'''&nbsp; The&nbsp; "set of rational numbers"&nbsp; is defined as the set of all quotients&nbsp; I/J&nbsp; with integers&nbsp; I&nbsp; and&nbsp; J &ne; 0.
 +
:This set is a group&nbsp; $(\mathcal{G}, +)$&nbsp; with respect to addition,&nbsp; since
 +
:*for all&nbsp; $a &#8712; \mathcal{G}$&nbsp; and&nbsp; b &#8712; \mathcal{G}&nbsp; also the sum&nbsp; a+b&nbsp; belongs to&nbsp; G&nbsp;,<br>
 +
:*the associative law applies,<br>
 +
:*with&nbsp; $ N_{\rm A} = 0&nbsp; the neutral element of the addition is contained in&nbsp;\mathcal{G}$&nbsp; and<br>
 +
:*it exists for each&nbsp; a&nbsp; the additive inverse&nbsp; ${\rm Inv_A}(a) = -a$&nbsp;.<br>
 +
:Since moreover the commutative law is fulfilled,&nbsp; it is an&nbsp; "abelian group".<br>
  
Wird zusätzlich für alle  $z_i, z_j &#8712; \mathcal{G}$ das ''Kommutativgesetz'' $z_i + z_j= z_j + z_i$ erfüllt, so spricht man von einer ''kommutativen Gruppe'' oder einer '''Abelschen Gruppe''', benannt nach dem norwegischen Mathematiker [https://de.wikipedia.org/wiki/Niels_Henrik_Abel Niels Hendrik Abel].}}<br>
+
'''(2)'''&nbsp; The&nbsp; "set of natural numbers" &nbsp; &rArr; &nbsp; $\{0, 1, 2, \text{...}\}$&nbsp; is not an algebraic group with respect to addition, <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; since for no single element&nbsp; zi&nbsp; there exists the additive inverse&nbsp; ${\rm Inv_A}(z_i) = -z_i$&nbsp;.<br>
  
{{GraueBox|TEXT= 
+
'''(3)'''&nbsp; The&nbsp; "bounded set of natural numbers" &nbsp; &rArr; &nbsp; $\{0, 1, 2, \text{...}\hspace{0.05cm}, q\hspace{-0.05cm}-\hspace{-0.05cm}1\}$&nbsp; on the other hand then satisfies the conditions on a group&nbsp; $(\mathcal{G}, +), <br> &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; if one defines the addition modulo&nbsp;q$.
$\text{Beispiele für algebraische Gruppen:}$
 
  
'''(1)'''&nbsp; Die <i>Menge der rationalen Zahlen</i> ist definiert als die Menge aller Quotienten I/J mit ganzen Zahlen I und $J &ne; 0$. Diese Menge ist eine Gruppe $(\mathcal{G}, +)$ hinsichtlich der Addition, da
+
'''(4)'''&nbsp; On the other hand,&nbsp; $\{1, 2, 3, \text{...}\hspace{0.05cm},q\}$&nbsp; is not a group because the neutral element of addition&nbsp; $(N_{\rm A} = 0)$&nbsp; is missing.}}<br>
*für alle $a &#8712; \mathcal{G}undb &#8712; \mathcal{G}auchdieSummea+bwiederzu\mathcal{G}$ gehört,<br>
 
*das Assozitativgesetz gilt,<br>
 
*mit NA=0 das neutrale Element der Addition in $\mathcal{G}$ enthalten ist, und<br>
 
*es für jedes a die additive Inverse ${\rm Inv_A}(a) = -a$ existiert.<br><br>
 
  
Da zudem das Kommutativgesetz erfüllt ist, handelt es sich um eine <i>abelsche Gruppe</i>.<br>
+
== Definition and examples of an algebraic ring  ==
 +
<br>
 +
According to the&nbsp; [[Channel_Coding/Some_Basics_of_Algebra#Group.2C_ring.2C_field_-_basic_algebraic_concepts|overview graphic]]&nbsp;
 +
*one gets from the group&nbsp; (G,+)&nbsp;
  
