参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法、装置及系统

1.本发明属于全息存储技术领域，更具体地，涉及参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法、装置及系统。


背景技术：

2.全息存储是一种以二维数据页为读写单位的三维体存储技术，极大地提高了光存储的存储密度，数据转换速率以及存储容量。随着信息量的迅速增长，全息存储也取得了越来越广泛的应用。
3.全息存储主要分为振幅型全息存储和相位型全息存储。与振幅型全息存储相比，相位型全息存储具有更高的存储密度和信噪比，因而应用更为广泛。在数据写入过程中，会生成一些已知的参考比特，与信息比特一起经过相位调制并写入全息存储介质中，参考数据与信息数据在记录介质中发生干涉反应，形成干涉条纹记录在介质中。在数据读取的过程中，利用与记录时相同的参考光照射在记录介质上，由于产生的衍射光与信息光携带的信息相同，因此衍射产生的光被认为是重建的信息光。由于目前的探测器如ccd或者cmos，只能探测到强度信息，不能探测相位信息，需要采用相位恢复算法如ift算法重建相位。然而，由于全息信道中复杂噪声的干扰以及相位重建算法的局限性，导致重建的相位具有较高的相位错误率，严重影响数据保存可靠性。ldpc(low density paritycheck code，低密度奇偶校验码)纠错码作为主流的纠错码可被应用于全息存储中以保证数据可靠性。
4.由于全息存储系统中复杂的噪声模式，获取精确的信道概率转移密度函数非常困难，且复杂度和开销较大，因此很难计算出高精度的初始llr(log-likelihood-rate，对数似然比)信息。在相位调制型全息存储系统中，不准确的初始llr信息会产生更多的ldpc码迭代译码次数，带来较高的延迟，降低了系统的读性能，同时也不能充分发挥ldpc码的优异的纠错性能，降低了全息存储系统的数据可靠性。
5.为了提高ldpc译码过程中初始llr信息的计算精度，已有研究基于像素块的可靠性差异进行了优化，但该方案对于无法进一步利用像素块内比特数据的可靠性差异，并且计算复杂度较高。有研究进一步提出，基于相位调制型全息存储系统的数据存储机制，以及数据在传输过程中受噪声影响和可能发生的错误模式，准确识别出解调所得数据中的可靠比特，并基于识别结果对初始llr进行更新，使得可靠比特具有较高的权重，以提高初始llr的精度，该方案充分考虑了像素块内每个比特的可靠性差异，能够有效提升ldpc的译码性能，但是，该方案中，可靠比特的识别赖于每个像素块内部的所有比特的统计结果，计算复杂度较高，耗时较长，这限制了读性能的进一步提升。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法、装置及系统，其目的在于，充分利用不同类型比特数据的可靠性差异的先验知识，对编码及译码流程进行改进，在提高ldpc译码过程中初始llr信息计算精度的同时提
高计算效率，进一步提高全息光存储系统的读性能。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法，应用于相位调制型全息存储系统，数据写入过程包括：
8.(t1)生成与待写入的信息比特等量且内容已知的参考比特，并利用ldpc码对信息比特和参考比特进行统一编码，以生成校验比特；
9.(t2)将信息比特、参考比特以及校验比特划分为比特数据页，每个比特数据页中一半数据为信息比特或校验比特，另一半数据为参考比特；
10.(t3)通过相位调制将各比特数据页调制为相位数据页后写入相位调制型全息存储系统的全息存储介质；
11.数据读取过程包括：
12.(s1)读取指定相位数据页并进行相位解调，得到比特数据页；
13.(s2)确定比特数据页中各比特的初始llr；对于任意一个比特，其初始llr的确定方式为：若为参考比特且为比特1，则设定其初始llr的值为m；若为参考比特且为比特0，则设定其初始llr的值为p；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定其初始llr的值为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定其初始llr的值为-1；
14.(s3)利用比特数据页中各比特的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对比特数据页的译码；
15.其中，m》1，且p+m＝0。
16.进一步地，m＝5，p＝-5。
17.按照本发明的又一个方面，提供了一种参考光辅助相位错误纠正的数据存储装置，应用于相位调制型全息存储系统；该装置包括数据写入设备和数据读取设备；
18.数据写入设备包括：
19.编码模块，用于生成与待写入的信息比特等量且内容已知的参考比特，并利用ldpc码对信息比特和参考比特进行统一编码，以生成校验比特；
20.数据页划分模块，用于将信息比特、参考比特以及校验比特划分为比特数据页，每个比特数据页中一半数据为信息比特或校验比特，另一半数据为参考比特；
