RETI DI TELECOMUNICAZIONE Modelli delle Sorgenti di Traffico Generalità ¾ Per la realizzazione di un modello analitico di un sistema di telecomunicazione dobbiamo tenere in considerazione 3 distinte sezioni 1. Sorgenti 2. Aggregato delle sorgenti 3. Sottosistema di comunicazione Modelli delle Sorgenti di Traffico 2 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 1 Modelli delle sorgenti di traffico ¾ Modelli senza memoria (renewal models) 9 Sono i modelli matematicamente più semplici 9 Assumono che il tempo che intercorre fra la generazione di due successive unità informative sia indipendente e identicamente distribuito (tempi di interarrivo indipendenti e identicamente distribuiti) 9 La distribuzione può essere di tipo generale 9 La funzione di autocorrelazione risulta non nulla solo in 0 Non si ha correlazione Le sorgenti che emettono segnali in maniera correlata non possono essere modellate correttamente in quanto tali modelli non possono catturare le correlazioni temporali 9 Distribuzione binomiale Nel caso di modelli tempo discreto 9 Distribuzione poissoniana Nel caso di modelli tempo continuo Modelli delle Sorgenti di Traffico 3 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Modelli delle sorgenti di traffico ¾ Distribuzione binomiale 9 Tempo discreto 9 Probabilità di emissione in uno slot pari a p, 0<p<1 9 Distribuzione geometrica del numero di slot fra due successive emissioni 9 Distribuzione binomiale negativa del numero di slot necessari per ottenere l’emissione di k elementi 9 Distribuzione binomiale della probabilità di avere x emissioni in un numero di slot pari a n Modelli delle Sorgenti di Traffico 4 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 2 Modelli delle sorgenti di traffico ¾ Distribuzione di Poisson 9 Tempo continuo 9 Frequenza delle emissioni pari a λ 9 Distribuzione esponenziale del tempo che intercorre fra due successive emissioni 9 Distribuzione Erlang-k del tempo necessario per ottenere l’emissione di k elementi 9 Distribuzione di Poisson della probabilità di avere x emissioni in un intervallo di tempo pari a t Modelli delle Sorgenti di Traffico 5 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Modelli delle sorgenti di traffico ¾ Teorema di Palm 9 Il risultato della sovrapposizione di “molti” processi indipendenti genera un processo con distribuzione di probabilità degli eventi di Poisson ¾ I processi di Poisson (o binomiali, nel caso tempo discreto) caratterizzano bene solo la sovrapposizione di un grande numero di sorgenti indipendenti ciascuna con una distribuzione generale di probabilità di emissione 9 In realtà è stato recentemente dimostrato che anche l’aggregato di diversi stream di traffico non genera processi di Poisson ¾ Soluzione: 9 Introdurre il concetto di stato della sorgente per tenere in considerazioni le diverse condizioni nelle quali può trovarsi 9 Utilizzare dei processi ausiliari (come le catene di Markov) che controllino (modulino) lo stato della sorgente Modelli delle Sorgenti di Traffico 6 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 3 Interrupted Poisson Process IPP ¾ Modello tempo continuo 9 Il processo di emissione di Poisson è modulato da una catena di Markov continua a due stati Se la catena di Markov si trova nello stato 1 (ON) si ha emissione con rate λ Se la catena di Markov si trova nello stato 0 (OFF) non si ha emissione 9 In pratica il processo di emissione di Poisson è interrotto quando la catena di Markov del processo modulante ( s(t) ) si trova nello stato OFF Modelli delle Sorgenti di Traffico 7 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Poisson Process IPP ¾ Il processo s(t) può essere caratterizzato dalla matrice di transizione ¾ Il rate di emissione, a seconda dello stato, può essere caratterizzato dal vettore ¾ Possiamo ricavare le probabilità di stato stazionarie per la catena di Markov Modelli delle Sorgenti di Traffico 8 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 4 Interrupted Poisson Process IPP ¾ Che si ottengono risolvendo il sistema di equazioni 9 Dove è il vettore riga delle probabilità di stato e ¾ Si trova Modelli delle Sorgenti di Traffico 9 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Poisson Process IPP ¾ Il valore massimo del rate sarà ¾ Il valore medio ¾ Si definisce fattore di burstiness Modelli delle Sorgenti di Traffico 10 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 5 Interrupted Poisson Process IPP ¾ La funzione di autocorrelazione assume la forma 9 Notando che la relazione può essere semplificata nella forma dove, nell’ultima espressione si è tenuta in considerazione la regola di Bayes Modelli delle Sorgenti di Traffico 11 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Poisson Process IPP ¾ Considerando 9 la matrice di transizione della catena di Markov tempo continua H fra gli istanti t e t+τ 9 il vettore di probabilità di stato stazionario Π ¾ sarà dove P11 è