Transcript teletr_2
Теория телетрафика часть 2 проф. Крылов В.В. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ТЕОРИИ ТЕЛЕТРАФИКА Андрей Андреевич Марков родился 14 июня 1856. В цикле работ, опубликованном в 1906-1912гг., заложил основы одной из общих схем естественных процессов, которые можно изучать методами математического анализа. Впоследствии эта схема была названа цепями Маркова и привела к развитию нового раздела теории вероятностей - теории случайных процессов. 2 Вероятностная модель СМО • • • • • дискретная цепь Маркова однородная цепь Маркова неприводимая цепь Маркова Возвратное и невозвратное состояние Периодическое и апериодическое возвратное состояние • Возвратное нулевое и возвратное ненулевое ©Крылов 3 Цепи Маркова • Теорема 1. • Состояния неприводимой цепи Маркова либо все невозвратные, либо все возвратные нулевые, либо все возвратные ненулевые. В случае периодической цепи все состояния имеют один и тот же период ©Крылов 4 Цепи маркова • Для неприводимой и апериодической цепи Маркова всегда существуют предельные вероятности, не зависящие от начального распределения вероятностей • все состояния цепи невозвратные или все возвратные нулевые, и тогда все предельные вероятности равны нулю и стационарного состояния не существует • все состояния возвратные ненулевые и тогда существует стационарное распределение вероятностей ©Крылов 5 Цепи Маркова • Состояние называется эргодическим, если оно апериодично и возвратно ненулевое. Если все состояния цепи Маркова эргодичны, то вся цепь называется эргодической. Предельные вероятности эргодической цепи Маркова называют вероятностями состояния равновесия, имея в виду, что зависимость от начального распределения вероятностей полностью отсутствует. ©Крылов 6 Диаграмма переходов 3/4 3/4 1/4 1/4 1/4 1/2 1/4 ©Крылов 7 Решение примера 0 3 / 4 1/ 4 Р 1 / 4 0 3 / 4 1 / 4 1 / 4 1 / 2 1 0 1 2 0 1 / 5 0,20 0 0 0 (1 / 4) 1 (1 / 4) 2 ; 1 7 / 25 0,28 1 (3 / 4) 0 0 1 (1 / 4) 2 ; 2 (1 / 4) 0 (3 / 4) 1 (1 / 2) 2 ; 2 13/ 25 0,52 ©Крылов 8 Уравнения ЧепменаКолмогорова.(Chapman - Kolmogorov) pij (m, n) pik (m, n 1) p kj (n 1, n) k ( mn ) ij pij (m, n) p ©Крылов 9 Непрерывные цепи Маркова • Случайный процесс X(t) с дискретным множеством значений образует непрерывную цепь Маркова, если PX (t ) j / X ( ) for 1 2 t PX (t ) j / X ( 2 ) • Уравнение Чепмена – Колмогорова dH (t ) H (t )Q dt ©Крылов 10 Непрерывные цепи Маркова • H(t) = [pij(t)] - матрица вероятностей перехода из состояния i в состояние j в момент времени t , а матрица Q называется матрицей интенсивностей переходов • Интенсивности вероятностей переходов