现代交换理论.ppt

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1、,交换理论基础,1.基本要求（1）熟练掌握几种典型的概率分布、生灭过程理论及其应用。（2）掌握通信业务量、服务质量和话务负荷能力的概念、定 义、计算。（3）掌握服务器利用度的概念、占用概率分布、呼损的计算。（4）掌握等待制交换系统的基本理论。2.重点、难点 重点：生灭过程在交换理论中的应用，呼损与利用率，等待 制交换系统的基本理论。难点：占用概率分布，呼损、服务质量和服务设备容量三者 之间的关系。3.说明 交换理论基础部分概念和公式较多，力求理解公式推导过程，掌握重要结论。,2,关于“交换理论”,交换理论是随着电话交换技术的应用和发展而产生的一门学科。它的任务是研究电话负载、电话交换系统结构和

2、服务质量之间的数量关系,提供最优系统设计理论和方法。交换理论的研究对象不仅限于电话交换系统，其原理和方法还应用于其他各类信息交换系统。,3,通信网络与交换机是典型的服务系统。它们利用所拥有的资源（信道带宽资源、计算资源、存储资源等）或设备为用户提供服务，并满足特定的服务质量要求。因为用户的服务需求是随机发生的，每次服务占用资源的时间也是随机的，所以这是一种随机服务系统，需要借助于概率论及随机过程的理论。,交换理论研究方法,4,对于电路交换系统而言，它们的服务对象是用户的呼叫。根据其交换机制，在电路连接建立以后交换时延可以忽略不计。但呼叫到达时刻和持续时间的随机性导致交换服务设备忙闲状态的不确定

3、性，当服务设备处于全忙状态时，新到达的呼叫就不能得到服务。所以其主要的QoS指标是呼叫的损失率，简称呼损率。对于分组交换系统而言，它们的服务对象是分组，它的交换机制是存储转发。所以分组交换系统的主要QoS指标是分组的转发时延和丢失率。,5,交换理论研究方法(续),2.1 概率论与随机过程,二项分布：交换系统中的各种服务设备，如各级交换单元的输入输出链路、交换机的中继线等，这些设备的占用情况往往可以用二项分布来分析。,泊松分布：在实际问题中，有许多随机变量服从泊松分布。例如，一段时间内电话局收到的呼叫次数，某路口通过的车辆数等，都可用泊松分布来描述。,概率论与随机过程是研究随机现象的数学工具，内

4、容十分丰富，本节主要介绍与交换理论密切相关的内容，包括：,6,指数分布：在交换理论中，有两种很重要的随机变量服从指数分布，这就是两个相邻呼叫的间隔时间和电话呼叫的占用时长。,随机过程：随机过程理论的内容极为广泛，与交换理论密切相关的是马尔可夫过程，尤其是马尔可夫过程的特殊情况，即泊松过程和增消过程（生灭过程）。,7,2.2 通信业务量,通信业务量是衡量交换系统在一定时间内提供的服务数量的指标，是学习交换理论首先必须掌握的一个重要概念，也是交换理论研究的对象之一。业务量又称为业务负载。在一个交换系统中，我们把请求服务的用户称为业务源（负载源），而把为业务源提供服务的设备（如接续网络中的内部链路、

5、中继线、信令处理器等）称为服务器。,8,2.2.1 话务量的概念,电话通信的业务源，简称话源；电话通信的业务量，通常称为话务量。,我们来分析决定话务量大小的因素。首先，话务量与所考察的时间有关，显然考察时间越长，这段时间里发生的呼叫就越多，因而话务量就越大。其次，影响话务量大小的是呼叫强度，也就是单位时间里发生的平均呼叫数，呼叫强度越大，话务量就越大。再者，每个呼叫占用设备的时长也是影响话务量大小的一个因素。在相同的考察时间和呼叫强度情况下，每个呼叫的占用时间越长，话务量就越大。,9,如果用Y表示话务量，用T表示计算话务量的时间范围，用表示呼叫强度，用S表示呼叫的平均占用时长，则话务量可表示为