l’elemento, della matrice di transizione tempo continua, che indica la probabilità di trovarsi nello stato 1 sia all’istante t che all’istante t+τ Modelli delle Sorgenti di Traffico 12 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 6 Interrupted Poisson Process IPP ¾ La funzione di autocorrelazione assume quindi la forma ed essendo il sistema stazionario possiamo considerare solo gli intervalli di tempo τ piuttosto che gli istanti assoluti t e t+τ ¾ Dalla teoria sulle catene di Markov tempo continue (gruppo slide n. 7) avevamo ricavato che la matrice di transizione H è legata alla matrice delle frequenze di transizione Q dalla relazione essendo la matrice delle frequenze di transizione Q(t)=Q costante Modelli delle Sorgenti di Traffico 13 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Poisson Process IPP ¾ Per ricavare gli elementi della matrice H (calcolare la matrice esponenziale) ricorriamo alla decomposizione spettrale 9 Dove L e T sono rispettivamente la matrice degli autovalori e degli autovettori della matrice Q: Q=T-1·L·T Modelli delle Sorgenti di Traffico 14 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 7 Interrupted Poisson Process IPP ¾ Si ricava e quindi Modelli delle Sorgenti di Traffico 15 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Poisson Process IPP ¾ In definitiva la funzione di autocorrelazione assume la forma 9 Costituita da una costante sommata a un esponenziale decrescente il cui andamento è riportato in figura per i valori di α=0.5, β=2, λ=1 Modelli delle Sorgenti di Traffico 16 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 8 Interrupted Poisson Process IPP ¾ Agendo sui valori della matrice Q ( costanti α e β ) e sul vettore Γ =[γ0, γ1] dei rate di emissione possiamo ottenere i valori desiderati delle statistiche del primo ordine 9 Vettore delle probabilità di stato stazionarie Π e quindi Valore di picco del rate PΛ Valore medio del rate MΛ Fattore di burstiness bΛ e impostare “parzialmente” la statistica del secondo ordine 9 Agendo sull’andamento della funzione di autocorrelazione RΛΛ(τ) del rate di emissione che assume la forma data nella slide precedente Modelli delle Sorgenti di Traffico 17 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Markov Modulated Poisson Process MMPP ¾ Per ottenere l’andamento desiderato della funzione di autocorrelazione occorre avere più gradi di libertà per la scelta dei parametri ¾ Si possono utilizzare delle catene di Markov a N stati per modulare il processo di Poisson associando ad ogni stato un diverso rate di emissione γi ¾ Possiamo generalizzare i modelli IPP considerando: 9 Una matrice delle frequenze di transizione Q NxN 9 Un vettore che caratterizza il rate di emissione per ogni stato Γ 1xN Modelli delle Sorgenti di Traffico 18 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 9 Markov Modulated Poisson Process MMPP ¾ La matrice delle frequenze di transizione Q assumerà la forma ¾ Il vettore dei rate di emissione Γ Modelli delle Sorgenti di Traffico 19 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Markov Modulated Poisson Process MMPP ¾ Si possono ricavare le probabilità di stato a regime ¾ E definire il rate di emissione massimo, il rate di emissione medio e il fattore di burstiness Modelli delle Sorgenti di Traffico 20 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 10 Markov Modulated Poisson Process MMPP ¾ La funzione di autocorrelazione assumerà la forma considerando il sistema stazionario sarà Modelli delle Sorgenti di Traffico 21 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Markov Modulated Poisson Process MMPP ¾ Gli elementi Pij possono essere ricavati determinando la matrice H delle probabilità di transizione calcolabile a partire dalla matrice delle frequenze di transizione Q (dopo la decomposizione spettrale) Modelli delle Sorgenti di Traffico 22 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 11 Markov Modulated Poisson Process MMPP ¾ Analogamente al modello IPP, la funzione di autocorrelazione assumerà la forma dove 9 λi sono gli autovalori della matrice di transizione Q 9 Ri sono funzione degli elementi qij della matrice Q ¾ Sarà possibile in questo modo variare con più gradi di libertà l’andamento della funzione di autocorrelazione Modelli delle Sorgenti di Traffico 23 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Descrizione tempo-discreta delle sorgenti di traffico ¾ Il tempo si considera suddiviso in unità di lunghezza costante detti “slot” 9 Si assuma ∆ la durata di uno slot espressa in secondi 9 L’unità temporale può essere assunta pari al numero k di sequenza dello slot 9 All’interno di uno slot si può avere l’emissione di un certo numero Ak di unità informative (che potrebbero degenerare ai singoli bit) Modelli delle Sorgenti di Traffico 24 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 12 Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Modello tempo discreto 