Channel Coding/Extension Field

1. Channel Coding
2. Reed–Solomon–Codes und deren Decodierung
3. Extension Field

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GF(2²) – Beispiel eines Erweiterungskörpers

Im Abschnitt  $\text{Beispiel 2}$  im Kapitel „Einige Grundlagen der Algebra" wurde bereits gezeigt, dass die  endliche Zahlenmenge  $\{0, 1, 2, 3\}$   ⇒   $q = 4$  nicht die Eigenschaften eines Galoisfeldes  $\rm GF(4)$  erfüllt. Vielmehr ergeben sich für die Addition  modulo 4 und die Multiplikation  modulo 4 folgende Tabellen:

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm}{\it q} = 4\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm}\text{Addition: } \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 &2 & 3 \\ \hline 0 & 0 & 1 &2 & 3 \\ 1 & 1 & 2 &3 & 0 \\ 2 & 2 & 3 &0 & 1 \\ 3 & 3 & 0 &1 & 2 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.25cm}\text{Multiplikation: } \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 &2 & 3 \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & 2 & 3 \\ 2 & 0 & 2 & 0 & 2 \\ 3 & 0 & 3 & 2 & 1 \\ \end{array} \right] . $$

Für  $z_i = 2$  gibt es keine multiplikative Inverse  ${\rm Inv_M}(z_i)$. Dies erkennt man daran, dass kein einziges Element  $z_i ∈ \{0, 1, 2, 3\}$  die Bedingung  $2 · z_i = 1$  erfüllt.

Geht man dagegen vom binären Galoisfeld  ${\rm GF}(2) = \{0, 1\}$  aus und erweitert dieses entsprechend der Gleichung

\[{\rm GF}(2^2)= \big\{k_0+k_1\cdot \alpha \ \big | \ k_0, k_1\in{\rm GF}(2) = \{ 0, 1\} \big \}\hspace{0.05cm}, \]

so ergibt sich die ebenfalls  endliche Menge  $\{0, 1, \alpha, 1 + \alpha\}$   ⇒   die Ordnung ist weiterhin  $q=4$.

Führt man die Rechenoperationen modulo  $p(\alpha) = \alpha^2 + \alpha + 1$  durch, so erhält man das folgende Ergebnis:

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm}{\it p}(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ 1 & 1 & 0 & 1\!+\!\alpha & \alpha \\ \alpha & \alpha & 1\!+\!\alpha & 0 & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \alpha & 0 & \alpha & 1\!+\!\alpha & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 0 & 1\!+\!\alpha & 1 & \alpha \end{array} \right] .$$

Hierzu ist anzumerken:

• Die neutralen Elemente der Addition bzw. Multiplikation sind weiterhin  $N_{\rm A} = 0$  und  $N_{\rm M} = 1$.

• Da bei Modulo–Ausführung kein Unterschied zwischen Addition und Subtraktion besteht, ist  $\alpha + \alpha = \alpha - \alpha = 0$.
• Für alle  $z_i$  gilt somit:   Die additive Inverse von  $z_i$  ist das Element  $z_i$  selbst.

• Die Einträge in der Multiplikationstabelle ergeben sich nach folgenden Berechnungen:

\[\big [ \alpha \cdot (1+\alpha) \big ] \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} p(\alpha) = (\alpha^2 + \alpha) \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} (\alpha^2 + \alpha + 1)= 1\hspace{0.05cm},\]

\[\big [ \alpha \cdot \alpha \big ] \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} p(\alpha) = (\alpha^2 ) \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} (\alpha^2 + \alpha + 1)= 1+\alpha\hspace{0.05cm},\]

\[\big [ (1+\alpha) \cdot (1+\alpha) \big ] \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} p(\alpha) = (\alpha^2 + 1) \hspace{0.15cm}{\rm mod} \hspace{0.15cm} (\alpha^2 + \alpha + 1)= \alpha\hspace{0.05cm}.\]

