3. Модели потока требований

Поступающие на вход СМО требования (заявки, запросы) образуют поток дискретных событий, полностью определяемый множеством моментов времени их поступления . Для детерминированного потока значения t_n задаются таблицей или формулой. На практике этот поток случайный и значения моментов поступления запросов есть значения случайной величины, задаваемой функциями распределения вероятности t_n либо интервала между поступлениями t : .

Случайные потоки можно классифицировать по наличию или отсутствию трех основных свойств: стационарности, последействия и ординарности.

Стационарность - независимость вероятностных характеристик от времени. Так вероятность поступления определенного числа требований в интервал времени длиной t для стационарных потоков не зависит от выбора начала его измерения.

Последействие - вероятность поступления требований в интервале (t₁ , t₂) зависит от событий, произошедших до момента t₁.

Ординарность - вероятность поступления двух и более требований за бесконечно малый интервал времени Δt есть величина бесконечно малая более высокого порядка, чем Δt.

К основным характеристикам случайных потоков относят ведущую функцию, параметр потока и интенсивность потока.

Ведущей функцией потока называют математическое ожидание числа требований в промежутке времени (0,t).

Параметр потока вместе с интенсивностью потока являются важнейшими характеристиками темпа поступления требований. Это плотность вероятности поступления требований в момент времени t и характеризуется тем, что вероятность поступления хотя бы одного требования в бесконечно малом промежутке времени пропорциональна с точностью до бесконечно малой более высокого порядка длине этого промежутка. . Откуда:

.

Для стационарного потока параметр потока постоянный и равен:

.

Интенсивность потока учитывает возможную неординарность потока, т.е. одновременно поступающие требования и определяется как математическое ожидание числа вызовов в единицу времени в данный момент. Для ординарных потоков интенсивность потока и есть его параметр.

Лекция №2 по дисциплине “Теория распределение информации»

Наименование темы: Модели систем массового обслуживания

1.Математическое введение в теорию цепей Маркова

Модели систем массового обслуживания это основной раздел теории, на который опираются все положения теории телетрафика. Чтобы понять методы анализа систем массового обслуживания, необходимо изучить новый математический аппарат.

1.Математическое введение в теорию цепей Маркова

Дискретные цепи Маркова.

Задана дискретная цепь Маркова, если для последовательности случайных величин выполняется равенство

.

Это означает, что поток случайных величин определяется только вероятностью перехода от предыдущего значения случайной величины к последующему. Зная начальное распределение вероятностей, можно найти распределение на любом шаге. Величины i_n можно интерпретировать как номера состояний некоторой динамической системы с дискретным множеством состояний. Если вероятности переходов не зависят от номера шага, то такая цепь Маркова называется однородной и ее определение задается набором вероятностей .

Для однородной Марковской цепи можно определить вероятности перехода из состояния i в состояние j за m шагов

Цепь Маркова называется неприводимой, если каждое ее состояние может быть достигнуто из любого другого состояния. Состояние i называется поглощающим, если для него p_ii =1.

Состояние называется возвратным, если вероятность попадания в него за конечное число шагов равна единице. В другом случае состояние относится к невозвратным. Возвратное состояние может быть периодическим и апериодическим в зависимости от наличия кратных шагов возврата. Введем вероятности возврата в состояние i через n шагов после ухода из этого состояния:

Они позволяют определить среднее число шагов, т.е среднее время возврата: .

Состояние называется возвратным нулевым, если среднее время возвращения в него равно бесконечности, и возвратным ненулевым, если это время конечно.

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.

Вторая теорема рассматривает вероятности достижения состояний в стационарном (то есть не зависящем от начального распределения вероятностей) режиме.

Теорема 2.

Для неприводимой и апериодической цепи Маркова всегда существуют предельные вероятности, не зависящие от начального распределения вероятностей. Более того, имеет место одна из следующих двух возможностей:

А) все состояния цепи невозвратные или все возвратные нулевые, и тогда все предельные вероятности равны нулю и стационарного состояния не существует;

Б) все состояния возвратные ненулевые и тогда существует стационарное распределение вероятностей:

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.

Цепь Маркова с конечным числом состояний (конечная цепь), удобно изображать в виде ориентированного графа, называемого диаграммой переходов (рис.1). Вершины графа ассоциируются с состояниями, а ребра с вероятностями переходов.

Вычисления вероятностей достижения состояний производится прямыми методами или с помощью z-преобразования.

Рис. 1. Цепь Маркова.

У однородных Марковских процессов вероятности переходов не зависят от времени.

Вероятности перехода системы из состояния i на m-том шаге в состояние j на n-том шаге для n > m.

Эти вероятности связаны между собой, так называемым уравнениями Чепмена-Колмогорова.(Chapman - Kolmogorov)

.

Для однородных цепей Маркова эти уравнения упрощаются так

.