'''(2)'''&nbsp; Die <i>Menge der natürlichen Zahlen</i>, $\{0, 1, 2, \text{...}\}$, ist hinsichtlich Addition keine algebraische Gruppe, da es für kein einziges Element zi die additive Inverse ${\rm Inv_A}(z_i) = -z_i$ gibt.<br>
+
*by defining a second arithmetic operation&nbsp; "multiplication"&nbsp; ("")&nbsp; to the&nbsp; "ring"&nbsp; $(\mathcal{R}, +, \cdot)$.&nbsp;
  
'''(3)'''&nbsp; Die <i>begrenzte natürliche Zahlenmenge</i>, {0,1,2,...,q1},  erfüllt dagegen dann die Bedingungen an eine Gruppe (G,+), wenn man die Addition modulo q definiert.
 
  
'''(4)'''&nbsp; Dagegen ist {1,2,3,...,q} keine Gruppe, da das neutrale Element der Addition (NA=0) fehlt.}}<br>
+
So you need a multiplication table as well as an addition table for this.<br>
 
 
== Definition und  Beispiele eines algebraischen Rings  ==
 
<br>
 
Entsprechend der [[Kanalcodierung/Einige_Grundlagen_der_Algebra#Gruppe.2C_Ring.2C_K.C3.B6rper_.E2.80.93_algebraische_Grundbegriffe |Übersichtsgrafik]] kommt man von der Gruppe (G,+) durch Definition einer zweiten Rechenoperation &ndash; der Multiplikation (&bdquo;&rdquo;) &ndash; zum Ring (R,+,). Man benötigt hierfür also neben einer Additionstabelle auch eine Multiplikationstabelle.<br>
 
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
Definition:&nbsp; Eine <b>algebraischer Ring</b> (R,+,) ist eine Teilmenge $\mathcal{R} &#8834; \mathcal{G} &#8834; \mathcal{M})zusammen mit zwei in dieser Menge definierten Rechenoperationen, der Addition (&bdquo;+$&rdquo;) und der Multiplikation (&bdquo;&middot;&rdquo;). Dabei müssen die folgenden Eigenschaften erfüllt werden:
+
Definition:&nbsp; A&nbsp; algebraic ring &nbsp; (R,+,) &nbsp; is a subset&nbsp; \mathcal{R} &#8834; \mathcal{G} &#8834; \mathcal{M}&nbsp; together with two arithmetic operations defined in this set,  
*Hinsichtlich der Addition ist  der Ring$(\mathcal{R}, +, \cdot)eine [[Kanalcodierung/Einige_Grundlagen_der_Algebra#Definition_und_Beispiele_einer_algebraischen_Gruppe|Abelsche Gruppe]](\mathcal{G}, +)$.<br>
+
*addition&nbsp; ("$+$")&nbsp;  
*Zusätzlich gilt für alle $z_i, z_j &#8712; \mathcal{R}$ auch $(z_i \cdot z_j) &#8712; \mathcal{R}$ &nbsp; &#8658; &nbsp; <i>Closure</i>&ndash;Kriterium für &bdquo;&rdquo;.<br>
+
*and multiplication&nbsp; ("$&middot;$").&nbsp;  
*Es gibt stets auch ein hinsichtlich der Multiplikation neutrales Element $N_{\rm M} &#8712; \mathcal{R}$, so dass für alle $z_i &#8712; \mathcal{R}$ gilt: &nbsp; ziNM=zi. Bei einer Zahlengruppe ist stets  NM=1.<br>
 
  
*Für alle z_i, z_j, z_k &#8712; \mathcal{R} gilt: &nbsp; zi+(zj+zk)=(zi+zj)+zk &nbsp; &#8658; &nbsp; ''Assoziativgesetz'' für &bdquo;&rdquo;.<br>
 