• Damit existieren für alle Elemente mit Ausnahme des Nullelements die multiplikativen Inversen:

\[{\rm Inv_M}( 1) = 1 \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Inv_M}(\alpha) = 1+\alpha \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm Inv_M}(1+\alpha) = \alpha \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Zwischenergebnis:}$ 

• Die Menge  $\{0, \ 1, \ \alpha, \ 1 + \alpha\}$  stellt zusammen mit den beiden Operationen Addition  und Multiplikation  modulo  $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1$  ein Galoisfeld dar. Die Ordnung ist  $q = 4$.
• Dieses mit  $\rm GF(2^2) = GF(4)$  bezeichnete Galoisfeld erfüllt alle im  vorherigen Kapitel   genannten Anforderungen.
  
• Im Gegensatz zum Zahlenkörper  $\rm GF(3) = \{0, \ 1, \ 2\}$  mit der Eigenschaft, dass  $q = 3$  eine Primzahl ist, nennt man  $\rm GF(2^2)$  einen  Erweiterungskörper   (englisch:  Extension Field ).

Reduzible und irreduzible Polynome

Das Polynom  $p(\alpha)$  und damit die Bestimmungsgleichung  $p(\alpha) = 0$  darf nicht beliebig vorgegeben werden. Das auf der letzten Seite verwendete Polynom 

$$p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1$$

ist geeignet. Nun versuchen wir es mit einem anderen Polynom, nämlich  $p(\alpha)= \alpha^2 + 1$.

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm}{\it p}(\alpha)= \alpha^2 + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ 1 & 1 & 0 & 1\!+\!\alpha & \alpha \\ \alpha & \alpha & 1\!+\!\alpha & 0 & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \alpha & 0 & \alpha & 1 &1\!+\!\alpha \\ 1\!+\!\alpha & 0 & 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & 0 \end{array} \right] .$$

Die Additionstabelle ist in beiden Fällen identisch und auch die Multiplikationstabellen unterscheiden sich nur durch die vier Einträge in den beiden unteren Zeilen und den beiden hinteren Spalten:

• Aus  $p(\alpha) = 0$  folgt nun für das Produkt  $\alpha \cdot \alpha = 1$  und das Produkt  $(1 +\alpha) \cdot (1 +\alpha) $  ergibt das Nullelement. Das gemischte Produkt ist  $\alpha \cdot (1 +\alpha) = 1 +\alpha $.
  

• In der letzten Zeile der Multiplikationstabelle und auch in der letzten Spalte steht nun keine „$1$"   ⇒   Hinsichtlich der Bedingung  $p(\alpha)= \alpha^2 + 1= 0$  existiert demzufolge die multiplikative Inverse zu  $1 +\alpha$  nicht.
  

• Damit erfüllt aber die endliche Menge  $\{0, \ 1, \ \alpha, \ 1 + \alpha\}$ zusammen mit Rechenoperationen modulo  $p(\alpha)= \alpha^2 + 1$  auch nicht die Voraussetzungen eines Erweiterungskörpers  $\rm GF(2^2) $.
  
  

$\text{Fassen wir zusammen:}$ 

Aus dem binären Galoisfeld  $\rm GF(2) = \{0, \ 1\}$  lässt sich unter Zuhilfenahme eines Polynoms vom Grad  $m = 2$  mit binären Koeffizienten,

\[p(x) = x^2 + k_1 \cdot x + k_0 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.45cm}k_0\hspace{0.05cm},\hspace{0.1cm}k_1 \in \{0, 1\} \hspace{0.05cm},\]

ein Erweiterungskörper  $\rm GF(2^2)$  formulieren.   Anmerkung:   Die Umbenennung der Variablen  $\alpha$  in  $x$  hat nur formale Bedeutung im Hinblick auf spätere Seiten.

