Condition de stabilité d'un réseau de les d'attente à deux stations et N classes de clients 1

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1 General Mathematics Vol. 18, No. 4 (2010), Condition de stabilité d'un réseau de les d'attente à deux stations et N classes de clients 1 Faiza Belarbi, Amina Angelika Bouchentouf Résumé Nous étudions l'ergodicité d'un réseau de les d'attente à deux stations et N classes avec N 3 feedbacks dans la deuxième station sous la discipline de service FIFO et sous les conditions habituelles ρ 1 = m 1 + m N < 1 et ρ 2 = m l < 1. En utilisant le critère de modèle uide présenté par Rybko, Stolyar et Dai, nous montrons que si ρ 1 ρ 2 alors le modèle uide est stable et le réseau de les d'attente stochastique est ergodique Mathematics Subject Classication : 60K25, 60M20, 90B22. Key words and phrases : Stabilité, Multiclasses, Service de discipline FIFO, Modèle uide. 1 Introduction Notre réseau se compose de deux les d'attente (i = 1, 2). A chaque le d'attente il y a un serveur et une salle d'attente de capacité innie. Les clients suivent un itinéraire xé par le réseau. Ils arrivent de l'extérieur à la cadence 1, ils vont faire la le 1 où ils ont besoin d'un service de moyenne m 1, et puis aligner 2 où ils ont besoin d'abord d'un service de moyenne m 2, et puis ils éprouvent un feedback à cette le exigeant un service de moyenne m 3, ensuite 1 Received 21 January, 2009 Accepted for publication (in revised form) 17 February,

2 86 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf ils éprouvent encore une fois un autre feedback à la même le exigeant un service de moyenne m 4, les clients continuent les feedbacks jusqu'à ce qu'ils auront leur dernier service dans cette station qui est de moyenne m, ensuite ils reviennent à la première le où ils demandent un service de moyenne m N et ils quittent le réseau. Donc les clients font N 3 feedbacks dans la deuxième station avant de revenir dénitivement à la première le d'attente. Par conséquent nous avons N classes de clients, 1 et N à la première le d'attente, et 2, 3, 4,...jusqu'à N 1 à la seconde. La discipline est FIFO dans les deux les d'attente. Les conditions nécéssaires de stabilité sont (1) ρ 1 = m 1 + m N < 1 et ρ 2 = m l < 1. 2 Modèle uide 2.1 Présentation générale Pour chaque nombre entier n 1, soit τ(n) le temps d'interarrivée entre l'arrivée du (n 1) ieme client et celle du n ieme client de l'extérieur; le premier client arrive au temps τ(1) : Les temps de services pour le n ieme client dans les diérentes classes sont σ 1 (n),..., σ N (n).

3 Condition de stabilité d'un réseau de les Nous faisons les présentations suivantes sur les interarrivées et les services. D'abord, nous avons : (2) {(τ(n), σ 1 (n),..., σ N (n)), n 1} est une suite i.i.d. Ensuite, nous supposons que les variables aléatoires ont les premiers moments nis. (3) IE[τ(1)] < et IE[σ k (1)] = m k <, pour k = 1,..., N Finalement, nous supposons que les interarrivées sont non bornées et leurs distributions sont étendues, c'est à dire (4) x > 0, IP[τ(1) x] > 0 On suppose aussi pour un certain nombre entier n > 0 et une certaine fonction p(x) > 0 sur IR + avec 0 p(x)dx > 0, (5) IP[a n τ(j) b] j=1 b a p(x)dx, pour tout 0 a < b. Sans perte de généralité, nous supposons que IE[τ(1)] = 1. Pour i = 1, 2, la charge du travail pour le serveur i par unité de temps est ρ 1 = m 1 + m N et ρ 2 = m l <. Dans tout ce travail, nous supposons que les conditions (1) sont satisfaites. Nous supposons que la discipline de service dans les deux stations est FIFO. Dans Dai [3] ou Dumas [4] les auteurs ont présenté un processus stochastique {X(t), t 0} qui décrit la dynamique du réseau de les d'attente. Pour chaque t 0, X(t) = (X 1 (t), X où X i (t) est l'état à la station i au temps t. Puisque la discipline utilisée est FIFO on a besoin de prendre (6) X i (t) = (C i (i, 1),..., C t (i, N i (t)), u(t), v i (t)) où N i (t) est le nombre de clients à la le i au temps t 0 et C t (i, h) est la classe du h eme client dans la le i au temps t. Ici, u(t) est le temps résiduel pour le prochain client qui arrive de l'extérieur et v i (t) est le temps résiduel de service pour le client étant entretenu à la station

