空间性能（共9篇）
空间性能 篇1
引言
近年来,无线通信技术已经成为全球最热门的研究领域之一,它改变了人们的生活方式,推动了经济发展。多天线在无线通信中的应用成为推动更快数据传输速率和更高频谱利用率的关键因素之一,充分利用空间资源,实现多根天线收发,在不需要增加频谱资源和发射功率的前提下,成倍地提高信道容量[1,2]。但是,在多天线传输方案中也面临信道间干扰(Inter-Channel Interference, ICI)、天线间同步、复杂度高、系统部署不灵活等困难[3]。针对以上多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output, MIMO)系统实际研究中遇到的问题,2006年由英国学者Haas和德国学者Mesleh提出了一种全新的基于MIMO的系统结构—空间调制技术(Spatial Modulation, SM)。
本文剩余部分将如下展开。第二部分介绍空间调制SM的原理,并介绍两种不同的SM发展类型,第三部分给出在不同频带利用率下三种调制技术的性能比较。最后,做出总结。
1空间调制原理
SM调制是近些年提出的一种基于MIMO的一种新的无线传输方案。SM系统通过将特定的信息比特单元映射到唯一与之对应的发射天线索引和信号星座上来发送信息。在接收端,通过接收端对发射天线索引的估计和星座解调得到发送信息的估计。天线索引能够承载信息的理论依据是当发射天线之间的空间距离不小于λ/2 ( λ为发射信号的波长)时,各个信道之间可以看作是独立衰落信道。因此,发射天线索引对应的信道特征可以表征唯一的一组信息比特流。
空间调制技术在发送端仅有一根发射天线处于工作状态,所以从根本上消除了传统MIMO系统中不可避免的ICI和天线间同步等问题,很大程度上降低了系统的复杂度。同时,由于空间调制技术引入了天线的空间维度承载一部分的比特信息,所以增加了调制的自由度。
SM系统模型[4]如图1。q(k) 是将要被发送的信息比特矢量,含有n个比特,经过SM调制后,映射成长度为Nt 的矢量x(k) ,其中在x(k) 中只有一个非零值,该非零值所对应的序号也是将要选择的天线序号,从该天线上将此非零值发送出去,其他天线保持静默。
从上述的SM映射原理可以看出,由于SM技术使用发送天线序号作为信息源来传输信息,所以其传输的数据比特数由所选择的调制方式星座点数和给定的发送天线数共同决定。从另一个角度看,在一定的频谱利用率前提下,SM系统的调制阶数和发送天线数可以进行灵活地选择。例如,如果要实现3 bit/s/Hz的频谱利用率,我们可以选择4根发送天线和BPSK调制方式,也可以选择2根发送天线和QPSK。这种灵活的机制能够提高频谱利用率,也能够降低接收端的复杂程度,这些优势都将适合高速上行链路传输。
如前面所述,SM调制技术将发射天线的序号与载波调制符号组合起来同时作为传递信息的一种手段。经过S M调制输出 的星座图 向量为 。其中j表示出于激活状态的发射天线序号,xq代表M-ary星座图集合χ的第q个符号。所以,在这一传输时刻,只有第j个发射天线是实际发射信号的。
SSK(Space Shift Keying Modulation)是在SM基础上简化提出来的,在传输周期只是利用发射天线的序号来传递信息,可以看成是SM的一种特殊情况。相比于SM,SSK具有以下显著的不同优势[5]:
( 1 ) 检测复杂 度更低 , 而性能几 乎与S M - O D(Optimal Detection)检测相同;
(2) 由于冲击的相位和幅度不传递信息,接收机要求比APM更低;
(3) SSK的系统框架更容易与通信系统整合。
SSK系统模型与SM类似。经过SSK调制器输出的星座图向量为 。虽然符号并不传递信息,但是它的位置传递信息。因此当使用第j个天线时,接收端可以表示为 ,其中hj是信道矩阵H的第j列。也就是说,在任意传输时刻,信道矩阵H中只有一列是激活的,而这些激活的列随着发射符号的改变而改变。这些列在SSK中相当于扮演着随机星座点的角色。
在SSK中要求Nt=M,由于硬件限制很多时候满足不了,于是Jeyadeepan扩展了SSK的概念,提出了GSSK(Generalized Space Shift Keying Modulation)。GSSK调制利用无线通信中的衰落信息能够获得优于传统APM技术的性能。在GSSK中,利用天线的序号,而不是利用符号本身来传递信息,符号仅仅作为识别激活天线的一种方式。这样,既可以具有SM所具有的优势,同时又可以降低接收机的开销。
GSSK的基本思想就是只使用天线的序号来传递信息[6]。对于使用nt 根激活天线传输信息的GSSK系统来说,总共有 种可能的 星座点。 例如 , 当Nt=7,nt=2 时,总共有M'=21种可能的组合。由于星座点只能是2的次幂,我们只能从21种可能的组合中选择使用其中的16种。一旦天线组合形成的星座χ确定之后,那么GSSK映射规则就确定了。以m=log2(M)比特为一组,映射成矢量xj ,其中j∈χ用来区分给定的m比特信息所对应的天线组合。xj 中的符号不包含信息,但是能够设计用来最优传输。矢量xj 区分激活的天线,而其他天线处于静默状态,那么xj 就有如下的形式:
就是说,在GSSK中只有H中的nt 列是激活的,而这些激活的列根据所发射的信息而变化。当要实现3 bit/s/Hz的频谱利用率时,以输入比特为100为例,用以上三种调制方式实现如表1:
2性能比较
通过上节分别对SM、SSK和GSSK三种基本的空间调制系统的描述,可以将三者之间的异同概括为以下几点:
在SM系统和SSK系统中,一个发送周期内仅有一根发射天线处于工作状态,而GSSK系统有多根天线同时处于被激活状态。
在GSSK系统和SSK系统中,发射天线所发送的符号不携带信息,而SM系统中待发送信息分别通过发射天线的索引和星座符号共同承载。
在4bit/s/Hz的发射效率下,三种系统的设计方案以及仿真环境如表2:
值得注意的是,在仿真中,接收天线都采用相同的配置,这是因为检测过程是MRC合并[8],接收天线的增加会增加系统接收分集增益,故为得到条件的一致性,将接收天线数目的设置相等。发送天线的设计是根据发送效率的要求以及发送方案共同决定的。
从图2可以看出,在相同信道环境以及相同的频带利用率的情况下,GSSK系统的性能优于SM系统和SSK系统,这是因为三种系统的工作原理不同。从上节对三者原理的描述中可以知道,SM系统和SSK系统都是单天线工作,而GSSK是多天线工作。GSSK系统的信道相当于若干个单一信道的线性组合,所以这使得GSSK降低了各个有效信道之间的相关性。然而,空间调制技术能够通过天线索引承载信息的依据是因为信道信息之间存在差异性,信道之间的相关性越低性能越好。GSSK系统中多个信道合成一个有效信道的工作方式使得有效信道之间的相关性低于原信道之间的相关性,故GSSK的性能要优于前两者。
为了更加清楚地得出发射效率的提高对三种空间调制方式自 身以及三 者之间的 影响 , 分别对三 者在3bit /s /Hz和4bit /s /Hz的发射效率下做了仿真,结果如图3。
可以看出,每一个发射周期提高1bit的发送效率对各系统的影响不同,其中对SM系统的影响最大,对SSK系统和GSSK系统性能的影响很小。这是源于SM系统在改变发射效率而不改变天线阵列模型时改变了星座调制方式。3bit/s/Hz发射效率时采用的是BPSK的调制方式,而4bit/s/Hz发射效率时采用的是4QAM的发射方式。在等功率发射信号时,增加调制阶数相当于减小了发送符号间的欧式距离,降低了接收端对符号的分辨率,这是导致SM系统性能下降的主要原因。相反地,SSK系统和GSSK系统在提高了发射效率的同时增加了天线的个数,相当于增加了若干个独立信道,增加的信道和原来的信道是不相关的,所以性能不会随着天线数目的增加而发生较大改变。
3总结
相比于传统的V-BLAST等方案,空间调制SM避免了信道间干扰ICI、天线间同步IAS以及需要N r≥Nt等问题,同时能够取得与V-BLAST几乎相同的性能表现。而SSK相对于SM,更加简化了系统模型,降低了接收机的复杂度。但是SSK要求Nt=M,由于硬件限制,很难满足这个要求。与SSK相比,在GSSK中同时激活多根发射天线,避免了符号解调带来的性能恶化,同时能够取得优于SM和SSK的性能。
摘要：在MIMO系统下,介绍了空间调制SM的原理以及由此发展而来的空移键控SSK和广义空移键控GSSK。给出了在不同频带利用率的情况下,三种调制方式的性能对比。通过仿真得出,GSSK的性能要优于SM和SSK;同时,GSSK和SSK的性能不会随着天线数目的增加而发生较大改变。
关键词：多输入多输出(MIMO)系统,SM,SSK,GSSK
空间性能 篇2
空间环境中S781和SR107性能退化研究
文章主要研究S781和SR107两种白漆样品在紫外/质子/电子综合辐照环境下太阳吸收率as的退化情况,利用x射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)对比两种样品的.表面成分和形貌变化,并利用数学模型对S781和SR107的长期退化情况进行了预示.结果表明:SR107白漆的表面完全被甲基硅橡胶粘合剂包覆,辐照前后成分变化不大;S781白漆在辐照后表面出现裂痕,成分也有所改变.在辐照开始后SR107的太阳吸收率as比S781更快趋于稳定,但退化得更严重.