  
*Für alle z_i, z_j, z_k &#8712; \mathcal{R} gilt: &nbsp; zi(zj+zk)=zizj+zizk &nbsp; &#8658; &nbsp; ''Distributivgesetz'' für &bdquo;&rdquo;.}}<br>
+
The following properties must be satisfied:
 +
#In terms of addition,&nbsp; the ring&nbsp; (R,+,)&nbsp; is an&nbsp; [[Channel_Coding/Some_Basics_of_Algebra#Definition_and_examples_of_an_algebraic_group|Abelian group]]&nbsp; (G,+).<br>
 +
#In addition,&nbsp; for all&nbsp; z_i, z_j &#8712; \mathcal{R}&nbsp; also&nbsp; (z_i \cdot z_j) &#8712; \mathcal{R} &nbsp; &#8658; &nbsp; "Closure criterion for&nbsp; ".<br>
 +
#There is always also a neutral element&nbsp; N_{\rm M} &#8712; \mathcal{R}&nbsp; with respect to multiplication,&nbsp; so that for all&nbsp; z_i &#8712; \mathcal{R}&nbsp; holds: &nbsp; ziNM=zi.&nbsp; For a number group:&nbsp;  NM1.<br>
 +
#For all&nbsp; z_i, z_j, z_k &#8712; \mathcal{R}&nbsp; holds: &nbsp; zi+(zj+zk)=(zi+zj)+zk &nbsp; &#8658; &nbsp; "Associative law&nbsp; for&nbsp; ".<br>
 +
#For all&nbsp; z_i, z_j, z_k &#8712; \mathcal{R} holds: &nbsp; zi(zj+zk)=zizj+zizk &nbsp; &#8658; &nbsp; "Distributive law&nbsp; for&nbsp; ".}}<br>
  
Weiter sollen die folgenden Vereinbarungen gelten:
+
Further the following agreements shall hold:
*Ein Ring (R,+,) ist nicht notwendigerweise kommutativ. Gilt tatsächlich auch für alle Elemente z_i, z_j &#8712; \mathcal{R} das ''Kommutativgesetz'' zizj=zjzi hinsichtlich der Multiplikation, so spricht man in der Fachliteratur von einem '''kommutativen Ring'''.  
+
*A ring&nbsp; (R,+,)&nbsp; is not necessarily commutative.&nbsp; If in fact the&nbsp; "commutative law"&nbsp; also holds for all elements&nbsp; z_i, z_j &#8712; \mathcal{R}&nbsp; with respect to multiplication&nbsp; $(z_i \cdot z_j= z_j \cdot z_i)$&nbsp; then it is called  in the technical literature a&nbsp; &raquo;'''commutative ring'''&laquo;.
*Existiert für jedes Element z_i &#8712; \mathcal{R} mit Ausnahme von NA (neutrales Element der Addition, Nullelement) ein hinsichtlich der Multiplikation inverses Element InvM(zi), so dass ziInvM(zi)=1 gilt, so liegt ein <b>Divisionsring</b> (englisch: <i>Division Ring</i>) vor.<br>
+
*Der Ring ist <b>nullteilerfrei</b> (englisch: <i>free of zero devisors</i>), wenn aus zizj=0 zwingend zi=0 oder zj=0 folgt. In der abstrakten Algebra ist ein Nullteiler eines Ringes ein vom Nullelement verschiedenes Element zi, falls es ein Element zj0 gibt, so dass das Produkt  zizj=0 ist.<br>
+
*Exists for each element&nbsp; z_i &#8712; \mathcal{R}&nbsp; except&nbsp; $N_{\rm A}$&nbsp; $($neutral element of addition,&nbsp; zero element$)$&nbsp; an element&nbsp; InvM(zi)&nbsp;  inverse with respect to multiplication such that&nbsp; ziInvM(zi)=1&nbsp; holds, then there is a&nbsp; &raquo;<b>division ring</b>&laquo;.<br>
*Ein kommutativer nullteilerfreier Ring wird als <b>Integritätsring</b> oder <b>Integritätsbereich</b> (englisch: <i>Integral Domain</i>) bezeichnet.<br><br>
 