• Im vorliegenden Fall gibt es nur ein geeignetes Polynom  $p_1(x)= x^2 + x + 1$. Alle anderen möglichen Polynome vom Grad  $m = 2$, nämlich

\[p_2(x) = x^2 + 1 \hspace{0.06cm} = (x+1) \cdot (x+1)\hspace{0.05cm},\]

\[p_3(x) =x^2 \hspace{0.76cm} = x \cdot x \hspace{0.05cm},\]

\[p_4(x) = x^2 + x = (x+1) \cdot x\hspace{0.05cm}, \]

lassen sich faktorisieren und ergeben keinen Erweiterungskörper.

• Man nennt die Polynome  $p_2(x)$,  $p_3(x)$  und  $p_4(x)$  reduzibel.
• Der Schluss liegt nahe, dass für einen Erweiterungskörper nur  irreduzible Polynome  wie  $p_1(x)$  geeignet sind.

Interpretation des neuen Elementes „alpha"

Wir betrachten weiterhin den Körper  ${\rm GF}(2^2) = \{0, \ 1,\ \alpha,\ 1 + \alpha\}$  entsprechend den beiden folgenden Operationstabellen, basierend auf der Nebenbedingung  $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1 = 0$  (irreduzibles Ploynom):

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm} p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ 1 & 1 & 0 & 1\!+\!\alpha & \alpha \\ \alpha & \alpha & 1\!+\!\alpha & 0 & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 1\!+\!\alpha & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c|cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & 1\!+\!\alpha \\ \alpha & 0 & \alpha & 1\!+\!\alpha & 1 \\ 1\!+\!\alpha & 0 & 1\!+\!\alpha & 1 & \alpha \end{array} \right] .$$

Übergang von  ${\rm GF}(2)$  auf  ${\rm GF}(2^2)$

Welche Bedeutung hat aber nun das neue Element $\alpha$?

• Das Polynom  $p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1 $  hat in  ${\rm GF}(2) = \{0, \ 1\}$  keine Nullstelle. Das bedeutet weiter, dass  $\alpha$  weder  $0$  noch  $1$  sein kann.
  

• Wäre  $\alpha= 0$  bzw.  $\alpha= 1$, so wären zudem zwei der vier Mengenelemente  $\{0,\ 1,\ \alpha,\ 1 + \alpha\}$  jeweils identisch:   Entweder „$0$" und „$\alpha$" sowie „$1$" und „$1+\alpha$" oder „$1$" und „$\alpha$" sowie „$0$" und „$1+\alpha$".

• Vielmehr erhält der eindimensionale Körper  ${\rm GF}(2)$  durch die Einführung des Elementes  $\alpha$  eine zweite Dimension. Er wird also zum Galoisfeld  ${\rm GF}(2^2)$  erweitert, wie die nebenstehende Grafik zeigt.

• Das Element  $\alpha$  hat ähnliche Bedeutung wie die imaginäre Einheit  ${\rm j}$, durch die man die Menge der reellen Zahlen unter der Nebenbedingung  ${\rm j}^2 + 1 = 0$  zur Menge der komplexen Zahlen erweitert.

$\text{Übliche Darstellung des binären Erweiterungskörpers}\ {\rm GF}(2^2)\text{:}$

Aufgrund der Identität  $\alpha^2 = 1 + \alpha$, die aus der Nebenbedingung  $p(\alpha) = 0$  folgt, kann man in gleicher Weise  ${\rm GF}(2^2) = \{0,\ 1,\ \alpha,\ \alpha^2\}$  schreiben, wobei nun folgende Operationstabellen gelten:

$$ \begin{array}{c} {\rm modulo}\hspace{0.15cm} p(\alpha)= \alpha^2 + \alpha + 1\\ \end{array}\hspace{0.25cm} \Rightarrow\hspace{0.25cm} \left[ \begin{array}{c | cccccc} + & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ \hline 0 & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ 1 & 1 & 0 & \alpha^2 & \alpha \\ \alpha & \alpha & \alpha^2 & 0 & 1 \\ \alpha^2 & \alpha^2 & \alpha & 1 & 0 \end{array} \right] \hspace{-0.1cm} ,\hspace{0.5cm} \left[ \begin{array}{c | cccccc} \cdot & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ \hline 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 1 & \alpha & \alpha^2 \\ \alpha & 0 & \alpha &\alpha^2 & 1 \\ \alpha^2 & 0 & \alpha^2 & 1 & \alpha \end{array} \right] .$$

