Многолинейные системы с широковещательным обслуживанием

Формализация в терминах цепи Маркова процесса функционирования системы MAP/PH/N с ошибками в обслуживании. Расчет распределения вероятностей состояний системы и времени пребывания в ней и алгоритмы для вычисления характеристик ее производительности.

Рубрика Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 19.08.2018
Размер файла 288,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Многолинейные системы с широковещательным обслуживанием

Общая характеристика работы

Связь работы с крупными научными программами, темами

Результаты, представленные в данной работе, были получены в рамках выполнения следующих научных проектов:

? НИР «Разработка аналитических средств моделирования и оптимизации процессов передачи информации в сетях с технологией IP и мобильных сотовых сетях связи» в рамках государственной комплексной программы научных исследований «Научные основы информационных технологий и систем» («Инфотех») на 2006-2008 годы, номер госрегистрации 20061225.

? НИР «Разработка вероятностно-аналитического аппарата для моделирования и оптимизации процессов передачи и обработки информации в современных информационно-телекаммуникационных сетях» в рамках государственной комплексной программы научных исследований «Научные основы информационных технологий и систем» («Инфотех») на 2009-2010 годы, номер госрегистрации 20090555.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы является разработка алгоритмов нахождения стационарного распределения вероятностей числа запросов и времени пребывания, а также получение характеристик производительности ряда СМО с широковещательным обслуживанием и коррелированными потоками и иллюстрация преимуществ широковещательного обслуживания.

Сформулированная цель достигается решением следующих задач:

1. Формализация в терминах цепи Маркова (ЦМ) процесса функционирования системы MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием и ошибками в обслуживании, расчет стационарного распределения вероятностей состояний системы и времени пребывания в ней и алгоритмы для вычисления характеристик ее производительности, включая вероятность успешного обслуживания.

2. Формализация в терминах ЦМ процесса функционирования системы MAP/PH/N с управляемым широковещательным обслуживанием, расчет стационарного распределения вероятностей состояний системы и времени ожидания и пребывания в ней и алгоритмы для вычисления характеристик ее производительности, включая вероятность успешного обслуживания.

3. Формализация в терминах ЦМ процесса функционирования системы MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием и поломками приборов, расчет стационарного распределения вероятностей состояний системы и времени ожидания в ней и алгоритмы для вычисления характеристик ее производительности, включая вероятность успешного обслуживания.

4. Формализация в терминах ЦМ процесса функционирования системы MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием и разогревом приборов, расчет стационарного распределения вероятностей состояний системы и времени пребывания в ней и алгоритмы для вычисления характеристик ее производительности.

Объектом исследования являются СМО с широковещательным обслуживанием и коррелированными потоками и их аналоги с классической дисциплиной обслуживания. Предмет исследования - стационарные распределения вероятностей состояний и времени ожидания и пребывания и характеристики производительности исследуемых СМО.

Положения, выносимые на защиту

1. Условия эргодичности и алгоритмы для расчета стационарного распределения вероятностей состояний и времени пребывания, а также характеристик производительности системы MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием и ошибками в обслуживании.

2. Условия эргодичности и алгоритмы для расчета стационарного распределения вероятностей состояний и времени ожидания и пребывания, а также характеристик производительности системы MAP/PH/N с управляемым широковещательным обслуживанием.

3. Условия эргодичности и алгоритмы для расчета стационарного распределения вероятностей состояний и времени ожидания, а также характеристик производительности системы MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием и поломками приборов.

4. Условия эргодичности и алгоритмы для расчета стационарного распределения вероятностей состояний и времени пребывания, а также характеристик производительности системы MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием и разогревом приборов.

Личный вклад соискателя

Диссертационная работа подготовлена самостоятельно автором и содержит его личный вклад в проведенных исследованиях. Роль научного руководителя доктора физико-математических наук профессора А.Н. Дудина состояла в постановке рассмотренных в диссертации проблем и анализе полученных результатов.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, прошли апробацию на следующих научных конференциях: 66-я, 67-я конференция студентов и аспирантов БГУ (Минск, май 2009, май 2010), 11-я, 12-я, 13-я международная научная конференция «Обработка и передача мультимедийной информации» (Джёнджу, Южная Корея, декабрь 2008, сентябрь 2009, февраль 2010), 20-я международная научная конференция «Очереди: потоки, системы, сети» (Минск, январь 2009), международная научная конференция-форум «Информационные Системы и Технологии» (Минск, ноябрь 2009), 3-я Мадридская международная конференция по теории массового обслуживания (Толедо, июнь 2010), 8-й международный семинар «EUROPT - 2010» по проблемам оптимизации (Авейро, Португалия, июль 2010).