作 者：刘宇明 Liu Yuming 作者单位：北京卫星环境工程研究所,北京,100094刊 名：航天器环境工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING年，卷(期)：25(5)分类号：V416.5关键词：S781白漆 SR107白漆 太阳吸收率 综合辐照
空间性能 篇3
摘要：以某岛外引水渡槽桁架为工程背景，提出了采用预应力与外包水泥基灌注料对钢筋混凝土桁架下弦杆进行加固的方法，并采用分级加载的试验方法，在加固后的桁架上进行了原位静载试验，测试了桁架主要控制截面在各级荷载作用下的挠度、应变（应力）等数值变化，将测试结果与有限元软件计算结果进行比较分析，研究了桁架加固后的力学性能.试验结果表明，预应力与外包水泥基灌注料加固桁架能够较大程度地提高桁架结构承载力，且新增结构层与原结构共同工作及变形协调较好，加固效果较为理想.
关键词：桁架结构；预应力；加固；静载试验
中图分类号：TU317.1文献标识码：A
Abstract：Based on the engineering background of an island water diversion aqueducts truss， this paper put forward a method using prestressed force and outsourcing cement filling material to strengthen the bottom chord of reinforced concrete truss， used the hierarchical load test method to carry out insitu static load experiment on the strengthened truss， tests deflection， strain（stress） value and their changes of the main control section of truss at different levels of loads， made a comparative analysis of the test results， calculated the value of finite element method， and obtained the mechanical performance of the truss after reinforcement. The experimental results show that the use of prestressed force and outsourcing cement filling material to strengthen truss can improve the bearing capacity of truss structures to a great extent， and new structural layers can work with the original structural layers and their deformation coordination is good. The reinforcement effect is also ideal.
Key words： truss structure； prestressed force； reinforcement ； static load test
国内外体外预应力技术用于桥梁加固方面的实践证明，该技术可保证结构的整体性，新旧体系协同工作良好，不仅克服了其他加固方法加固材料存在的应力滞后问题，还可减小挠度和裂缝宽度，提高桥梁承载能力[1-3].由于增设的体外预应力钢筋布置于混凝土截面之外，因而保证了新增体外预应力钢筋在结构的使用期限内不发生锈蚀，才能使加固后的结构具有良好的耐久性.本文以某岛外引水渡槽工程桁架为例，针对其质量缺陷，提出了预应力与外包水泥基灌注料对桁架下弦杆进行加固的方法，并采用分级加载的试验方法，在加固后的桁架上进行了原位静载试验，测试了桁架主要控制截面在各级荷载作用下的挠度、应变（应力）等数值变化，将测试结果与有限元软件计算结果进行比较分析，研究了桁架结构加固后的力学性能.试验结果表明，预应力与外包水泥基灌注料加固桁架程度地提高桁架结构承载力，且新增结构层与原结构共同工作及变形协调较好，加固效果较为理想.
1工程概况
某排架柱钢筋混凝土桁架拱式引水渡槽，设计使用年限50年，设计水流量为3.5 m3/s，桁架单跨跨度为40.2 m，共102跨.上部承重结构主要采用简支梁型下承式桁架，由两榀平行钢筋混凝土主桁架以及主桁架间钢结构横向联系（连杆、支撑等）形成支承引水渡槽的承重体系.桁架内搁置渡槽，渡槽槽身采用厚9.5 cm预制钢筋砼结构，单节长度2.5 m.桁架支座立柱采用钢筋混凝土双柱式结构，立柱基础采用钻孔灌注桩或扩展基础.桁架拱由上、下弦杆、腹杆（竖杆、斜杆）组成，其中上弦杆为2次抛物线曲杆，截面尺寸为300 mm×260 mm；下弦杆截面尺寸为260 mm×340 mm；竖杆截面尺寸为200 mm×160 mm；斜杆截面尺寸有200 mm×160 mm和200 mm×250 mm 2种；杆件混凝土强度等级为C35.桁架立面布置及杆件编号示意图如图1所示.
在本工程试通水引水后，渡槽有1跨出现垮塌事故，经相关单位现场检测及计算复核，该桁架存在钢筋混凝土主桁架的下弦拉杆原设计主筋配置偏少、节点施工质量差、混凝土强度偏低等问题，需对钢筋混凝土桁架进行加固处理.
2加固方案
下弦杆为关键加固部可位，若采取加固措施，初步分析可对桁架的薄弱杆件采取2种加固方案，即粘贴碳纤维布加固法[4]、预应力与外包水泥基灌注料加固法.
方案1，粘贴碳纤维布加固法主要是靠粘贴碳纤维布来增加杆件抗拉能力，应用配套树脂胶黏剂将碳纤维粘贴于承载力不满足要求的混凝土构件外部相应部位，以达到构件满足承载力要求的一种补强加固方法.其加固原理是利用其配套树脂的剪切强度将混凝土构件承载的荷载传递给碳纤维布，使后粘贴碳纤维布和原钢筋混凝土构件共同承受荷载作用力.碳纤维布的抗拉强度较高，但却是“被动”地增加构件的抗拉承载力，只有在桁架结构受力较大时才能得以体现，且施工成本较高，耐老化性能差.
方案2，预应力与外包水泥基灌注料加固法特点有：1）新增预应力筋能弥补原设计配筋不足；2）体外施加预应力法“主动”补充预应力，新增预应力筋能较快的与原结构共同参与工作，结构承载力能够得到较大的提高；3）外包水泥基灌注料属于无机材料，与原结构材性接近，不会形成不相容的隔离层，抗老化、风化性能好，耐久性较好.经方案对比论证，该桁架采用方案2进行加固[5-6].即在下弦杆四周对称安装4根预应力筋后外包C60水泥基灌注料.C60水泥基灌注料由湖南固力工程新材料有限公司提供.预应力筋采用直径15.2 mm （1×7），强度标准值为1 860 MPa的低松弛有粘结预应力钢绞线，其性能应满足《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）的规定.张拉端采用夹片式锚具，固定端采用挤压锚，其性能必须满足《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T 14370的要求并达到 I类锚具的要求.经计算，预应力筋张拉控制应力为930 MPa.张拉时应采用应力控制，应变校核的方法进行.实测伸长值与计算值的偏差应在-6%～+6%范围之内.施工中做现场施加预应力记录.
该桁架加固除主要对下弦杆采用预应力与外包水泥基灌注料加固外，还对竖杆进行了加强处理，同时对斜杆和上弦杆表面施工缺陷采用了高性能水泥复合砂浆修补[7-9]，以提高其耐久性.加固方案见图2.
3静载试验
采用原位静水试验、分级加载的方法[10-12]，测试了试验跨其中一榀桁架主要控制截面在各级静力水荷载作用下的挠度、应变（应力）等数值的变化，并将测试结果与理论计算结果进行了比较.
挠度测试布置3个测试位置，分别位于桁架下弦杆左右1/4跨和跨中.所采用的仪表为机械式千分表.
应变（应力）测试采用全自动数据采集BZ2205C静态应变仪.选取主要控制截面为桁架下弦杆受力最大的跨中截面（即下弦杆的第8根）.本试验分别粘贴了4片应变片，原结构钢筋应变片2片，新增预应力筋应变片2片，均沿着钢筋受力方向粘贴.应变片粘贴的具体位置及编号如图3所示，S1～S2为新增预应力筋应变片，S3～S4为原结构钢筋应变片.
试验开始之前，在渡槽内侧先标注好水深刻度.将粘土分装入塑料编织袋，然后在所试验槽身段两端用分装好的土袋堆砌成挡水坝，与渡槽上边缘平齐.然后用1台功率为1 500 W的抽水泵从下游向槽身内注水.从空槽到设计水深历时24 h.由于抽水流量小，加载时间长，水深变化缓慢，因此，可以认为这种荷载为静力荷载.不必考虑加速度及惯性力的作用.
本试验加载分段分级进行.以每200 mm水深荷载为一级.每级荷载持荷20 min，测读各仪器仪表读数，同时在加载过程中随时观测各控制测点的应变、挠度变化情况，保证试验安全顺利进行，按此加载方式直至满槽（水深1.5 m）.最后在水荷载卸载完成并稳定20 min后，测读各测点的残余变形.
在试验加载过程中，对本试验安全作出如下预案，若加载试验发生下列情形之一，立即终止试验并将水迅速放掉：
1）控制测点变形达到或超过规范允许值；
2）控制测点应变值达到或超过计算理论值；
3）由于水荷载试验导致结构出现非正常局部损伤，影响到渡槽工程桁架结构的承载力和正常使用.
从现场测试情况来看，加载过程非常顺利，加载效果比较理想；上述情况实际并未发生.现场静载试验如图4所示.
4试验结果
4.1挠度测试结果
桁架在不同水深作用下，各测点挠度与水深关系见图5.从图中可以看出，桁架各测点挠度随着水深的不断增加而增大.试验数据表明：实测挠度值与水深（荷载）基本呈线性关系.
4.2应变（应力）测试结果
桁架在不同水深作用下，应变值随水深变化实测值如图6所示，图7所示.应变测试值均为正值，表明桁架下弦杆处于受拉状态.随着水深的抬高（荷载的增大），拉应变呈现出逐渐增长的趋势.根据应变结果，渡槽满槽（水深1.5 m）时，该测点出现峰值应力分别为：σ1=130.26 MPa，σ2=128.70 MPa，σ3=127.80 MPa，σ4=129.40 MPa.
从图6及图7可以看出，应变值与水深基本呈线性关系，应变随着水深增加而逐渐增大.试验结果表明：加固预应力筋与原结构钢筋共同工作，变形协调较好.
5 试验结果和理论计算的比较与分析
5.1有限元模型的建立与修正
该桁架为空间桁架体系，结构受力较为复杂，计算时采用结构分析软件SAP2000进行，该程序在静动力计算方面具有速度快，精度高的特点.空间有限元计算模型见图8.
试验前，根据原设计要求及静水试验的水加载方案，按照分级加载方式，逐步进行结构计算，获取测点的挠度、应变（应力）等控制数据，为在试验过程中设置安全预警值提供依据.
