专利名称：一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法
技术领域：
本发明涉及一种体全息数据存储技术领域中的交织及纠错方法，特别是关于一种 适用于信道各种错误模式的用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法。
背景技术：
与其他数据存储技术如CD、DVD光盘以及硬盘存储技术相比，体全息存储具有容 量大、密度高、读出速度快等优点，且独具内容寻址功能，但数据的可靠性有待提高。体全息 存储系统可以看作是一个充斥着噪声的信道，称为体全息数据存储信道。体全息数据存储 信道存在多种噪声源，各种噪声可能引起接收数据页判决或解码时发生错误，最终影响数 据的可靠性。由噪声源导致的错误模式主要有随机错误、突发错误和错误分布不均。与通 信和其他存储技术类似，为了减少信道中数据的错误，将误码率降低至低于10_12的实用水 平，在体全息数据存储系统中必须引入信道处理技术。为了满足既能进行快速的错误探测和纠正，又不至于大幅度地减少存储系统的容 量，在体全息存储系统中，通常采用纠错编码、交织编码和调制编码相结合的方式来对数据 进行处理。如图1所示，现有技术中体全息数据信道的处理流程如下首先对待存数据进行 纠错编码和交织编码，然后再进行调制编码，最后把调制编码后的数据以二维数据页流的 形式上载到空间光调制器(Spatial light modulator, SLM)上进行存储。再通过体全息存 储的光学信道，由探测器读取转化为二维数据页流，依次经检测与后处理、解调制及解交织 与解纠错编码，最后恢复为原始数据。纠错编码的基本思想是在待存数据里增加指定的冗余数据，在存储读取过程中， 由于噪声的影响导致数据错误，如果数据错误数在该编码所设计的限度内，就可以利用冗 余数据与原始数据之间的映射关系把原始数据从受损的数据中恢复出来。目前，体全息存 储系统一般采用的纠错编码是里德 所罗门纠错码(Reed-Solomon Error Correct ion Code,简称RS ECC或RS)，它能够有效地纠正信道中的随机错误，在体全息存储系统的纠错 编码中若没有特指的情况下，均默认指RS。设信息码元长度为k，码字长度为n，满足η = k+2t，称其为RS(n，k，t)或者RS(n，k)，码率为k/n，它可以纠正t个错误。RS (n, k，t)的 纠错能力随着t的增大而增强，但随着t的增大，码率会下降，从而降低存储容量。RS ECC可以在不同维度上使用，可以在一维方向上使用，如在⑶中；也可以在二 维方向上使用，如在DVD中。由于体全息数据存储信道在空间上是一个二维阵列，在时间 上是一个数据页流，所以它具有三维结构，RS ECC应当在三维方向上使用，如韩国的黄义锡 (Eui-seok HWANG)等人提出的一种三维纠错码，取得了比RS ECC和RSPC(Reed-Solomon Product Code，里德 所罗门乘积码)更好的纠错效果。但是这种三维纠错码只采用了通 用的多维交织技术，并没有针对体全息数据存储信道的错误模式特别设计，如果采用与信 道的错误模式相匹配的交织技术，则其纠错性能会得到进一步提升。交织的目的就是把同一码字的码元分散在不同地方，使得各个码字具有近似相同 的原始误码率，避免错误集中使得纠错码失效。通过交织把同一码字的码元分散在不同地方，即使在大尺度噪声的影响下，由于错误已被分散到不同码字中，因而很容易得到纠正。 根据交织维度，交织方案可分为一维交织、二维交织、三维交织等。传统的交织一般只考虑 了码元的随机分散(如图2所示)，其中，左侧为经过纠错编码后而未经交织的数据在数据 页空间的排布，里面的数字表示码字的排列顺序；右侧表示数据经一种随机交织后的空间 排布。假设只对该数据进行行纠错，且一行只能纠正一个码字的错误，如果同一行有两个码 字发生错误(如图3所示)，其中用灰色表示的码字，纠错码将无法还原数据。但是经过随 机交错后再进行存储，虽然在同一位置也发生两个码字的错误，但是经解交织后，错误位置 被分散开了(如图4所示)，这样纠错码就能完全纠正错误。