Опубликованность результатов

Основные результаты диссертации опубликованы в 12 научных работах, из них 4 статьи в научных журналах, соответствующих п. 18 Положения о присуждении ученых степеней и присвоения ученых званий в Республике Беларусь (общим объемом 2.95 авторского листа), 6 статей в сборниках научных трудов и материалов конференций и 2 тезисов.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, перечня условных обозначений, общей характеристики работы, 5 глав, заключения, библиографического списка. Полный объем диссертационной работы составляет 114 страниц, из них 20 рисунков занимают 14 страниц, 4 таблицы занимают 3 страницы, количество использованных библиографических источников составляет 78 наименований, включая собственные публикации автора (но 7 страницах).

Основное содержание работы

алгоритм марков производительность широковещательный

В первой главе приведен краткий обзор литературы по ТМО. Указаны основные направления и исследования и приведено описание процессов поступления и обслуживания запросов рассматриваемых в диссертации.

Во второй главе рассматривается модель, в которой приборы системы не являются абсолютно надежными и обслуживание запроса может осуществляться с ошибками. Прибор не выходит из строя. Просто с определенной вероятностью произвольный запрос будет обслужен в нем с ошибкой.

В пункте 2.1 рассматривается математическая модель и распределение числа запросов в системе с дисциплиной BC. На вход системы поступает MAP (Markov Arrival Process) поток запросов. Предполагаем, что время обслуживиния запроса прибором имеет распределение фазового типа, заданное ЦМ , с неприводимым представлением . В процессе обслуживания запроса может произойти ошибка. Время от момента начала обслуживания запроса до возникновения ошибки имеет распределение фазового типа с неприводимым представлением . Наступление ошибки не влечет прерывания обслуживания запроса. Только результат обслуживания будет неудовлетворительным.

Пусть , - число запросов в системе; , - состояние управляющего процесса MAP-потока поступления запросов; , - состояние управляющего процесса обслуживания в j-ом приборе, , в момент времени .

Рассматриваем ЦМ . Перенумеровываем состояния ЦМ в лексикографическом порядке.

Лемма 2.1 [6, с. 6, 7, с. 47] Инфинитезимальный генератор (ИГ) ЦМ , , имеет вид

. (1)

Ненулевые блоки ИГ определяются следующим образом:

, ,

, ,

где ,

.

Обозначим стационарные вероятности ЦМ как

(2)

, , .

Соответственно лексикографическому упорядочиванию, формируем векторы-строки из вероятностей состояний ЦМ, имеющих значение компоненты , .

Теорема 2.1 [6, с. 6, 7, с. 47] Стационарное распределение вероятностей , ЦМ , , существует тогда и только тогда, когда выполняется неравенство

(3)

где - средняя интенсивность входного потока, а - среднее время обслуживания. Векторы , вычисляются следующим образом:

, ,

где , ,

,

матрица является минимальным неотрицательным решением уравнения

, (4)

а вектор является единственным решением системы линейных алгебраических уравнений

, .

В пункте 2.2 рассматривается распределение времени пребывания запроса в системе с дисциплиной BC. Пусть - функция распределения (ФР) времени пребывания запроса в рассматриваемой системе и - её преобразование Лапласа-Стилтьеса (ПЛС): .

Теорема 2.2 [6, с. 7, 7, с. 48] ПЛС распределения времени пребывания запроса в рассматриваемой системе имеет вид

,

где

,

Лемма 2.3 [6, c. 7, 7, с. 49] Вероятность того, что ошибка не случится за время обслуживания запроса в приборе, вычисляется как

.

Теорема 2.3 [6, c. 7, 7, с. 49] Вероятность того, что произвольный запрос будет обслужен без ошибки, вычисляется по формуле

В пункте 2.3 рассматривается система с классической дисциплиной с целью последующего сравнения её с дисциплиной BC.

Обозначим ИГ ЦМ , , описывающей поведение системы при классической дисциплине. Её компоненты имеют тот же смысл, что и компоненты ЦМ , рассмотренной в пункте 2.1.

Утверждение 2.1 [6, с. 7] Генератор имеет трёхдиагональную блочную структуру: диагональными блоками генератора являются матрицы , поддиагональными блоками генератора являются матрицы , наддиагональными блоками генератора являются матрицы заданные формулами

.

В пункте 2.4 в графической форме приведены результаты численных экспериментов, подтверждающие эффективность дисциплины BC и её преимущества перед классической дисциплиной: возможность меньшего среднего времени пребывания и большей вероятности успешного обслуживания запроса.