6、：,影响话务量的第一因素是时间，话务量计算中的各个参数都与时间有关。Y的单位取决于S的单位，当S用不同的时间单位时，同一话务量，其数值是不同的。如果S以小时为时间单位，则话务量的单位叫作“小时呼”，常用符号“TC”表示。如果S以分钟为时间单位，则话务量的单位叫作“分钟呼”。也有用“百秒”作时间单位，这时话务量的单位叫作“百秒呼”，常用符号“CCS”表示。,话务量的定义,10,对于大量随机发生的呼叫，有些呼叫可能遇到电话局忙。对于这类呼叫，不同的交换系统有不同的处理方法。一种系统是让遇忙呼叫等待，一旦有了空闲的服务设备，呼叫就继续进行下去，这样的系统叫作待接制系统或等待制系统。另一种系统，它对不

7、能立刻得到服务的呼叫的处理方法是给用户送“忙音”。用户听到忙音后，必须放弃这次呼叫，然后再重新呼叫。这种系统叫做明显损失制系统。对于等待制系统来说，如果等待时间不限，那么流入系统的话务量都能被处理，只是有一些呼叫要等待一段时间才能得到接续。对于明显损失制系统来说，流入系统的话务量有一部分被处理了，另外一部分则被“损失”掉了。,等待制与明显损失制,11,我们把单位时间的话务量叫做话务量强度或负载强度。习惯上常把“强度”两个字省略。这样，当人们谈及话务量都是指话务量强度。当所谈及的话务量不是单位时间内的话务量时，应特别指明计算时间，如T小时的话务量等。,话务量强度,12,一般地说，电话局的话务量强

8、度经常处于变化之中。话务量强度的这种变化叫做话务量的波动性，它是多方面因素影响的综合结果。用概率论的语言说，话务量的波动是一个随机过程。经过对话务量波动的长期观察和研究，发现话务量的波动存在着周期性。具有重要意义的是一昼夜内各小时的波动情况，为了在一天中的任何时候都能给用户提供一定的服务质量，电话局服务设备数量的计算应根据一天中出现的最大话务量强度进行。我们把一天中出现最大平均话务量强度的60分钟的连续时间区间称为最繁忙小时，简称“忙时”。,话务量的特性,13,我们把流入系统的话务量叫做流入话务量或流入负载。完成了接续的那部分话务量叫做完成话务量或完成负载。流入话务量与完成话务量之差，就是损失

9、话务量或损失负载。,流入话务量和完成话务量,14,定义 流入话务量强度等于在一次呼叫的平均占用时长内业务源发生的平均呼叫数。令A表示流入话务量强度，表示单位时间内发生的平均呼叫数，S表示呼叫的平均占用时长，则根据流入话务量强度的定义为,当和S使用相同的时间单位时，流入话务量强度A无量纲。为了纪念话务理论的创始人，丹麦数学家AKErlang，将话务量强度的单位定名为“爱尔兰”，并用“e”或“E”表示。,流入话务量强度的定义,15,性质1 A 或a分别为N条入线或单条入线在呼 叫平均占用时长内流入的呼叫数，A N a。性质2 a 是单条入线被占用的概率（占用时 间百分数）。性质3 A是N条入线中同

10、时被占用的平均数。,流入话务量强度的性质,16,定义 服务设备的完成话务量强度等于这组设备在一次呼叫的平均占用时长内完成服务的平均呼叫数。令Ac表示m个服务器的完成话务量强度，S表示呼叫的平均占用时长，c 为单位时间内完成服务的呼叫数，则有：,完成话务量强度的单位也用“爱尔兰”。设单个服务器的完成话务量强度用 ac表示，则 m 个服务器完成的总话务量强度Ac=mac。,完成话务量强度的定义,17,性质1 Ac 或 ac分别为m个服务器或单个 服务器在呼叫平均占用时长内完 成服务的平均呼叫数，Ac=mac。性质2 ac 是单个服务器的占用概率，即 利用率。性质3 Ac 是 m 个服务器中同时被占