试验后，根据试验过程中实际测量的加载方式、测试当天的温度及风压变化等参数，在计算过程中，对有限元模型的参数进行修正，使模型与实际加载
状况尽量一致，然后对试验加载过程进行精细化分析，计算出各控制截面的挠度、应力（应变）等结果，为结构的实际受力状况评价提供理论依据.
5.2挠度测试结果与计算分析
在渡槽满槽（水深1.5 m）时，荷载作用下的挠度实测值与有限元计算值如表1所示，挠度校验系数在0.958～0.968之间，表明试验实测值与有限元计算值比较吻合.卸载后相对残余变形在7.90%～8.64%之间，满足规范规定的残余变形小于20%的要求.
5.3应变（应力）测试结果与计算分析
在渡槽满槽（水深1.5 m）时，荷载作用下的应力实测值与有限元计算值如表2所示，桁架结构应力校验系数在0.866～0.905之间，表明试验实测值与有限元计算值比较吻合.
5结论
1）对某大跨度钢筋混凝土空间桁架加固后进行静载试验，通过测试结构挠度、应变（应力）及残余变形等各项指标，并与有限元计算结果进行对比分析结果表明，该桁架静载试验结果与有限元计算结果比较吻合，桁架下弦杆在整个静载试验过程中处于弹性工作状态.
2）采用预应力与外包水泥基灌注料加固大跨度空间桁架结构能够在较大程度上提高桁架结构承载力，且新增结构层与原结构共同工作及变形协调较好，加固效果较为理想，为同类工程提供了可靠的试验依据.
参考文献
[1]乔墩.体外预应力技术及其在桥梁工程中的应用[J].重庆交通学院学报，1992， 11（3）：46-55.
QIAO Dun.The technology of external prestressed tendons and its application in bridge engineering[J].Journal of Chongqing Jiaotong University， 1992， 11（3）：46-55. （In Chinese）
[2]艾军，史丽远.公路梁桥体外预应力加固设计与施工方法研究[J].东南大学学报：自然科学版，2002，32（5）：771-774.
AI Jun， SHI Liyuan. Discussion of design and construction method on extraneous prestressed strengthening technique for bridge[J].Journal of Southeast University： Natural Sciences， 2002， 32（5）： 771-774.（In Chinese）
[3]朱典文，唐小兵，张万平.桥梁结构的体外预应力加固技术[J].交通科技，2002（6）：38-41.
ZHU Dianwen， TANG Xiaobing， ZHANG Wanping. The concrete bridge with external presstressing[J].Thansportation Science & Technology， 2002（6）：38-41.（In Chinese）
[4]李新生，王刚，郭英.大跨度预应力混凝土桁架桥梁加固技术研究[J].世界桥梁，2010（4）：68-70.
LI Xingsheng， WANG Gang， GUO Ying. Research ofstrengthening techniques for long span prestressed concrete truss bridges[J]. Bridge of the World，2010（4）：68-70.（In Chinese）
[5]GB 50367-2013 混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013：35-36.
GB 50367-2013 Design code for strengthening concrete structure[S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2013：35-36.（In Chinese）
[6]JGJ/T 279-2012 建筑结构体外预应力加固技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012：8-10.
JGJ/T 279-2012 Technical specification for strengthening building structures with external prestressing tendons[S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2012：8-10.（In Chinese）
[7]卜良桃，叶蓁，周子范，等.钢筋网复合砂浆加固受弯足尺寸RC梁二次受力试验研究[J]. 建筑结构学报，2006，27（5）：94-100.
BU Liangtao， YE Zhen， ZHOU Zifan，et al. Experimental study on RC beam reinforced by reinforcing steel bar mesh mortar subject to secondary load[J]. Journal of Building Structures，2006，27（5）：94-100.（In Chinese）
[8]卜良桃，叶蓁，胡尚瑜. HPF加固RC足尺梁二次受力抗弯试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2007，34（3）：15-19.
BU Liangtao， YE Zhen， HU Shangyu. Experimental study of RC beam strengthened by ferrocement mortar subject to secondary load[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences，2007，34（3）：15-19.（In Chinese）
[9]卜良桃，陈军，鲁晨. PVCECC加固RC足尺梁二次受力试验研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2011，38（1）：1-7.
BU Liangtao， CHEN Jun， LU Chen. Experiment on fullscale RC beam reinforced by polyvinyl alcoholengineered cementitious composite mortar in flexture subjected to secondary load[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2011， 38（1）：1-7.（In Chinese）
[10]GB/T 50784-2013 混凝土结构现场检测技术标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013：61-64.
GB/T 50784-2013 Technical standard for insite inspection of concrete structure [S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2013：61-64.（In Chinese）
[11]GB/T 50152-2012 混凝土结构试验方法标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012：14-20.
GB/T 50152-2012 Standard methods for testing of concrete structure[S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2012：14-20.（In Chinese）
[12]彭大文，丁文胜.大型钢管桁架结构的静载试验研究[J].上海应用技术学院学报：自然科学版，2010，10（3）：180-185.
空间性能 篇4
动物福利是一个广泛的概念,它包括动物生理上和精神上两方面的“康乐”［4］,以及为了达到“康乐”状态人类所采取的态度和有效的措施［5］。在实验室环境下,实验动物福利较差,很多正常行为不能完成,其机体各系统状态紊乱,对动物试验研究的进行造成影响,降低试验结果的可靠性［6］。而通过增加饲养环境的复杂程度,可以提高实验动物的生活质量和福利,使其尽可能的完成其正常行为。而笼子、饲养箱及所包含的设备所组成的物理环境对实验动物有着一定的影响,增大实验动物的饲养空间会改善它的福利状况。Steyermark等［7］设计大小二种鼠箱,经测试表明不同的鼠箱大小会影响小鼠常见行为指标的测试结果。现在广泛采用的鼠箱对鼠类的活动限制很大,通过对鼠箱的改良来研究不同环境下小鼠产仔数、成活率、性别比等数据,掌握其繁殖性能及影响因素,对有计划地进行KM的生产、供应以及研究哺乳动物的繁殖机理具有重要的意义,还可以此为依据,为设计畜禽和其他经济动物饲养环境提供有价值的参考［8］。
1 实验室环境
实验室温度为( 22 ± 1) ℃,湿度控制在63% ~67% ,保持24 h空调中速换气,采用14 h昼,10 h夜的控光周期。试验全过程中,实验室周围没有其他人员活动。
2 材料
2. 1 实验动物
20 ~ 25 日龄雌性KM小鼠60 只和60 日龄的雄性KM小鼠30 只,均由黑龙江中医药大学实验动物中心提供。在实验室环境下雌雄分开饲养于标准M - 2 鼠箱( 25 cm × 16 cm × 15 cm) 中,每天投喂饲料,每2 d更换饮用水和垫料,每箱5 只。雌鼠饲养至40 ~ 45 日龄时,以体重( 29 ± 2) g作为标准选取试验用鼠。雄鼠饲养至65 ~ 70 日龄时,以体重34 ~36 g作为标准选取试验用鼠。
2. 2 饲料与垫料
饲料、垫料,均由黑龙江省中医药大学实验动物中心提供。的饲料喂小鼠用全价日粮颗粒料,成分见表1。
2. 3 鼠箱
鼠箱采用已获专利的标准型和限制型鼠箱( 专利号ZL200720117637.4) 。标准型鼠箱大小为: 20 cm ×30 cm × 25 cm,限制型鼠箱大小为: 10 cm × 20 cm ×25 cm,其他设置基本相同。这两种鼠箱设计时均考虑满足小鼠生存的最基本需要,便于视频监控录像及肉眼观察,易于清理,加工方便,价格适中。标准型鼠箱设计见图1。
%
注: 其他营养添加剂均按产品说明添加。
3 方法
3. 1 试验过程
试验前2 d于17: 00 随机选取2 只雌鼠、1 只雄鼠放入一个标准型鼠箱中( 共放30 只鼠箱) ,合笼饲养24 h。
试验期前1 d于17: 00 将合笼后的60 只雌鼠随机平均分配到2 种观察箱内,每个观察箱内1 只雌鼠,标准型鼠箱30 只,限制型鼠箱30 只。
试验期为50 d,分为孕期和哺乳期2 个阶段。孕期每2 d投放1 次饲料,更换饮水和垫料。哺乳期每2 d投放1 次饲料,更换饮水。仔鼠出生后10 d内,不更换垫料。哺乳期母鼠更换垫料时,采取将母鼠引出观察箱的办法进行,尽量减少对母鼠的刺激。
3. 2 数据的统计分析
每日记录母鼠死亡和逃逸情况。仔鼠出生后,记录仔鼠个数、性别。采用Excel进行单因素方差分析。
4 结果( 见表2)
由表2 可知,在两种环境下,产仔数与雄性比差异不显著( P > 0. 05) ,仔鼠断奶时成活率、雌鼠数差异显著( P < 0. 05) ,分娩率、仔鼠成活数与雄鼠数差异极显著( P < 0. 01) 。
5 讨论
试验中,标准环境中有90% 的母鼠成功分娩,限制环境中有75% 的母鼠成功分娩。说明,限制环境下,可能由于空间过小,导致母鼠中止妊娠或未孕( 本试验过程中,没有进行解剖检验,不能确定是中止妊娠还是未孕) ,但是产仔数无显著差异。
注: 同列数据肩标大写字母不同表示差异极显著( P < 0. 01) ,小写字母不同表示差异显著( P < 0. 05) ,字母相同或无肩标表示差异不显著( P > 0. 05) 。雄性比= 雄鼠数/成活数。
限制环境与标准环境仔鼠的成活数与成活率差异极显著和显著,说明空间大小对仔鼠的成活数有非常显著的影响。同时,在两种环境下,仔鼠在20 日龄前数量基本稳定。
有研究证实,当两性相对适合度随环境条件而变化时,双亲会对后代性别比进行相应的调整,并且双亲年龄、营养状况和社会地位等因素都会影响后代性别比。通过本试验结果,笔者猜测影响子代成活性别比的途径有两种可能: 一种是母鼠在怀孕期间,所处的空间环境会对体内的胎儿造成一定的影响,当空间小时,母鼠接受环境反馈,选择性的吸收掉一部分的胚胎,优先保证雄性胚胎的发育; 另一种是自胚胎出生时两种环境下性别比基本相同,但是母鼠会根据空间环境有选择地咬死仔鼠,比如狭小环境下,母鼠可能会选择咬死雌性仔鼠。这种假设还需要通过更深入的研究来进行验证。
本研究结果表明,环境对昆明鼠繁殖有影响,空间较大时利于母鼠妊娠,仔鼠成活数较多。
参考文献
[1]郑鹏,田亚光,黄贺.小鼠繁殖行为的观察与分析[J].黑龙江动物繁殖,2013,21(3):20-23.
