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《云南大学》 2011年
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多级门限服务轮询系统理论研究

丁洪伟  
【摘要】:轮询系统理论是排队论中多队列顾客共享服务资源的理论。早期的工业过程控制中的指令传输、计算机通信网络中的信道资源分配、公共交通的车辆调度等,无不采用高可靠性的轮询控制策略。相关学者将设备故障检测、工业过程控制、多址接入控制、资源分配调度等采用轮询系统模型进行表征,并利用概率论、排队论、随机过程理论等加以研究,使其成为实际应用分析和研究的一类重要模型。随着信息网络技术的快速发展,轮询系统有了更广泛的应用,轮询系统理论早已成为网络资源分配和MAC控制协议中重要的控制理论。在轮询技术不断发展的今天,轮询排队理论研究也获得更新的成果,这对通信网络系统、计算机系统、交通运输、物流系统和工业过程控制等产生了较大的技术推动作用。轮询系统分析的目标是要建立起与轮询控制机制相吻合的数学模型及其函数关系式,精确解析出系统平均排队队长、平均循环周期、吞吐量、平均等待时延等特性参数的表达式。在这些参数中,平均等待时延是分析特定轮询系统时最为关键的特性参数。 轮询系统模型由1个服务台(器)和N个排队队列(终端)组成,服务台依次轮询系统中的各队列,并为队列提供服务。模型中的排队顾客的到达过程、服务台提供服务的时间、服务台轮询转移时间都是随机过程,此数学模型表征出一个N维概率随机过程的复杂系统。基本轮询系统大致包括门限(Gated)服务型、完全(Exhaustive)服务型和限定(Limited- K)服务型三种类型。限定服务(K=1)轮询系统有较好的公平服务特性,但信息分组的等待时延较长。完全服务轮询系统中信息分组的等待时延最短,但服务的公平性较差。门限服务轮询系统的等待时延介于两者之间。在实际的通信网络MAC控制协议中,大部分采用多种轮询系统的混合控制系统。近年来,轮询模型已广泛用于多种系统的性能分析;在通信与计算机领域,它还专门作为诸如按需分配、多址接入控制等性能评价的准则。长达六十多年的轮询系统研究与探索实践表明:轮询系统模型是一种有效的分析工具,轮询系统理论是一种重要的资源分配和共享理论;轮询系统因其控制方式具有公平性、灵活性和实用性而得到了广泛的应用,使此项工作得以不断充实、完善和发展。 本学位文针对通信网络中信息分组业务的平衡性和突发性,提出了一种多级门限服务的轮询系统控制模型。该系统在服务的公平性和信息分组时延性方面都有较好的特性,同时也能较好处理突发性业务,为其提供优质的QoS服务。本学位论文在构建多级门限服务轮询系统的分析模型的基础上,获得系统的平均排队队长、平均轮询周期和信息分组的平均等待时延等性能指标的精确解析结果,并通过计算机仿真实验验证了理论分析的正确性。 轮询系统的应用由早期的设备故障检修逐渐拓展到交通运输调度、物流控制管理、通信网络、计算机网络、无线传感器网络、Ad Hoc网络以及社会资源配置等领域,并产生了积极有效的技术推动作用。迄今为止,对轮询系统理论的研究还在深入持续地开展和进行,一些新的系统模型不断出现,一些新的解析方法不断更新,一些新的应用领域不断拓展。进入二十一世纪以来,无线通信网络中的移动性、自组织性、高效性、节能性成为研究的热点。在上述研究工作中,先进的、性能优越的多业务MAC控制协议成为学科研究工作中的重要课题。 本学位论文由六章组成,各章具体内容如下: 第一章为绪论,主要介绍了轮询系统的概念、轮询系统的演进过程、轮询系统研究现状以及论文研究的背景情况。 第二章详细地介绍了轮询系统中完全服务、门限服务和限定服务三种服务策略,并采用嵌入式马尔可夫链和多维概率母函数分析方法对三种轮询系统的性能进行了分析比较。 第三章主要介绍了离散时间多级门限服务的轮询系统模型,并采用嵌入式马尔可夫链、概率母函数以及系统状态方程求解方法对该模型进行了精确解析;获得了系统的平均循环周期、平均排队队长、信息分组的平均等待时延的精确解析结果。在运行环境和初始参数相同的情况下建立仿真实验平台,用仿真实验结果与理论分析结果一致,说明了理论分析的正确性;将多级门限服务的轮询系统模型与普通门限服务轮询系统及完全服务轮询系统进行比较分析。 第四章主要介绍了连续时间多级门限服务的轮询系统模型,采用嵌入Markov链理论对此轮询系统进行了分析,获得了轮询时刻系统队长的概率母函数,和信息分组等待时延变量的LST式,获得了系统的平均循环周期、平均排队队长、信息分组的平均等待时延的精确解析结果。在运行环境和初始参数相同的情况下进行计算仿真实验,计算机仿真实验结果说明了理论分析的正确性。 第五章在介绍无线计算机网络(WBAN、WPAN、WLAN、WMAN、WWAN以及Ad Hoc)发展情况基础上,介绍了IEEE 802.11 PCF控制协议进行分析,把离散时间多级门限服务的轮询系统模型用于IEEE 802.11 PCF轮询调度机制,使其MAC控制协议的性能得到改进。介绍了无线传感器网络发展历史和其体系结构,介绍了WSN中PCF控制协议,对WSN中的MAC控制协议进行分析,把连续时间多级门限服务的轮询系统模型用于WSN分簇轮询控制,使得其MAC控制协议的性能得到改进。对Ad Hoc网络的起源和定义做了介绍,介绍了Ad Hoc网络中PCF控制协议,对Ad Hoc网络中的MAC控制协议进行分析,把离散时间多级门限服务的轮询系统模型用于Ad Hoc网络分簇轮询控制,得到了改进的MAC控制协议的性能指标。 第六章对全文进行总结,包括本学位论文的主要研究成果和存在的问题做出了说明,今后的发展方向和今后课题的研究工作做了展望。
【学位授予单位】:云南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN915.0;O226

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