21.以及相位调制模块，用于通过相位调制将各比特数据页调制为相位数据页后写入相位调制型全息存储系统的全息存储介质；
22.数据读取设备包括：
23.相位解调模块，用于读取指定相位数据页并进行相位解调，得到比特数据页；
24.初始llr计算模块，用于确定比特数据页中各比特的初始llr；对于任意一个比特，其初始llr的确定方式为：若为参考比特且为比特1，则设定其初始llr的值为m；若为参考比特且为比特0，则设定其初始llr的值为p；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定其初始llr的值为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定其初始llr的值为-1；
25.以及译码模块，利用比特数据页中各比特的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对比特数据页的译码；
26.其中，m》1，且p+m＝0。
27.进一步地，m＝5，p＝-5。
28.按照本发明的又一个方面，提供了一种相位调制型全息存储系统，包括：全息存储
介质以及本发明提供的参考光辅助相位错误纠正的数据存储装置。
29.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
30.本发明充分利用不同类型比特数据的可靠性差异的先验知识，对编码及译码流程进行改进：在编码过程中，利用ldpc码将已知的参考比特与信息比特进行统一编码，并在译码过程中，对于已知的参考比特赋予相对于信息比特更高的权重，由此可以利用已知的参考比特信息在提高ldpc译码过程中初始llr信息计算精度的同时提高计算效率，进一步提高全息光存储系统的读性能。
附图说明
31.图1为现有的全息存储系统写入、读取数据的过程示意图；
32.图2为本发明实施例提供的参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法示意图；
33.图3为本发明实施例提供的不同译码方法的比特错误率示意图；
34.图4为本发明实施例提供的不同译码方法的不可纠正比特错误率率示意图；
35.图5为本发明实施例提供的不同译码方法的译码迭代次数示意图；
36.图6为本发明实施例提供的不同译码方法的译码成功率示意图；
37.图7为本发明实施例提供的不同译码方法的译码时间示意图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
40.在详细解释本发明的技术方案之前，先对相位调制型全息存储系统中的数据的记录和读取过程简要解释如下：
41.在写入数据时，会采用预先确定的编码方式对待记录的用户数据进行纠错编码，产生校验数据，常用的编码方式为ldpc编码；编码完成后，对用户数据和编码产生的校验数据进行相位调制编码，以根据预先确定的比特数据到相位数据的调制关系，将比特数据调制为相位数据页的左半部分，并加入随机生成的参考数据构成相位数据页的右半部分。在记录过程中，会将相位数据页上载至空间光调制器(slm)上，产生信息光和参考光。随后，信号光和参考光汇聚在记录介质中并发生干涉反应，形成干涉条纹记录在介质中。为了进一步保证数据的可靠性，在将相位数据页记录到全息存储材料的过程中，对于相位数据页中的每一个相位数据，都会复制多份，即多个像素数据表示一个相位数据，然后将所有的像素数据组成一个像素数据页记录到全息存储材料中；
42.在读取数据时，会利用参考光照射全息存储材料，从而读取出所记录的数据的傅里叶强度信息，进一步通过傅里叶迭代算法(ift)可以将傅里叶强度信息转换为相应的相位信息，即可得到像素数据页，此过程称之为相位重建；像素数据页中，每个像素所记录的信息为相位；按照数据记录时每个相位数据的重复次数，即可根据像素数据页中的多个像
素数据确定相应的相位数据，该过程被称之为相位降采样；之后根据比特数据到相位数据的映射关系，即可将相位降采样得到的相位数据解调制为相应的比特数据；
43.传统的ldpc译码方法中，在得到比特数据后，按照常规方法计算每个比特的对数似然比，并激活ldpc译码过程，完成译码；传统的ldpc译码方法中，所有比特的llr信息的权重都是相同的并设定为1。
44.为便于描述，不失一般性地，在以下实施例中，若没有特殊说明，则相位调制型全息存储系统在对用户数据和编码产生的校验数据进行相位编码编码，每两个比特数据映射为一个相位数据，且具体的映射关系如下：
45.11
→
3π/2(p1)，01
→
π/2(p2)，00
→
0(p3)，10
→
π(p4)；
46.其中，记录数据时，每个相位数据的重复次数为n＝4。
47.以下结合一个具体的示例对现有的基于ldpc纠错码的全息存储系统的数据存储方法进行进一步的解释说明。如图1所示，采用四阶相位调制，码率为0.89的ldpc码，写入16384比特的信息数据时，数据写入过程如下：