Polynome über einem endlichen Körper

$\text{Definition:}$  Ein  Polynom  in einem endlichen Körper  ${\rm GF}(P)$, wobei  $P$  eine Primzahl angibt, hat folgende Form:

\[a(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i} = a_0 + a_1 \cdot x + a_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + a_m \cdot x^{m} \hspace{0.05cm}.\]

Anzumerken ist:

• Alle Koeffizienten  $a_i $  sind Elemente des Körpers:   $a_i \in {\rm GF}(P)$.
  

• Ist der führende Koeffizient  $a_m ≠ 0$, so gibt  $m$ den  Grad  des Polynoms an.

Betrachten wir ein dazu zweites Polynom mit Grad  $M$,

\[b(x) = \sum_{i = 0}^{M} b_i \cdot x^{i} = b_0 + b_1 \cdot x + b_2 \cdot x^2 + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm} + b_M \cdot x^{M} \hspace{0.05cm},\]

so erhält man für die Summe (bzw. Differenz) und das Produkt jeweils in  ${\rm GF}(P)$:

\[a(x) \pm b(x) = \sum_{i = 0}^{{\rm max}\hspace{0.05cm}(m, \hspace{0.05cm}M)} \hspace{0.15cm}(a_i \pm b_i) \cdot x^{i} \hspace{0.05cm},\]

\[a(x) \cdot b(x) = \sum_{i = 0}^{m + M} \hspace{0.15cm}c_i \cdot x^{i}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} c_i = \sum_{j = 0}^{i}\hspace{0.15cm}a_j \cdot b_{i-j} \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Beispiel 1:}$  Es gelte  $a(x) = x^3 + x + 1$   und  $b(x) = x^2 + x + 1$.

Im binären Galoisfeld    ⇒   ${\rm GF}(2)$  ergibt sich nach den obigen Gleichungen für die Summe, die Differenz und das Produkt der beiden Polynome:

\[s(x) = a(x) + b(x) = x^3 + x^2 \hspace{0.05cm}, \]

\[d(x) = a(x) - b(x) = x^3 + x^2 = s(x)\hspace{0.05cm},\]

\[c(x) = a(x) \cdot b(x) =\sum_{i = 0}^{3 + 2} \hspace{0.15cm}c_i \cdot x^{i}\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} c_i = \sum_{j = 0}^{i}\hspace{0.15cm}a_j \cdot b_{i-j} \hspace{0.05cm}.\]

Mit  $a_0 = a_1 = a_3 = b_0 = b_1 =b_2 = 1$   und   $a_2 = a_4 = a_5 = b_3 = b_4 =b_5 = 0$  erhält man:

\[c_0 = a_0 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 = 1 \hspace{0.05cm},\]

\[c_1 = a_0 \cdot b_1 + a_1 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = 0 \hspace{0.05cm},\]

\[c_2 =a_0 \cdot b_2 + a_1 \cdot b_1 + a_2 \cdot b_0 = 1 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 = 0 \hspace{0.05cm},\]

\[c_3 = a_0 \cdot b_3 + a_1 \cdot b_2 + a_2 \cdot b_1 + a_3 \cdot b_0 = 1 \cdot 0 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 + 1 \cdot 1 = 0 \hspace{0.05cm},\]

\[c_4=a_0 \cdot b_4 + a_1 \cdot b_3 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}a_4 \cdot b_0 =1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 + 0 \cdot 1 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 = 1 \hspace{0.05cm},\]

\[c_5 = a_0 \cdot b_5 + a_1 \cdot b_4 + \hspace{0.05cm}\text{...}\hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} a_5 \cdot b_0 =1 \cdot 0 + 1 \cdot 0 + 0 \cdot 0 + 1 \cdot 1 + 0 \cdot 1 + 0 \cdot 1= 1 \]

\[\Rightarrow \hspace{0.3cm} c(x) = x^5 + x^4 +1 \hspace{0.05cm}.\]