4 88 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf i au temps t (par convention, si N i (t) = 0, v i (t) = 0). Dans les présentations (2) et (3) le processus (X t ) t 0 est un processus de Markov déterministe par morceaux, voir Dai [3]. Comme d'habitude nous identions la stabilité de notre réseau par la réccurence positive au sens de Harris de (X t ) t 0. Nous utiliserons la notion de limite uide présentée par Rybko et Stolyar [5], et Dai [3]. A cet eet nous allons besoin de quelques notations. Dénition 1 Pour un état initial donné x, et une classe donnée k à la le i, Q k (x, t) est le nombre de clients de la classe k au temps t. A k (x, t) est le nombre d'arrivées de la classe k jusqu'au temps t. (par convention Q k (x, 0) = A k (x, 0)). D k (x, t) est le nombre de départs de la classe k jusqu'au temps t (avec D k (x, 0) = 0) T k (x, t) est le temps passé par le serveur σ(k) pour servir des clients de la classe k jusqu'au temps t. Z i (x, t) est la charge de travail immédiate à la le i au temps t. Tous ces processus sont pris continus. Nous dénissons les processus correspondants de vecteurs Q, A, D et T qui sont de dimension 4 et Z = (Z 1, Z 2 ). 3 La limite uide et le modèle uide Si x est l'état de réseau, nous notons par x le nombre total des clients dans le système dans l'état x. Pour toute suite d'états (x n ) n 0 avec x n > 0, n, et pour tout processus (H(x n, t)) t 0, on dénit H n par t 0, H n = H(x n, x n t) x n Théorème 1 (Dai) Soit (x n ) une suite d'états initiaux avec x n +, alors il existe une sous suite (x φ (n)) telle que (Q φ(n), A φ(n), D φ(n), T φ(n), Z φ(n) ) converge en loi vers la limite (Q, A, D, T, Z). Cette limite satisfait les équations suivantes : (7) Q k (t) = Q k (0) + µ k 1 T k 1 (t) µ k T k (t) pour k = 1,...N avec µ k = 1 m k pour k = 1,..., N, µ 0 = 1 et T 0 (t) = t pour t 0 (8) Q k (t) 0 pour k = 1,..., N

5 Condition de stabilité d'un réseau de les (9) D k (t) = µ k T k (t) pour k = 1,..., N (10) T k (0) = 0 et T k (.) est croissant pour k = 1,..., N (11) B 1 (t) = T 1 (t) + T N (t) et B 2 (t) = T l (t) (12) Y i (t) = t B i (t) est croissant pour i = 1, 2, (13) Y i (t) augmente seulement par t quand Z i (t) = 0, i = 1, 2 (14) Z 1 (t) = m 1 Q 1 (t) + m N Q N (t). Z 2 (t) = m l Q l (t). (15) D k (t + Z i (t)) = Q k (0) + A k (t) pour k = 1,..., N, i = σ(k) Dénition 2 Toute solution aux équations (7),...,(15) s'appelle modèle uide. Ainsi n'importe qu'elle limite uide est un modèle uide. Pour tout k = 1,..., N, les fonctions t T k (t) et t t T k (t) sont croissantes et nous avons T k (t) T k (s) t s pour tout s, t 0, donc elles sont absolument continues et par les équations de uides toutes les fonctions Q k (.), B i (.), Y i (.), et Z i (.) sont absolument continues. La condition de conservation du travail (13) est utilisée dans la formule suivante (16) Si Z i (t) > 0 pour tout t [a, b], alors Y i (a) = Y i (b) L'équation de FIFO (15) est également connue sous la forme équivalente suivante : (17) D k (t) = Q k (0) + A k (τ i (t)) pour tout t t i = Z i (0), i = σ(k), avec τ i (t) est l'inverse de la fonction t t + Z i (t). Dans le contexte stochastique, τ i (t) est le temps d'arrivée du client actuel en service à la station i si Z i (t) > 0 et τ i (t) = t si Z i (t) = 0 Dans la proposition suivante, on va donner les propriétés de la fonction τ i (t), i = 1, 2 (Pour plus de détails, voir Chen et Zhang [2]).

6 90 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf Proposition 1 Pour i=1,2, nous avons a) Z i (τ i (t)) = t τ i (t) pour t Z i (0), b) τ i (t)est lipschitziènne sur [0, [, c) τ i (t) est une fonction croissante et τ i (t) + quand t +. 4 Résultat de stabilité : Théorème 2 En plus de (1), si nous avons : (18) ρ 1 ρ 2, alors tout modèle uide Q(.) satisfait lim Q(t) = 0, et donc le réseau est t + stable. Preuve. Soit Z(t) = Z 1 (t) + Z 2 (t). Ainsi nous avons lim Q(t) = 0 lim Z(t) = 0 t + t + Nous réecrivons les charges de travail aux deux stations sous une forme commode qui nous permet d'employer la propriété de conservation (16). En utilisant les équations uides (7), (9),(14) et l'équation de FIFO (17), la charge de travail dans les deux stations peut s'écrire comme suit : (19) Z 1 (t) = m 1 (Q 1 (0) + A 1 (t)) + m N (Q N (0) + A N (t)) t + Y 1 (t). Z 2 (t) = m l (Q l (0) + A l (t)) t + Y 2 (t). Toutes les relations dans la suite ne peuvent se tenir pour aucun y 0 mais seulement pour tout t T 0 avec T 0 un temps ni à détèrminer par les données initiales. Et puisque nous étudions le comportement de Z(t) lorsque t, nous omettrons d'indiquer la constante T 0. Le réseau est une ligne de réentrée, ainsi nous avons A 1 (t) = t, A 2 (t) = D 1 (t), A 3 (t) = D 2 (t), A 4 (t) = D 3 (t),... A (t) = D (t), A N (t) = D (t), L'équation de FIFO (17) donne (20) A 1 (t) = t