[2]孟琼,杨锡平,胡一江,等.3个不同品种小鼠繁殖性能及生长发育的比较观察[J].湖南中医学院学报,2000,20(3):9-10.
[3]练有文.清洁级KM小鼠不同胎次繁殖性能观察分析[J].动物科学与动物医学,2004,21(2):28-29.
[4]顾宪红.动物福利和畜禽健康养殖概述[J].家畜生态学报,2011,32(6):1-5.
[5]考林·斯伯丁.动物福利[M].崔卫国,译.北京:中国政法大学出版社,2005.
[6]BALCOMBE J P,BARNARD N D,SANDUSKY C.Laboratory routines cause animal stress[J].Contemp Top Lab Anim Sci.,2004,43(6):42-51.
[7]STEYERMARK A C,MUELLER P J.Cage size affects feeding and energetics of aaptive rodents[J].Physiol Biochem Zool,2002,75(2):209-213.
空间性能 篇5
笔者利用FDS分别对设计火灾荷载、火源位置、大空间形状系数和大空间体积对烟气运动的影响进行模拟, 为大空间火灾烟气控制的性能化设计提供参考。
1 设计火灾荷载
确定火灾的规模和发展过程是设计烟气控制系统的基础。火灾发展过程一般包括点燃、增长、稳定燃烧、衰减熄灭等阶段。NFPA在设计大空间烟气控制系统时, 将火灾荷载的设计简化为两种模型:稳态火灾和非稳态火灾。将放热量为常数的火灾定义为稳态火灾。对于非稳态火灾, 一般采用t2型火灾来近似, 火灾放热量与燃烧时间的平方成正比。将火灾从稳定燃烧开始达到1 055 kW所需的时间称为增长时间tg, 根据tg、t2型火被分成四种发展类型:超快速火、快速火、中速火和慢速火, 如表1所示。
在烟气控制设计中, 不同的火灾模型采用的排烟设计方案是不同的。因此, 笔者分别对稳态火灾和非稳态火灾的烟气填充过程进行模拟, 研究对象为实体大空间, 尺寸为22.4 m×11.9 m×27.0 m, 火灾最大放热量取1、5、8 MW, 火源面积为2 m×2 m, 位于大空间底部的中心。网格数为32×18×38, 环境温度20 ℃。补风口位于大空间底部长边的中间位置, 尺寸4 m×1.95 m。
图1表示火源功率为5 MW时稳态火、超快速火、快速火、中速火和慢速火对大空间烟气层高度和烟气温度的影响。由图可见, 稳态火烟气层下降最快, 烟气温升最高;而慢速火烟层下降最慢, 烟气温升最低。非稳态火中, 火灾发展越慢, 烟气层下降速度越慢。采用稳态火设计烟气控制系统, 比采用非稳态火安全, 但投资高、经济性差。建议开展大空间火灾荷载分布统计调查, 为设计大空间的排烟系统提供基础数据。
2 火源位置
起火点位置不同, 火灾烟气运动的规律也不同。模拟对象仍然选用实体大空间22.4 m×11.9 m×27.0 m, 设定火源分别位于大空间底部的中心、靠近墙角和靠墙一面的中心部位, 采用非稳态快速平方火计算。火灾最大放热量5 MW, 火源面积为2 m×2 m, 网格数为32 m×18 m×38 m, 环境温度20 ℃。补风口位于大空间底部长边的中间位置, 尺寸4 m×1.95 m。
图2表示火源位置对大空间烟气层高度和温度的影响。由图可见, 火源位于靠墙处, 烟羽流卷吸受限, 烟气卷吸量减小, 烟气层下降速度减慢, 烟气运动受限程度越大, 烟气层下降速度越慢, 烟气温升速率越小。火源位于大空间底部的中心部位时, 烟气层的下降速度最快, 烟气的温升速率越大, 这与NFPA92B是一致的。因此, 设计大空间烟气控制系统时, 考虑火源位于大空间底部中心设计的排烟系统安全程度最高。另外, 在保证系统安全性的前提下, 还应根据建筑物的使用功能考虑实际可燃物的堆放位置及方式, 以节约消防设计成本。
3 大空间形状系数
根据几何特征, 大空间分为立体型、扁平型、瘦高型, 用形状系数ξ=A/H2表示三种类型的大空间。利用FDS模拟不同类型大空间的火灾烟气填充。取大空间体积分别为7 200、14 400、18 000 m3, 大空间几何尺寸及网格划分见表2。设定火源位于大空间底部中心, 采用快速平方火计算。火灾最大放热量为5 MW, 火源面积为2 m×2 m, 补风口位于大空间底部, 尺寸为3 m×2 m。
图3为大空间体积为7 200 m3时, 形状系数对烟气层高度和温度的影响。图4、图5表示大空间体积分别为14 400、18 000 m3时, 形状系数对大空间烟气层高度的影响。由图可见, 体积相同时, 瘦高型大空间的烟气层发展速度最快, 烟气温升速度最慢, 而扁平型大空间的烟气层发展速度最慢, 烟气温升速度最快。体积越大, 形状系数对大空间烟气层发展的影响越大。大空间体积为7 200 m3时, 形状系数对烟气层发展的影响较小;当体积为18 000 m3时, 形状系数对烟气层发展的影响非常大。因此设计烟气控制系统时, 考虑体积的同时必须考虑形状系数对大空间烟气层发展的影响。大空间体积越大, 空间温度越低, 形状系数对大空间烟气温度的影响越小。
4 结 论
研究了大空间烟气控制性能化设计的基本影响因素:设计火灾荷载、火源位置、空间形状系数和空间体积。主要得到以下结论。
(1) 稳态火烟气层下降最快, 烟气温升最高;而慢速火烟层下降最慢, 烟气温升最低。非稳态火中, 火灾发展越慢, 烟气层下降速度也越慢。
(2) 火源强度越大, 烟气层下降速度越快, 烟气的温升速度也越快。火源强度增大到一定程度, 大空间烟气控制系统设计时, 除了要考虑大空间烟气层的下降速度, 还应该考虑烟气温度的影响。此时烟气层的下降和烟气温度都是大空间消防设计考虑的重点。
(3) 火源位于靠墙处时, 烟羽流卷吸受限, 烟气卷吸量减小, 烟气层的下降速度减慢, 受限程度越大, 烟气下降速度越慢, 烟气温度温升速度越低。
(4) 相同大空间体积, 瘦高型大空间烟气层发展速度最快, 烟气温升速度最慢, 而扁平型大空间烟气层发展速度最慢, 烟气温升速度最快。大空间体积越大, 形状系数对烟气层发展的影响越大。
(5) 形状系数相同时, 大空间体积越大, 烟气层发展越慢, 空间烟气温度越低。火源强度相同的条件下, 大空间体积越大, 火灾危险性越低。
摘要：利用FDS数值模拟大空间烟气流动情况, 探讨大空间火灾烟气控制系统性能化设计中的影响因素。针对设计火灾荷载、火源位置、大空间的形状系数和大空间体积对烟气层高度和烟气温度的影响进行模拟分析, 对大空间火灾烟气控制系统的性能化设计具有重要意义。
关键词：大空间建筑,烟气层高度,烟气温度,FDS
参考文献
[1]张向阳, 彭连臣, 史翀.性能化排烟设计理念在中庭建筑中的应用[J].消防科学与技术, 2005, 24 (5) :557-559.
[2]刘方.中庭火灾烟气流动与烟气控制研究[D].重庆:重庆大学, 2002.
[3]霍然, 范维澄, 袁理明, 等.大空间火灾实验厅的建造与初步试验[J].火灾科学, 1998, 7 (1) :8-13.
[4]霍然, 李元洲, 金旭辉, 等.大空间内火灾烟气填充研究[J].燃烧科学与技术, 2001, 7 (3) .10 (4) :227-231.
[5]李元洲, 易亮, 霍然, 等.大空间内机械排烟效果的实验研究[J].自然灾害学报, 2004, 13 (4) :151-155.