11、用的 平均数。,完成话务量强度的性质,18,从定义可以看出，流入话务量强度A与完成话务量强度Ac有着完全相同的形式和量纲，其差别在于和c，一个是单位时间内发生的平均呼叫数，一个是单位时间内完成服务的平均呼叫数。在发生的全部呼叫中，有一小部分会因为设有找到空闲的服务设备而被损失掉，所以，在明显损失制系统中，与c 之差，正是损失掉的那部分呼叫。如果一个系统的损失非常小，则 c，在这种情况下，完成话务量强度近似等于流入话务量强度，在工程计算中可以不加区分，笼统地使用“话务量”这个概念。,流入话务量和完成话务量比较,19,例 假设在 100 条线的中继线群上，平均每小时发生2100次占用，平均占用时长

12、为 1/30小时。求这群中继线上的完成话务量强度；并根据完成话务量强度的性质说明其意义。解：根据题意 c=2100呼叫/小时 S=1/30小时/呼叫 Ac=cS=21001/30=70e 根据完成话务量强度性质1，70e可理解为在平均占用时长1/30小时内，平均有70次占用发生；根据性质2，单条中继线的占用概率(利用率)为0.7；根据性质3，70e意味着在100条中继线中，同时处于工作状态的平均有70条，空闲着的平均有30条。,20,完成话务量强度举例,2.2.2 数据业务量,数据通信如果采用分组交换方式，交换系统采用等待制服务，分组丢失率可以忽略，那么流入和流出的业务量强度将相等，业务量强度

13、为：,式中代表业务量强度；为数据分组的到达(速)率，即单位时间内到达的平均分组数；S=1/是分组的平均服务时间，称为服务(速)率。业务量强度也具有话务量强度的那些性质，其中最重要的是单服务设备的业务量强度等于它被占用的概率，即处于“忙”状态的概率。,21,2.2.3 交换系统的服务质量 和话务负荷能力,服务质量是说明交换系统给呼叫提供服务的可能性或者呼叫发生等待的可能性及等待时间等指标。实际的交换系统都是有损失的系统。有损失的系统又分为明显损失制系统和等待制系统。1.明显损失制系统的服务质量指标,一、服务质量,按呼叫计算的呼损 B 在时间(t1,t2)内损失的呼叫数CL(t1,t2)与在同一时

14、间内发生的呼叫总数C(t1,t2)的比，称为(t1,t2)时间内按呼叫计算的呼损，即,在时间(t1,t2)内损失的话务量YL(t1,t2)与在同一时间内流入的话务量Y(t1,t2)的比，称为(t1,t2)时间内按负载计算的呼损，即：,在时间(t1,t2)内所有服务设备全部阻塞的时间TB(t1,t2)与所考察的时间段(t1,t2)长度的比，称为按时间计算的呼损，即所有服务器全忙的概率：,23,明显损失制系统的服务质量指标,按负载计算的呼损 H,按时间计算的呼损 E,以上所定义的呼损指标B、H、E取值在01之间，而且它们的数值很接近。所以我们统一用呼损概率P代表B、H、E。系统所能达到的呼损概率常

15、称为服务等级。简记为GoS(Grade of Service)，服务等级取决于系统的话务量和服务器数量。,2.等待制系统的服务质量指标 为了定量地说明等待制系统的服务质量或服务等级，常采用以下指标：呼叫发生等待的概率、呼叫等待时间大于任意给定值的概率、平均等待时间等。（这里对等待制系统暂不作进一步讨论。）,24,所谓交换系统的话务负荷能力，指的是在给定服务质量指标的条件下，系统所能承担的话务量强度。话务负荷能力实质上代表了交换系统的效率。影响系统话务负荷能力的因素很多，如呼损率指标、服务设备容量、系统结构、服务方式、呼叫流的性质等。在一定的服务质量指标条件下，交换系统的话务负荷能力，常用完成话