48.(1)对16384位的信息比特进行编码，生成校验比特，由校验比特和信息比特共同构成ldpc码字；
49.(2)将ldpc码字及参考比特划分为比特数据页，左半部分是用户数据或者校验数据，右半部分是随机生成已知的参考比特；
50.(3)根据四阶相位编码规则：00
→
0,11
→
π，调制为18幅相位数据页，每个相位页的尺寸大小是32
×
32
×
2＝2048bit；
51.(4)将调制后的相位数据页送至全息信道中进行传输，最终写入全息存储介质。
52.数据读取过程如下：
53.(1')通过对cmos接收的傅里叶强度图施加加型高斯白噪声来模拟信道的噪声。迭代傅里叶算法被用来恢复相位页，进而得到重建的相位数据页；
54.(2')对重建的相位进行判决，设定的判决阈值为两相邻相位的均值,依据解调规则：0
→
00,π
→
11，对判决后的相位进行解调，得到比特数据页；
55.(3')确定比特数据页中每个信息比特的初始llr信息：对每一个比特，若为比特1，则设定其初始llr的值为+1；若为比特0，则设定其初始llr的值为-1；
56.(4')利用比特数据页中信息比特的初始llr信息激活ldpc译码过程进行迭代译码。
57.上述数据存储方法中，在数据读取阶段，确定每个比特的初始llr信息时，仅考虑了信息比特，且每个比特被赋予了相同的权重，计算精度较低，而现有的提高初始llr信息计算精度的方法都会明显增加计算复杂度，计算效率较低。针对该问题，本发明提供了参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法、装置及系统，其整体思路在于：充分利用不同类型比特数据的可靠性差异的先验知识，对编码及译码流程进行改进，在编码过程中，利用ldpc码将信息比特与已知的参考比特进行统一编码，并在译码过程中，对于已知的参考比特赋予相对于信息比特更高的权重，从而利用已知的参考信息，在明显提高初始llr信息精度的情况下，有效提高初始llr信息的计算效率，进一步提高全息存储系统的读性能。
58.基于以上构思，在本发明的一个实施例中，提出了一种参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法，应用于相位调制型全息存储系统，
59.数据写入过程包括：
60.(t1)生成与待写入的信息比特等量且内容已知的参考比特，并利用ldpc码对信息比特和参考比特进行统一编码，以生成校验比特；
61.(t2)将信息比特、参考比特以及校验比特划分为比特数据页，每个比特数据页中一半数据为信息比特或校验比特，另一半数据为参考比特；
62.(t3)通过相位调制将各比特数据页调制为相位数据页后写入相位调制型全息存储系统的全息存储介质；
63.数据读取过程包括：
64.(s1)读取指定相位数据页并进行相位解调，得到比特数据页；
65.(s2)确定比特数据页中各比特的初始llr；对于任意一个比特，其初始llr的确定方式为：若为参考比特且为比特1，则设定其初始llr的值为m；若为参考比特且为比特0，则设定其初始llr的值为p；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定其初始llr的值为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定其初始llr的值为-1；
66.(s3)利用比特数据页中各比特的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对比特数据页的译码；
67.其中，m》1，且p+m＝0。
68.由于参考光在记录和读取的过程中均是已知的，因此在译码时参考比特的可靠性远高于信息比特的可靠性，本实施例充分利用该先验知识，对译码过程中初始llr信息的计算方式进行了改进，对于已知的参考比特，将被赋予更高的权重。
69.本实施例中，对于p和m的值没有严格的限制，以下设置三组值：(p＝-5，m＝5)、(p＝-10，m＝10)和(p＝-15，m＝15)，以传统ldpc译码过程作为对比，不同译码方式下的比特错误率(ber)、不可纠正比特错误率(uber)、译码迭代次数、译码成功率和译码时间进行对比分析，结果分别如图3、图4、图5、图6和图7所示。
70.根据图3和图4所示结果可知，无论是传统方法还是本实施例所提出的方法，当相位错误率(per)增加时，ber和uber都会增加。然而，使用传统方法，ber上升得更快，并且斜率更陡，而当采用本实施例所提出的方法时，ber攀升缓慢，并且可以在较高的per下显著降低。例如，当per接近0.025时，ber可以平均降低36.6％；uber可以平均减少13.2％。此外，不同的(p,m)对应的ber和uber的差异均不大。