空间性能 篇6
多径效应使得接收机PN码相位不确定空间中存在多个同相单元[1]。一方面, 通过各同相单元均有可能达到捕获状态, 但另一方面, 多径效应又使得接收信号的强度分布随机变化, 增加了接收信号延时检测的不确定性。
利用状态转移图结合对码相位不确定空间进行子空间划分的方法对捕获过程中所经历的各种状态的循环流转进行分析[2], 可以使得捕获性能的分析过程更加全面和直观。
1检测模型
假设信道中存在Ni条可分解路径, 各路径之间的时间延迟为1个码片周期。每个路径上的平均功率衰减可以表示为:
E[α
式中, C= (1-e-μ) / (1-e-μNi) , 当衰减指数μ=0时, C→1/Ni, 式 (1) 转化成均匀衰减多径分布。当μ≠0时, 式 (1) 代表的是指数衰减多径分布。θl变量在空间
双逗留的扩频接收机进行PN码捕获时, 包括了2种工作模式:搜索模式和验证模式。其中相关积分的时间为M个码片周期。在搜索模式下如果Z超过了门限值γs, 则捕获接收机将当前搜索的相位单元预判为同相单元然后开始验证模式。
搜索模式下, 假设接收信号功率为S, 噪声功率为σ
而产生的PN码相位无对应的路径信号时, 判决变量Z的概率密度函数为:
因此, 搜索模式下的虚警概率Pf和检测概率Pd的表达式分别为:
。 (4)
在验证模式下, 如果NT次判决中有K次以上超过门限值γv, 则判断该单元为同相单元。验证模式下的检测概率和虚警概率分别为:
2捕获状态分析
2.1状态转移图
PN码捕获的过程可以用图1所示的状态转移图来建模。PN码的相位不确定区域R中包含了Ni个同相单元 (H1单元) 和Nu-Ni个非同相单元 (H0单元) , 搜索过程从各相位单元 (包括H1单元和H0单元) 开始的概率相同, 均为1/Nu。
各H1状态向捕获状态 (ACQ) 转移的路径增益函数为HD (z) =PDzτD, 其中PD和τD代表了成功检测同相单元的检测概率和平均时间。各H1状态向相邻的H0状态转移的路径增益函数为HM=PMzτM, PM和τM代表了漏检同相单元的漏检概率和平均时间, PD和PM之和为1。各H0状态出发的路径增益函数为H0 (z) =zτP, 其中τP代表了滑过非同相单元平均时间 (包含了发生虚警事件后产生的惩罚时间) 。
2.2划分相位空间
为方便分析, 可以把整个相位不确定区域R中的Ni个同相单元和Nu-Ni个非同相单元分成Ni个子空间Rl (l=1, 2…Ni) , 每个子空间Rl中包括一个H1状态, Nu-Ni个H0状态置于首个子空间R1中。各子空间所包含的相位单元的个数表示为:
在图1中, 令第l个子空间中的第m个元素所对应的编号为 (l, m) , l=1…Ni, m=1…Sl。
2.3路径增益函数
2.3.1 状态转移路径
若搜索过程起始于状态节点 (l, m) , 则最终到达ACQ状态的总路径转移函数H (z|l, m) 中包含了以下几种子空间转移情况:
① 搜索过程起始于第l个子空间Rl并在本子空间内到达ACQ状态;
② 搜索过程起始于第l个子空间Rl并在第j个子空间内Rj到达ACQ状态;
③ 场景①或场景②为经历了k次的循环转移 (经过所有子空间) 后实现的, 其中k=0, 1, 2…+∞。
若搜索过程起始于状态节点 (l, m) 并于首次循环内在第j (j可以等于l) 个子空间Rj到达ACQ状态, 则路径转移函数表示为:
[H0 (z) ] (∑jk=l+1Sk) +l-j}。 (8)
而每多经历一次循环达到ACQ则在式 (8) 的基础上乘上一个因子
故H (z|l, m) 可以表示为:
式中,
2.3.2 平均增益函数
由于搜索过程从各相位单元 (包括H1单元和H0单元) 开始的概率均为1/Nu, 搜索过程起始于任意状态节点的路径转移函数表示为:
将式 (6) 和式 (10) 代入式 (11) 得:
2.3.3 平均捕获时间
平均捕获时间通常被用作衡量捕获性能的主要参数之一[4]。获得了任意状态节点的路径转移函数后便可以根据E (TACQ) = (dH (z) /dz) |z=1的关系[5]计算出平均捕获时间E (TACQ) 。对式 (12) 进行求导, 然后将式 (6) 、式 (7) 和式 (10) 中的结果代入其中, 并在z值取1的条件下进行一系列的化简, 最终可得平均捕获时间的近似表达式为:
3仿真结果分析
以瑞利信道为环境进行了仿真, 多径信号服从均匀强度分布, 各径之间的时间延迟为1个码片, 多径数量Ni分别取3、5 和10, PN码周期长度Nu取为32 768。相关器的积分时间为M=100, 单次检测的虚警概率值设为固定值0.01。验证模式下的检测总数NT取为4, 成功检测的次数门限值K取为2。
搜索模式下的检测概率PDs以及PDv随信噪比变化的趋势如图2所示。需要指出, 由于单次检测的虚警概率为固定值, 2种模式下的虚警概率PFs和PFv亦为定值, 本仿真条件下PFs和PFv分别为0.01和0.05。
图3中显示了漏检事件所需要的平均转移时间τM随接收信噪比的变化趋势。可见τM并未随信噪比单调变化, 而是在一定的信噪比条件下出现了峰值。根据式 (6) 可知, 虚警概率一定时, τD和τP为不随信噪比变化, 本仿真条件下其值为500 (码片) 和663 (码片) 。
图4中显示了总的平均捕获时间Tacq随接收信噪比的变化趋势。可见, Tacq随接收信噪比的增加而减小, 但信噪比增加到一定程度后Tacq的曲线出现“平底”现象, 即趋近于某一恒定值。
4结束语
分析了多径信道下多径数量和接收信噪比等信道参数对捕获性能的影响。仿真结果表明, 对在虚警概率确定的前提下, 提高接收信噪比有利于提高检测概率和缩短平均捕获时间。此外, 信噪比较高的条件下, 多径数量越大平均捕获时间越短;低信噪比条件下, 则多径数量越小平均捕获时间越短。
参考文献
[1]YANGL L, HANZO L.Serial Acquisition of DS-CDMA Signalsin Multipath Fading Mobile Channels[J].IEEE Trans.Veh.Technol., 2001, 50 (2) :617-628.
[2]SUWANSANTISUK W, WIN M Z, SHEPP L A.On thePerformance of Wide-bandwidth Signal Acquisition in DenseMultipath Channels[J].IEEE Trans.Veh.Technol., 2005, 54 (5) :1 584-1 594.
[3]SUWANSANTISUK W, WIN M Z.Multipath Aided RapidAcquisition Techniques for Spread Spectrum Signals[C].Information Theory, IEEE International Symposium on, 2006:947-951.
[4]秦毅, 熊俊森.一种伪码捕获方法的改进[J].无线电工程, 2007, 34 (5) :14-16.
空间性能 篇7
一个混合星座由多颗卫星组成,建立一个混合星座是一项巨大而又繁杂的工程。在费用最小化的情况下,既可最大化星座所产生的利益和效能,又能最大限度地降低风险是卫星星座优化的重点方向。目前。卫星系统中的卫星主要可分为MEO卫星、LEO卫星、IGSO卫星、GEO卫星。构建混合星座时,基本都考虑采用上述4类卫星中的几种或者多种组成一个混合星座。本文主要对GEO-IG SO混合星座以及MEO-LEO混合星座宽带卫星网络空间覆盖性能进行评估。
在对宽带卫星网络通信系统的覆盖性问题上,国内学者做了许多相关工作和研究。2011 年,邓勇、王春明、张中兆等[1]对红外低轨星座中传感器关于目标探测的有关特点进行研究,建立了红外低轨星座中传感器的几何观测模型,提出了对红外凝视的传感器在空间区域覆盖性能进行判定的方法。2012年,韩松辉、归庆明、李建文等[2]通过分析混合星座有关特点,结合邻接矩阵分析混合星座在连通性上的判断标准,提出了混合星座连通性和稳定性的分析方法。2014年,韩雪峰、张海忠、郑广伟等[3]以北斗导航系统为重点研究对象,研究分析了区域卫星导航系统覆盖性能。同年,宋志明、戴光明、王茂才等[4]针对卫星星座对地面区域的覆盖性问题,通过运用经度条带法,提出一种快速求解覆盖性的方法。
国外的宽带卫星网络通信系统中都已采用了多点波束的天线技术。TerreStar-1通信卫星使用目前最大的口径可展开式天线,其口径是18.25m。继TerreStar-1通信卫星之后发射的TerreStar-2通信卫星,为了提高其对地面的覆盖性能,设计者们将卫星波束与地球上的蜂窝网络技术相融合,其覆盖波束数目可达500 个点波束。另外TerreStar还采用基于地面的波束成形技术,在业务量大的地区分配大量波束。TerreStar-2卫星系统上的点波束可以根据用户需求动态重新配置波束,从而达到可以实时调整卫星系统上波束分布的效果。日本发射的WINDS卫星系统[5]由多颗地球同步轨道卫星组成,通过将有源相控阵的天线技术移植到卫星上,使得系统卫星上的波束可以根据业务量的大小进行动态调整。