16、务量强度Ac与服务设备容量m的比来表示。,二、话务负荷能力,是每个服务器承担的平均话务量强度，表示了服务器（如中继线）的利用率，。当然也表示服务设备被占用的概率或被占用的时间比例。,25,2.3 明显损失制交换系统的基本理论,2.3.1 呼损指标的分配 呼损是交换系统服务质量的重要指标，这个指标关系到用户对电话交换系统所提供服务的满意程度，也涉及到运营商投资的大小和经济效益。呼损标准由有关行政主管部门制定。从经济性和技术的合理性角度，我们来分析呼损的分配问题。一般情况下，一个端到端的接续路由要经过若干个选择级，在每个选择级上都有呼损。,26,首先来分析一个接续路由的总呼损概率PB和各选择级的呼

17、损概率pk之间的关系。要准确地计算PB是一件很复杂的事情，因为各选择级的占用存在着一定的依赖关系。如果假设各选择级的工作是完全独立的，则呼损PB可表示为：,27,呼损指标的分配,实际的交换系统中，呼损率pk一般都很小，大约在百分之零点几，忽略所有pk的乘积项，则,这样，总呼损可近似看作各选择级呼损之和，下面的问题就是怎样把总呼损分配到各选择级上去？1 平均分配（简单，但不合理）。2 根据各选择级的费用和在接续中的作用和影 响分配（复杂，但合理）。,28,呼损指标的分配,电话交换系统是一种典型的设备共享系统，所谓服务设备泛指各种在电话接续过程中，为用户提供服务的共享资源。在分析讨论中，服务设备具

18、体是哪种并不重要。用户是产生话务量的源泉，称为负载源或话源，负载源的真正含义要广泛得多，一般地说，凡是向本级设备送入话务量的前级设备，都是本级的负载源。,2.3.2 关于利用度的概念,服务(器)设备与负载源,29,如果接线网络能够把任何空闲的入线连接到任何空闲的出线，这叫做“全利用度”接线网络，这种情况下，每一个负载源能够使用所有服务器中的任何一个。当然也有“部分利用度”接线网络，其中任一负载源只能使用所有服务设备中的一部分设备。把负载源能够使用的服务器数称为“利用度”。显然，全利用度情况下的利用度等于服务器的数量。,全利用度和部分利用度,30,2.3.3 服务设备占用概率分布,问题的提出：1

19、）服务设备同时占用数的概率分布问题;2）呼损的计算问题;3）服务设备的利用率问题。,呼损是明显损失制系统的基本服务指标，利用率表明设备的经济效益，所以呼损和利用率是交换理论的中心课题。什么决定呼损和利用率？是系统内所进行着的随机过程。因此对全利用度明显损失制系统的研究必须从服务设备占用概率分布开始。,31,假设有一全利用度的随机服务系统，服务设备数量为m，它为N个负载源服务。,假设：1）系统按明显损失制方式工作；2）所研究的系统满足生灭过程条件，且满足 统计平衡条件。,32,服务设备占用概率分布,当系统处于统计平衡状态时，可由生灭过程状态 概率 一般解求得 服务设备的占用概率分布。显然，所研究

20、的系统具有有限个状态，在统计平衡条件下，系统处于状态 k 的概率为：,式中 k 和 k分别是系统处于状态 k 时的呼叫发生强度和呼叫结束强度。,33,服务设备占用概率分布,k和k的计算,k常采用以下两种计算方法：1）假设呼叫强度 k 与空闲的负载源数成正比，因为呼叫总是由空闲着的负载 源发 起的，所以这种假设是自然、合理的。如果在任 意时 刻 系统处于状态 k，N个负 载 源 中有k个处于忙状态，N-k个处于空闲状态，则呼叫强度k可以表示为：,为一个空闲负载源的呼叫强度。,k=(N-k),34,假设不管空闲着的负载源有多少，呼叫强度k始终是一个与系统状态无关的常数，即k=。,2）,实际计算中，

