Decoding of block and convolutional codes in rank metric

par Antonia Wachter-Zeh

Thèse de doctorat en Mathématiques et applications

Sous la direction de Pierre Loidreau et de Martin Bossert.

Soutenue le 04-10-2013

à Rennes 1 en cotutelle avec l'Universität Ulm , dans le cadre de École doctorale Vie-Agro-Santé (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (PRES) , Institut de recherche mathématique (Rennes) (laboratoire) et de IRMAR (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Décodage des codes en bloc et des codes convolutifs en métrique rang


  • Résumé

    Les code en métrique rang attirent l’attention depuis quelques années en raison de leur application possible au codage réseau linéaire aléatoire (random linear network coding), à la cryptographie à clé publique, au codage espace-temps et aux systèmes de stockage distribué. Une construction de codes algébriques en métrique rang de cardinalité optimale a été introduite par Delsarte, Gabidulin et Roth il y a quelques décennies. Ces codes sont considérés comme l’équivalent des codes de Reed – Solomon et ils sont basés sur l’évaluation de polynômes linéarisés. Ils sont maintenant appelés les codes de Gabidulin. Cette thèse traite des codes en bloc et des codes convolutifs en métrique rang avec l’objectif de développer et d’étudier des algorithmes de décodage efficaces pour ces deux classes de codes. Après une introduction dans le chapitre 1, le chapitre 2 fournit une introduction rapide aux codes en métrique rang et leurs propriétés. Dans le chapitre 3, on considère des approches efficaces pour décoder les codes de Gabidulin. Lapremière partie de ce chapitre traite des algorithmes rapides pour les opérations sur les polynômes linéarisés. La deuxième partie de ce chapitre résume tout d’abord les techniques connues pour le décodage jusqu’à la moitié de la distance rang minimale (bounded minimum distance decoding) des codes de Gabidulin, qui sont basées sur les syndromes et sur la résolution d’une équation clé. Ensuite, nous présentons et nous prouvons un nouvel algorithme efficace pour le décodage jusqu’à la moitié de la distance minimale des codes de Gabidulin. Le chapitre 4 est consacré aux codes de Gabidulin entrelacés et à leur décodage au-delà de la moitié de la distance rang minimale. Dans ce chapitre, nous décrivons d’abord les deux approches connues pour le décodage unique et nous tirons une relation entre eux et leurs probabilités de défaillance. Ensuite, nous présentons un nouvel algorithme de décodage des codes de Gabidulin entrelacés basé sur l’interpolation des polynômes linéarisés. Nous prouvons la justesse de ses deux étapes principales — l’interpolation et la recherche des racines — et montrons que chacune d’elles peut être effectuée en résolvant un système d’équations linéaires. Jusqu’à présent, aucun algorithme de décodage en liste en temps polynomial pour les codes de Gabidulin n’est connu et en fait il n’est même pas clair que cela soit possible. Cela nous a motivé à étudier, dans le chapitre 5, les possibilités du décodage en liste en temps polynomial des codes en métrique rang. Cette analyse est effectuée par le calcul de bornes sur la taille de la liste des codes en métriques rang en général et des codes de Gabidulin en particulier. Étonnamment, les trois nouvelles bornes révèlent toutes un comportement des codes en métrique rang qui est complètement différent de celui des codes en métrique de Hamming. Enfin, dans le chapitre 6, on introduit des codes convolutifs en métrique rang. Ce qui nous motive à considérer ces codes est le codage réseau linéaire aléatoire multi-shot, où le réseau inconnu varie avec le temps et est utilisé plusieurs fois. Les codes convolutifs créent des dépendances entre les utilisations différentes du réseau aun de se adapter aux canaux difficiles. Basé sur des codes en bloc en métrique rang (en particulier les codes de Gabidulin), nous donnons deux constructions explicites des codes convolutifs en métrique rang. Les codes en bloc sous-jacents nous permettent de développer un algorithme de décodage des erreurs et des effacements efficace pour la deuxième construction, qui garantit de corriger toutes les séquences d’erreurs de poids rang jusqu’à la moitié de la distance rang active des lignes. Un résumé et un aperçu des problèmes futurs de recherche sont donnés à la fin de chaque chapitre. Finalement, le chapitre 7 conclut cette thèse.


  • Résumé

    Rank-metric codes recently attract a lot of attention due to their possible application to network coding, cryptography, space-time coding and distributed storage. An optimal-cardinality algebraic code construction in rank metric was introduced some decades ago by Delsarte, Gabidulin and Roth. This Reed–Solomon-like code class is based on the evaluation of linearized polynomials and is nowadays called Gabidulin codes. This dissertation considers block and convolutional codes in rank metric with the objective of designing and investigating efficient decoding algorithms for both code classes. After giving a brief introduction to codes in rank metric and their properties, we first derive sub-quadratic-time algorithms for operations with linearized polynomials and state a new bounded minimum distance decoding algorithm for Gabidulin codes. This algorithm directly outputs the linearized evaluation polynomial of the estimated codeword by means of the (fast) linearized Euclidean algorithm. Second, we present a new interpolation-based algorithm for unique and (not necessarily polynomial-time) list decoding of interleaved Gabidulin codes. This algorithm decodes most error patterns of rank greater than half the minimum rank distance by efficiently solving two linear systems of equations. As a third topic, we investigate the possibilities of polynomial-time list decoding of rank-metric codes in general and Gabidulin codes in particular. For this purpose, we derive three bounds on the list size. These bounds show that the behavior of the list size for both, Gabidulin and rank-metric block codes in general, is significantly different from the behavior of Reed–Solomon codes and block codes in Hamming metric, respectively. The bounds imply, amongst others, that there exists no polynomial upper bound on the list size in rank metric as the Johnson bound in Hamming metric, which depends only on the length and the minimum rank distance of the code. Finally, we introduce a special class of convolutional codes in rank metric and propose an efficient decoding algorithm for these codes. These convolutional codes are (partial) unit memory codes, built upon rank-metric block codes. This structure is crucial in the decoding process since we exploit the efficient decoders of the underlying block codes in order to decode the convolutional code.


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