《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DDPG算法的数据传输研究
电子技术应用
闫丹婷，焦新泉
中北大学 仪器与电子学院 仪器科学与动态测试教育部重点实验室
摘要： 针对目前数据传输系统可靠性差、传输速率低的情况，利用FPGA和UDP协议设计了一款数据传输系统。系统采用FPGA为主控芯片，Flash为存储介质，通过上位机发送指令控制系统进行数据的存取，采用千兆以太网进行数据通信与指令接收，增加了数据重传机制以及流量控制模块，以保证数据高速可靠传输。为提高带宽利用率、降低网络时延，加入了改进的深度确定性策略梯度算法（Deep Deterministic Policy Gradient， DDPG）进行拥塞控制。实验测试结果表明，采用该算法能够显著降低网络时延，系统传输速率可达912 Mb/s，且系统可靠性高、成本低，具有移植性和实际的推广价值，也便于升级维护。
中圖分類(lèi)號(hào)：TN914；TP181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245786
中文引用格式： 閆丹婷，焦新泉. 基于DDPG算法的數(shù)據(jù)傳輸研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(1)：69-74.
英文引用格式： Yan Danting，Jiao Xinquan. Research on data transmission based on DDPG algorithm[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(1)：69-74.
Research on data transmission based on DDPG algorithm
Yan Danting，Jiao Xinquan
Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Testing （Ministry of Education）， College of Instrumentation and Electronics，North University of China
Abstract： Aiming at the poor reliability and low transmission rate of the current data transmission system, a data transmission system is designed using FPGA and UDP protocol. The system adopts FPGA as the main controller chip and Flash as the storage medium, and sends commands to control the system through the host computer to access the data, adopts Gigabit Ethernet to be in charge of data communication and command reception, and adds a data retransmission mechanism as well as a flow control module to ensure the high-speed and reliable transmission of data. In order to improve bandwidth utilization and reduce network delay, an improved Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) algorithm is added for congestion control. The experimental test results demonstrate that the algorithm presented in this paper can markedly reduce network latency. The system transmission rate can reach 912 Mb/s, and the system enjoys high reliability, low cost, portability, and practical promotion value. It is also convenient for upgrading and maintenance.
Key words : data transmission；deep reinforcement learning algorithms；FPGA；reliable transmission；DDPG algorithm；Gigabit Ethernet

引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下采集與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類(lèi)越來(lái)越多，傳輸所需容量也越來(lái)越大，要求數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有高速率的同時(shí)也要保持高可靠性。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)通常采用串行通信總線(xiàn)接口、控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)接口通信等[1]，但這些傳統(tǒng)通信方式傳輸速率低、傳輸距離短、可靠性差。以太網(wǎng)作為當(dāng)前局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)廣泛采用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活多變且兼容性好[2]，千兆以太網(wǎng)技術(shù)傳輸速率理論上可達(dá)1 000 Mb/s，符合系統(tǒng)所需高速率、高可靠性的要求[3]。

千兆以太網(wǎng)作為當(dāng)前主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，其數(shù)據(jù)傳輸速度雖已大幅提升，但仍需不斷優(yōu)化。國(guó)外對(duì)千兆以太網(wǎng)傳輸技術(shù)進(jìn)行研究的團(tuán)隊(duì)有高通、博通、英特爾等公司，且仍在開(kāi)發(fā)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如美國(guó)NETGEAR公司的Orbi RBK76X AX5400三頻路由器上具有7個(gè)千兆網(wǎng)口，支持直連路由器；美國(guó)Lucent公司的Cajun P550R路由交換機(jī)使用千兆以太網(wǎng)，作為校園網(wǎng)主干設(shè)備提供高速的數(shù)據(jù)交換能力。國(guó)內(nèi)也有高校及公司進(jìn)行相關(guān)研究，如江蘇自動(dòng)化研究所基于FPGA設(shè)計(jì)了艦用指控系統(tǒng)多通道、實(shí)時(shí)的千兆以太網(wǎng)高速傳輸系統(tǒng)。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比較，千兆以太網(wǎng)不僅大幅度提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，使傳輸距離更遠(yuǎn)，傳輸方式簡(jiǎn)單且應(yīng)用范圍廣泛[4]。而且，千兆以太網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限于局域網(wǎng)，它也可以用于板對(duì)板的應(yīng)用[5]。但是由于成本高、技術(shù)不夠成熟，國(guó)內(nèi)工業(yè)上數(shù)據(jù)傳輸大多情況下仍是使用百兆以太網(wǎng)，因此，千兆以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)仍需深入研究。

傳統(tǒng)的UDP協(xié)議可靠性差，因?yàn)槠渲胁⒉话瑪?shù)據(jù)重傳機(jī)制，因此系統(tǒng)加入高速重傳機(jī)制來(lái)提高系統(tǒng)可靠性，同時(shí)為進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、提高系統(tǒng)傳輸速度，采用了改進(jìn)的DDPG算法進(jìn)行擁塞控制。

本文依據(jù)FPGA這一高性能硬件平臺(tái)，通過(guò)千兆以太網(wǎng)完成通信，采用UDP協(xié)議及改進(jìn)的DDPG算法，深度融合FPGA的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的高速、高可靠性傳輸，傳輸成本低、價(jià)值高。


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作者信息：

閆丹婷，焦新泉

（中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）


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