  
{{BlaueBox|TEXT=
+
*The ring is&nbsp; &raquo;<b>free of zero divisors</b>&laquo;&nbsp; if from&nbsp; zizj=0&nbsp; follows necessarily&nbsp; zi=0&nbsp; or&nbsp; $z_j = 0$.&nbsp; In abstract algebra,&nbsp; a zero divisor of a ring is an element&nbsp; zi different from the zero element if there exists an element&nbsp; zj0&nbsp; such that the product&nbsp; $z_i \cdot z_j = 0$&nbsp;.<br>
$\text{Fazit:}$&nbsp;
 
  
Vergleicht man die Definitionen von [[Kanalcodierung/Einige_Grundlagen_der_Algebra#Definition_und_Beispiele_einer_algebraischen_Gruppe| Gruppe]], Ring (siehe oben), [[Aufgaben:2.1_Gruppe,_Ring,_Körper|Körper]] und [[Kanalcodierung/Einige_Grundlagen_der_Algebra#Definition_eines_Galoisfeldes| Galoisfeld]], so erkennt man, dass ein Galoisfeld GF(q)
+
*A commutative ring free of zero divisors is called&nbsp; &raquo;<b>integral domain</b>&laquo;.<br><br>
*ein endlicher Körper (englisch: <i>Field</i>&nbsp;) mit q Elementen ist,<br>
 
  
*gleichzeitig als <i>Commutative Division Ring</i> aufgefasst werden kann, und auch <br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 
+
Conclusion:&nbsp;  Comparing the definitions of&nbsp; [[Channel_Coding/Some_Basics_of_Algebra#Definition_and_examples_of_an_algebraic_group| group]],&nbsp; "ring"&nbsp; (see above), [[Aufgaben:Aufgabe_2.1:_Gruppe,_Ring,_Körper|field]]&nbsp; and&nbsp; [[Channel_Coding/Some_Basics_of_Algebra#Definition_of_a_Galois_field|Galois field]],&nbsp; we recognize that a&nbsp; &raquo;'''Galois field'''&laquo;&nbsp; GF(q)
*einen Integritätsbereich (englisch: <i>Integral Domain</i>&nbsp;) beschreibt.}}<br><br>
+
#is a finite field with&nbsp; q&nbsp; elements,<br>
 +
#is at the same time a&nbsp; "commutative division ring",&nbsp; and <br>
 +
#also describes an&nbsp; "integral domain".}}<br><br>
  
== Aufgaben zum Kapitel ==
+
== Exercises for the chapter ==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:2.1_Gruppe,_Ring,_Körper|Aufgabe 2.1: Gruppe, Ring, Körper]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.1:_Group,_Ring,_Field|Exercise 2.1: Group, Ring, Field]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.1Z:_Welche_Tabellen_beschreiben_Gruppen%3F|Aufgabe 2.1Z: Welche Tabellen beschreiben Gruppen?]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.1Z:_Which_Tables_Describe_Groups%3F|Exercise 2.1Z: Which Tables Describe Groups?]]
  
[[Aufgaben:2.2_Eigenschaften_von_Galoisfeldern|Aufgabe 2.2: Eigenschaften von Galoisfeldern]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.2:_Properties_of_Galois_Fields|Exercise 2.2: Properties of Galois Fields]]
  
[[Aufgaben:2.2Z_Galoisfeld_GF(5)|Aufgabe 2.2Z: Galoisfeld GF(5)]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.2Z:_Galois_Field_GF(5)|Exercise 2.2Z: Galois Field GF(5)]]
  
==Quellenverzeichnis==
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==References==
 
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Latest revision as of 16:09, 19 November 2022

# OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER #


This chapter discusses the  »Reed-Solomon codes«,  invented in the early 1960s by  Irving Stoy Reed  and  Gustave Solomon.  Unlike binary block codes,  these codes are based on a Galois field   GF(2m)   with  m>1.  So they work with multi-level symbols instead of binary characters  ("bits").