Im Galoisfeld  ${\rm GF}(3)$  erhält man aufgrund der Modulo–3–Operationen andere Ergebnisse:

\[s(x) = (x^3 + x + 1) + (x^2 + x + 1) = x^3 + x^2 + 2x + 2\hspace{0.05cm},\]

\[d(x) = (x^3 + x + 1) - (x^2 + x + 1) = x^3 + 2x^2 \hspace{0.05cm},\]

\[c(x) = (x^3 + x + 1) \cdot (x^2 + x + 1) = x^5 + x^4 + 2x^3 + 2x^2 + 2x +1\hspace{0.05cm}.\]

$\text{Definition:}$  Ein Polynom  $a(x)$  bezeichnet man als  reduzibel  (englisch:  reducible), wenn es als Produkt zweier Polynome  $p(x)$  und  $q(x)$  mit jeweils niedrigerem Grad dargestellt werden kann:

\[a(x) = p(x) \cdot q(x) \hspace{0.05cm}.\]

Ist diese Faktorisierung nicht möglich, das heißt, wenn

\[a(x) = p(x) \cdot q(x) + r(x)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} r(x) \ne 0\]

gilt, so spricht man von einem  irreduziblen  (englisch:  irreducible oder prime) Polynom.

$\text{Beispiel 2:}$  Es gelte  $b(x) = x^3 + x + 1$,    $p_1(x) = x^2 + x + 1$   und   $p_2(x) = x^2 + 1$.

Die Grafik verdeutlicht links die Modulo–2–Multiplikation  $a(x)= b(x) \cdot p_1(x)$. Das Ergebnis ist  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$.

Beispiel für Polynom–Multiplikation und –Division

Im rechten Teil der obigen Grafik ist die Modulo–2–Division  $q(x)= a(x)/ p_2(x)$  mit dem Ergebnis  $q(x) = x^3 + x^2 + x + 1$  dargestellt. Es verbleibt der Rest  $r(x) = x$. Allein nach dieser Rechnung könnte  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$  durchaus ein irreduzibles Polynom sein.

Der Nachweis, dass das Polynom  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$  tatsächlich irreduzibel ist, wäre allerdings erst dann erbracht, wenn  $a(x)/p(x)$  für alle

\[p(x) = \sum_{i = 0}^{m} a_i \cdot x^{i} = a_m \cdot x^{m} + a_{m-1} \cdot x^{m-1} + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}+ a_2 \cdot x^2 + a_1 \cdot x + a_0 \hspace{0.05cm}\]

einen Rest  $r(x) ≠ 0$  liefert. Dies würde im vorliegenden Beispiel (nahezu)  $2^5 = 32$  Divisionen erfordern.

Aufgrund unserer linken Berechnung können wir hier sofort erkennen, dass  $a(x)$  mit Sicherheit kein irreduzibles Polynom ist, da zum Beispiel  $a(x) = x^5 + x^4 + 1$  dividiert durch  $p_1(x) = x^2 + x + 1$  das Polynom  $b(x) = x^3 + x + 1$  ohne Rest ergibt.

Verallgemeinerte Definition eines Erweiterungskörpers

Wir gehen von folgenden Voraussetzungen aus:

• einem Galoisfeld  ${\rm GF}(P)$, wobei  $P$  eine Primzahl angibt,
  

• einem irreduziblen Polynom  $p(x)$  über  ${\rm GF}(P)$  vom Grad  $m$:

\[p(x) = a_m \cdot x^{m} + a_{m-1} \cdot x^{m-1} + \hspace{0.1cm}\text{...} \hspace{0.1cm}+ a_2 \cdot x^2 + a_1 \cdot x + a_0 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} a_i \in {\rm G}(P)\hspace{0.05cm}, \hspace{0.15cm}a_m \ne 0\hspace{0.05cm}. \]

Mit den genannten Voraussetzungen gilt allgemein:

$\text{Definition:}$  Es sei  $P$  eine Primzahl, $m$  ganzzahlig,  $p(x)$  ein irreduzibles Polynom vom Grad  $m$  und es gelte  $p(\alpha) = 0$.