1 混合卫星星座覆盖性能仿真结果
在STK中建立GEO-IGSO、MEO-LEO混合卫星星座,在地面上,选取北京、重庆、三亚3个监测站,并选取中国南海所有海域为监测对象。为了有效地对GEO-IGSO和MEO-LEO混合星座覆盖性能进行评估,本文选取混合星座中卫星的一个运动时间周期作为在STK中的一个仿真周期。
在GEO-IGSO、MEO-LEO星座场景中,对这6 种覆盖性能指标进行统计评估:7 重覆盖时间百分比、南海区域瞬时最大覆盖重数、7重几何覆盖面积百分比、平均响应时间、7重连续覆盖时长、覆盖间隙时长。
1.1 GEO-IGSO混合星座仿真结果及分析
区域覆盖报告:只对GEO-IGSO混合星座仿真中选择区域有效,从中可以得到场景内每一时刻定义覆盖对象对指定区域的几项重要覆盖性能指标,为评价星座的价值给出了直观的量化值。
(1)7重连续覆盖时长百分比。表示GEO-IGSO混合星座仿真中对南海区域的7重连续覆盖时长占总时长的百分比.通过在STK的区域覆盖报告中得出,7重连续覆盖的时长占总时长的10%左右。
(2)瞬时覆盖最大重数。通过在STK的区域覆盖报告中得出,瞬时覆盖最大重数为7重。
(3)平均7重覆盖面积百分比。通过在STK的区域覆盖报告中得出,7重覆盖面积的百分比约为12%。
(4)平均响应时间。通过在STK的区域覆盖报告中得出,覆盖的平均响应时间为0。
(5)连续覆盖平均时长。通过在STK的区域覆盖报告中得出,对覆盖区域连续覆盖的时长为:4*60*60=14 400(s)。
(6)间隙时长百分比。通过在STK的区域覆盖报告中得出,覆盖的间隙时长为0,表示达到了无缝覆盖。
1.2 MEO-LEO星座仿真结果及分析
区域覆盖报告:只对MEO-LEO混合星座仿真中选择区域有效,从中可以得到场景内每一时刻定义覆盖对象对指定区域的7个项重要覆盖性能指标,为评价星座的价值给出了直观的量化值。
(1)7重连续覆盖时长百分比,表示MEO-LEO混合星座仿真中对南海区域的7重连续覆盖时长占总时长的百分比。通过在STK的区域覆盖报告中得出,7 重连续覆盖时长百分比约为3%。
(2)瞬时覆盖最大重数。通过在STK的区域覆盖报告中得出,瞬时覆盖最大重数为7。
(3)平均7重覆盖面积百分比。通过在STK的区域覆盖报告中得出,覆盖面积百分比为11%。
(4)平均响应时间。通过在STK的区域覆盖报告中得出,覆盖的平均响应时间为0。
(5)连续覆盖平均时长。通过在STK的区域覆盖报告中得出,对覆盖区域连续覆盖的时长为:2*60*60=7 200(s)。
(6)间隙时长百分比。通过在STK的区域覆盖报告中得出,覆盖的间隙时长为0,表示达到了无缝覆盖。
2 混合星座覆盖性能评估
从覆盖重数和覆盖时间两个判定覆盖性能的基本指标着手,建立卫星星座空间覆盖性能评估指标体系,研究层次分析法的空间覆盖性能评估方法。通过运用该方法,实际仿真评估了GEO-IGSO和MEO-LEO两种卫星星座空间覆盖性能的优劣,为优化卫星星座的覆盖性能提供了思路,同时也对本文空间覆盖性能评估方法的科学性和有效性进行了验证。
2.1 递阶层次结构构建
在对GEO-IGSO和MEO-LEO利用层次分析法建立递阶层次结构模型对覆盖性进行评估和分析时,首先确定评估的决策问题是GEO-IGSO和MEO-LEO的覆盖性问题;其次对影响覆盖性的所有因素进行判断;最后让决策者考虑都有哪些方案。
本文在构建目标层、准则层、指标层和方案层时,目标层选择为覆盖性;准则层(子准则层)是影响目标的因素所构成的层次,包含覆盖重数和覆盖时间两个影响因素,它们相互独立,互不影响;指标层根据覆盖性的指标,选取N重覆盖时长百分比、瞬时最大覆盖重数、平均N重覆盖面积、有效覆盖时间百分比、覆盖平均时长百分比、连续覆盖平均时长和间隙时长百分比7 个指标;方案层则为了从GEO-IGSO和MEO-LEO中选取最后决策的星座。具体描述如图1所示。
2.2 指标权重计算
2.2.1 判断矩阵构建与权重计算
根据构建的递阶层次结构,A-B的判断矩阵指由专家对A层而言,B层次与A层有关的各因素之间相对重要性的判断。假定A层指标A与下层指标B1、B2有联系,则由表1构造判断矩阵B。
同理,B1-C的判断矩阵指对于准则B层中覆盖重数而言,指标C中N重覆盖时长百分比、瞬时最大覆盖重数和N重覆盖面积百分比3种指标因素对B层重要性的判断,其判断矩阵如表2所示。
B2-C判断矩阵是指对准则B层中的覆盖时间,指标C中有效覆盖时间百分比、平均响应时间、N重连续覆盖平均时长和间隙时长百分比4种指标因素对B层覆盖时间重要性的判断,判断矩阵如表3所示。
根据每个矩阵计算得到的CR都小于0.1,即以上判断矩阵都具有一致性。
2.2.2 层次总排序一致性检验
通过对C层次中所有因素单排序的结果进行分析,计算针对上一层次B层次而言,C层次影响因素的权重值,从上到下逐层顺序进行。B层次所有因素B1、B2的总排序已完成,得到的权值分别为0.333 3和0.666 7,与B对应的本层次因素C1,C2,…,C7单排序的结果如表4所示。
总排序一致性检验CR=0.052 3<0.1,故满足一致性检验。C层次最后的总排序如表5所示。
2.3 指标值归一化
对于N重覆盖时长百分比,数值越大越好,当覆盖时长向100%趋近时,归一化值应趋近于1,覆盖时长没有覆盖时,归一化值应趋近于0,故使用式(1)所示的极值法进行归一化。
计算GEO-IGSO卫星星座中,7重覆盖时长百分比的归一化值时,取t=4时,可知Y=1/6;计算MEO-LEO卫星星座中,7重覆盖时长百分比的归一化值时,取t=3时,可知Y=1/8;通过仿真得到GEO-IGSO和MEO-LEO星座的7重覆盖时长的百分比,并使用式(1)进行归一化处理,其归一化值如表6所示。
对于瞬时最大覆盖重数,与N重覆盖时长一致,也是数值越大越好,故进行归一化时可知,覆盖重数最大可取Nmax=10。
通过仿真得到各星座的最大覆盖重数,并计算得到归一化后的指标值,其归一化值如表7所示。
对于N重覆盖面积百分比CovNg,计算公式为:。
它描述了局部N重几何覆盖面积平均特性与收敛时间类似,数值越大越好,故对其进行归一化。
通过仿真得到7重覆盖面积百分比并进行归一化,其归一化值如表8所示。
对于有效覆盖时间百分比而言,通过计算某一覆盖区域的有效覆盖时间百分比,再将所有结果加权平均,归一化结果如表9所示。
两组混合卫星星座的平均响应时间为0,计算出来的归一化也为0。
N重连续覆盖平均时长,其数值越大越好,当时长为100%时,归一化为1,当时长为0时,归一化为0,通过仿真得到7重连续覆盖平均时长其归一化值如表10所示。
间隙时长,其数值越小越好,间隙时长针对点目标指该点在统计总时间内的覆盖间隔时间,而针对区域目标取其覆盖间隙的时间总和。根据仿真结果可知,GEO-IGSO的间隙时长为0,MEO-LEO的间隙时长为0,其归一化值也都为0。
2.4 综合性能计算
评估目标的最终结果是根据底层指标评价值和总排序权重的函数,对卫星混合星座覆盖性能进行评估。最后综合性能计算的评估结果表明,GEO-IGSO卫星星座覆盖性能的总评价值为0.317 5,MEO-LEO卫星星座覆盖性能的总评价值为0.244 4,表明GEO-IGSO卫星星座的覆盖性能比MEO-LEO卫星星座的覆盖性能更好。
3 结语
本文针对我国混合卫星星座的宽带卫星网络覆盖需求设计了GEO-IGSO混合卫星星座和MEO-LEO混合卫星星座的两种不同覆盖方案,并利用STK仿真工具,根据混合星座的空间覆盖性能指标,对两种不同的混合星座覆盖性能进行仿真和分析。作为卫星星座研究的重要组成部分,对有关混合卫星星座覆盖性能的评估越来越受到人们的重视。本文提出了一个适合混合卫星星座覆盖性能评估的指标体系,并深入研究了基于层次分析法的性能评估算法,对混合卫星星座空间覆盖性能进行了评估。综合性能计算的评估结果表明,GEO-IGSO混合卫星星座的空间覆盖性能比MEO-LEO混合卫星星座的空间覆盖性能更好,本文所述的层次分析法具有一定的实用性,对混合卫星星座的评估具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 邓勇,王春明,张中兆.红外低轨星座凝视传感器的空间覆盖性能分析[J].宇航学报,2011(1):123-128.
[2] 韩松辉,归庆明,李建文.混合星座星间链路的建立以及连通性和稳健性分析[J].武汉大学学报:信息科学版,2012(9):1014-1019.
[3] 韩雪峰,张海忠,郑广伟.区域卫星导航系统覆盖性能分析[J].测绘与空间地理信息,2014(3):149-150.
[4] 宋志明,戴光明,王茂才.卫星星座区域覆盖问题的快速仿真算法[J].航天控制学报,2014(2):17-19.