9 Il processo di emissione di Bernoulli è modulato da una catena di Markov discreta a due stati (sincronizzata con il processo) Durante la permanenza della catena di Markov nello stato 1 (ON) si ha emissione di pacchetti secondo un proceso di Bernoulli con parametro p Durante la permanenza della catena di Markov nello stato 0 (OFF) non si ha emissione di pacchetti In pratica il processo di emissione di Bernoulli è interrotto quando la catena di Markov discreta del processo modulante ( s(n) ) si trova nello stato OFF Modelli delle Sorgenti di Traffico 25 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Il processo s(n) può essere caratterizzato dalla matrice di transizione ad un passo della catena di Markov discreta ¾ Si possono ricavare le probabilità di stato a regime risolvendo il sistema di equazioni dove Modelli delle Sorgenti di Traffico 26 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 13 Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Risolvendo il sistema si trova ¾ Il processo di emissione per ogni stato può essere rappresentato dal vettore Dove il generico termine γi indica la probabilità che venga emesso un pacchetto quando il sistema si trova nello stato i Modelli delle Sorgenti di Traffico 27 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Il valore massimo del rate sarà ¾ Il valore medio ¾ Il fattore di burstiness Modelli delle Sorgenti di Traffico 28 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 14 Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Possiamo determinare anche la funzione distribuzione di probabilità del processo di emissione dei pacchetti ¾ E la funzione di autocorrelazione Modelli delle Sorgenti di Traffico 29 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Notando che sarà ¾ Ricordandosi che che si possono ottenere dal vettore di probabilità di stato e dalla matrice di transizione di probabilità a più passi ¾ Possiamo scrivere l’autocorrelazione come Modelli delle Sorgenti di Traffico 30 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 15 Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Per un sistema stazionario sarà e la matrice di transizione di probabilità a più passi può essere calcolata a partire dalla matrice di transizione di probabilità ad un passo secondo la relazione ¾ Che effettuando la decomposizione ai valori singolari può essere calcolata come Modelli delle Sorgenti di Traffico 31 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Dove L è la matrice contenente gli autovalori nella diagonale e T è la matrice degli autovettori ¾ Si trova Modelli delle Sorgenti di Traffico 32 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 16 Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ E risolvendo ¾ Per cui l’autocorrelazione assume la forma Costituita da una costante sommata a una potenza con base minore si 1 il cui andamento è riportato in figura per i valori di α=0.002, β=0.075, p=1 Modelli delle Sorgenti di Traffico 33 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Interrupted Bernoulli Process IBP ¾ Agendo sui valori della matrice Q ( costanti α e β ) e sul vettore Γ =[γ0, γ1] delle probabilità di emissione dei pacchetti possiamo ottenere i valori desiderati delle statistiche del primo ordine 9 Vettore delle probabilità di stato stazionarie Π e quindi Valore medio del rate MΛ Fattore di burstiness bΛ impostare “parzialmente” la funzione distribuzione di probabilità fΓ (r) e impostare “parzialmente” la statistica del secondo ordine 9 Agendo sull’andamento della funzione di autocorrelazione RΛΛ(m) delle probabilità di emissione dei pacchetti che assume la forma data nella slide precedente Modelli delle Sorgenti di Traffico 34 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 17 Markov Modulated Bernoulli Process MMBP ¾ Analogamente a quanto fatto per il passaggio dagli IPP ai MMPP si possono descrivere i MMBP a partire dagli IBP 9 Si avrà una matrice delle probabilità di transizione P NxN 9 Un vettore delle probabilità di emissione 1xN Modelli delle Sorgenti di Traffico 35 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Markov Modulated Bernoulli Process MMBP ¾ Dalle quali si possono ricavare le probabilità di stato a regime e quindi il rate di emissione medio, il fattore di burtstiness e la funzione distribuzione di probabilità Modelli delle Sorgenti di Traffico 36 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 18 Markov Modulated Bernoulli Process MMBP ¾ La funzione di autocorrelazione assumerà la forma se il sistema è stazionario sarà Modelli delle Sorgenti di Traffico 37 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Markov Modulated Bernoulli Process MMBP ¾ Dove i termini Pij(m) sono gli elementi in posizione ij della matrice di transizione di probabilità ad m passi Effettuando la decomposizione spettrale con L matrice diagonale degli autovalori e T matrice degli autovettori Modelli delle Sorgenti di