Ein  Erweiterungskörper  lässt sich dann wie folgt beschreiben.

\[{\rm GF}(P^m)= \Big\{ k_{m-1} \hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.02cm}\alpha^{m-1} \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}k_1 \hspace{0.01cm}\cdot \hspace{0.02cm} \alpha \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} k_0\hspace{0.05cm} \Big{\vert}\hspace{0.02cm} \ k_i\in{\rm GF}(P) = \{ 0, 1, \hspace{0.05cm}\text{...} \hspace{0.05cm}, P-1\}\Big \}.\]

• Die Addition und Multiplikation in diesem Erweiterungskörper entspricht dann der Polynom–Addition und Polynom–Multiplikation modulo  $p(\alpha)$.
  

• Ein Galoisfeld  ${\rm GF}(q)$  mit  $q$  Elementen lässt sich also immer dann angeben, wenn die Elementenanzahl in der Form  $q = P^m$  geschrieben werden kann
  $(P$  kennzeichnet eine Primzahl, $m$  sei ganzzahlig$)$.

Mögliche Galoisfelder  ${\rm GF}(q)$  für  $q ≤ 64$

Die Grafik zeigt, für welche  $q$–Werte sich jeweils ein Galoisfeld konstruieren lässt. Für die schraffiert eingezeichneten Werte ist kein endlicher Körper angebbar.

Weiter ist anzumerken:

• Die gelb hinterlegten Positionen  $q=P$   ⇒   $m = 1$  markieren Zahlenmengen  $\{0,\ 1,\hspace{0.05cm}\text{ ...} \hspace{0.05cm},\ q- 1\}$  mit Galoiseigenschaften, siehe Seite  Definition eines Galoisfeldes.
  

• Die anderen Hinterlegungsfarben markieren Erweiterungskörper mit  $q=P^m$,   $m ≥ 2$. Für  $q ≤ 64$  basieren diese auf den Primzahlen  $2$,  $3$,  $5$  und  $7$.
  

• Mit roter Schrift hervorgehoben sind binäre Körper   ⇒   $q=2^m$,   $m ≥ 1$, die auf der nächsten Seite noch genauer betrachtet werden. Alle anderen Erweiterungskörper sind blau beschriftet.
  

Binäre Erweiterungskörper – Primitive Polynome

Irreduzible und primitive Polynome

Im Folgenden betrachten wir binäre Erweiterungskörper mit

\[q = 2^m \hspace{0.15cm}(m \ge 2) \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm} q = 4,\ 8,\ 16, 32,\ 64,\ \text{...}\]

Elementen.

• In der Tabelle sind für  $2 ≤ m ≤ 6$  alle irreduziblen Polynome des Galoisfeldes  ${\rm GF}(2)$  angegeben.
• Die Polynome in Spalte 2 und 3 sind nicht nur irreduzibel, sondern zusätzlich auch primitiv.
  
• Primitive Polynome liefern auch die Grundlage für die  Realisierung von Pseudo–Noise–Generatoren.
  

Bevor wir uns der Definition eines primitiven Polynoms zuwenden, sollen zunächst die Besonderheiten „primitiver Elemente" am Beispiel von

\[{\rm GF}(q) = \{\hspace{0.05cm}z_0 = 0,\hspace{0.1cm} z_1 = 1,\hspace{0.05cm} \text{...}\hspace{0.05cm} , \hspace{0.05cm}z_{q-1}\}\]

genannt werden. Das Element  $z_i = \beta$  wird dann als  primitiv  bezeichnet,

• wenn die Potenz  $\beta^{\hspace{0.05cm}i}$  modulo  $q$  zum ersten Mal für  $i = q-1$  zum Ergebnis „$1$" führt, so dass
  

• $\beta^{\hspace{0.05cm}i}$  für  $1 ≤ i ≤ q- 1$  genau die Elemente  $z_1$, ... , $z_{q-1}$  liefert, also alle Elemente von  ${\rm GF}(q)$  mit Ausnahme des Nullelementes  $z_0 = 0$.
  