7 Condition de stabilité d'un réseau de les (21) A 2 (t) = D 1 (t) = Q 1 (0) + A 1 (τ 1 (t)) (22) A 3 (t) = D 2 (t) = Q 2 (0) + A 2 (τ (23) A 4 (t) = D 3 (t) = Q 3 (0) + A 3 (τ. (24) A (t) = D (t) = Q (0) + A (τ (25) A N (t) = D (t) = Q (0) + A (τ En remplaçant t par τ 1 (t) dans (20) et (25) et par τ 2 (t) dans (21), (22), (23) et (24) nous obtenons A 1 (τ 1 (t)) = τ 1 (t) A 2 (τ = Q 1 (0) + A 1 (τ 1 (τ ) A 3 (τ = Q 2 (0) + A 2 (τ (2) A 4 (τ = Q 3 (0) + A 3 (τ (2).. A (τ = Q (0) + A (τ (2) A N (τ 1 (t)) = Q (0) + A (τ 2 (τ 1 (t))) Récapitulons les équations ci-dessus. Pour tout t T (avec T un temps ni) A 1 (t) = t A 2 (t) = Q 1 (0) + τ 1 (t) A 3 (t) = Q 1 (0) + Q 2 (0) + τ 1 (τ A 4 (t) = Q 1 (0) + Q 2 (0) + Q 3 (0) + τ 1 (τ (2).. A (t) = A N (t) = Q l (0) + τ 1 (τ () Q l (0) + τ 1 (τ ()

8 92 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf La substitution de A k (t) en (19) rapporte Z 1 (t) = c 1 m N (t τ 1 (τ () ) + (ρ 1 1)t + Y 1 (t). Z 2 (t) = c 2 m 2 (t τ 1 (t)) m 3 (t τ 1 (τ ) m 4 (t τ 1 (τ (2) )... m (t τ 1 (τ () ) + (ρ 2 1)t + Y 2 (t). où c 1 et c 2 sont des constantes qui ne dépendent pas du temps. Donc, (26) Y 1 (t) = Z 1 (t) + m N (t τ 1 (τ () ) (ρ 1 1)t c 1. (27) Y 2 (t) = Z 2 (t) + m 2 (t τ 1 (t)) + m 3 (t τ 1 (τ ) + m 4 (t τ 1 (τ (2) )+...+m (t τ 1 (τ () ) (ρ 2 1)t c 2. En utilisant la proprieté a) de la proposition 1 nous pouvons réecrire (26) sous la forme suivante : Y 1 (t) = Z 1 (t) + m N [t τ 2 (t) + τ 2 (t) τ (2) 2 (28) (2) (3) (t) + τ (t) τ 2 2 (t) + τ (3) 2 (t) τ () 2 (t) τ () 2 (t) τ 1 (τ () ] (ρ 1 1)t c 1. Ainsi, Y 1 (t) = Z 1 (t) + m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] (ρ 1 1)t c 1. avec τ (1) 2 (t) = τ 2(t), et (27) sous la forme suivante Y 2 (t) = Z 2 (t) + m 2 (t τ 1 (t)) + m 3 [t τ 2 (t) + τ 2 (t) τ 1 (τ ] + m 4 [t τ 2 (t) + τ 2 (t) τ (2) (2) 2 (t) + τ 2 (t) τ 1(τ (2) ] m [t τ 2 (t) + τ 2 (t) τ (2) (2) (3) (3) 2 (t) + τ 2 (t) τ 2 (t) + τ 2 (t) τ () 2 (t) τ ( 2 (t) τ 1 (τ () ] (ρ 2 1)t c 2. Donc (29) Y 2 (t) = Z 2 (t) + m 2 (Z 1 (τ 1 (t))) + m 3 [Z 2 (τ + Z 1 (τ 1 (τ )] + m 4 [Z 2 (τ + Z 2 (τ (2) + Z 1(τ 1 (τ (2) )] m [ +Z 1(τ 1 (τ () )] (ρ 2 1)t c 2.

9 Condition de stabilité d'un réseau de les avec τ (1) 2 (t) = τ 2(t). Nous allons réduire ce problème à l'étude de Z 1 (t). Lemme 1 Si lim t + Z 1(t) = 0 alors lim t + Z(t) = 0 Preuve. Soit t un temps tel que Z 2 (t) > 0 et a = max{u < t, Z 2 (u) = 0}, alors Y 2 (a) = Y 2 (t). En utilisant la relation (27) et le fait que Z 2 (t) = 0 nous avons Z 2 (t) + m 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 (t τ 1 (τ ) + m 4 (t τ 1 (τ (2) ) m (t τ 1 (τ () ) (ρ 2 1)t [Z 2 (a) + m 2 Z 1 (τ 1 (a)) +m 3 (a τ 1 (τ 2 (a))) + m 4 (a τ 1 (τ (2) 2 (a))) m (a τ 1 (τ () 2 (a))) (ρ 2 1)a] = 0. Z 2 (a) = 0 car a = max{u < t, Z 2 (u) = 0} et τ 2 (a) = a car Z 2 (a) = 0 donc, Z 2 (t) + m 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 (t τ 1 (τ ) + m 4 (t τ 1 (τ (2) ) m (t τ 1 (τ () ) m 2 (Z 1 (τ 1 (a))) m 3 (a τ 1 (a)) m 4 (a τ 1 (a))... m (a τ 1 (a)) = (ρ 2 1)(t a) Z 2 (t) + m 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 (t τ 1 (τ ) + m 4 (t τ 1 (τ (2) ) m (t τ 1 (τ () ) ρ 2 Z 1 (τ 1 (a)) = (ρ 2 1)(t a). Comme ρ 2 < 1, nous avons Z 2 (t) Z 2 (t) + m 2 (t τ 1 (t)) + m 3 (t τ 1 (τ ) + m 4 (t τ 1 (τ (2) ) m (t τ 1 (τ () ) < ρ 2 Z 1 (τ 1 (a)), donc, (30) Z 2 (t) < ρ 2 sup Z 1 (u) τ 2 (a) u t Maintenant, pour prouver la stabilité, il sut de prouver que lim t + Z 1(t) = 0. Pour toute solution uide Q(.), on a associé une suite croissante de temps t i, comme dans Bertsimas, Gamarnik et Tsitsiklik [1] qui satisfait