Traffico 38 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 19 Markov Modulated Bernoulli Process MMBP ¾ La funzione di autocorrelazione potrà essere scritta come dove i coefficienti λi sono gli autovalori della matrice P e i termini Ri si ottengono a partire dai coefficienti della matrice P ¾ Con un certo grado di libertà si può quindi imporre l’andamento della funzione di autocorrelazione ¾ Modelli più complessi possono essere ottenuti utilizzando delle distribuzioni di probabilità diverse per ogni stato 9 Switched Batch Bernoulli Process (SBBP) In ogni stato si prevede una certa distribuzione di probabilità che prevede l’emissione di 0,1,…,ni pacchetti Modelli delle Sorgenti di Traffico 39 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Sovrapposizione Markoviana ¾ In alcuni casi può essere conveniente costruire il modello dell’aggregato di un certo numero di sorgenti ¾ Consideriamo ad esempio la sovrapposizione di due sorgenti di tipo IBP (che indichiamo rispettivamente con i pedici A e B) 9 Il processo cumulativo sarà costituito da 4 stati, ciascuno dei quali rappresenta una delle possibili combinazioni nelle quali si possono trovare i due processi indipendenti Modelli delle Sorgenti di Traffico 40 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 20 Sovrapposizione Markoviana ¾ Calcolo della matrice P del modello sovrapposto La matrice P è quindi data dal prodotto di Kronecker delle due matrici PA e PB ¾ Questo è un risultato generale che vale per la sovrapposizione di qualunque numero di sorgenti MMBP ¾ La probabilità di emissione per ogni stato sarà Modelli delle Sorgenti di Traffico 41 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Sovrapposizione Markoviana ¾ Costruite le matrici A(r) in maniera tale che Modelli delle Sorgenti di Traffico 42 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 21 Sovrapposizione Markoviana ¾ Saranno le matrici che rappresentano le probabilità di transitare da uno stato all’altro e contemporaneamente emettere r pacchetti ¾ Per sorgenti statisticamente indipendenti sarà Modelli delle Sorgenti di Traffico 43 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Sovrapposizione Markoviana ¾ Il processo aggregato è quindi un processo SBBP in quanto per ogni stato è definita una distribuzione delle probabilità di emettere 0, 1 o 2 pacchetti ¾ Anche considerando la sovrapposizione di due sorgenti di tipo IPP (che indichiamo rispettivamente con i pedici A e B) 9 Il processo cumulativo sarà costituito da 4 stati, ciascuno dei quali rappresenta una delle possibili combinazioni nelle quali si possono trovare i due processi indipendenti 9 In questo caso però non si ammette una transizione contemporanea con doppio cambiamento di stato perché si fa l’ipotesi che due differenti eventi non possano avvenire contemporaneamente (per i processi continui questa probabilità è nulla) Modelli delle Sorgenti di Traffico 44 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 22 Sovrapposizione Markoviana ¾ Si ha quindi il modello sovrapposto Modelli delle Sorgenti di Traffico 45 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Sovrapposizione Markoviana ¾ Calcolo della matrice P del modello sovrapposto La matrice Q è quindi data dalla somma di Kronecker delle due matrici QA e QB ¾ Questo è un risultato generale che vale per la sovrapposizione di qualunque numero di sorgenti MMPP ¾ Il rate di emissione per ogni stato sarà Modelli delle Sorgenti di Traffico 46 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 23 Sovrapposizione Markoviana ¾ Con la sovrapposizione Markoviana nel dominio tempo discreto 9 Lo spazio degli stati si ottiene come prodotto cartesiano dei singoli spazi degli stati che compongono il processo 9 La matrice di transizione di probabilità si ottiene come prodotto di Kronecker delle matrici di transizione di probabilità che compongono il processo ¾ Con la sovrapposizione Markoviana nel dominio tempo continuo 9 Lo spazio degli stati si ottiene come prodotto cartesiano dei singoli spazi degli stati che compongono il processo 9 La matrice dei tassi di transizione si ottiene come somma di Kronecker delle matrici di tasso di transizione che compongono il processo Modelli delle Sorgenti di Traffico 47 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) Sovrapposizione Markoviana ¾ I modelli ottenuti con sovrapposizione Markoviana risultano molto accurati ¾ L’inconveniente maggiore è dovuto alla crescita esponenziale del numero degli stati 9 Sovrapponendo, ad esempio, 10 sorgenti SBBP ciascuna con 4 stati si ottiene un processo aggregato con 410=1.048.576 stati ¾ Una possibile soluzione è quella di creare un modello che cerca di catturare direttamente le caratteristiche statistiche del processo aggregato (sovrapposizione statistica) Modelli delle Sorgenti di Traffico 48 Corso "Reti di Telecomunicazione" - CdL Magistrale in Ingegneria Informatica - (Ing. Salvatore Serrano) 24