$\text{Beispiel 3:}$  Von der Zahlenmenge $Z_5 = \{0,\ 1,\ 2,\ 3,\ 4\}$ sind „$2$" und „$3$" primitive Elemente wegen

\[2^1 \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 2^2 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 2^3 = 8 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 3\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 2^4 = 16 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\hspace{0.05cm},\]

\[3^1 \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 3\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 3^2 = 9\hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 3^3 = 27 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 2\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 3^4 = 81 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\]

• Dagegen ist „$4$" kein primitives Element, weil bereits„ $4^2 = 1$„ ist:

\[4^1 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 4^2 = 16 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 4^3 = 64 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 4\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} 4^4 = 256 \hspace{0.1cm}{\rm mod} \hspace{0.1cm} 5 = 1\hspace{0.05cm}.\]

$\text{Definition:}$  Ein irreduzibles Polynom bezeichnet man gleichzeitig als ein  primitives Polynom, wenn die Wurzel  $\alpha$  bezüglich des Polynoms  $p(x)$  ein primitives Element von  ${\rm GF}(q)$  ist. Dann gilt

\[{\rm GF}(q) = \{\hspace{0.1cm}\alpha^{-\infty} = 0\hspace{0.05cm},\hspace{0.1cm} \alpha^{0} = 1,\hspace{0.05cm}\hspace{0.2cm} \alpha\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \alpha^{2},\hspace{0.2cm} \text{...} \hspace{0.1cm} , \hspace{0.2cm}\alpha^{q-2}\hspace{0.1cm}\}\hspace{0.05cm}. \]

• Alle in Spalte 2 der obigen Tabelle angegebenen Polynome sind sowohl irreduzibel als auch primitiv.
• Ist  $p_1(x)$  ein primitives Polynom, so ist auch das dazu reziproke Polynom  $p_2 (x) = x^m \cdot p_1(x^{-1})$  primitiv.
• Alle Polynome in Spalte 3 sind reziprok zum Polynom in Spalte 2. Beispielsweise gilt für  $m = 3$:

\[p_1(x) = x^3 + x + 1 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}p_2(x) = x^3 \cdot \big[x^{-3} + x^{-1} + 1 \big]= x^3 + x^2 + 1 \hspace{0.05cm}.\]

• Die irreduziblen Polynome der Spalte 4 sind dagegen nicht primitiv; sie spielen nur eine untergeordnete Rolle zur Beschreibung von Fehlerkorrekturverfahren.
  

$\text{Beispiel 4:}$  Zur Verdeutlichung dieser Aussagen betrachten wir beispielhaft

• das Galoisfeld  $\rm GF(2^3) = GF(8)$, sowie
  
• das Polynom  $p(x) = x^3 + x + 1$.
  
  

Aus der Bedingung  $p(\alpha) = 0$  erhält man in  $\rm GF(2^3)$  weiter:

\[\alpha^3 + \alpha + 1 = 0 \hspace{0.3cm} \Rightarrow\hspace{0.3cm}\alpha^3 = \alpha + 1 \hspace{0.05cm},\]

und damit für die Potenzen  $\alpha^{i}$  der Wurzel für  $i ≥ 4$:

\[\alpha^4 = \alpha \cdot \alpha^3 = \alpha \cdot (\alpha + 1) = \alpha^2 + \alpha \hspace{0.05cm},\]

\[\alpha^5 = \alpha^2 \cdot \alpha^3 = \alpha^2 \cdot (\alpha + 1) = \alpha^3 + \alpha^2 = \alpha^2 + \alpha + 1 \hspace{0.05cm},\]