10 94 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf dans (t Nm+1, t Nm+2 ) Z 1 (t) > 0 et Z 2 (t) 0 dans (t Nm+2, t Nm+3 ) Z 1 (t) > 0 et Z 2 (t) > 0 dans (t Nm+3, t Nm+4 ) Z 1 (t) 0 et Z 2 (t) > 0. dans (t Nm+(), t Nm+N ) Z 1 (t) 0 et Z 2 (t) > 0 dans (t Nm+N, t Nm+(N+1) ) Z 1 (t) > 0 et Z 2 (t) > 0 et par continuité, Z 2 (t Nm+1 ) = Z 2 (t Nm+2 ) = 0, et Z 1 (t Nm+3 ) =... = Z 1 (t Nm+() ) = Z 1 (t Nm+N ) = 0. L'existence de la suite t i est due au fait que sous les conditions nécéssaires de stabilité (1), pour i = 1, 2 l'ensemble des points t auxquels Z i (t) = 0 est illimité. S'il existe δ > 0 tel que Z(t) = 0 pour tout t δ pour toute limite uide Z(.), alors lim t i δ et le réseau est stable. Sinon, il existe une solution i + uide telle que la suite associée t i satisfait lim t i = et dans tout le reste i + de la preuve, nous considérons que nous somme dans le deuxième cas. Pour terminer la preuve du théorème 2, nous avons besoin des inégalités suivantes : (31) sup Z 1 (t) < Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )), [t Nm+1,t Nm+N ] (32) sup Z 1 (t)<m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N ))+Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))], [t Nm+N,t Nm+(N+1) ] (33) sup Z 1 (t)<m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N ))+Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))], [t Nm+(N+1),t N(m+1)+2 ] Nous allons donner la preuve de la première inégalité, (31). La démonstration détaillée des deuxième et troisième inégalités, (32) et (33) sera donnée à l'appendice. Preuve de l'inégalité (31) :Soit t (t Nm+2, t Nm+(N+1) ), Z 2 (t) > 0 et Y 2 (t) = Y 2 (t Nm+2 ). En utilisant (27) et le fait que,z 2 (t Nm+2 ) = 0 nous avons Z 2 (t) + m 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 (t τ 1 (τ ) + m 4 (t τ 1 (τ (2) ) m (t τ 1 (τ () ) ρ 2 Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) = (ρ 2 1)(t t Nm+2 ),

11 Condition de stabilité d'un réseau de les où Donc m 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 [t τ 1 (τ ] + m 4 [t τ 1 (τ (2) ] m [t τ 1 (τ () ] = m 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 [t τ 1 (t) + τ 1 (t) τ 1 (τ ] + m 4 [t τ 1 (t) +τ 1 (t) τ 1 (τ (2) ] m [t τ 1 (t) + τ 1 (t) τ 1 (τ () ] = ρ 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 [τ 1 (t) τ 1 (τ ] + m 4 [τ 1 (t) τ 1 (τ (2) ] +m [τ 1 (t) τ 1 (τ () ]. Z 2 (t) + ρ 2 Z 1 (τ 1 (t)) + m 3 [τ 1 (t) τ 1 (τ ] + m 4 [τ 1 (t) τ 1 (τ (2) ] +m [t τ 1 (t) + τ 1 (t) τ 1 (τ () ] ρ 2 Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) = (ρ 2 1)(t t Nm+2 ). ce qui implique que (quand ρ 2 < 1) Z 1 (τ 1 (t)) < Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) pour tout t [t Nm+2, t Nm+(N+1) ], mais la fonction τ 1 (.) est continue est strictement croissante de [t Nm+2, t Nm+(N+1) ] dans [τ 1 (t Nm+2 ), τ 1 (t Nm+(N+1) )]. D'où, pour tout t [τ 1 (t Nm+2 ), τ 1 (t Nm+(N+1) )], nous avons Z 1 (t) < Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) pour tout t [τ 1 (t Nm+2 ), τ 1 (t Nm+(N+1) )], Par dénition de la suite {t i }, nous avons en premier lieu Z 1 (t Nm+2 ) > 0, ainsi ainsi τ 1 (t Nm+2 ) < t Nm+2, et en second lieu Z 1 (τ 1 (t Nm+N )) = 0, t Nm+() = τ 1 (t Nm+() ) τ 1 (t Nm+(N+1) ). Pour conclure, nous récapitulons tous les résultats. Nous avons et nous avons sup Z 1 (t) < Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )), [t Nm+2,t Nm+N ] sup Z 1 (t) < m N Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )), [t Nm+N,t N(m+1)+2 ]

