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《通信网理论基础》
实验二:二次排队问题——M/M/1排队系统的级联
实验目的
M/M/1是最简单的排队系统,其假设到达过程是一个参数为的Poisson过程,服务时间是参数为的负指数分布,只有一个服务窗口,等待的位置有无穷多个,排队的方式是FIFO。
M/M/1排队系统的稳态分布、平均队列长度,等待时间的分布以及平均等待时间,可通过泊松过程、负指数分布、生灭过程以及Little公式等进行理论上的分析与求解。
本次实验的目标有两个:
实现M/M/1单窗口无限排队系统的系统仿真,利用事件调度法实现离散事件系统仿真,并统计平均队列长度以及平均等待时间等值,以与理论分析结果进行对比。
仿真两个M/M/1级联所组成的排队网络,统计各个队列的平均队列长度与平均系统时间等值,验证Kleinrock有关数据包在从一个交换机出来后,进入下一个交换机时,随机按负指数分布取一个新的长度的假设的合理性。
实验原理
M/M/1排队系统
根据排队论的知识我们知道,排队系统的分类是根据该系统中的顾客到达模式、服务模式、服务员数量以及服务规则等因素决定的。
设到达过程是一个参数为的Poisson过程,则长度为的时间内到达个呼叫的概率服从Poisson分布,即, ,其中0为一常数,表示了平均到达率或Poisson呼叫流的强度。设每个呼叫的持续时间为,服从参数为的负指数分布,即其分布函数为.服务规则采用先进先服务的规则(FIFO)。
在该M/M/1系统中,设,则稳态时的平均队长为,顾客的平均等待时间为。
二次排队网络
由两个M/M/1排队系统所组成的级联网络,顾客以参数为的泊松过程到达第一个排队系统A,服务时间为参数为的负指数分布;从A出来后直接进入第二个排队系统B,B的服务时间为参数为的负指数分布,且与A的服务时间相互独立。
在该级联网络中,如稳态存在,即且,则两个排队系统相互独立,顾客穿过网络的总时延为各个排队系统的时延之和,即。
如将该模型应用于数据包穿越网络的平均时延的计算,假设数据包的包长服从负指数分布,平均包长为;排队系统A的信道速率为,B的信道速率为。为保证两次排队的独立性,Kleinrock假设数据包在从一个交换机出来后,进入下一个交换机时,随机按负指数分布取一个新的长度。
实验内容
仿真时序图示例
本实验中的排队系统为当顾客到达分布服从负指数分布,系统服务时间也服从负指数分布,单服务台系统,单队排队,按FIFO方式服务为M/M/1排队系统。
理论上,我们定义服务员结束一次服务或者有顾客到达系统均为一次事件。为第i个任何一类事件发生的时间,其时序关系如下图所示。
bi?第i个任何一类事件发生的时间
ti?第i个顾客到达类事件发生的时间
ci?第i个顾客离开类事件发生的时间
Ai?为第i-1个与第i个顾客到达时间间隔
Di?第i个顾客排队等待的时间长度
Si?第i个顾客服务的时间长度
顾客平均等待队长及平均排队等待时间的定义为
其中,为在时间区间上排队人数乘以该区间长度。
为第i个顾客排队等待时间。
仿真设计算法
(1)利用负指数分布与泊松过程的关系,产生符合泊松过程的顾客流。
(2)对每个排队系统,分别构建一个顾客到达队列和一个顾客等待队列。顾客到达后,首先进入到达队列的队尾排队,并检测是否有顾客等待以及是否有服务台空闲,如果无人等待并且有服务员空闲则进入服务状态,否则顾客将进入等待队列的队尾等待。
(3)产生符合负指数分布的随机变量作为每个顾客的服务时间。
(4)当服务员结束一次服务后,就取出等待队列中位于队头的顾客进入服务状态,如果等待队列为空则服务台空闲等待下一位顾客的到来。
(5)顾客结束A系统的服务后,立即进入B系统排队等待服务。
(6)由事件来触发仿真时钟的不断推进。每发生一次事件,记录下两次事件间隔的时间以及在该时间段内排队的人数。
(7)在排队网络达到稳态时,计算顾客平均系统时间以及平均队长。
仿真结果分析
(1)分析仿真数据,统计顾客的平均系统时间与平均队长,计算其方差,分析与理论计算结果的吻合程度,验证仿真程序的正确性。
(2)验证Kleinrock假设的合理性。——假设包长不变,即二次排队不独立,统计平均值与理论值的相近程度。
仿真结果分析
分析仿真数据,统计顾客的平均等待时间与顾客的平均等待队长,计算其方差,分析与理论计算结果的吻合程度,验证仿真程序的正确性。
实验要求
两人一组,利用MATLAB实现排队网络的仿真模拟。
统计给定和条件下系统的平均队长和平均系统时间,与理论结果进行比对。
统计单个系统的平均队长和平均系统时间随的变化曲线。
仿真模拟和理论仿真结果的对比
仿真设计算法(主要函数)
利
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