Lattice path counting and the theory of queues

In this paper we will show how recent advances in the combinatorics of lattice paths can be applied to solve interesting and nontrivial problems in the theory of queues. The problems we discuss range from classical ones like M^a/M^b/1 systems to open tandem systems with and without global blocking and to queueing models that are related to random walks in a quarter plane like the Flatto-Hahn model or systems with preemptive priorities. (author´s abstract)Series: Research Report Series / Department of Statistics and Mathematic

Decomposition of discrete-time open tandem queues with Poisson arrivals and general service times

In der Grobplanungsphase vernetzter Logistik- und Produktionssysteme ist man häufig daran interessiert, mit geringem Berechnungsaufwand eine zufriedenstellende Approximation der Leistungskennzahlen des Systems zu bestimmen. Hierbei bietet die Modellierung mittels zeitdiskreter Methoden gegenüber der zeitkontinuierlichen Modellierung den Vorteil, dass die gesamte Wahrscheinlichkeitsverteilung der Leistungskenngrößen berechnet werden kann. Da Produktions- und Logistiksysteme in der Regel so konzipiert sind, dass sie die Leistung nicht im Durchschnitt, sondern mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (z.B. 95%) zusichern, können zeitdiskrete Warteschlangenmodelle detailliertere Informationen über die Leistung des Systems (wie z.B. der Warte- oder Durchlaufzeit) liefern. Für die Analyse vernetzter zeitdiskreter Bediensysteme sind Dekompositionsmethoden häufig der einzig praktikable und recheneffiziente Ansatz, um stationäre Leistungsmaße in den einzelnen Bediensystemen zu berechnen. Hierbei wird das Netzwerk in die einzelnen Knoten zerlegt und diese getrennt voneinander analysiert. Der Ansatz basiert auf der Annahme, dass der Punktprozess des Abgangsstroms stromaufwärts liegender Stationen durch einen Erneuerungsprozess approximiert werden kann, und so eine unabhängige Analyse der Bediensysteme möglich ist. Die Annahme der Unabhängigkeit ermöglicht zwar eine effiziente Berechnung, führt jedoch zu teilweise starken Approximationsfehlern in den berechneten Leistungskenngrößen. Der Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit sind offene zeitdiskrete Tandem-Netzwerke mit Poisson-verteilten Ankünften am stromaufwärts liegenden Bediensystem und generell verteilten Bedienzeiten. Das Netzwerk besteht folglich aus einem stromaufwärts liegenden M/G/1-Bediensystem und einem stromabwärts liegenden G/G/1-System. Diese Arbeit verfolgt drei Ziele, (1) die Defizite des Dekompositionsansatzes aufzuzeigen und dessen Approximationsgüte mittels statistischer Schätzmethoden zu bestimmen, (2) die Autokorrelation des Abgangsprozesses des M/G/1-Systems zu modellieren um die Ursache des Approximationsfehlers erklären zu können und (3) einen Dekompositionsansatz zu entwickeln, der die Abhängigkeit des Abgangsstroms berücksichtigt und so beliebig genaue Annäherungen der Leistungskenngrößen ermöglicht. Im ersten Teil der Arbeit wird die Approximationsgüte des Dekompositionsverfahrens am stromabwärts liegenden G/G/1-Bediensystem mit Hilfe von Linearer Regression (Punktschätzung) und Quantilsregression (Intervallschätzung) bestimmt. Beide Schätzverfahren werden jeweils auf die relativen Fehler des Erwartungswerts und des 95%-Quantils der Wartezeit im Vergleich zu den simulierten Ergebnissen berechnet. Als signifikante Einflussfaktoren auf die Approximationsgüte werden die Auslastung des Systems und die Variabilität des Ankunftsstroms identifiziert. Der zweite Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Berechnung der Autokorrelation im Abgangsstroms des M/G/1-Bediensystems. Aufeinanderfolgende Zwischenabgangszeiten sind miteinander korreliert, da die Abgangszeit eines Kunden von dem Systemzustand abhängt, den der vorherige Kunde bei dessen Abgang zurückgelassen hat. Die Autokorrelation ist ursächlich für den Dekompositionsfehler, da die Ankunftszeiten am stromabwärts liegenden Bediensystem nicht unabhängig identisch verteilt sind. Im dritten Teil der Arbeit wird ein neuer Dekompositionsansatz vorgestellt, der die Abhängigkeit im Abgangsstroms des M/G/1-Systems mittels eines semi-Markov Prozesses modelliert. Um eine explosionsartige Zunahme des Zustandsraums zu verhindern, wird ein Verfahren eingeführt, das den Zustandsraum der eingebetteten Markov-Kette beschränkt. Numerischen Auswertungen zeigen, dass die mit stark limitierten Zustandsraum erzielten Ergebnisse eine bessere Approximation bieten als der bisherige Dekompositionsansatz. Mit zunehmender Größe des Zustandsraums konvergieren die Leistungskennzahlen beliebig genau