Specifically,  this chapter covers:

  • The basics of  »linear algebra«:   »set«,   »group«,   »ring«,   »field«,  finite field«,
  • the definition of  »extension fields«   ⇒   GF(2m)  and the corresponding operations,
  • the meaning of  »irreducible polynomials«   and  »primitive elements«,
  • the  »description and realization possibilities«   of a Reed-Solomon code,
  • the error correction of such a code at the  »binary ersaure channel«   (BEC),
  • the decoding using the  »Error Locator Polynomial   ⇒   "Bounded Distance Decoding"   (BDD),
  • the  »block error probability«   of Reed-Solomon codes  and   »typical applications«.



Definition of a Galois field


Before we can turn to the description of  Reed–Solomon codes,  we need some basic algebraic notions.  We begin with the properties of the Galois field   GF(q),  named after the Frenchman  Évariste Galois, whose biography is rather unusual for a mathematician.

Definition:  A   Galoisfield  GF(q)  is a  finite field  with  q  elements  z0z1,  ... ,  zq1, if the eight statements listed below  (A)  ...  (H)  with respect to  "addition"   ⇒   "+"   and  "multiplication"  ⇒  ""   are true.

  • Addition and multiplication are to be understood here modulo  q .
  • The  order  q  indicates the number of elements of the Galois field.


Criteria of a Galois field: 

(A)  GF(q)  is closed Closure:

ziGF(q),zjGF(q):(zi+zj)GF(q),(zizj)GF(q).

(B)  There is a neutral element  NA  with respect to addition,  the so-called  "zero element" Identity for "+":

zjGF(q):zi+zj=zizj=NA= 0.

(C)  There is a neutral element  NM  with respect to multiplication,  the so-called  "identity element" Identity for "·":

zjGF(q):zizj=zizj=NM=1.

(D)  For each  zi  there exists an  "additive inverse"   InvA(zi) Inverse for "+":

ziGF(q),InvA(zi)GF(q):zi+InvA(zi)=NA=0short:InvA(zi)=zi.

(E)  For each  zi  except the zero element,  there exists the  "multiplicative inverse"   InvM(zi) Inverse for "":

ziGF(q),ziNA,InvM(zi)GF(q):ziInvM(zi)=NM=1short:InvM(zi)=z1i.

(F)  For addition and multiplication applies in each case the  "Commutative Law":

zi,zjGF(q):zi+zj=zj+zi,zizj=zjzi.

(G)  For addition and multiplication applies in each case the  "Associative Law":

zi,zj,zkGF(q):(zi+zj)+zk=zi+(zj+zk),(zizj)zk=zi(zjzk).

(H)  For the combination  "addition – multiplication"  holds the  "Distributive Law":

zi,zj,zkGF(q):(zi+zj)zk=zizk+zjzk.



Examples and properties of Galois fields


We first check that for the binary number set  Z2={0,1}   ⇒   q=2   (valid for the simple binary code)

  • the eight criteria mentioned in the last section are met,
  • so that we can indeed speak of  "GF(2)".


You can see the addition table and multiplication table below:

Z2={0,1}Addition: [+01001110],Multiplication: [01000101]GF(2).