21、究竟采用哪一种方法计算k，取决于负载源数目N的大小。当负载源数很大（在理论上N）时，其中处于忙状态的负载源数在全部负载源数中只占一个很小的比例，呼叫强度基本上取决于总负载源数，这时就可以近似的认为呼叫强度k 是一个常数，即可以采用第二种方法计算k。如果负载源数N不是很大，因而不能忽略忙负载源数的影响时，就要用第一种方法计算k。,35,k和k的计算,k的计算方法,呼叫的占用时长近似服从指数分布，如果呼叫的平均占用时长为S，则在非常小的时间区间t内呼叫结束其占用的概率为1-e-t/S，并且与该呼叫已经占用了多少时间无关。由于t很小，呼叫结束占用的概率可以近似的表示为：,因此，在有一个占用情况下，呼

22、叫结束强度1=1/S=。当系统中有k个呼叫占用时，由于每个呼叫是独立的，并都以强度=1/S 结束自己的占用，则状态k下的呼叫结束强度应为,1-e-t/St/S+o(t)(指数函数展开，忽略高次项）,k=k=k/S,36,k和k的计算,根据负载源数N的大小及其与服务设备数量m的关系，下面分四种不同的情况来研究服务设备的占用概率分布。,占用概率分布,1.二项分布 研究负载源数 N 不大于服务设备数量 m（即Nm）的情况。根据前面对k和k计算方法的讨论，令：,式中S为呼叫的平均占用时长，为一个空闲负载源的平均呼叫强度。,37,由占用概率分布公式,其中=S，根据话务量强度的定义，是一个空闲负载源的流入

23、话务量强度。,（推导过程参看教材）,38,二项分布,将P0代入Pk，m个服务设备有k个占用的概率为,令 a=/(1+)，最后得,上式的占用概率分布显然是二项分布。式中a表示的是一个负载源处于忙状态的概率。根据话务量强度的性质，a就是每个负载源的话务量强度。式a=/(1+)给出了在Nm的条件下，一个负载源的话务量强度与一个空闲负载源的话务量强度之间的关系。已知a或，就可求得服务设备的占用概率分布。,39,二项分布,例 已知m6，N6，若每一话源忙的概率为a0.667，试求服务设备处于各种占用状态的概率。解 N=m6 服务设备占用服从二项分布。已知 a0.667，由公式,计算得：P0=0.001，

24、P1=0.016，P2=0.082 P3=0.219，P4=0.329，P5=0.264，P6=0.088且满足 P0+P1+P2+P3+P4+P5+P6=1,40,二项分布举例,研究负载源数N大于服务设备数量m(Nm)的情况。根据k和k的计算方法，令：k=(N-k)，k=k/S，k=0,1,2m 代入占用概率分布公式，得,m个设备有k个占用的概率分布为：,2.恩格塞特分布,上式所描述的概率分布称为恩格塞特分布。,41,在实际的工程计算中，一般不使用，而是用流入话务量强度 A 或负载源的话务量强度 a。由于A=Na，若呼损率为B，则服务设备的完成话务量强度 Ac=A(1-B)。根据完成话务量强

25、度的定义，Ac 等于平均同时占用数。因此，N-Ac 是平均空闲负载源数。于是每个空闲负载源的话务量强度为：,将的不同表达式代入恩格塞特分布公式，可得到采用不同参数计算Pk的公式形式。,（参考教材给出的结果）,42,恩格塞特分布,例 有6个接续用的机键，它们为7 个用户服务，设每个空闲用户每分钟平均发生 0.665 个呼叫，每次呼叫平均占用 2分钟，试计算6个机键的占用概率分布。解 N=7，m6，Nm 机键的占用服从恩格塞特分布。已知 0.665 呼叫/分钟，S=2 分钟/呼叫 所以=S 1.33 爱尔兰，由公式,计算得：P0=0.0027，P1=0.0255，P2=0.1016 P3=0.22