但是，上述交织方案并没有考虑信道中的错误分布不均的问题，为了充分利用信 道的先验知识，使交织后的错误模式近似于随机分布，发挥纠错码的能力。如图5所示，周 武春(Wu-chun CH0U)等人提出了一种二维匹配交织(Matched Interleaving，简称MI)方 法，根据原始误码率等高线图将数据页等分为η个区域，每个区域中邻近的m个像素构成一 个码元，每个码字的码元分别来自于η个区域，这样每个码字的原始误码率将近似相等，并 且页内突发错误也被均勻分散到各个码字中。如图6所示，其中，虚线表示一维交织方法， 实线表示匹配交织方法。可以看出这种匹配交织方案优于一维交织方法。二维匹配交织 方法虽然可以克服页内错误分布不均，但是并没有考虑数据页间的错误分布不均及纠错问 题，其应用范围仍受到限制。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能消除数据页内、数据页间误码率分布 不均的影响，并可以在三个方向上迭代解码，大幅降低纠错后误码率的交织及纠错方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种用于降低体全息存储系统误码 率的交织及纠错方法，其包括如下步骤(1)先对待存数据进行行方向、列方向和数据页间 三个维度的纠错编码；(2)纠错编码完成后进行数据页内的匹配交织，进行完页内的匹配 交织后，再进行数据页间的分组交织重排数据页间的顺序；(3)将体全息存储系统得到的 数据依次经检测与后处理、解调制及解交织与解纠错编码，恢复为原始数据。所述步骤(1)中，所述纠错编码包括以下步骤①将用户数据排成一系列 Ii1Xk2Xk3的长方体，kp 1^2和1^3分别为列方向的信息码元长度、行方向的信息码元长度 和数据页间的信息码元长度；②对于每个长方体，先在每个数据页的列方向上进行RSOi1, ki)纠错编码，然后在每个数据页的行方向上进行RS(n2，k2)纠错编码，再在数据页间进行 RS(n3, k3)纠错编码，其中RS为里德·所罗门纠错码，H1为列方向的码字长度，n2为行方向 的码字长度，n3数据页间的码字长度。所述步骤(2)中，所述匹配交织包括以下步骤①测试数据页的原始误码率分布， 将每个数据页等分为n2个误码率近似相等的区域；②对于每个数据页，将各码元按斜对角 方向分为n2组，把这Ii2组码元分别分散到所述步骤①中划分的Ii2个区域中；③对于在Ii3方 向上的长方体，采用分组交织打乱数据页间的顺序，重排数据页间的顺序。所述步骤(3)中，所述解交织与解纠错编码包括以下步骤①将体全息存储系统 接收到的数据排成一系列Ii1Xn2Xn3的长方体；②对于在n3方向上的长方体，恢复所述匹 配交织步骤③中数据页间的顺序；③对于每个数据页，从所述匹配交织步骤①中划分的n2个区域中提取码元，按斜对角方向排布，重组各码字；④对于解交织步骤中的每个长方体， 先在数据页间进行RS(n3，k3)纠错解码，然后在每个数据页的行方向进行RS(n2，k2)纠错解 码，再在每个数据页的列方向上进行RSfc1, 10纠错解码；⑤重复执行所述步骤④若干次； ⑥舍去纠错码元，输出用户数据。所述交织及纠错方法采用页内匹配交织、数据页间分组交织与三维纠错方法联合 使用的方法。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点本发明由于采用通过页内匹配 交织与数据页间分组交织的方法，并在三个维度上使用里德·所罗门纠错码纠错，因此，消 除了数据页内、数据页间误码率分布不均的影响，克服了突发错误，纠正了随机错误，并能 在三个方向上迭代解码，大幅降低了纠错后误码率。因此本发明能广泛适用于体全息存储 信道的各种错误模式。