В частности, даны рисунок 1 и рисунок 2, приведенные ниже.

дисциплина: 1 - BC; 2 - классическая

Рисунок 1. Зависимость среднего времени пребывания от средней интенсивности обслуживания при различных дисциплинах обслуживания

дисциплина: 1 - BC; 2 - классическая

Рисунок 2. Зависимость вероятности успешного обслуживания произвольного запроса от средней интенсивности обслуживания при различных дисциплинах обслуживания

В третьей главе рассматриваются две модификации дисциплины ВС. Обе они представляют собой гибрид дисциплины ВС и классической дисциплины обслуживания. Дисциплина, которую будем называть BCS (Broadcasting with Copying when the number of free servers is Small) состоит в следующем. Пусть i ? число занятых приборов в момент поступления запроса; j ? пороговое значение, . Если , то все свободные приборы будут обслуживать поступивший запрос (как при дисциплине BC), а если , то запрос обслуживается только одним прибором.

Дисциплина, которую будем называть BCL (Broadcasting with Copying when the number of free servers is Large) состоит в следующем. Если , то все свободные приборы будут обслуживать поступивший запрос, а если , то запрос обслуживается только одним прибором.

В пункте 3.1 рассматривается распределение числа запросов в системе с дисциплиной BCS.

Лемма 3.1 [1, с. 35] задает структуру ИГ ЦМ , , блоки которого выражаются через матрицы , , , , описанные выше и матрицы , .

Теорема 3.1 [1, с. 36] Стационарное распределение вероятностей , ЦМ , , существует тогда и только тогда, когда выполняется неравенство (3). Векторы , вычисляются следующим образом:

,

,,

где , ,

,

,,

,

,

матрица является минимальным неотрицательным решением уравнения вида (4), а вектор является единственным решением системы линейных алгебраических уравнений

, .

В пункте 3.2 рассматривается распределение времени ожидания, вероятность успешного обслуживания запроса в системе с дисциплиной BCS.

Теорема 3.2 [1, с. 39] ПЛС распределения времени ожидания запроса в рассматриваемой системе имеет вид

.

В пункте 3.3 численно иллюстрируется зависимость характеристик системы с дисциплиной BCS от порога . В пункте 3.4 рассматривается распределение числа запросов в системе с дисциплиной BCL.

Лемма 3.2 [2, с. 151] задает структуру ИГ ЦМ , , блоки которого выражаются через матрицы , , , , описанные выше и матрицы ,,,

Теорема 3.5 [2, с. 152] Стационарное распределение вероятностей , ЦМ , , существует тогда и только тогда, когда выполняется неравенство (3). Векторы , вычисляются следующим образом:

, ,

,

где , ,

, ,

,

,

матрица является минимальным неотрицательным решением уравнения вида (4), а вектор является единственным решением системы линейных алгебраических уравнений

, .

В пункте 3.5 рассматривается распределение времени ожидания и времени пребывания, вероятность успешного обслуживания произвольного запроса в системе с дисциплиной BCL.

Теорема 3.7 [2, с. 156] ПЛС распределения времени пребывания запроса в рассматриваемой системе имеет вид

.

В пункте 3.6 численно иллюстрируется зависимость характеристик системы с дисциплиной BCL от порога . В пункте 3.7 проводится численное сравнение дисциплин BCS и BCL.

В четвертой главе рассматривается ненадежная система с дисциплиной BC в предположении, что приборы могут выходить из строя, что ведет к потере обслуживаемого запроса и необходимости ремонта этого прибора.

В пункте 4.1 рассматривается математическая модель и распределение числа запросов в системе с дисциплиной ВС. В систему поступает MAP-поток поломок приборов. Этот поток задается по аналогии с MAP-потоком запросов. Он управляется процессом , c пространством состояний , и задается матрицами и . Предполагаем, что сломанный прибор немедленно начинает ремонтироваться. Время ремонта имеет распределение фазового типа, заданное ЦМ с непрерывным временем , с пространством состояний , и задается неприводимым представлением .

Пусть , - число запросов в системе; , - число ремонтируемых приборов; , - состояние управляющего процесса MAP-потока поступления запросов; , - состояние управляющего процесса MAP-потока поступления поломок; - состояние процесса, правляющего обслуживанием в j-том приборе, ; , - состояние процесса, управляющего ремонтом l-го прибора, , в момент времени , .

Рассматриваем ЦМ .

