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基于MPI-OpenMP的电大目标电磁散射混合并行计算研究

作　者: 雷蕾
导　师: 聂在平
学　校: 电子科技大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: MPI-OpenMP混合并行 多层快速多极子方法 混合并行策略 预条件技术 薄介质层涂敷
分类号: O441
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


电大尺寸目标电磁散射特性的研究长久以来都是计算电磁学领域的热点和难点。本文采用MPI-OpenMP混合并行多层快速多极子方法，力求精确、高效的求解电大尺寸导体目标和涂敷目标电磁散射问题。本文首先介绍了矩量法和加速矩量法计算的快速多极子方法（FMM）和多层快速多极子方法（MLFMA）。从电磁并行计算所需的硬件、软件环境还有算法三个方面出发，阐述了高性能并行平台—集群，包括MPI、OpenMP在内的软件环境，详细介绍了MLFMA原理及本文采用的MLFMA混合并行策略。接着本文基于消息传递MPI，采用MLFMA混合并行策略，在分布式存储系统上实现了MLFMA的并行。对MLFMA聚合、转移、配置过程及过渡层的MPI并行实现作了详细的介绍，研究了散射场计算的并行化。为了与当今流行的高性能并行平台更好的结合，本文研究了在对称多处理器（SMP）集群上，基于MPI-OpenMP的MLFMA混合并行。考虑到SMP集群分布式和共享式存储共存的特点，采用MPI-OpenMP提供节点间和节点内部两级并行，由MPI解决节点间的粗粒度进程级并行，OpenMP负责集群节点内部多处理器的交互，提供轻量级的线程级并行。在MLFMA的MPI-OpenMP混合并行实现中，对邻近组和远区组的并行采用相应的两级任务划分模式，并对混合并行做了相应的优化处理。理论和数值分析表明，MPI-OpenMP混合并行与体系结构很好的结合起来，避免了节点内部的通信，改善了负载平衡，提高了并行效率。进一步的，本文研究了包括块对角、稀疏近似逆在内的预条件的并行，在稀疏近似逆预条件中，根据对多极子树形结构底层盒子中预条件矩阵计算量的评估，重新划分了并行任务，达到了平衡负载和减少通信的目的。由于在实际的工程应用中，薄介质层涂敷的电大目标的电磁散射特性一直是学者们探索和关心的问题，本文将分析薄介质层涂敷问题的阻抗边界条件和广义薄涂敷等效模型与并行的多层快速多极子方法结合起来，对涂敷目标的电磁散射问题进行高效求解。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 引言  10-21
  1.1 高效数值方法研究进展  10-12
  1.2 积分方程数值求解方法  12-18
    1.2.1 积分方程方法及其矩量法求解  12-15
    1.2.2 积分方程快速求解的多层快速多极子方法  15-18
  1.3 基于高效数值方法的并行化探索  18-19
  1.4 本文的研究内容和贡献  19
  1.5 本文内容安排  19-21
第二章 多层快速多极子并行计算基础  21-35
  2.1 引言  21-22
  2.2 并行计算简介  22-24
    2.2.1 并行技术基础  22-23
    2.2.2 并行硬件平台  23-24
  2.3 并行计算软件环境  24-27
    2.3.1 消息传递模型  25-26
    2.3.2 共享存储模型  26-27
  2.4 多层快速多极子并行策略  27-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章 基于 MPI 的多层快速多极子混合并行  35-44
  3.1 引言  35
  3.2 MLFMA 中聚合、配置过程并行实现  35-38
  3.3 MLFMA 中转移过程并行实现  38-39
  3.4 MLFMA 中混合并行过渡层的处理  39-40
  3.5 散射场计算并行实现  40-41
  3.6 数值算例  41-43
  3.7 本章小结  43-44
第四章多层快速多极子方法 MPI-OpenMP 混合并行  44-56
  4.1 引言  44
  4.2 混合并行方法原理  44-46
  4.3 混合并行编程实现  46-49
  4.4 混合并行优化处理  49-50
  4.5 并行效率评估及分析  50-54
  4.6 本章小结  54-56
第五章 预条件技术及其并行实现  56-63
  5.1 引言  56
  5.2 块对角预条件并行实现  56-58
  5.3 稀疏近似逆预条件并行实现  58-61
  5.4 数值算例  61-62
  5.5 本章小结  62-63
第六章 涂敷目标电磁散射的并行计算  63-78
  6.1 引言  63
  6.2 涂敷目标电磁散射主要分析方法  63-73
    6.2.1 阻抗边界条件（IBC）  65-69
    6.2.2 广义薄涂敷等效模型  69-73
  6.3 数值算例  73-77
  6.4 本章小结  77-78
结束语  78-80
致谢  80-81
参考文献  81-86
攻硕期间取得的研究成果  86-87

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 电磁学、电动力学 > 电磁学
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