Модели интеграции речи и данных.

Рассмотрим объединение двух видов нагрузки – обслуживание с коммутацией каналов, кратко – речь и нагрузка, требующая обслуживания с коммутацией пакетов – данные.

Назовем первую из этих видов нагрузка 1-го класса. Будем считать, что интенсивность поступлений ВЫЗОВОВ (требований на соединение) λ₁ а среднее время занятия 1/μ₁. Этот тип нагрузки требует одного временного канала и при отсутствии свободных каналов – блокируется.

Второй из видов нагрузки назовем Нагрузка 2-го класса. Интенсивность поступлений ПАКЕТОВ положим равной λ₂, а средняя длина пакета определяет время обслуживания 1/μ₂. Эта группа заявок ставится в очередь при отсутствии свободных каналов. В этом и состоит основное отличие двух классов нагрузки с точки зрения теории телетрафика.

Для обслуживания нагрузки в зависимости от класса может быть выделено фиксированное или переменное число каналов. В зависимости от способа предоставления каналов для заявок разного класса будет получаться различное качество обслуживания нагрузки. Наша задача проанализировать различные методы обслуживания.

5.2.1 Интеграция на основе обслуживания в порядке поступления.

При этой стратегии обслуживания контроллер, показанный на рис. 5.1, назначает канал (временной слот) любому пользователю при его появлении независимо от класса нагрузки. При отсутствии свободного канала запросы на соединение блокируются, а пакеты помещаются в буфер. Найдем точное решение задачи определения характеристик качества обслуживания интегральной сети с такой стратегией интеграции. Приемлемая сложность задачи получается для простейшего случая разделения ресурса в виде одного N=1 канала. Однако, несмотря на простоту случая, он позволяет проследить все важнейшие особенности рассматриваемого способа объединения. Для более общего случая с большим числом каналов N будут приведены приближенные формулы.

Рис. 5.1 Модель с непрерывным временем; интеграция нагрузки с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.

Построим диаграмму переходов состояний системы массового обслуживания, соответствующей рассматриваемой задаче. СМО имеет двумерную структуру пространства состояний (См. рис.5.2). Обозначим стационарные вероятности нахождения системы в каждом из состояний p_ij . Верхний ярус состояний i=1 соответствует случаю занятости канала заявкой первого класса, а нижний ярус i=0 описывает состояния без наличия заявки первого класса. Значение j определяет число заявок второго класса, находящихся в системе. Переходы между состояниями в точности соответствуют возможным процессам в системе. Так при занятости канала заявкой первого класса, его освобождение происходит с интенсивностью μ₁ в состояние, определяемое числом заявок второго класса, находящихся на обслуживании. Поступление новой заявки второго класса производит переход в состояние с j+1 с интенсивностью λ₂, а ее обслуживание производит переход в состояние с j-1 с интенсивностью μ₂, но только в случае отсутствия заявки первого класса (i=0).

Рис. 5.2 Диаграмма состояний интегральной схемы; обслуживание в порядке поступления; N=1 канал.

Выпишем уравнения баланса для всех состояний.

Обозначая как обычно ρ₁=λ₁/μ₁, ρ₂=λ₂/μ₂ и используя уравнения (1) и (2) можно получить выражения для вероятностей состояний

где - коэффициент, определяющий соотношение между длительностью заявок первого и второго класса.

Для определения вероятностей при i=0 воспользуемся методом производящих функций. Определим производящую функцию

.

Умножим правую и левую часть уравнения (2) на z^j и, суммируя по всем j, начиная с единицы, можно получить следующее алгебраическое уравнение для функции комплексной переменной – производящей функции

При выводе этих уравнений использовались следующие вспомогательные соотношения

В уравнении для G₀(z) в правой и левой части может быть выделен сомножитель (z-1). После сокращения на него можно записать выражение для производящей функции

.

Единственным неизвестным остается вероятность в нулевой точке. Воспользуемся условием нормировки и свойством производящей функции

Теперь мы можем найти характеристики качества обслуживания. Вероятность блокировки заявок первого класса равна вероятности 1-p₀₀.

.

В качестве подтверждения правдоподобности полученного соотношения найдем значение вероятности блокировки при отсутствии заявок второго класса, т.е. при

Это в точности значение вероятности блокировки системы с одним сервером, получаемое при расчете по В - формуле Эрланга.

Теперь найдем среднее значение задержки нагрузки второго класса. Сначала найдем среднее число пакетов в системе, а затем воспользуемся формулой Литтла.

Заметим, что первое слагаемое описывает задержку в системе M/M/1, а второе слагаемое определяет увеличение числа пакетов в очереди за счет состязаний за доступ к каналу с заявками первого класса. Условие равновесия для нагрузки второго класса не зависит от нагрузки первого класса и состоит в выполнении неравенства ρ₂<1.

Воспользовавшись формулой Литтла, найдем нормированную задержку заявок второго класса

.

Обычно при интеграции заявки первого класса - телефонные разговоры имеют существенно большую длительность, чем длительности пакетов. При этом α>>1. Как видно из полученной формулы, задержка пакетов сильно возрастает по сравнению с чисто пакетной сетью. Интересно как изменится ситуация при достаточно большом числе каналов. Случай с N>1 был проанализирован и позволил предложить приближенную формулу для расчета вероятности блокировки для нагрузки первого класса в виде

Это известная формула Эрланга. Соотношение точно при α=1 и может быть применено для других значений α в силу слабой зависимости вероятности блокировки от ее величины.

Рассмотрим пример. Пусть 1/μ₁=100c ,1/μ₂=10 мс. Тогда α=10000. Пусть нагрузки таковы, что ρ₁=0.1, ρ₂=0.4. Тогда P_B=0.45 т.е. весьма значительна. В то же время задержка для пакетов μ₂M<T>=1.7+990=991.7 что существенно превышает задержку без учета влияния «разговорной» нагрузки. Фактическое время задержки составит 9.9 с вместо 1.7 мс для соответствующей системы M/M/1 когда пакеты поступали бы в отдельный канал.

Как показывает анализ, стратегия интеграции нагрузки в порядке поступления запросов не обеспечивает приемлемого регулирования характеристик качества обслуживания.

Другим способом интеграции является стратегия абсолютного приоритета заявок первого класса.