71.根据图5和图6所示结果可知，无论是传统方法还是本实施例所提出的方法，当per上升时，译码迭代次数也会上升。如图5所示，当per为0.019时，与传统方法相比，本实施例所提出的方法可以将译码迭代次数减少约29.9％。如图6所示，译码成功率随着per的增加而降低，与传统方法相比，当per接近0.019时，本实施例所提出的方法的译码成功率平均增加了38.4％。更详细地说，对于1000个记录的ldpc码字，由于per为0.019，在使用传统ldpc码和本实施例所提出的方法之后，可以分别完全校正394和545个码字，译码成功率明显增加。不同(p,m)取值下，译码迭代次数和译码成功率差异均不大。
72.随着per的变化，译码迭代时间(归一化之后)的变化趋势如图7所示，当per较低时，本实施例所提供的方法与传统方法的译码时间没有明显差异；随着per的上升，不同方
法的译码时间差异变得明显，具体来说，本实施例所提出的方法中的(p,m)的各种值的译码时间在低per下明显不同，(p＝-5，m＝5)时，译码时间较短；然而，随着per的上升，参数(p,m)对译码时间的影响迅速减小。当per接近0.025时，与传统方法相比，本实施例所提供方法可以减少38.4％的译码时间，并显著提高译码性能和数据传输速率。
73.以上对比结果说明了本实施例能够有效降低比特错误率、不可纠正比特错误率、译码迭代次数和译码迭代时间，并有效提高译码成功率，因此，本实施例能够有效提高ldpc译码的性能。
74.同样采用四阶相位调制，码率为0.89的ldpc码，写入1kb的信息比特时，采用本实施例提供的数据存储方法，则如图2所示，数据写入过程包括：
75.(1)生成1kb的已知的参考比特，与1kb的信息比特一起组成2kb的待编码数据；
76.(2)使用码率为0.89的ldpc码对待编码数据进行纠错编码，生成0.25kb的校验比特，与待编码数据一起组成一个2.25kb的ldpc码字；
77.(3)根据四阶相位编码规则：00
→
0,11
→
π，将ldpc码字调制为10幅相位数据页，相位页的左半部分是用户数据或者校验数据，右半部分是参考数据。每个相位页的尺寸大小是32
×
32
×
2＝2048bit；
78.(4)将调制后的相位数据页送至全息信道中进行传输，最终写入全息存储介质。
79.数据读取过程如下：
80.(1')通过对cmos接收的傅里叶强度图施加加型高斯白噪声来模拟信道的噪声。迭代傅里叶算法被用来恢复相位页，进而得到重建的相位数据页；
81.(2')对重建的相位进行判决，设定的判决阈值为两相邻相位的均值,依据解调规则：0
→
00,π
→
11，对判决后的相位进行解调，得到比特数据页；
82.(3')确定比特数据页中每个比特的初始llr信息：对每一个比特，若为参考比特且为比特1，则设定其初始llr的值为m；若为参考比特且为比特0，则设定其初始llr的值为p；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定其初始llr的值为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定其初始llr的值为-1；
83.(4')利用比特数据页中每个比特的初始llr信息激活ldpc译码过程进行迭代译码；
84.(5')从译码后的数据中提取信息比特后输出。
85.对比图1和图2可知，本实施例相比于传统的ldpc译码方法，初始llr的计算无需引入额外的操作，计算复杂度相同，相比于其他提高初始llr计算精度的方法，计算效率显著提高，进一步降低了计算延迟，由此能够进一步提高全息存储系统的读性能。
86.基于图3～图7所示结果可知，在保证参考比特具有更高的权重的情况下，本实施例对于p和m的取值没有限制，综合考虑比特错误率(ber)、不可纠正比特错误率(uber)、译码迭代次数、译码成功率和译码时间后，优选地，本实施例中，m＝5，p＝-5。
87.总体而言，本实施例充分利用不同类型比特数据的可靠性差异的先验知识，对编码及译码过程进行改进，在编码过程中，利用ldpc码对信息比特和参考比特进行统一编码，并在译码过程中，计算初始llr信息时，对于已知的参考比特赋予更高的权重，在提高ldpc
译码过程中初始llr信息计算精度的同时提高计算效率，进一步提高全息光存储系统的读性能。
88.实施例2：
89.一种参考光辅助相位错误纠正的数据存储装置，应用于相位调制型全息存储系统；该装置包括数据写入设备和数据读取设备；
90.数据写入设备包括：
91.编码模块，用于生成与待写入的信息比特等量且内容已知的参考比特，并利用ldpc码对信息比特和参考比特进行统一编码，以生成校验比特；
92.数据页划分模块，用于将信息比特、参考比特以及校验比特划分为比特数据页，每个比特数据页中一半数据为信息比特或校验比特，另一半数据为参考比特；
93.以及相位调制模块，用于通过相位调制将各比特数据页调制为相位数据页后写入相位调制型全息存储系统的全息存储介质；
94.数据读取设备包括：
95.相位解调模块，用于读取指定相位数据页并进行相位解调，得到比特数据页；
96.初始llr计算模块，用于确定比特数据页中各比特的初始llr；对于任意一个比特，其初始llr的确定方式为：若为参考比特且为比特1，则设定其初始llr的值为m；若为参考比特且为比特0，则设定其初始llr的值为p；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定其初始llr的值为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定其初始llr的值为-1；