12 96 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf les deux inégalités impliquent, d'une part, (34) Z 1 (τ 1 (t N(m+1)+2 )) < m N Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) et d'autre part, (35) sup Z 1 (t) < Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )). [t Nm+2,t N(m+1)+2 ] La dérnière inégalité (35) est valable pour tout m, en remplaçant m par (m+1). Nous avons sup Z 1 (t) < Z 1 (τ 1 (t N(m+1)+2 )). [t N(m+1)+2,t N(m+2)+2 ] Ainsi, en utilisant (34), nous avons (36) Z 1 (t) < m N Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) pour tout t [t N(m+1)+2, t N(m+2)+2 ]. Maintenant, soit S m = t Nm+2. Si lim t i =, alors lim S i =, i + i et l'inégalité (36) implique que pour tout t [S m, S m+2 ], Z 1 (t) < m N sup Z 1 (u) S m 2 u S m par itération et car m N < 1, on aboutit au résultat escompté. Nous terminerons cette section par deux résultats numériques. On suppose que les clients arrivent suivant un processus de Poisson de paramètre λ = 1 et que les temps de services suivent des lois exponentielles de paramètres µ i. Dans les tableaux suivantx, nous donnons des exemples de simulation pour illustrer la stabilité du réseau quand la condition (18) du théorème (2) est vériée. Cas d'un réseau à deux stations et cinq classes

13 Condition de stabilité d'un réseau de les µ 1 µ 2 µ 3 µ 4 µ 5 Poucentage % % % % Le cas des moyennes m 1 = , m 2 = , m 3 = , m 4 = , m 5 = Le pourcentage est 100% c'est à dire que tous les clients sont servis et le réseau se vide (cas de stabilité). Cas d'un réseau à deux stations et sept classes µ 1 µ 2 µ 3 µ 4 µ 5 µ 6 µ 7 Poucentage % % % % Le cas des moyennes m 1 = , m 2 = , m 3 = , m 4 = , m 5 = , m 6 = , m 7 = , Le pourcentage est 100%, les clients sont servis et le réseau se vide (cas de stabilité). Maintenant, nous donnons des exemples de simulation pour illustrer l'instabilité du réseau quand la condition (18) du théorème (2) n'est pas vériée. Cas d'un réseau à deux stations et cinq classes µ 1 µ 2 µ 3 µ 4 µ 5 Poucentage % % % % Le cas des moyennes m 1 = , m 2 = , m 3 = , m 4 = , m 5 = Le pourcentage est 0% c'est à dire qu'il y a blocage dans le réseau(cas d'instabilité). Cas d'un réseau à deux stations et sept classes µ 1 µ 2 µ 3 µ 4 µ 5 µ 6 µ 7 Poucentage % % % %

14 98 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf Le cas des moyennes m 1 = , m 2 = , m 3 = , m 4 = , m 5 = , m 6 = , m 7 = Le pourcentage est 100%, tous les clients sont servis et le réseau se vide (cas d'instabilité). 5 Appendice La preuve des inégalités (32) et (33) se fait en deux étapes : Etape 1 : Nous montrerons l'inégalité suivante : (37) Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N ))) < Z 1 (τ 1 (t Nm+N ). Preuve. Par dénition τ () 2 (t Nm+N ) satisfait t Nm+2 < τ () 2 (t Nm+N ) < t Nm+(N+1) d'où en utilisant la propriété de conservation (16), nous explicitons la relation (27) pour t = t Nm+2 et pour t = τ () 2 (t Nm+N ) le fait que Alors, Y 2 (t Nm+N ) = Y 2 (τ () 2 (t Nm+N )), Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + ρ 2 Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N ))) + m 3 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) τ 1 (τ () 2 (t Nm+N ))) + m 4 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) τ 1 (τ (N) 2 (t Nm+N ))) +m (t τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) + τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) τ 1 (τ () 2 (τ () 2 (t Nm+N )))) ρ 2 Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) = (ρ 2 1)(τ () 2 (t Nm+N ) t Nm+2 ). La dernière expression peut s'écrire comme suit : (ρ 2 1)(τ () 2 (t Nm+N ) t Nm+2 ) = (ρ 2 1)[τ () 2 (t Nm+N ) τ () 2 (t Nm+N ) + τ () 2 (t Nm+N ) t Nm+2 ] = (ρ 2 1)[Z 2 (τ () 2 (t Nm+N ))] + (ρ 2 1)(τ () 2 (t Nm+N ) t Nm+2 ).