图1是现有技术中体全息数据信道的处理流程图；图2是现有技术中二维随机交织效果示意图；图3是图2中同一行有两个相邻码字发生错误示意图；图4是图2解交织后的效果示意图；图5是现有技术中二维匹配交织方法的原始误码率分布等高线图及匹配交织方 案示意图；图6是现有技术中二维匹配交织方法存在放大率误差时匹配交织方案与一维交 织方案的效果比较图；图7是本发明的三维匹配交织及纠错方法示意图；图8a 图8d是本发明的三维匹配交织及纠错编码过程示意图；图9是本发明的匹配交织实施过程示意图；图10是本发明的实施例六种纠错码纠错后误码率对比示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图7所示，图中灰色部分为冗余数据。为了适用于信道的各种错误模式，包括随 机错误、突发错误和错误分布不均，本发明结合三维纠错和匹配交织的优点，提出了三维匹 配交织及纠错方法，即在页内采用匹配交织与二维纠错RSOv ki)，RS(n2, k2)，在数据页间 采用分组交织与纠错RS(n3，k3)，其中RS为里德·所罗门纠错码。本发明采用的三维匹配 交织及纠错方法包含以下步骤(1)先对待存数据进行行方向、列方向和数据页间三个维度的纠错编码，这样能有 效纠正随机错误的影响；(2)纠错编码完成后进行数据页内的匹配交织，进行完页内的匹配交织后，再进行 数据页间的分组交织重排数据页间的顺序，达到数据交织的目的；(3)将体全息存储系统得到的数据依次经检测与后处理、解调制及解交织与解纠 错编码，最后恢复为原始数据。
上述步骤(1)中，本发明采用的纠错编码包括以下步骤①如图8a所示，将用户数据排成一系列Ic1Xk2Xk3的长方体，VkJPk3分别为列 方向的信息码元长度、行方向的信息码元长度和数据页间的信息码元长度；②对于每个长方体，先在每个数据页的列方向上进行RSfc1, 10纠错编码，然后在 每个数据页的行方向上进行RS(n2，k2)纠错编码，再在数据页间进行RS(n3，k3)纠错编码 (如图8b所示)，其中，Ii1为列方向的码字长度，n2为行方向的码字长度，n3数据页间的码 字长度。上述步骤(2)中，本发明采用的匹配交织包括以下步骤①测试数据页的原始误码率分布，将每个数据页等分为Ii2个误码率近似相等的区 域；②对于每个数据页，将各码元按斜对角方向分为Ii2组，把这Ii2组码元分别分散到 步骤①中划分的112个区域中(如图Sc、图8d所示)；③对于在Ii3方向上的长方体，采用分组交织打乱数据页间的顺序，重排数据页间 的顺序，达到编码的目的。上述步骤(3)中，本发明采用的解交织与解纠错编码包括以下步骤①将体全息存储系统接收到的数据排成一系列Ii1Xn2Xn3的长方体；②对于在Ii3方向上的长方体，恢复匹配交织步骤③中数据页间的顺序；③对于每个数据页，从匹配交织步骤①中划分的Ii2个区域中提取码元，按斜对角 方向排布，重组各码字；④对于解交织步骤中的每个长方体，先在数据页间进行RS(n3，k3)纠错解码，然后 在每个数据页的行方向进行RS(n2，k2)纠错解码，再在每个数据页的列方向上进行RSfc1, k》纠错解码；⑤重复执行步骤④若干次；⑥舍去纠错码元，输出用户数据。综上所述，本发明利用了体全息数据信道中的页内错误分布不均且误码率分布相 对固定的特性，通过页内匹配交织与数据页间分组交织，并在三个维度上进行RS，因此，消 除了数据页内、数据页间误码率分布不均的影响，克服了突发错误，纠正了随机错误，并能 在三个方向上迭代解码，大幅降低纠错后误码率。为了进一步说明本发明，下面结合其他编码方法与本发明进行了仿真比 较。采用数值仿真方法对六种纠错码的性能进行比较，六种纠错码分别为RS ECC、 RSPC (Reed-Solomon Product Code,里德·所罗门乘积码)、RSVC (Reed-Solomon Volumetric Code,里德·所罗门体积码)、MI RS ECC (匹配交织里德·所罗门纠错码)、 MIRSPC (匹配交织里德·所罗门乘积码)和MIRSVC (匹配交织里德·所罗门体积码)，这六 种纠错码具有近似相同的码率为0. 9，它们的参数如表1所示。表1数值仿真中的六种纠错码参数
权利要求
1.一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法，其包括如下步骤(1)先对待存数据进行行方向、列方向和数据页间三个维度的纠错编码；(2)纠错编码完成后进行数据页内的匹配交织，进行完页内的匹配交织后，再进行数据 页间的分组交织重排数据页间的顺序；(3)将体全息存储系统得到的数据依次经检测与后处理、解调制及解交织与解纠错编 码，恢复为原始数据。