97.以及译码模块，利用比特数据页中各比特的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对比特数据页的译码；
98.其中，m》1，且p+m＝0；优选地，本实施例中，m＝5，p＝-5。
99.本实施例中，各模块的具体实施方式，可参考上述实施例1中的描述，在此将不做复述。
100.实施例3：
101.一种相位调制型全息存储系统，包括：全息存储介质以及上述实施例2提供的参考光辅助相位错误纠正的数据存储装置。
102.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法，应用于相位调制型全息存储系统，其特征在于，数据写入过程包括：(t1)生成与待写入的信息比特等量且内容已知的参考比特，并利用ldpc码对所述信息比特和所述参考比特进行统一编码，以生成校验比特；(t2)将信息比特、参考比特以及校验比特划分为比特数据页，每个比特数据页中一半数据为信息比特或校验比特，另一半数据为参考比特；(t3)通过相位调制将各比特数据页调制为相位数据页后写入所述相位调制型全息存储系统的全息存储介质；数据读取过程包括：(s1)读取指定相位数据页并进行相位解调，得到比特数据页；(s2)确定比特数据页中各比特的初始llr；对于任意一个比特，其初始llr的确定方式为：若为参考比特且为比特1，则设定其初始llr的值为m；若为参考比特且为比特0，则设定其初始llr的值为p；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定其初始llr的值为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定其初始llr的值为-1；(s3)利用比特数据页中各比特的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对所述比特数据页的译码；其中，m>1，且p+m＝0。2.如权利要求1所述的参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法，其特征在于，m＝5，p＝-5。3.一种参考光辅助相位错误纠正的数据存储装置，应用于相位调制型全息存储系统，其特征在于，包括数据写入设备和数据读取设备；所述数据写入设备包括：编码模块，用于生成与待写入的信息比特等量且内容已知的参考比特，并利用ldpc码对所述信息比特和所述参考比特进行统一编码，以生成校验比特；数据页划分模块，用于将信息比特、参考比特以及校验比特划分为比特数据页，每个比特数据页中一半数据为信息比特或校验比特，另一半数据为参考比特；以及相位调制模块，用于通过相位调制将各比特数据页调制为相位数据页后写入所述相位调制型全息存储系统的全息存储介质；所述数据读取设备包括：相位解调模块，用于读取指定相位数据页并进行相位解调，得到比特数据页；初始llr计算模块，用于确定比特数据页中各比特的初始llr；对于任意一个比特，其初始llr的确定方式为：若为参考比特且为比特1，则设定其初始llr的值为m；若为参考比特且为比特0，则设定其初始llr的值为p；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定其初始llr的值为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定其初始llr的值为-1；以及译码模块，利用比特数据页中各比特的初始llr激活ldpc译码过程，以完成对所述比特数据页的译码；其中，m>1，且p+m＝0。4.如权利要求3所述的参考光辅助相位错误纠正的数据存储装置，其特征在于，m＝5，p＝-5。
5.一种相位调制型全息存储系统，其特征在于，包括：全息存储介质以及权利要求3或4所述的参考光辅助相位错误纠正的数据存储装置。

技术总结
本发明公开了参考光辅助相位错误纠正的数据存储方法、装置及系统，属于全息存储技术领域，数据写入过程中，将参考比特与信息比特一起进行编码；数据读取过程包括：读取指定相位数据页并进行相位解调后确定各比特的初始LLR；对于任意一个比特，若为参考比特且为比特1，则设定为m(m>1)；若为参考比特且为比特0，则设定为p(p+m＝0)；若为信息比特或校验比特且为比特1，则设定为1；若为信息比特或校验比特且为比特0，则设定为-1；利用初始LLR激活LDPC译码过程，完成译码。本发明能够充分利用不同类型比特数据的可靠性差异的先验知识，在提高LDPC译码过程中初始LLR信息计算精度的同时提高计算效率，进一步提高全息光存储系统的读性能。能。能。


技术研发人员：张猛 吴非 于勤 赵雅慧 谢长生
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/22