\[\alpha^6 = \alpha^3 \cdot \alpha^3 = (\alpha + 1) \cdot (\alpha + 1) = \alpha^2 + \alpha + \alpha + 1= \alpha^2 + 1 \hspace{0.05cm},\]

\[\alpha^7 = \alpha^4 \cdot \alpha^3 = (\alpha^2 + \alpha) \cdot (\alpha + 1) = \alpha^3 + \alpha^2 + \alpha^2 + \alpha = \alpha + 1 + \alpha = 1 = \alpha^0 \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Beispiel 5:}$  Die Elemente  $z_0$,  $z_1$, ... ,  $z_7$  des Galoisfeldes  $\rm GF(2^3)$  lassen sich entsprechend der nebenstehenden Tabelle wie folgt darstellen:

Elemente von  $\rm GF(2^3)$  in drei verschiedenen Darstellungen

• als Potenzen von  $\alpha$   ⇒   Exponentendarstellung,
  

• als Polynome der Form  $k_2 \cdot \alpha^2 + k_1 \cdot \alpha + k_0$  mit binären Koeffizienten  $k_2$,  $k_1$,  $k_0$   ⇒   Polynomdarstellung,
  

• als Vektoren der Koeffizienten  $(k_2, \ k_1, \ k_0)$   ⇒   Koeffizientendarstellung.
  
  

Für Addition (oder Subtraktion) zweier Elemente eignen sich Polynom– und Vektordarstellung gleichermaßen, wobei die Komponenten  $\text{modulo 2}$  zu addieren sind, zum Beispiel:

\[z_5 + z_7 =(\alpha^2 + \alpha) + (\alpha^2 + 1) = \alpha + 1 = \alpha^3 = z_4 \hspace{0.05cm},\]

\[{\rm oder}\hspace{0.15cm} z_5 + z_7 =(110) + (101) = (011) = z_4 \hspace{0.05cm},\]

\[\hspace{0.15cm} z_1 + z_2 + z_3 =(001) + (010) + (100)= (111) = z_6 \hspace{0.05cm}.\]

Für Multiplikationen ist die Exponentendarstellung gut geeignet, wie folgende Beispiele zeigen:

$\rm GF(2^3)$  in 3D–Darstellung

\[z_3 \cdot z_4 =\alpha^2 \cdot \alpha^3 = \alpha^{2+3}= \alpha^{5} = z_6 \hspace{0.05cm},\]

\[z_0 \cdot z_5 =\alpha^{-\infty} \cdot \alpha^4 = \alpha^{-\infty} = z_0 \hspace{0.05cm},\]

\[z_5 \cdot z_7 = \alpha^4 \cdot \alpha^6 = \alpha^{10}= \alpha^{7} \cdot \alpha^{3} = 1 \cdot \alpha^{3}= z_4 \hspace{0.05cm}.\]

Man erkennt, dass sich die Exponenten modulo  $q-1$  ergeben   $($im Beispiel modulo  $7)$.

Die untere Grafik zeigt den endlichen Erweiterungskörper  $\rm GF(2^3)$  in einer 3D–Darstellung:

• Die Achsen sind mit  $\alpha^0 =1$,  $\alpha^1$  und  $\alpha^2$  bezeichnet.
• Die  $2^3 = 8$  Punkte im 3D–Raum sind mit den Koeffizientenvektoren beschriftet.
• Die Zuordnung der Koeffizienten  $k_2$,  $k_1$,  $k_0$  zu den Achsen ist farblich deutlich gemacht.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 2.3: Reduzible und irreduzible Polynome

Aufgabe 2.3Z: Polynomdivision

Aufgabe 2.4: $\rm GF(2^2)$–Darstellungsformen

Aufgabe 2.4Z: Endliche und unendliche Körper

Aufgabe 2.5: Drei Varianten von $\rm GF(2^4)$

Aufgabe 2.5Z: Einige Berechnungen über $\rm GF(2^3)$

Aufgabe 2.6: ${\rm GF}(P^m)$. Welches $P$, welches $m$?