26、53，P4=0.2997，P5=0.2391，P6=0.1060,43,恩格塞特分布举例,m,k,C,C,P,m,i,i,i,N,k,k,N,k,L,2,1,0,0,=,=,=,b,b,研究负载源数为无穷大，服务设备数量有限(N，m有限或Nm)的情况，此时可认为呼叫强度不再与系统的状态有关，而是一个常数。根据k和k的计算方法，令：k=，k=k/S，k=0,1,2m 代入占用概率分布公式，得,3.爱尔兰分布,44,根据流入话务量强度的定义，S 就是系统的流入话务量强度。令AS，则m个服务设备中有k个被占用的概率为：,上式所示的概率分布称为 爱尔兰分布。由爱尔兰分布可以得到递推式 Pk=Pk-1(

27、A/k)。由此可见，在kPk-1；在kA区域内PkPk-1。当 k=A（如果A是整数）或 k=A(如果A不是整数)Pk值达到最大。,45,爱尔兰分布,例 设有6条中继线，其话源数很大，已知话源的呼叫强度是每分钟2个呼叫，每个呼叫平均占用2分钟。试求中继线群的占用概率分布。解 N=，m6（有限）中继线群的占用服从爱尔兰分布。已知 2 呼叫/分钟，S=2 分钟/呼叫 所以 A=S 4 爱尔兰，由公式,计算得：P0=0.0206，P1=0.0824，P2=0.1648 P3=0.2197，P4=0.2197，P5=0.1757，P6=0.1172,46,爱尔兰分布举例,m,k,i,A,k,A,P,m

28、,i,i,k,k,2,1,0,!,/,!,/,0,L,=,=,=,研究负载源数和服务设备数量都非常大（N，m）的情况。根据k和k的计算方法，令：k=，k=k/S，k=0,1,2 代入占用概率分布公式，得:,4.泊松分布,其中A=S为系统的流入话务量强度，上式所示的概率分布显然是泊松分布。,47,以上分析了服务设备的四种占用概率分布，每一种分布都有相应的前提条件，选择使用某一种分布时，必须注意分析负载源数量N与服务设备数量m之间的关系以及呼叫发生强度k和呼叫结束强度k的计算方法。,占用概率分布小结,48,2.3.4 呼损率与设备利用率,明显损失系统的服务质量是用呼损表示的，应用最广的是按呼叫计算

29、的呼损B和按时间计算的呼损E。,呼损的计算离不开服务设备的占用概率分布，只有正确的选择占用概率分布，才能得到准确的计算结果。下面分别讨论各种占用概率分布情况下B 和 E的计算，重点是爱尔兰分布。,49,二项分布 由于 Nm，所以 B=0；对于 Nm，也有 E=0；对于N=m，会出现全部服务设备占满情况，出现这种状态的概率就是呼损 E，所以有：E=Pm=am=aN(N=m)式中a是单个服务设备的话务量强度。泊松分布 由于 N=，m=，所以 B=0，E=0。,在实际的交换系统中，总是许多用户共用少量服务设备(Nm或Nm)，相应的占用概率分布是恩格塞特分布和爱尔兰分布，下面分别进行详细讨论。,50,

30、呼损率,占用概率服从爱尔兰分布情况下，按时间计算的呼损率E为：,式中A是系统的流入话务量强度，m 为服务设备数量。上式是著名的爱尔兰呼损公式，常用符号Em(A)表示。,1.爱尔兰呼损公式,Em(A)的意义：服务设备容量为m的全利用度系统，当流入话务量强度为A时，按爱尔兰呼损公式计算的呼损为Em(A)。,51,占用概率服从爱尔兰分布情况下，按呼叫计算的呼损率B为：,式中CL和C分别代表单位时间内损失的平均呼叫数和总平均呼叫数。可以看出：按呼叫计算的呼损B 等于按时间计算的呼损E，因而没必要区分它们，通常就简单的称为呼损，并用PB表示。即:,52,爱尔兰呼损公式,直接按爱尔兰呼损公式计算比较繁琐，

