分布式星載sar回波仿真的并行化計(jì)算研究(編輯修改稿)
2024-07-23 11:50 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，只要任務(wù)的分配是合適的，就能使整個(gè)程序的數(shù)據(jù)處理能力成倍的增加。 曙光并行機(jī)簡(jiǎn)介在本論文進(jìn)行的研究中，我們使用曙光4000B并行刀片機(jī)作為仿真平臺(tái)。曙光4000B刀片機(jī)是一臺(tái)基于消息傳遞機(jī)制的大規(guī)模并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（MPP）。它由8個(gè)SMP超節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)SMP超節(jié)點(diǎn)具有2個(gè)超線程技術(shù)（HT）的INTEL CPU，這兩個(gè)CPU共享2GB內(nèi)存和40GB硬盤。8個(gè)SMP超節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)千兆以太網(wǎng)連接，對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)通過(guò)百兆以太網(wǎng)連接。 使用曙光并行機(jī)仿真回波的產(chǎn)生過(guò)程在這一部分，主要介紹實(shí)現(xiàn)分布式小衛(wèi)星SAR地面回波仿真并行化過(guò)程需要解決的三個(gè)問(wèn)題：，多星接收回波過(guò)程（以下統(tǒng)一簡(jiǎn)稱單發(fā)多收過(guò)程）和多星發(fā)射微波，多星接收回波過(guò)程（以下統(tǒng)一簡(jiǎn)稱多發(fā)多收過(guò)程）的解決策略；；，各并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳遞策略。(1) 實(shí)現(xiàn)單發(fā)多收與多發(fā)多收過(guò)程的策略前面已經(jīng)介紹了SAR回波仿真的基本原理，它是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心，也是需要并行化實(shí)現(xiàn)的部分。但是為了實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星系統(tǒng)SAR地面目標(biāo)回波數(shù)據(jù)的仿真，還需要向仿真系統(tǒng)傳遞仿真參數(shù)，因此首先確定仿真模塊的劃分，仿真系統(tǒng)劃分為兩個(gè)基本模塊：仿真參數(shù)獲取模塊與點(diǎn)目標(biāo)回波仿真模塊。由仿真參數(shù)獲取模塊獲取仿真參數(shù)（包括衛(wèi)星參數(shù)與雷達(dá)參數(shù)）并以發(fā)送微波和接收回波的小衛(wèi)星參數(shù)為輸入?yún)?shù)調(diào)用點(diǎn)目標(biāo)仿真模塊，生成點(diǎn)目標(biāo)回波仿真數(shù)據(jù)。由于分布式小衛(wèi)星SAR系統(tǒng)發(fā)送微波的雷達(dá)與接收回波的雷達(dá)在絕大多數(shù)情況下并非同一個(gè)，因此仿真參數(shù)獲取模塊在每次仿真時(shí)需要向點(diǎn)目標(biāo)仿真模塊提供發(fā)射微波的衛(wèi)星參數(shù)以及接收回波的衛(wèi)星參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)單發(fā)多收的仿真過(guò)程，需要建立接收回波的小衛(wèi)星隊(duì)列，隊(duì)列中每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)接收回波的小衛(wèi)星參數(shù)。仿真時(shí)每次從接收回波的小衛(wèi)星隊(duì)列中摘取一個(gè)接收回波的小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，并將發(fā)送微波的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與接收回波的小衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)參數(shù)提供給點(diǎn)目標(biāo)仿真模塊進(jìn)行仿真。循環(huán)執(zhí)行該過(guò)程直到接收回波的小衛(wèi)星隊(duì)列為空。該過(guò)程如圖1所示。多發(fā)多收的仿真過(guò)程以單發(fā)多收的仿真過(guò)程為基本單元，為了實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收仿真過(guò)程，需要建立發(fā)送微波的小衛(wèi)星隊(duì)列，隊(duì)列中每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)發(fā)送微波的小衛(wèi)星參數(shù)，每個(gè)發(fā)送微波小衛(wèi)星對(duì)應(yīng)一個(gè)接收回波的小衛(wèi)星隊(duì)列。仿真時(shí)，每次從發(fā)送微波隊(duì)列中摘取一個(gè)發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，以該節(jié)圖1 單發(fā)多收的仿真過(guò)程示意圖點(diǎn)為發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)執(zhí)行一次單發(fā)多收的仿真過(guò)程，循環(huán)執(zhí)行此過(guò)程直到發(fā)送衛(wèi)星隊(duì)列為空為止。該過(guò)程如圖2所示。圖2 多發(fā)多收過(guò)程的仿真示意圖(2) 生成回波數(shù)據(jù)的并行仿真策略使用曙光機(jī)并行仿真回波數(shù)據(jù)需要解決的另一個(gè)問(wèn)題是對(duì)并行任務(wù)的分配問(wèn)題。在用并行機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)需要關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題，一是平均分配運(yùn)算任務(wù)，使所有并行節(jié)點(diǎn)的工作負(fù)載基本平衡。這樣才能最大的發(fā)揮并行程序的性能；二是合理劃分并行任務(wù)粒度（task granularity）的尺寸大小，獲得最大的并行性。使用并行機(jī)處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先要解決的問(wèn)題工作負(fù)載的平衡問(wèn)題。合理劃分工作任務(wù)，使得各個(gè)運(yùn)行節(jié)點(diǎn)平均分擔(dān)運(yùn)算任務(wù)，才能近似同時(shí)運(yùn)算，同時(shí)完成任務(wù)，最大地發(fā)揮并行機(jī)的性能。合理劃分任務(wù)粒度是另一個(gè)需要解決的重要問(wèn)題。通常用R/C的比值作為衡量任務(wù)粒度的尺度，其中R代表程序的執(zhí)行時(shí)間，C代表用于通信的開銷。在粗粒度（coarse grain）的并行情況下，R/C的比值比較大，每個(gè)單位計(jì)算只需要少量的通信。在細(xì)粒度（fine grain）并行情況下，R/C比值比較小，每個(gè)單位計(jì)算有很大的通信量和其它的開銷[6]。在粗粒度的并行情況下，并行節(jié)點(diǎn)之間額外的通信開銷較小，并行程序能夠獲得較大的加速性能。但是由于任務(wù)粒度較大，因此無(wú)法完全發(fā)掘程序的并行性；在細(xì)粒度的并行情況下，每個(gè)并行節(jié)點(diǎn)可以將一個(gè)程序盡可能地分解成能并行執(zhí)行的小任務(wù)，充分發(fā)掘程序的并行性。但是由于并行執(zhí)行的任務(wù)數(shù)量較多，并行節(jié)點(diǎn)之間的通信開銷大大增加，降低并行程序的加速性能。SAR地面目標(biāo)回波仿真的過(guò)程是多個(gè)點(diǎn)目標(biāo)回波仿真數(shù)據(jù)的疊加過(guò)程,如公式(4)所示。
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