Optimisation of stochastic networks with blocking: a functional-form approach

This paper introduces a class of stochastic networks with blocking, motivated by applications arising in cellular network planning, mobile cloud computing, and spare parts supply chains. Blocking results in lost revenue due to customers or jobs being permanently removed from the system. We are interested in striking a balance between mitigating blocking by increasing service capacity, and maintaining low costs for service capacity. This problem is further complicated by the stochastic nature of the system. Owing to the complexity of the system there are no analytical results available that formulate and solve the relevant optimization problem in closed form. Traditional simulation-based methods may work well for small instances, but the associated computational costs are prohibitive for networks of realistic size. We propose a hybrid functional-form based approach for finding the optimal resource allocation, combining the speed of an analytical approach with the accuracy of simulation-based optimisation. The key insight is to replace the computationally expensive gradient estimation in simulation optimisation with a closed-form analytical approximation that is calibrated using a single simulation run. We develop two implementations of this approach and conduct extensive computational experiments on complex examples to show that it is capable of substantially improving system performance. We also provide evidence that our approach has substantially lower computational costs compared to stochastic approximation

EUROPEAN CONFERENCE ON QUEUEING THEORY 2016

International audienceThis booklet contains the proceedings of the second European Conference in Queueing Theory (ECQT) that was held from the 18th to the 20th of July 2016 at the engineering school ENSEEIHT, Toulouse, France. ECQT is a biannual event where scientists and technicians in queueing theory and related areas get together to promote research, encourage interaction and exchange ideas. The spirit of the conference is to be a queueing event organized from within Europe, but open to participants from all over the world. The technical program of the 2016 edition consisted of 112 presentations organized in 29 sessions covering all trends in queueing theory, including the development of the theory, methodology advances, computational aspects and applications. Another exciting feature of ECQT2016 was the institution of the Takács Award for outstanding PhD thesis on "Queueing Theory and its Applications"

Detecting Markov Chain Instability: A Monte Carlo Approach

We devise a Monte Carlo based method for detecting whether a non-negative Markov chain is stable for a given set of parameter values. More precisely, for a given subset of the parameter space, we develop an algorithm that is capable of deciding whether the set has a subset of positive Lebesgue measure for which the Markov chain is unstable. The approach is based on a variant of simulated annealing, and consequently only mild assumptions are needed to obtain performance guarantees. The theoretical underpinnings of our algorithm are based on a result stating that the stability of a set of parameters can be phrased in terms of the stability of a single Markov chain that searches the set for unstable parameters. Our framework leads to a procedure that is capable of performing statistically rigorous tests for instability, which has been extensively tested using several examples of standard and non-standard queueing networks

Fast Simulation of Open Queueing Systems

We describe a technique developed by the authors for fast simulation of open queueing networks. The technique takes advantage of the recursive nature of departure times of customers in various parts of the system. The event calendar is circumvented using these recursive relationships whenever possible. A framework for identifying these recursive aspects of a network is presented. The technique involves identifying the servers in the system at which flows merge or diverge. Knowledge about the merge and diverge points defines the dependency relationships a specific customer has with other customers at each point in the system. The concept of a system level is based on these dependency relationships.Yeshttps://us.sagepub.com/en-us/nam/manuscript-submission-guideline