2.如权利要求1所述的一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法，其特 征在于所述步骤(1)中，所述纠错编码包括以下步骤①将用户数据排成一系列Ic1Xk2Xk3的长方体，k3分别为列方向的信息码元长 度、行方向的信息码元长度和数据页间的信息码元长度；②对于每个长方体，先在每个数据页的列方向上进行RSfc1,10纠错编码，然后在每个 数据页的行方向上进行RS(n2，k2)纠错编码，再在数据页间进行RS(n3，k3)纠错编码，其中 RS为里德 所罗门纠错码，Ii1为列方向的码字长度，n2为行方向的码字长度，n3数据页间的 码字长度。
3.如权利要求1所述的一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法，其特 征在于所述步骤(2)中，所述匹配交织包括以下步骤①测试数据页的原始误码率分布，将每个数据页等分为n2个误码率近似相等的区域；②对于每个数据页，将各码元按斜对角方向分为n2组，把这Ii2组码元分别分散到所述 步骤①中划分的112个区域中；③对于在H3方向上的长方体，采用分组交织打乱数据页间的顺序，重排数据页间的顺序。
4.如权利要求2所述的一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法，其特 征在于所述步骤(2)中，所述匹配交织包括以下步骤①测试数据页的原始误码率分布，将每个数据页等分为n2个误码率近似相等的区域， 其中，n2为行方向的码字长度；②对于每个数据页，将各码元按斜对角方向分为n2组，把这Ii2组码元分别分散到所述 步骤①中划分的112个区域中；③对于在H3方向上的长方体，采用分组交织打乱数据页间的顺序，重排数据页间的顺序。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠 错方法，其特征在于所述步骤(3)中，所述解交织与解纠错编码包括以下步骤①将体全息存储系统接收到的数据排成一系列Ii1Xn2Xn3的长方体；②对于在H3方向上的长方体，恢复所述匹配交织步骤③中数据页间的顺序；③对于每个数据页，从所述匹配交织步骤①中划分的n2个区域中提取码元，按斜对角 方向排布，重组各码字；④对于解交织步骤中的每个长方体，先在数据页间进行RS(n3，k3)纠错解码，然后在每 个数据页的行方向进行RS(n2，k2)纠错解码，再在每个数据页的列方向上进行RS(I^k1)纠 错解码；⑤重复执行所述步骤④若干次；⑥舍去纠错码元，输出用户数据。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠 错方法，其特征在于所述交织及纠错方法采用页内匹配交织、数据页间分组交织与三维纠 错方法联合使用的方法。
7.如权利要求5所述的一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法，其特 征在于所述交织及纠错方法采用页内匹配交织、数据页间分组交织与三维纠错方法联合 使用的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于降低体全息存储系统误码率的交织及纠错方法，其包括如下步骤(1)先对待存数据进行行方向、列方向和数据页间三个维度的纠错编码；(2)纠错编码完成后进行数据页内的匹配交织，进行完页内的匹配交织后，再进行数据页间的分组交织重排数据页间的顺序；(3)将体全息存储系统得到的数据依次经检测与后处理、解调制及解交织与解纠错编码，恢复为原始数据。本发明由于采用通过页内匹配交织与数据页间分组交织的方法，并在三个维度上使用里德·所罗门纠错码纠错，因此，消除了页内、数据页间误码率分布不均的影响，克服了突发错误，纠正了随机错误，并能在三个方向上迭代解码，大幅降低了纠错后误码率。本发明可以广泛应用于体全息存储信道的各种错误模式中。
文档编号H03M13/27GK102006088SQ20101050492
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者何庆声, 曹良才, 李建华, 金国藩, 顾华荣 申请人:清华大学