Applications of modern coding theory to DNA storage

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K14160
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
• Research Institution: Shinshu University (2023); Tokyo University of Science (2021-2022)
• Principal Investigator: Shibata Ryo 信州大学, 工学部, 助教 (60898401)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: LDPC符号 / 空間結合符号 / 挿入削除誤り / DNAストレージ / 次世代ストレージ

Outline of Final Research Achievements

In this study, we propose a new coding and decoding scheme based on Low-Density Parity-Check (LDPC) codes and probabilistic inference to correct insertion, deletion, and substitution (IDS) errors, which are known to occur in DNA storage. Specifically, we developed a design method for irregular LDPC codes for ID+noise errors, a sliding window-based error correction method, and a nonbinary LDPC coding method to correct position errors in racetrack memory (RM). These methods have improved the reliability and efficiency of IDS error correction codes, taking a step toward practical application. Additionally, the delayed coding (DC) scheme enables high performance while reducing computational costs.

Free Research Field

符号理論，情報理論，通信理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は，DNAストレージ技術の信頼性，効率性，安定性を向上させるための新しい基礎理論を提供するものである．学術的には，IDS誤りの数理モデルと通信路容量の計算を通じて理論的限界を明らかにし，LDPC符号と確率推論に基づく革新的な符号化および復号法を提案した．社会的には，次世代ストレージ技術 (DNAストレージ，レーストラックメモリ等) の発展とデータ保存の信頼性向上に貢献するものである．これにより，重要なデータの長期保存がより安全かつ確実に行えるようになる．