空间性能 篇8
1.1 系统的状态空间模型
单自由度隔振系统如图1所示, 该系统的运动微分方程为
式中, m、c、k分别为被隔振设备的质量、系统阻尼和系统刚度;X为被隔振设备的位移;F为外加激励力。
令x1=X, x2=·X, 将式 (1) 改写为状态方程:
于是式 (1) 可改写为
式 (3) 即为单自由度隔振系统的状态空间模型。
1.2 系统状态空间模型的求解
隔振系统的状态空间模型如式 (3) 所示, 根据文献[1]可得系统响应的解析解为
其中, t为时间;τ为积分变量;eAt为矩阵函数;X (0) 和u (τ) 为已知的系统状态的初始值和系统的输入;eAtX (0) 为系统零输入响应, 它等价于隔振系统的自由响应;为系统零状态响应, 它等价于隔振系统状态的强迫响应。从式 (4) 可知, 隔振系统的状态响应取决于矩阵函数eAt的计算。
根据文献[2], 任何一个实数矩阵都可进行如下特征分解:
其中, V、T分别由A的左右特征向量组成, Λ为约当型矩阵, A的特征值λi (i=1, 2) 有如下几种情况:
(1) , Λ具有两个不相同的实数特征值;
(2) , Λ具有一对共轭复数特征值σ±jω;
(3) , Λ具有两个相等的实数特征值。
根据矩阵的特征分解, 可以得到eΛit的相应的形式:
(1) , eΛit具有两两不相同的实数特征值;
(2) eΛit具有一对共轭复数特征值;
(3) , eΛit具有重复次数的实数特征值。
将式 (5) 代入式 (4) , 并根据CayleyHamilton定理, 得
2 隔振系统的动态性能分析
隔振系统的动态响应过程中包含有两部分, 即隔振系统状态的自由响应和隔振系统状态的强迫响应, 如式 (4) 所示。这两部分分别决定系统的暂态性能和稳态性能, 决定着系统的鲁棒性。
2.1 隔振系统的稳定性和暂态性能
为了能够清晰地描述问题, 现给出两个定义:
定义1一个隔振系统是渐近稳定的充分必要条件是, 该系统对于任何初始状态X (0) 的零输入响应eAtX (0) 都最终趋向于零。
定义2一个稳定的隔振系统的响应会最终达到一个稳态响应或稳态, 又称为隔振状态的稳定波形状态, 一般是隔振系统通过设计所希望最终到达的状态。隔振系统在到达其稳态前的响应称为暂态响应。暂态响应的速度和平缓度也是决定隔振系统动态性能的主要标志之一, 暂态响应越快越平稳, 则系统的性能越高。
根据定义1和定义2的描述和式 (4) 的推导过程, 可得如下结论:
结论1一个隔振系统稳定的充分必要条件是该系统的动态矩阵特征值都有负实部。
结论2一个隔振系统的暂态性能完全由时间函数eΛit决定, 即由系统动态矩阵的特征值决定。共有如下三种情况: (1) 隔振系统达到其稳态速度主要由其极点 (动态矩阵的特征值) 的实部所决定, 这些特征值越远离虚轴, 系统达到其稳态的速度就越快; (2) 对于隔振系统的共轭复数特征值, 系统动态响应首先到达下一个稳态值的速度由其虚部决定; (3) 隔振系统的重复特征值越多, 系统的暂态响应越不平稳。
结论1总结了隔振系统稳定的条件, 结论2总结了隔振系统暂态性能的影响因素, 得出了隔振系统动态矩阵的特征值是直接决定隔振系统性能的重要参数的结论。
由式 (3) 可得隔振系统动态矩阵的特征值的表达式为
从式 (7) 中, 可以得到恒成立, 故对于隔振系统, 其特征值的实部总为负, 故有如下结论:
结论3隔振系统是恒稳定的。
2.2 隔振系统的鲁棒性
良好的隔振系统应具有低的敏感性即较强的鲁棒性。具体解释为, 当系统参数由于各种因素发生变化时, 系统的特征值最好保持在系统暂态性能和稳态性能较好的位置上, 称其为特征值敏感性。而经典的隔振理论并没有直接给出很好的评价方法, 大多数都是采用数字仿真的形式加以验证, 带有一定的盲目性。
根据文献[1], 可以得到系统特征值敏感性的准确显示定理如下:
定理设λi、vi和ti分别为矩阵A的第i个特征值和右特征向量、左特征向量, 再设λi+Δλi为λi在矩阵A变为A+ΔA以后的特征值, 则对于足够小的‖ΔA‖有
式中, s (λi) 为特征值λi的敏感性。
这个定理显示了特征值λi的敏感性是由其左特征向量ti、右特征向量vi所决定的, s (λi) 越小, 则矩阵特征值相对于矩阵参数 (系统参数) 变化的敏感性就越低。
3 隔振系统的隔振性能分析
隔振系统的隔振性能是隔振系统的重要性能, 从隔振系统的动态性能分析的过程中, 可以得出如下结论:
结论4隔振系统恒稳定是隔振系统具有隔振效果的必要条件。
结论4只给出了隔振系统具有隔振效果的必要条件, 即具有隔振效果的隔振系统一定是稳定的, 而稳定的隔振系统却并不一定具有隔振效果, 故关于稳定的隔振系统是否具备隔振效果还需要进一步分析。
从定义2中可知隔振系统处于隔振状态是系统的稳定状态, 它主要与系统的零状态响应, 即隔振系统状态的强迫响应息息相关:
针对不同的隔振效果评价方式来选择不同的输出矩阵C, 如以力传递率为例, 此时隔振系统传递至基础的力为
由此可得系统的输出矩阵为
那么系统的输出即为传递至基础的力:
将式 (10) 代入式 (13) 可得
隔振系统的力传递率为
若μ<1则说明此时隔振系统具有隔振效果, 反之则不具有隔振效果。
根据式 (6) 有
设作用在被隔振设备上的激励力为简谐力, 简谐力可以用复变量表示:
式中, F0为激励力的幅值和相位;Ψ为该力的激励频率;T为时间。
将式 (17) 代入式 (16) 并进行傅里叶变换可得
根据式 (18) , 可得稳定的隔振系统在周期激励下具有隔振效率的结论:
结论5只有当频率比时, 力传递率μ才小于1。为了要达到隔离振动的目的, 线性隔振系统的固有频率必须满足当阻尼增大时, 隔振区的传递率变大, 即隔振效果变差。
结论5说明系统状态空间理论在隔振效率的分析上与经典的隔振理论具有一致性[3]。
隔振系统的特征值如式 (7) 所示, 特征值的类型取决于c2-4mk的值, 具体有三种情况:
(1) c2-4mk=0时隔振系统具有两个相等的负实数根, 系统具有重复的特征值。根据结论2, 系统的暂态响应不平稳, 此时系统阻尼c正好等于经典隔振理论中的临界阻尼, 系统能够很好地抑制共振区的振动。
(2) c2-4mk>0时隔振系统有两个不相等的实数特征值, 根据结论2, 当系统阻尼c越大, 系统的暂态响应越平稳, 且到达稳态响应的速度越快。但是根据结论5, 此时系统阻尼大于临界阻尼, 系统能够很好地抑制共振区的振动, 但是对高于共振区的振动隔振效果不好。
(3) c2-4mk<0时隔振系统有两个共轭复数特征值, 此时系统阻尼小于临界阻尼, 系统的暂态响应取决于复数特征值的实部和虚部, 系统动态响应首先到达下一个稳态值的速度由其虚部决定, 此时系统对应于经典隔振理论的设计状态。
综合上述三种情况可得如下结论:
结论6隔振系统动态矩阵的特征值完全决定隔振系统的性能与隔振效果。
综上所述, 在设计单自由度隔振系统时, 如外部激励为周期性激励, 可首先根据经典隔振理论选择好系统的固有频率, 以确定隔振系统的刚度, 然后选择系统的特征值, 使其特征值为共轭虚根, 根据相关定理进一步确定系统的暂态性和鲁棒性, 使系统既具备良好的隔振性能, 又具有良好的暂态性能和鲁棒性能。
4 实例设计与分析
设某一隔振系统可简化为图1所示的模型, 质量m=1kg, 系统受到外部激励力作用, 要求系统的力传递率控制在μ≤0.1。
依据式 (18) 可使, 可以取ω=2, 由此可得系统的刚度值k=144N/m。系统的临界阻尼cc=24N·s/m, 分别取阻尼比ξ=0.1、ξ=0.2ξ=0.3, 进行仿真计算。
4.1 实例的暂态响应分析
为了验证系统的暂态响应过程, 以阶跃信号作为标准的系统输入信号, 仿真结果如图2所示, 从图2可知, 隔振系统随着阻尼比的增大, 系统的暂态响应越迅速, 当阻尼比为0.1时系统进入稳态所需时间为3.5s, 阻尼比为0.2时系统进入稳态所需时间为2s。而阻尼比为0.3时系统进入稳态所需时间为1s, 仿真结果验证了结论2的正确性。
4.2 实例的隔振效果分析
为了验证系统的隔振效果, 以幅值为1, 频率为24Hz的正弦信号作为外部激励信号, 输出为系统的力传递率, 仿真结果如图3所示。
从图3可知, 增大系统阻尼会增大系统传至基础的力, 但是仍满足系统设计要求, 这说明在满足系统力传递率的条件下适当的增加系统的阻尼能够加快系统进入稳定的隔振状态, 同时能够帮助系统抑制各种其他干扰。
4.3 实例的鲁棒性分析
根据式 (9) 可计算出当阻尼比分别为0.1、0.2和0.3时系统的敏感性指标值, 如表1所示。
从表1可知, 增大系统的阻尼比, 对系统的鲁棒性影响不大, 系统仍处于稳定的隔振状态, 只是输出稍微变大, 这与系统隔振效果分析是一致的, 这说明了该评价方法的有效性。
5 结论
(1) 系统的性能完全取决于系统的动态矩阵的特征值。
(2) 被动隔振系统的隔振性能与系统的动态响应具有一定的矛盾性, 在设计系统过程中要加以折中考虑。
(3) 被动隔振系统的矛盾可以通过主动控制的方法加以克服。
(4) 可以方便地推广到多自由度系统, 稍加变化, 也可用于分析系统的抗冲击性能。
(5) 给出了评价隔振系统鲁棒性的定量指标。
参考文献
[1]郑大钟.线性系统理论[M].北京:清华大学出版社, 2002.
[2]程云鹏.矩阵论[M].北京:西北工业大学出版社, 1999.