One can see from this representation:

  1. Each element of the addition and multiplication table of  Z2  is again  z0=0  or  z0=1   ⇒   the criterion  (A)  is satisfied.
  2. The set  Z2  contains the zero element  (NA=z0=0)  and the one element (NM=z1=1)  ⇒   the criteria  (B)  and  (C)  are satisfied.
  3. The additive inverses  InvA(0)=0  and  InvA(1)=1 mod 2=1  exist and belong to  Z2   ⇒   the criterion  (D)  is satisfied.
  4. Similarly, the multiplicative inverse  InvM(1)=1   ⇒   the criterion  (E)  is satisfied.
  5. The validity of the commutative law  (F)  in the set  Z2  can be recognized by the symmetry with respect to the table diagonals.
  6. The criteria  (G)  and  (H)  are also satisfied here  ⇒   all eight criteria are satisfied  ⇒   Z2=GF(2).


Example 1:  The number set  Z3={0,1,2}   ⇒   q=3  satisfies all eight criteria and is thus a Galois field  GF(3):

Z3={0,1,2}Addition: [+012001211202201],Multiplication: [012000010122021]GF(3).


Example 2:  In contrast,  the number set  Z4={0,1,2,3}   ⇒   q=4  is  »not«  a Galois field.

  • The reason for this is that here is no multiplicative inverse to the element  z2=2.  For a Galois field it would have to be true:   2InvM(2)=1.
  • But in the multiplication table there is no entry with  "1"  in the third row and third column  (each valid for the multiplicand  z2=2).
Z4={0,1,2,3}Addition: [+012300123112302230133012],Multiplication: [012300000101232020230321]no GF(4).


Generalization (without proof for now):

  • A Galois field  GF(q)  can be formed in the manner described here as  ring  of integer sizes modulo  q  only if  q  is a prime number:  
        q=2q=3q=5q=7q=11, ...
  • But if the order  q  can be expressed in the form  q=Pm  with a prime  P  and integer  m,  the Galois field  GF(q)  can be found via an  extension field


Group, ring, field - basic algebraic concepts


In the first sections,  some basic algebraic terms have already been mentioned,  without their meanings having been explained in more detail.  This is to be made up now in all shortness from view of a communication engineer, whereby we mainly refer to the representation in  [Fri96][1]  and  [KM+08][2].  To summarize:

Definition: 

  • Galoisfield  GF(q) is a  "field"  with a finite number  (q)  of elements   ⇒   »finite field«. 
  • Each field is again a special case of a  "ring",  which itself can be represented again as a special case of an  "Abelian group".


Algebraic relations between group, ring and field

The diagram illustrates step by step how the following subordinate sets arise from a set  M  by definition of addition, multiplication and division:

  • Abelian group  G ,
  • ring  R,
  • field  F,
  • finite field  Fq  or Galois field  GF(q).


In the next two sections, the algebraic terms mentioned here will be discussed in more detail.

  • For understanding the Reed–Solomon codes, however, this knowledge is not absolutely necessary.


Definition and examples of an algebraic group


For the general definitions of  "group"  (and later  "ring")  we assume a set with infinitely many elements:

M={z1,z2,z3, ...}.

Definition:  A  algebraic group  (G,+)  is an  (arbitrary)  subset  GM  together with an additive linkage  ("+")  defined between all elements,  but only if the following properties are necessarily satisfied:

  1. For all  zi,zjG  holds  (zi+zj)G   ⇒   "Closure–criterion for  +".
  2. There is always a neutral element  NAG  with respect to addition,  so that for all  ziG holds:   zi+NA=zi.  Given a group of numbers:   NA0.
  3. For all  ziG  there is an inverse element  InvA(zi)G  with respect to addition:  zi+InvA(zi)=NA.  For a number group:  InvA(zi)=zi.
  4. For all  zi,zj,zkG  holds:  zi+(zj+zk)=(zi+zj)+zk   ⇒   "Associative law  for  +".
  5. If in addition for all  zi,zjG  the  "commutative law"  zi+zj=zj+zi  is satisfied,  one speaks of a  "commutative group"  or an  "Abelian group",  named after the Norwegian mathematician  Niels Hendrik Abel.