qij(t) ©Крылов 11 Переходы в процессе гибелиразмножения p-(k) p(k) p+(k) t t+dt ©Крылов 12 Уравнения процесса гибелиразмножения dP(k , t ) (k k ) P(k , t ) k 1 P(k 1, t ) k 1 P(k 1, t ); k 1 dt dP(0, t ) 0 P(0, t ) 1 P(1, t ) dt ©Крылов 13 Диаграмма интенсивностей переходов 0 1 1 0 1 K-1 2 K m-2 K-1 2 K ©Крылов K K+1 K+1 14 Уравнения равновесия (k k ) p k k 1 p k 1 k 1 p k 1 0 p k 0 k 1 k 1 pk 1 k 1 pk 1 (k k ) pk ©Крылов 15 Решение уравнений равновесия k 1 0 12 k 1 i pk p0 p0 1 2 3 k i 0 i 1 k p k 1 pk k 1 p0 1 i 1 k 1 i 0 i 1 k 1 k C 1 k 1 ©Крылов 16 Система M/M/1 поступающие пакеты обслуженные пакеты k , k 0,1,2, k 1 / , k 1,2,3, сервер 1 0 очередь 2 K m-2 K-1 ©Крылов K+1 17 Стационарное распределение k p k p 0 p 0 ; k 0 i 0 k 1 k 1 p0 1 / 1 1 1 / k 1 1 1 / ©Крылов 18 График распределения pk (1 ) k , k 0,1,2,3 ©Крылов 19 Зависимость среднего числа заявок и времени пребывания в системе ©Крылов 20 Система с несколькими серверами k 1 , n 2 , n 2 i pk p0 i 0 i 1 2 k 1 k 1 1 k k p0 k 1 p0 2 2 , 2 2 2 1 2 p0 , 1 2 pk 2(1 2 ) k 2 ©Крылов (1 2 ) 21 Двухсерверная система k 1 , n 2 , n 2 i pk p0 i 0 i 1 2 k 1 1 2 p0 , 1 2 2(1 2 ) k pk 2 (1 2 ) k 1 1 k k p0 k 1 p0 2 2 , 2 2 2 2 N 2 kpk N1 2 1 (1 2 ) k 0 Т2 N 2 ©Крылов 1 1 22 22 Сравнение нормированного времени пребывания в системе ©Крылов 23 m – серверная система 1 0 2 2 m-2 m (m-1) m m n , n 0,1,2,3 n ,0 n m n min n , m m , m n ©Крылов 24 m-cерверная система m k ,k m p0 k! pk k m m p ,k m 0 m! А 1 m m А А 1 p 0 k 0 k! m! 1 m 1 ©Крылов k k 25 1 С-формула Эрланга Аm 1 m! 1 А m C (m, / ) m1 Ak Am 1 k 0 k! m! 1 A m ©Крылов 26 Анализ системы M/M/1:N , k N к 0, k N , k , k 1,2,...,N ©Крылов 27 Диаграмма интенсивностей переходов для системы с конечным буфером 1 0 2 N m-2 k pk p0 , k N i 0 k 1 k p k p 0 , k N p k 0, k N©Крылов 28 Стационарные вероятности N p0 1 k 1 k 1 ( / )(1 / 1 1 / N 1 1 / 1 / N 1 1 k ,0 k N N 1 pk 1 0, k 0; k N ©Крылов 29 Вероятность блокировки и пропускная способность (1 ) p B p k (k N ) N 1 1 N (1 pB ) 1 (1 ) N N N 1 PB (1 ) , 1 N 1 N 1 1 1 ©Крылов 30 Средняя длина очереди и задержка в системе 2 3 N 1 1 1 2 3 4 N k L kpk k N 1 N 1 1 1 k 0 k 0 N 1 N T 1 L ©Крылов 31 Анализ систем с полными потерями , n m n 0, n m n n , n 1,2,3, , m 1 0 m-2 2 2 m-1 (m-1) ©Крылов m m 32 Стационарные вероятности k 1 p k p0 p0 ,k m i 0 (1 i ) k! k 1 m 1 p0 k 0 k! k 1 ©Крылов 33 В-формула Эрланга Am m ! PB E B (m, A) p m m k , A A k 0 k! ©Крылов 34 Модель Энгсета ©Крылов 35 Диаграмма интенсивностей переходов модели Энгсета M (M-1) 1 0 (M-m+1) 2 2 m 3 ©Крылов m 36 Параметры и решение ( M n),0 n m 1 n 0, n m n ,0 n m n m , n