Лемма 4.1 [3, с. 135, 4, с. 85, 5, с. 38] ИГ ЦМ , , имеет вид

. (5)

Матрица имеет нулевые блоки за исключением блоков на блочной диагонали и блочной наддиагонали. Эти блоки имеют вид

равно вектору , если , и скаляру 1 в противном случае.

Матрица имеет ненулевые блоки только на блочной диагонали и блочной поддиагонали. Эти блоки задаются следующим образом:

где .

Матрица , , имеет только один ненулевой блок,

Матрица , , имеет ненулевые блоки

где равно вектору , если , или скаляру 1 в случае .

Матрица задается ненулевыми диагональными блоками

Теорема 4.1 [3, с. 136, 4, с. 86] Стационарное распределение вероятностей, ЦМ , существует тогда и только тогда, когда выполняется неравенство

, (6)

где вектор является решением системы линейных алгебраических уравнений

(7)

Векторы , вычисляются следующим образом:

, ,

где

,

матрица является минимальным неотрицательным решением уравнения типа (4), а вектор является единственным решением системы линейных алгебраических уравнений

, .

В пункте 4.2 рассматривается распределение времени ожидания запроса в системе с BC дисциплиной.

Теорема 4.2 [3, с. 136] ПЛС распределения виртуального времени ожидания запроса в рассматриваемой системе имеет вид

,

где векторы находятся из рекурсии

, если ,

, если

с начальными условиями .

В пункте 4.3 рассматривается ненадежная система с классической дисциплиной обслуживания.

Лемма 4.2 [4, с. 89] ИГ ЦМ имеет трёхдиагональную блочную структуру: диагональными блоками генератора являются матрицы , поддиагональными блоками генератора являются матрицы , наддиагональными блоками генератора являются матрицы , которые имеют ненулевые блоки заданные формулами Другие обозначения такие же, как в генераторе (5).

В пункте 4.4 проводится численное сравнение дисциплины BC и классической дисциплины.

В пятой главе исследуется система, в которой при поступлении запроса на свободный прибор требуется предварительно провести разогрев этого прибора.

В пункте 5.1 рассматривается математическая модель и распределение числа запросов в системе с дисциплиной BC.

Если поступивший запрос застает один или больше приборов свободными, он занимает все эти приборы и начинается разогрев этих приборов. Приборы разогреваются независимо друг от друга. Предполагаем, что время разогрева прибора имеет распределение фазового типа, заданное ЦМ с непрерывным временем с пространством состояний и задается неприводимым представлением .

После окончания разогрева начинается обслуживание запроса. Предполагаем, что время обслуживания имеет распределение фазового типа, заданное ЦМ с непрерывным временем , с пространством состояний и задается неприводимым представлением .

Пусть , - число запросов в системе; , - число разогревающихся приборов; , - состояние управляющего процесса MAP-потока поступления запросов; , - состояние процесса, управляющего обслуживанием в j-том приборе, ; , - состояние процесса, управляющего разогревом l-го прибора, , в момент времени , .

Рассматриваем ЦМ .

Лемма 5.1 [9, с. 58, 10, с. 52] ИГ ЦМ , , имеет вид

, (8)

где ненулевые блоки матрицы имеют вид

ненулевые блоки матрицы задаются следующим образом:

,

ненулевые блоки матрицы задаются следующим образом:

,

ненулевые блоки матрицы имеют вид

,

ненулевые блоки матрицы задаются следующим образом:

.

Теорема 5.1 [9, с. 59] Стационарное распределение вероятностей , ЦМ , существует тогда и только тогда, когда выполняется неравенство (3).Векторы , вычисляются следующим образом:

, ,

где ,

,,

матрица является минимальным неотрицательным решением уравнения типа (4), а вектор является единственным решением системы линейных алгебраических уравнений

,.

В пункте 5.2 рассматривается распределение времени пребывания в системе с дисциплиной BC.

Теорема 5.2 [10, с. 52] ПЛС распределения времени пребывания запроса в рассматриваемой системе имеет вид

,

где матрицы вычисляются из рекурсии

,

с начальными условиями

.

В пункте 5.3 рассматривается система с разогревом приборов и классической дисциплиной обслуживания. Обозначим ИГ ЦМ , .

Лемма 5.3 [8, с. 22, 10, с. 53] Генератор имеет трёхдиагональную блочную структуру: диагональными блоками генератора являются матрицы , поддиагональными блоками генератора являются матрицы , наддиагональными блоками генератора являются матрицы , где ненулевые блоки матрицы задаются следующим образом:Другие обозначения такие же, как в генераторе (8).