15 Condition de stabilité d'un réseau de les d'où ρ 2 [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] + m 3 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) τ 1 (τ () 2 (t Nm+N ))) + m 4 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) τ 1 (τ (N) 2 (t Nm+N ))) +m (t τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) + τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) τ 1 (τ () 2 (τ () 2 (t Nm+N )))) ρ 2 Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )) = (ρ 2 1)(τ () 2 (t Nm+N ) t Nm+2 ). donc Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )) < Z 1 (τ 1 (t Nm+2 )), Etape 2 : Nous donnons la preuve de la deuxième inégalité 1 er cas Si τ 2 (t) t Nm+N t, alors nous aurons par la suite : i.e t Nm+N τ () 2 (t Nm+N ) t τ () 2 (t) t τ 1 (τ (), 2 (t Nm+N) < < mais t satisfait encore (comme Y 1 (t) = Y 1 (t Nm+N )) + Z 1(τ 1 (τ (). Z 1 (t) + m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] m N [ 2 (t Nm+N)) +Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] = (ρ 1 1)(t t Nm+N ) < 0. d'où nous avons nécéssairement Z 1 (t) < m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))]. 2 eme cas : Si t Nm+N < τ 2 (t) < t < t Nm+(N+1), nous avons d'une part, ceci implique que Y 2 (τ = Y 2 (τ 2 (t Nm+N )), Z 2 (τ + m 2 Z 1 (τ 1 (τ ) + m 3 [Z 2 (τ (2) + Z 1(τ 1 (τ (2) )] +m 4 [Z 2 (τ (2) + Z 2(τ (3) + Z 1(τ 1 (τ (3) )] m [ + Z 1(τ 1 (τ () )] Z 2 (τ 2 (t Nm+N ))

16 100 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf d'où, m 2 Z 1 (τ 1 (τ 2 (t Nm+N ))) m 3 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (2) 2 (t Nm+N)))] m 4 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 2 (τ (3) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (3) 2 (t Nm+N)))]... m [ 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] = (ρ 2 1)(τ 2 (t) τ 2 (t Nm+N )) = (ρ 2 1)[τ 2 (t) t + t + τ 2 (t) τ 2 (t) + τ (2) 2 (t) τ (2) 2 (3) (3) (t) + τ 2 (t) τ 2 (t) τ () 2 (t) τ () 2 (t) t Nm+N + t Nm+N τ 2 (t Nm+N ) + τ 2 (t Nm+N ) τ 2 (t Nm+N ) + τ (2) 2 (t Nm+N) τ (2) 2 (t Nm+N) + τ (3) 2 (t Nm+N) τ (3) 2 (t Nm+N) τ () 2 (t Nm+N ) τ () 2 (t Nm+N )] = (ρ 2 1) 2 (t) + (ρ 2 1)[t t Nm+N + τ 2 (t) τ 2 (t Nm+N ) + τ () 2 (t Nm+N ) τ () 2 (t)] + (ρ 2 1) 2 (t Nm+N). (38) ρ 2 +Z1(τ1(τ 2 (t) + m 2Z 1 (τ 1 (τ ) + m 3 [Z 2 (τ (2) (2) )] + m 4[Z 2 (τ (2) + Z 2(τ (3) + Z 1(τ 1 (τ (3) )] m [ + Z 1(τ 1 (τ () )] ρ 2 2 (t Nm+N) m 2 Z 1 (τ 1 (τ 2 (t Nm+N ))) m 3 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (2) 2 (t Nm+N)))] m 4 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) +Z 2 (τ (3) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (3) 2 (t Nm+N)))]... m [ 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] = (ρ 2 1)[t t Nm+N + τ 2 (t) τ 2 (t Nm+N ) + τ () 2 (t Nm+N ) τ () 2 (t)] + 2 (t) 2 (t Nm+N).

17 Condition de stabilité d'un réseau de les Comme ρ 2 = m 2 + l=3 m l, la dernière égalité peut s'écrire comme suit : + m 2Z 1 (τ 1 (τ ) + m 3 [Z 2 (τ + 2Z 2 (τ (2) + Z 1(τ 1 (τ (2) )] + m 4[Z 2 (τ + 2Z 2 (τ (2) +2Z 2 (τ (3) + + Z 1(τ 1 (τ (3) )] +... l=4 +m [Z 2 (τ Z 2(τ () + Z 1 (τ 1 (τ () )] m 2 Z 2 (τ 2 (t Nm+N )) m 2 Z 1 (τ 1 (τ 2 (t Nm+N ))) m 3 [Z 2 (τ 2 (t Nm+N )) +2Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (2) 2 (t Nm+N)))] l=3 m 4 [Z 2 (τ 2 (t Nm+N )) + 2Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + 2Z 2 (τ (3) + 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (3) 2 (t Nm+N)))]... l=4 m [Z 2 (τ 2 (t Nm+N )) (t Nm+N)) 2 (t Nm+N)) + Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) +Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] = (ρ 2 1)[t t Nm+N + τ τ 2 (t Nm+N )) + τ () τ () 2 (t)] + 2 (t Nm+N)). 2 (t Nm+N ) D'autre part, nous avons Y 1 (t) = Y 1 (t Nm+N ) alors la relation (28) nous avons (39) Z 1 (t) + m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] m N [ 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] = (ρ 1 1)(t t Nm+N ). qui peut s'écrire comme suit