m k 1 0 12 k 1 i pk p0 p0 1 2 3 k i 0 i 1 k p k 1 pk k 1 ©Крылов 37 Стационарные вероятности M i k C m p 0 ,0 k m 1 n p k p 0 i 1 , Cm k k 1 i 0 pk C Mk A1 m k i i C A M 1 m! (m n)!n! , k 0,1,2, m; A1 i 0 ©Крылов 38 Формула Энгсета p m M m, A1 C Mm A1m m C k 0 А1 k M k 1 A ©Крылов 39 Модель Молина Lost Calls Held (LCH) A P e b k N 1 ©Крылов Ak k! 40 Анализ системы M/G/1 a(t ) e t b(x) b( x)dx 1 0 x xb ( x ) dx 0 x N W W Nx I ©Крылов W W x I 1 W 1 41 Изменение незавершенной работы в СМО t 1 1 n 1 a n1 n 1 a 2 R R(t ' )dt' Si Si x t0 t i 1 2 i n i 1 2 ©Крылов 42 Формула Полячека-Хинчина x2 W 2(1 ) x 1 C W x 2(1 ) 2 1 T x W x 2 2 1 C T S 1 ) x ©Крылов 2(1 ) 2 1 2 2 43 Среднее число требований x 1 C N q W 2(1 ) 2 1 2 2 2 2 2 1 C x N T S 2(1 ) 2 1 2 ©Крылов 2 44 Система M/M/1 b( x) e x x x b( x)dx x e 2 2 0 N 2 x 0 2 1 dx 2 2 1 1 x T 1 x 1 1 2 C 1 ©Крылов 45 Система M/D/1 1 N 2 1 2 1 x T 1 2 1 ©Крылов 46 Cистема G/G/1 (занятая) Cn-1 xn wn Cn Обслуживающий прибор Время Очередь Cn tn+1 Cn wn xn t n1 0 Cn+1 wn+1 Cn+1 ©Крылов wn1 wn xn t n1 47 Система G/G/1 (свободная) Cn-1 Обслуживающий прибор wn Cn xn Время Очередь Cn Cn+1 tn+1 Cn+1 Cn wn xn t n1 0 wn1 0 ©Крылов 48 Связанная марковская цепь un xn t n1 wn 1 0 , wn u n 0 , wn u n , wn u n 0 , wn 1 max0, wn u n . wn max0, un1 , un1 un2 ,un1 u1 , un1 u1 u0 w0 ©Крылов 49 Решение (уравнение Линдли) М u n М x n t n 1 М x n М t n 1 x t t ( 1) x 1 t lim Pwn y Pw y W ( y ) . n y W ( y) w(t )dt y w( y u )c(u )du , y 0 , w( y ) 0 , y 0 . ©Крылов 50 Решение уравнения Линдли c(u ) a(t u )b(t )dt 0 A( s ) a (t )e st dt , 0 B ( s ) b ( x )e 0 sx dx , C ( s) A( s) B( s) , W ( s)A( s) B( s) 1 0 . ( s) A( s) B( s) 1 ( s) K W ( s) , ( s ) ( s ) K lim s ©Крылов . 0 s 51 Приближенное решение 2 t (1 ) 2 I 2 М W 2t (1 ) 2I 2 a 2 b t 2s2 A( s ) 1 ts o( s 2 ) , 2! x2s2 B ( s ) 1 xs o( s 2 ) , 2! x2 t 2 A( s ) B ( s ) 1 s t x s xt o( s 2 ) . 2 ©Крылов2 52 Приближенное решение A( s ) B ( s ) 1 s ( s s 2 ) 2t (1 ) s2 2 2 a b a2 b2 2 , ( s ) s ( s s 2 )C , C (0) a2 b2 , 2 K lim s 0 ( s s 2 )C s 2 C , s2 1 1 W (s) , s(s s 2 ) s s s 2 a2 b2 2 t (1 ) М W . 2t (1 ) y 2(1 )t w( y ) 2 e , 2 a b ©Крылов 2 a 2 b 53 Верхняя граница,граница Маршалла МW WHigh 2t (1 ) 2 a М W Cb b x 2 b , 2 Cb 2t (1 ) 1 C 1 / 2 2 b 2 a 2 b . ©Крылов 54 Нижняя граница для потоков с монотонностью A(t2 ) - A(t 2 ) A(t1 ) - A(t 1 ) 0 , t 2 t 1 , 0. 1 A(t 2 ) 1 A(t 1 ) C ( 2) WLow М W 2 (1 ) 2 2 b ©Крылов 55 Уточненная нижняя граница y g ( y) , g ( y ) 1 C ( x)dx , y x C ( x) c(t )dt , 0 c(t ) a( x t )b( x)dx . 0 ©Крылов 56 Графическое решение y g(y) g(0) y Wм ©Крылов 57