Examples of algebraic groups:

(1)  The  "set of rational numbers"  is defined as the set of all quotients  I/J  with integers  I  and  J0.

This set is a group  (G,+)  with respect to addition,  since
  • for all  aG  and  bG  also the sum  a+b  belongs to  G ,
  • the associative law applies,
  • with  NA=0  the neutral element of the addition is contained in  G  and
  • it exists for each  a  the additive inverse  InvA(a)=a .
Since moreover the commutative law is fulfilled,  it is an  "abelian group".

(2)  The  "set of natural numbers"   ⇒   {0,1,2,...}  is not an algebraic group with respect to addition,
          since for no single element  zi  there exists the additive inverse  InvA(zi)=zi .

(3)  The  "bounded set of natural numbers"   ⇒   {0,1,2,...,q1}  on the other hand then satisfies the conditions on a group  (G,+),
          if one defines the addition modulo  q.

(4)  On the other hand,  {1,2,3,...,q}  is not a group because the neutral element of addition  (NA=0)  is missing.


Definition and examples of an algebraic ring


According to the  overview graphic 

  • one gets from the group  (G,+) 
  • by defining a second arithmetic operation  "multiplication"  ("")  to the  "ring"  (R,+,)


So you need a multiplication table as well as an addition table for this.

Definition:  A  algebraic ring   (R,+,)   is a subset  RGM  together with two arithmetic operations defined in this set,

  • addition  ("+") 
  • and multiplication  ("·"). 


The following properties must be satisfied:

  1. In terms of addition,  the ring  (R,+,)  is an  Abelian group  (G,+).
  2. In addition,  for all  zi,zjR  also  (zizj)R   ⇒   "Closure criterion for  ".
  3. There is always also a neutral element  NMR  with respect to multiplication,  so that for all  ziR  holds:   ziNM=zi.  For a number group:  NM1.
  4. For all  zi,zj,zkR  holds:   zi+(zj+zk)=(zi+zj)+zk   ⇒   "Associative law  for  ".
  5. For all  zi,zj,zkR holds:   zi(zj+zk)=zizj+zizk   ⇒   "Distributive law  for  ".


Further the following agreements shall hold:

  • A ring  (R,+,)  is not necessarily commutative.  If in fact the  "commutative law"  also holds for all elements  zi,zjR  with respect to multiplication  (zizj=zjzi)  then it is called in the technical literature a  »commutative ring«.
  • Exists for each element  ziR  except  NA  (neutral element of addition,  zero element)  an element  InvM(zi)  inverse with respect to multiplication such that  ziInvM(zi)=1  holds, then there is a  »division ring«.
  • The ring is  »free of zero divisors«  if from  zizj=0  follows necessarily  zi=0  or  zj=0.  In abstract algebra,  a zero divisor of a ring is an element  zi different from the zero element if there exists an element  zj0  such that the product  zizj=0 .
  • A commutative ring free of zero divisors is called  »integral domain«.

Conclusion:  Comparing the definitions of  group,  "ring"  (see above), field  and  Galois field,  we recognize that a  »Galois field«  GF(q)

  1. is a finite field with  q  elements,
  2. is at the same time a  "commutative division ring",  and
  3. also describes an  "integral domain".



Exercises for the chapter


Exercise 2.1: Group, Ring, Field

Exercise 2.1Z: Which Tables Describe Groups?

Exercise 2.2: Properties of Galois Fields

Exercise 2.2Z: Galois Field GF(5)

References

  1. Friedrichs, B.:  Kanalcodierung – Grundlagen und Anwendungen in modernen Kommunikationssystemen.  Berlin – Heidelberg: Springer, 1996.
  2. Kötter, R.; Mayer, T.; Tüchler, M.; Schreckenbach, F.; Brauchle, J.:  Channel Coding.  Lecture manuscript, Chair of Communications Engineering, TU Munich, 2008.