18 102 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf donc, (40) Z 1 (t) + m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] m N [ Z 1 (τ 1 (τ () )] (ρ 1 1)(t t Nm+N ) = m N [ 2 (t Nm+N))] + m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) +Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))]. D'où si, Alors : Z 1 (t) m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))]. m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] (ρ 1 1)(t t Nm+N ) m N [ 2 (t Nm+N))]. Utilisons la propriété de la fonction τ i (.) pour i = 1, 2 nous avons [ + Z 1(τ 1 (τ () )] = [t τ 1 (τ () ] > [t τ 1 (τ ] = [Z 2 (τ + Z 1 (τ 1 (t))]. (ρ 1 1)(t t Nm+N ) + m N [ 2 (t Nm+N))] m N [Z 2 (τ +Z 1 (τ 1 (t))] > 0. (41) La relation (38) nous permet d'écrire ρ 2 ( 2 (t Nm+N))) ρ 2 [ + Z 1(τ 1 (τ () )] < (1 ρ 2 )[t t Nm+N + τ 2 (t) τ 2 (t Nm+N ) + τ () 2 (t Nm+N ) τ () 2 (t)] + 2 (t Nm+N) 2 (t) m 2 (Z 1 (τ 1 (τ 2 (t Nm+N )))) m 3 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (2) 2 (t Nm+N)))]

19 Condition de stabilité d'un réseau de les m 4 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 2 (τ (3) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (3) 2 (t Nm+N)))]... m [ 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))]. D'autre part la relation (39) se réecrit comme suit (42) Z 1 (t) + m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] +(1 ρ 1 )(t t Nm+N ) = m N [ 2 (t Nm+N))] m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) +Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))]. Maintenant, on va distinguer deux cas selon le terme droite de l'égalité (42) est positif ou non. Si 2 (t Nm+N)) + Z 1(τ 1 (τ () ). Alors d'aprés l'egalité (42) et comme (ρ 1 < 1) on a Z 1 (t) < m N [Z 2 (τ () + Z 1 (τ 1 (τ () )]. Ce qui est le résultat recherché, sinon, on a 2 (t Nm+N)) > Alors puisque m N < ρ 1 ρ 2, on a + Z 1(τ 1 (τ () ). m N [ 2 (t Nm+N))] m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] < ρ 2 ( 2 (t Nm+N))) ρ 2 [ En utilisant toujours l'égalité (42), on obtient + Z 1(τ 1 (τ () )].

20 104 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf Z 1 (t) m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] +(1 ρ 2 )(t t Nm+N ) < ρ 2 ( 2 (t Nm+N))) ρ 2 [ +Z 1 (τ 1 (τ () )]. Ceci implique, d'aprés (41), que Z 1 (t) m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] +(1 ρ 1 )(t t Nm+N ) < (1 ρ 2 )[t t Nm+N + τ 2 (t) τ 2 (t Nm+N ) +τ () 2 (t Nm+N ) τ () 2 (t)] + 2 (t Nm+N)) m 2 Z 1 (τ 1 (τ 2 (t Nm+N ))) m 3 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (2) 2 (t Nm+N)))] m 4 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 2 (τ (3) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (3) 2 (t Nm+N)))]... m [ 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))]. Or (1 ρ 2 ) (1 ρ 1 ), donc, Z 1 (t) m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] < m 2 (Z 1 (τ 1 (τ 2 (t Nm+N )))) m 3 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (2) 2 (t Nm+N)))] m 4 [Z 2 (τ (2) 2 (t Nm+N)) + Z 2 (τ (3) 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ (3) 2 (t Nm+N)))]... m [ 2 (t Nm+N)) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))] + 2 (t Nm+N)) < 0. Ce qui achève la preuve de l'inégalité, (32). Maintenant, nous donnons la preuve de l'inégalité (33) Preuve. t [t Nm+(N+1), t N(m+1)+2 ], nous avons Z 1 (t) > 0 et Z 2 (t) 0 Nous pouvons alors écrire [t Nm+(N+1), t N(m+1)+2 ] = i=m i=0 (a i, a i+1 ) tel que, à chaque intervalle (a i, a i+1 ) nous avons t (a i, a i+1 ), Z 1 (t) > 0 et Z 2 (t) > 0 ou bien t (a i, a i+1 ), Z 1 (t) > 0 et Z 2 (t) = 0 Ainsi dans la suite nous distinguons deux cas : 1 er cas : Soit [a, b] (t N(m+1)+1, t N(m+1)+2 ) tel que Z 2 (a) = Z 2 (b) = 0 et Z 2 (t) > 0 pour tout a < t < b