31、在工程上常用查表或近似计算公式。查表 把爱尔兰呼损公式计算值列成表，已知 E、m、A 三个量中的任意两个，通过查表，就可以得到爱尔兰呼损公式给出的第三个量的数值。表2.1 给出了E从0.001到 0.2，服务设备数量m从1到300时，系统所能承担的话务量值。例如 E10(3)0.001 E10(10)0.2 近似计算公式 当话务量值的范围为5eA50e时，利用下面近似计算公式得到的服务器数量m相当接近精确值(1)。m=5.5+1.17A E=0.01 m=7.8+1.28A E=0.001,爱尔兰呼损公式的计算问题,53,由爱尔兰呼损公式得到的流入话务量强度A，呼损E和服务设备数量m之间的关系

32、曲线如下图所示。,爱尔兰呼损公式分析,可以看出：1)当服务设备数量m一定时，话务量A越大，呼损E就越大。2)当呼损E一定时，话务量A越大，需要的服务设备数量m就越大。3)当呼损E一定，m大到一定程度时，A与m明显呈线性关系，即A/m接近于一个常数。,54,2.恩格塞特呼损公式,对于服从恩格塞特分布的全利用度系统，按时间计算的呼损率E为：,式中N为负载源数，m为服务设备数量，A为流入话务量强度，Ac为完成话务量强度。,对于服从恩格塞特分布的全利用度系统，按呼叫计算的呼损率B为：,式中Pk是按恩格塞特分布计算的有k个服务设备被占用的概率，是一个空闲话源的呼叫强度。,55,在恩格塞特分布条件下，无论

33、是按时间计算的呼损还是按呼叫计算的呼损，呼损公式的右侧仍含有呼损B，这使得呼损的计算更加复杂，一般也有计算好的表格，通过查表可以方便地得出呼损值。实际应用中如果呼损很小时，可以用 A 代替Ac，从而使计算得到简化。随着话源数 N 的增大，恩格塞特分布趋向于爱尔兰分布。通常在 N 大于 100 时，可以用爱尔兰分布代替恩格塞特分布进行计算。,56,恩格塞特呼损公式,3.服务设备利用率,每个服务设备所承担的平均完成话务量强度表明服务设备的利用率，即：,以爱尔兰分布为例，我们来研究服务设备数量m、话务量强度A、呼损率B与服务设备利用率之间的关系。当呼损一定时，可以得出与m和与A的关系曲线如下图所示。

34、,57,从曲线可以看出，在服务设备数量一定的条件下，呼损越大，服务设备利用率越高；在流入话务量强度一定的条件下，呼损越大，服务设备的利用率也越高。呼损大意味着服务质量低。因此，用提高呼损率从而降低服务质量的办法，可以提高设备的利用率。但交换系统的设计，必须兼顾服务质量与经济效益两个方面。从曲线还可以看出，在呼损一定的情况下，服务设备数量越多，或者流入话务量强度越大，服务设备的利用率就越高。因此，在交换系统的设计中，要尽可能组成大线群，以提高设备的利用率。但是，对于一定的呼损值，当设备数量或流入话务量强度大到一定程度后，利用率趋向于“饱和”。高利用率的系统也有不利的一面，即当系统发生过负荷现象时

35、，呼损的增长幅度非常大，会造成交换系统服务质量的严重下降。,关于利用率,58,2.4 等待制交换系统的基本理论,前面讲到电路交换有两种服务制式，明显损失制和等待制。对于程控交换，接续网络一般采用明显损失制，而信令处理一般采用等待制。至于分组交换一般都采用等待制。因此本节的内容将适合于采用等待制服务方式的电路交换和分组交换系统，所不同的是电路交换系统的服务对象是用户的呼叫，而分组交换系统的服务对象是数据分组。,2.4.1 等待制电路交换,假设：1)呼叫流是泊松流，呼叫强度为；2)每个呼叫的服务时间服从指数分布，平均服务时间S=1/；3)服务器的数目为 m，各个服务器的服务能力相同；4)在服务设备