空间性能 篇9
随着计算机硬件技术的飞速发展,中央处理器(CPU)的计算速度和内存访问速度之间的差距逐渐增大,处理器对内存的存储访问成为了影响系统性能新的瓶颈[1]。系统设计者在CPU寄存器和主存之间插入Cache来弥补这个差距。Cache的数据存取速度远高于内存,访问贮存在Cache中的数据仅需要几个CPU时钟周期。
在空间数据库中,大部分运算是I/O密集型和CPU密集型的,研究者们的主要精力集中于如何减少磁盘I/O[2]。然而,计算机系统中快速增长的内存容量,使得绝大部分索引结构能完全置于内存中。因此,空间连接可以基于内存中的索引进行,查询执行优化需要从针对磁盘/内存(减少磁盘I/O代价)层次转向内存/Cache层次(减少内存访问代价)[3],如何合理利用好有限的Cache存储空间以减少内存访问具有十分重要的意义。
本文通过研究基于R树的空间连接算法,分析了影响Cache性能的各个因素和局部性对程序性能的影响,测试了空间连接算法的Cache性能,从而得出结点大小影响空间连接算法性能的一般性结论,对空间连接算法的Cache优化提供了实验依据,有利于进一步优化在大内存容量下空间连接查询的Cache性能。
1 相关工作
空间连接算法大体上可以分为3种:基于两个数据集都有索引的连接;基于仅一个数据集有索引的连接;基于无索引数据集的连接。作为一种辅助性的空间数据结构,空间索引介于空间操作算法和空间对象之间,它通过筛选作用,排除大量与特定空间操作无关的空间对象,从而提高空间操作的速度和效率。
Brinkhoff等提出了基于R树的空间连接算法[4]。该算法是一种深度优先遍历过程,其出发点是非叶结点的矩形能够容纳所有子结点中矩形的MBR。针对深度优先遍历算法只能进行局部优化的缺陷,Huang等提出了一种基于全局优化的广度优先遍历算法[5]。该方法以广度优先的方式同时遍历两棵R树,同时逐层处理连接计算。Kamel和Faloutsos提出了Hilbert R树[6],以提高结点存储利用率,优化R树结构。其主要思想是利用Hilbert分形曲线对k维空间数据进行一维线性排序,进而对树结点进行排序,借以获得面积、周长最小化的树结点。
然而,上述空间连接算法,都是基于减少磁盘访问而设计的,没有考虑内存/Cache层次的优化,因而无法充分利用高速缓存的优势。
2 空间连接算法Cache性能影响因素分析
2.1 Cache性能
Cache存储系统由一个相对容量较大,但速度较慢的主存与一个容量较小而速度较快的Cache相连而成的一种存储系统[7]。如果CPU请求的数据存储在Cache,称为Cache命中(Cache hit),否则称为Cache缺失(Cache miss)。因此,访问Cache的命中率成了提高效率的关键[8]。
显然,Cache的容量较小,可以存放的数据也较少,势必会影响到Cache的命中率,但是不采用大容量Cache的原因在于:SRAM每个存储单元的结构复杂因此体积较大导致集成度较低,价格偏高;Cache全部由硬件来调度,所以Cache越大,寻址门数越多;Cache命中率达到一定高度以后,大容量的Cache并不能明显提高系统性能。
如果计算机程序具有较好的局部性,则系统就可以很好地利用Cache来提高程序的性能[9]。局部性分为时间局部性和空间局部性。时间局部性指的是重复引用相同的数据项集合,而空间局部性指的是倾向于引用当前访问数据附近的数据项集合。与主存和磁盘不同,人们无法直接利用软件来控制哪些数据放置到Cache,因为Cache是由硬件控制的。所以,要充分利用Cache,程序就必须具有良好的局部性,根据Cache的数据读取特点来设计程序操作。
2.2 局部性原理对Cache利用率的影响
所谓“访问局部性原理”,就是CPU在短时间内要访问的数据多集中在某几个固定的簇[1]。因此一旦CPU在Cache中命中一次以后,在后续的多次访问中,都会在Cache中命中。显然,程序的局部性越高,相应的Cache命中率也越高。
局部性原理认为大部分程序并不是均衡地访问所有的代码和数据。由于快速存储器价格昂贵,存储器层次结构被组织成不同的层次——每一层都比其下一层容量更小,速度更快,每字节成本也更高。
为使算法很好地利用Cache来提高运算性能,就必须使程序具有较好的局部性,并根据Cache的数据读取特点来设计程序操作。
2.3 Cache性能优化
提高Cache性能的经典方法是降低缺失率。缺失率可以简单理解为Cache访问的分片造成的缺失,即访问失败的次数和总访问次数的比值。
基于磁盘的空间连接算法,磁盘I/O是主要的性能瓶颈,通常由访问的磁盘块数目决定[10]。而在基于内存的空间连接算法中,也存在类似的情况,其算法性能主要依赖于Cache缺失的次数。Cache缺失次数少,整体性能就较高。但是基于磁盘和基于内存的空间连接算法又有较大的区别,主要体现在索引结构的结点大小上。在内存中以4K大小的页面计算,能够在一个R树结点中存放170个对象,如果使用指针剔除技术可以存放255个对象。而在内存数据库中,若使用Cache行大小,如64字节作为结点大小,则每个结点中只能存放3个对象。
建立Cache敏感的Hilbert R树索引结构,最终是为了减少对象的存储空间,以便增加索引的扇出,从而最小化Cache的缺失[11]。在关系数据库中,索引的查询性能随着结点大小增加而提高,更新性能则与索引结构的具体实现有关,其更新性能随着结点大小增加迅速恶化[1]。对空间数据索引而言,也存在类似的情况。随着结点大小增加,Cache缺失数据迅速达到最小,然后缓慢增长。
3 实验与结果分析
实验采用美国Census TIGERR○ 2000加州道路网数据集和北京市道路网数据集,空间连接查询为求道路网的交叉路口结果。其中CaliforniaRoad_1数据集包含373 950个对象MBR,CaliforniaRoad_2数据集包含2 092 079个对象MBR;为使实验更具普遍性,还采用了其中BeijingRoad_1数据集包含98 055个对象MBR,BeijingRoad_2数据集包含41 012个对象MBR,BeijingRoad_3数据集包含26 114个对象MBR。
实验环境为IntelR○CeleronR○ 1.80 GHz处理器,2 GB DDR内存,50 GB 5400RPM IDE硬盘,操作系统为Windows XP(SP3),算法用Microsoft Visual C++ 2008实现。处理器参数通过RightMark Memory Analyzer 3.8和Calibrator 0.9e测定,实验结果通过IntelTMVtuneAmplifier XE 2011收集。实验采用最新的Intel性能分析和收集工具IntelR○ Vtune Amplifier XE 2011,基于事件的采样(Event-based Sampling,EBS)来获取硬件计数器。
实验比较了基于深度优先遍历的Hilbert R树空间连接算法和基于广度优先遍历的Hilbert R树空间连接算法在不同数据集下随着结点大小变化的查询性能和Cache性能改变趋势,结点大小从256 B开始,依次增加1倍,直至16 KB。实验结果如图1,图2所示。
图1表示随着结点大小变化,基于不同数据集的空间连接算法执行的变化趋势。
从图1中可得,随着结点大小的增加,基于深度优先遍历和广度优先遍历的Hilbert R树空间连接算法的执行时间都呈增长趋势,但是又存在一个最佳结点大小,因为结点大小增加时,树的高度减少,使得各项指标带来的延迟减少;同时,结点大小增加,每个结点中存储的对象数据增加,导致结点内部查找的代价增加。通过实验可得,当索引结点大小为512 B时,运行时间最短,为最佳位置。实验环境中,L1 Cache的组大小为512 B,每组包含8块64 B的块,即当索引结点大小与L1 Cache组大小相同时达到最佳位置。当然,图2中测试时间随着结点大小变化有所波动,这是因为结点大小变化引起树的高度发生变化,与结点内部对象数目相互作用,导致参数发生变化。
图2表示随着结点大小变化,空间连接过程中的Cache性能变化,依次为L1缺失带来的时钟周期延迟、L2缺失次数、TLB缺失次数以及分支预测错误带来的时钟周期延迟。
从图2中的变化情况可以看出,随着结点大小增加,各类缺失次数都呈下降趋势。这是因为随着结点大小增大,树的高度减小,动态分配的结点也相应减少,使得查询所需的缓存对象减少,从而降低了缺失发生的概率。
4 结 论
通过实验分析,对于基于索引的空间连接算法来说,最佳的索引结点大小是L1 Cache组大小。增大结点大小,在一定程度内能减少空间连接过程中索引构建和访问的延迟,但达到一定大小之后,增大结点反而会使延迟时间增加,从而使索引性能下降,进而降低空间连接效率。
对基于Hilbert R树的空间连接算法分析,测试了不同结点大小下的算法效率和Cache性能,为下一步优化Cache敏感的空间连接提供了实验依据。
参考文献
[1]HENNESY L John,PATTERSON A David.Computer ar-chitecture:aquantitative approach[M].Fourth Edition.[S.l.]:Elsevier,2007.
[2]LU H J,OOI B C.Spatial indexing:past and future[J].IEEE Data Eng.,Bull.,1993,16(3):16-21.
[3]ZHOU Jingren,ROSS Kenneth A.Buffering database oper-ations for enhanced instruction cache performance[C].[S.l.]:SIGMOD2004,2004.
[4]张明波,陆锋,申排伟,等.R树家族的演变和发展[J].计算机学报,2005,28(3):289-300.
[5]HUANG Y W,JING N,RUNDENSTEINER E,et al.Spatial joins using R-trees:breadth-first traversal withglobal optimizations[C]//Athens,Greece:Proceedings of23rd VLDB,1997:396-405.
[6]KAMEL I,FALOUTSOS C.Hilbert R-tree:an improvedR-tree using fractals[C]//Santiago,Chile:Proceedings of20th VLDB,1994:500-509.
[7]STAVROS Harizopoulos,ANASTASSIA Ailamaki,Im-proving instruction cache performance in OLTP[J].TODS2006,31(3):887-920.
[8]HE Bingsheng,LUO Qiong.Cache-oblivious database:limitations and opportunities[J],ACM Transactions onDatabase Systems,2008,33(2):1-42.
[9]AILAMAKI A.Database architectures for new hardware[C]//Proceedings of the 21st International Conference onData Engineering.[S.l.]:IEEE Computer Society,2005,1148.
[10]RAO J,ROSS K R.Cache conscious indexing for decision-support in main memory[C]//Proceedings of 25th Inter-national Conference on Very Large Data Bases.[S.l.]:Morgan Kaufmann Publishers Inc.,1999:78-89.