Теорема 5.4 [10, с. 53] ПЛС распределения времени пребывания запроса в рассматриваемой системе имеет вид

.

В пункте 5.4 проводится численное сравнение дисциплины BC и классической дисциплины.

Заключение

В диссертации получены новые теоретические результаты в области ТМО, которые в совокупности решают важную задачу нахождения вероятностно-временных характеристик многолинейных СМО с дисциплиной широковещательного доступа.

Основные научные результаты диссертации

1. Для многолинейных СМО типа MAP/PH/N с ошибками в обслуживании, поломками приборов, разогревом приборов и широковещательными и классическими дисциплинами обслуживания, и системы с ошибками в обслуживании и гибридными стратегиями управления (использующими широковещательное обслуживание только при большом и при малом числе занятых приборов в момент поступления запроса) получено условие эргодичности [1-12]; разработаны алгоритмы нахождения стационарного распределения вероятностей числа запросов [1-12]; разработаны алгоритмы нахождения основных вероятностных и надежностных характеристик [1, 2, 4-7]; разработаны алгоритмы нахождения распределения времени ожидания [1-3] и пребывания запросов [1, 2, 6, 7, 10].

2. Для многолинейных СМО типа MAP/PH/N с гибридными стратегиями обслуживания проведен численный анализ зависимости характеристик систем от порога управления, который, в частности, показал, что вероятность успешного обслуживания запроса может достигать максимума при дисциплине BCL, использующей широковещательное обслуживание только при числе свободных приборов, большем чем некоторое пороговое значение [1, 2].

3. Проведено сравнение времени пребывания запроса и вероятности успешного обслуживания запросов для систем с классической и широковещательной дисциплинами обслуживания и показано, что широковещательная дисциплина обслуживания может иметь существенное преимущество перед классической дисциплиной как по значению вероятности успешного обслуживания, так и по среднему времени доставки запроса [4, 6, 10].

4. Исследовано влияние корреляции длин соседних интервалов между моментами поступления запросов и вариации времени обслуживания запросов на вероятностно-временные характеристики системы. Численно показано, что для потоков с одной и той же интенсивностью, но разной корреляцией, и процессов обслуживания с одинаковым значением среднего времени обслуживания, но разной дисперсией, характеристики систем могут отличаться очень существенно [1, 2, 4, 6, 7].

Рекомендации по практическому использованию результатов

Результаты, полученные в диссертации, положены в основу ряда программных модулей, включенных в пакет прикладных программ «SIRIUS-М», предназначенный для расчета и оптимизации характеристик информационно-вычислительных сетей с ожиданием, ошибками, поломами приборов и широковещательным обслуживанием при наличии коррелированных входных потоков и коррелированного процесса обслуживания, разрабатываемый в НИЛ прикладного вероятностного анализа БГУ.

Результаты использованы в учебном процессе в Белорусском государственном университете и Высшем государственном колледже связи.

Диссертационная работа содержит новые научно обоснованные теоретические и экспериментальные результаты, совокупность которых имеет важное значение для развития теории системного анализа и математического моделирования и проектирования систем передачи и обработки информации, в первую очередь, телекоммуникационных систем и сетей с учетом реального характера информационных потоков.

Список публикаций по теме диссертации

1. Дудин, А.Н. Многолинейная система MAP/PH/N с управляемым широковещательным обслуживанием ненадежными приборами / А.Н. Дудин, Б. Сунь // Автоматика и вычислительная техника. - 2009. - №5. - C. 32-44.

2. Дудин, А.Н. Ненадежная многолинейная система с управляемым широковещательным обслуживанием / А.Н. Дудин, Б. Сунь // Автоматика и телемеханика. - 2009. - №12. - C. 147-160.

3. Сунь, Б. Ненадежная многолинейная система MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием / Б. Сунь // Вестник Белорусского государственного университета. Серия 1, Физика, Математика, Информатика. - 2010. - №1. - С. 133-137.

4. Дудин, А.Н. Исследование многоканальной системы MAP/PH/N с ненадежными приборами и различными дисциплинами обслуживания / А.Н. Дудин, Б. Сунь // Информатика. - 2010. - №2. - С. 82-93.

5. Дудин, А.Н. Ненадежная система MAP/PH/N с широковещательным обслуживанием / А.Н. Дудин, Б. Сунь, А.И. Шакель // Теория Вероятностей, Математическая Статистика и их Приложения: сб. науч. ст. / БГУ, кафедра ТВ и МС, редкол. Н.Н. Труш [и др.]. - Минск, 2009. - Вып. 2. - С. 34-42.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.