36、全忙的条件下，到达的呼叫将排队等待，等待队列的长度无限；5)排队服务规则为先来先服务。,59,定义系统的状态为系统内逗留的呼叫数。现在来研究系统状态的概率分布。,在以上假设条件下，系统可用下图的M/M/m排队模型来描述。系统状态随时间的变化可视为生灭过程，其状态转移关系如下图所示。,60,等待制电路交换,生灭过程的参数确定如下：,将以上参数代入生灭过程状态概率一般解的表达式，可得到系统在统计平衡状态下的概率分布为:,式中 A=/是流入业务量强度。该式成立的条件是Am或m。由概率归一化条件 可得P0。,61,等待制电路交换,根据概率分布可得呼叫发生等待的概率为:,上式称为第二爱尔兰公式（爱尔兰C

37、公式）。而Em(A)称为第一爱尔兰公式（爱尔兰B公式）。可以证明，呼叫等待时间W大于 t 的概率为:,如果允许的等待时间为T，则等待制电路交换系统的呼损率为:,62,等待制电路交换,例1 设电话呼叫平均占用时长S=3分钟，允许的等待时间T3秒钟，流入话务量强度A=70e，服务设备中继线的数目（每条中继线的容量为一个话路）为90，试求呼损率E。解：由表2.1查得 Em(A)=E90(70)0.005 根据第二爱尔兰公式 Dm(A)=D90(70)0.022 所以 E=0.022e-1/3=0.0158例2 某电路交换系统使用2个信令处理器协同工作。设每次呼叫所需的平均信令处理时间为10ms，呼叫

38、强度为每秒100次，允许等待时间为100ms，试求呼损率E。解：根据题意=100/秒,S=0.01秒,m=2,T=0.1秒 流入业务量强度 A=S=1e 查表2.1可得 Em(A)=E2(1)=0.2 根据第二爱尔兰公式 Dm(A)=1/3 所以 E=1/3e-10 1.510-5,63,等待制电路交换举例,说明在信令处理系统中采用有限时间的等待制可以大大减小呼损率。,2.4.2 等待制分组交换,分组交换系统的服务对象是分组。只要明确分组交换系统中参数是分组的到达率，是每个服务器对分组的服务率，1/是每个服务器对分组的平均服务时间，则等待制电路交换中的公式同样适用于分组交换。为了便于分析分组交

39、换系统的性能，将式中的符号作如下变动，令:,这里是系统的业务量强度。为了满足统计平衡条件，必须使1。,64,r,m,l,r,m,A,m,A,m,=,=,=,/,),/(,将 A=m代入生灭过程状态概率一般解的表达式，可得到系统在统计平衡状态下的概率分布为:,其中,系统内排队等待的分组数Q的数学期望(平均排队队长)为:,65,等待制分组交换,现在考虑服务器数目m=1的情况。在这种情况下，描述系统特性的排队模型变成M/M/1，得到的系统状态概率为:,式中=/是系统的业务量强度。必须强调指出，这里所谓的系统状态，指的是系统内逗留的分组数 X，包括排队等待的和正在接受服务的那些分组。因此系统内逗留的平均分组数(又叫做平均系统队长)为:,M/M/1排队模型,66,应用Little公式，可得到分组在系统内逗留的平均时间（又叫做平均系统时延）为:,求得的平均排队队长和平均排队等待时间为:,67,M/M/1/K排队模型,对于等待时间受限的M/M/1系统，即M/M/1/K排队系统，相当于研究缓冲器容量有限的情况。针对这种情况的系统状态概率为:,在缓冲器容量有限的情况下，分组交换时延有确定的上界值，但会引起分组的丢失。分组丢失概率等于,68,