题目：大范围电磁环境多级并行仿真方法研究

随着无线通信和现代战争技术的发展，预测无线信号的传播范围、雷达的探测覆盖区域等变得越来越重要。在进行无线电磁信号传播过程中，首先要根据具体的一些电磁物理问题，如雷达散射截面（RCS）、无线通信、导航制导等，抽象出一些数学模型，然后借助于计算机，利用一些先进算法实现快速仿真，最后把得到的结果进行可视化。在这个过程中，最重要的是如何高效地完成对数学模型的仿真过程，并要求这个过程范围大、精度高、速度快、能耗低。为此，本文围绕大范围电磁环境（EME）仿真中的关键问题，主要开展如下几方面的研究：

1. 研究了准三维抛物方程（PE）模型在解决不规则地形中电磁传播的快速并行方法。该方法将复杂的三维空间的EME仿真变成了一系列简单的PE的二维切片的计算，这样就在并没有损失太多的精度情况下高效地求解了三维空间中电磁场分布。在这个过程中需要根据天线方向图计算出每个二维切片内的发射源，并需要利用双线性差值方法从DEM（数字高程地图）数据得到地形剖面值。

2. 提出了基于PE与RT（射线跟踪）方法的FHPM（快速混合传播模型）的混合法。在二维的高级传播模型（APM）的基础上，充分利用PE与RT两种方法的优点，提出了基于准三维PE方法和三维RT方法的三维的FHPM混合法，并进一步研究了FHPM混合法在建模和求解过程中的具体问题，主要包括FHPM的建模过程，以及对于边界条件的处理方法，最终在计算速度大幅度提高的情况下，将电磁环境仿真计算的角度范围从30°扩展到了90°。

3. 提出了大范围电磁环境仿真的多级并行算法及其调度优化方法。借助于多核架构的超级计算机，对FHPM混合法实现了快速计算。对于其中较为复杂的准三维抛物方程方法，采用了电磁任务、交叉步进、方程并行三层并行方法对大范围的EME实现了快速仿真计算，由于准三维PE方法的各个切片间的独立关系，在切片间利用MPI进行节点间的并行，然后将每个切片划分成若干个交叉步进的子任务并将其并行，在每个交叉步进内部再完成求解方程的OpenMP多核并行；对于射线跟踪方法，由于射线间无关系的特点，把某些距离近的射线束进行节点间并行，在每个节点内部可以根据独立的射线进行并行，这样就能实现多层次的并行。在此基础上设计了基于装箱问题和频率调节的最低能耗调度（FALES）优化方法，在保证一定精度和速度的前提上，明显的减少了计算过程中的能耗。

最后针对64km*60km*10km的大范围EME仿真计算进行验证，对于FHPM混合法中比较复杂的PE方法在计算核数为256时加速比达到了120，对于相对简单的RT方法在128核上并行时加速比超过了100，计算效率高于75%；通过对FALES方法测试在单个8核的节点上可最高减少能耗17.6%。

4. 提出了针对电磁数据的误差分析与修正模型（EMECM）。通过大量的数值试验，首先进行了PE与Wireless Insite软件的比较，证明了PE方法在计算效率上的快速性，然后对FHPM计算出的结果与FDTD的分析比较以后，包括不同高度、不同距离和不同障碍物的比较，并综合比较了PE、RT、FDTD三种方法。在这些比较分析的基础上结合经济学上的误差修正模型，设计了一种针对电磁仿真数据的误差修正模型（EMECM），使得计算结果的误差从8dB减少到了3dB。

5. 实现了大范围复杂电磁仿真系统的设计与验证。设计并实现了一套大范围的复杂电磁环境仿真系统，给出了该系统的总体框架，主要的算法模块的实现，最后通过一些具体的实例对于系统的功能的实现过程进行了验证，最终实现了的大范围的多级并行仿真计算及优化，并对论文的部分研究成果进行了验证。