21 Condition de stabilité d'un réseau de les Soit t (a, b), alors a < τ 2 (t) < t < b et Y 2 (τ = Y 2 (a), ainsi en utilisant la relation (29) sur l'intervalle (a, τ, nous avons (43) +m 4 [Z 2 (τ (2) + Z 2(τ (3) Z 2 (τ + m 2 (Z 1 (τ 1 (τ )) + m 3 [Z 2 (τ (2) + Z 1(τ 1 (τ (2) )] + Z 1(τ 1 (τ (3) )] m [ + Z 1(τ 1 (τ () )] ρ 2 Z 1 (τ 1 (a)) = (ρ 2 1)(τ 2 (t) a) = (ρ 2 1)(τ 2 (t) t + t a) = (ρ 2 1)Z 2 (τ + (ρ 2 1)(t a). en utilisant le fait que ρ 2 = m l, il s'ensuit que Z 2 (τ + m 2 Z 1 (τ 1 (τ ) + m 3 [Z 2 (τ (2) + Z 1(τ 1 (τ (2) )] + m 4[Z 2 (τ (2) +Z 2 (τ (3) + Z 1(τ 1 (τ (3) m l Z 1 (τ 1 (a) = ( )] m [ m l 1)Z 2 (τ + (ρ 2 1)(t a). + Z 1(τ 1 (τ () )] m 3 [Z 2 (τ + Z 2 (τ (2) + Z 1(τ 1 (τ (2) )] + m 4[Z 2 (τ + Z 2 (τ (2) +Z 2 (τ (3) + Z 1(τ 1 (τ (3) )] m [ +Z 1 (τ 1 (τ () )] m l Z 1 (τ 1 (a)) l=3 = (ρ 2 1)(t a) + m 2 Z 1 (τ 1 (a)) m 2 [Z 2 (τ + Z 1 (τ 1 (τ )]. Cette dernière relation est une conséquence de la propriété de conservation appliquée à la deuxième station. En utilisant la même propriété pour la première station sur l'intervalle (a, t), Y 1 (t) = Y 1 (a) et la relation (28) implique ceci (44) Z 1 (t) + m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] Z 1 (a) m N Z 1 (τ 1 (a)) = (ρ 1 1)(t a). (car le fait que Z 2 (a) = Z 2 (b) = 0 entraîne que τ 2 (a) = τ (2) 2 =... = τ () 2 (a) = a). (a) = τ (3) 2 (a)

22 106 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf Cette égalité implique que Z 1 (t) < Z 1 (a), autrement dit, la dernière égalité implique, d'une part que (45) m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )] < m N Z 1 (τ 1 (a)). et d'autre part, elle peut s'écrire comme suit : (ρ 1 1)(t a) + m N Z 1 (τ 1 (a)) m N [t τ 1 (τ () ] = Z 1 (t) Z 1 (a) 0, et comme t τ 1 (τ < t τ 1 (τ (2) <... < t τ 1(τ (), nous avons : (ρ 1 1)(t a) + m N Z 1 (τ 1 (a)) m N [t τ 1 (τ ] > 0, L'égalité (43) peut se reécrire de la façon suivante : (46) Or, donc, (47) m 3 [Z 2 (τ + Z 2 (τ (2) + Z 1(τ 1 (τ (2) )] + m 4[Z 2 (τ +Z 2 (τ (2) + Z 2(τ (3) + Z 1(τ 1 (τ (3) )] m [+ + Z 1(τ 1 (τ () )] ( m l )Z 1 (τ 1 (a)) = (ρ 2 1)(t a) + m 2 Z 1 (τ 1 (a)) m 2 (t τ 1 (τ ). [t τ 1 (τ ] < [t τ 1 (τ () ], l=3 ρ 2 Z 1 (τ 1 (a)) ρ 2 [ + Z 1(τ 1 (τ () )] < (1 ρ 2 )(t a). D'autre part la relation (44) implique que (48) Z 1 (t) Z 1 (a) + (1 ρ 1 )(t a) = m N Z 1 (τ 1 (a)) m N [ + Z 1(τ 1 (τ () )]. En utilisant l'inégalité (47), dont les deux termes sont négatifs, et tenant compte que m N < ρ 2, on obtient Z 1 (t) Z 1 (a) + (1 ρ 1 )(t a) < (1 ρ 2 )(t a),

23 Condition de stabilité d'un réseau de les et puisque (1 ρ 2 ) (1 ρ 1 ), alors Z 1 (t) < Z 1 (a) 2 eme cas : Soit [a, b] (t N(m+1)+1, t N(m+1)+2 ) tel que Z 2 (.) = 0, comme Z 2 (.) est une fonction positive, si elle est diérentiable pour tout t [a, b], alors Ż 2 (t) = 0, ou bien, Z 2 (t) = m l Q l (t) Ż 2 (t) = m l Q l (t) = 0 Q l (t) = 0, l = 2,..., N 1 Q 2 (t) = Q 2 (0) + µ 1 T 1 (t) µ 2 T 2 (t) Q 2 (t) = µ 1 T 1 (t) µ 2 T 2 (t) = 0 µ 1 T 1 (t) = µ 2 T 2 (t) Q 3 (t) = Q 3 (0) + µ 2 T 2 (t) µ 3 T 3 (t) Q 3 (t) = µ 2 T 2 (t) µ 3 T 3 (t) = 0 µ 2 T 2 (t) = µ 3 T 3 (t) Q 4 (t) = Q 4 (0) + µ 3 T 3 (t) µ 4 T 4 (t) Q 4 (t) = µ 3 T 3 (t) µ 4 T 4 (t) = 0 µ 3 T 3 (t) = µ 4 T 4 (t).. Q (t) = Q (0) + µ T (t) µ T (t) Q (t) = µ T (t) µ T (t) = 0 µ T (t) = µ T (t) Ce qui implique que µ 1 T 1 (t) = µ 2 T 2 (t) = µ 3 T 3 (t) = µ 4 T 4 (t) =... = µ T (t). Ainsi, nous avons d'une part Z 1 (t) = m 1 [Q 1 (0) + t µ 1 T 1 (t)] + m N [Q N (0) + µ T (t) µ N T N (t)] Ż1(t) = m 1 (1 µ 1 T 1 (t)) + m N (µ T (t) µ N T N (t)) = 0 = m 1 T 1 (t) + m N µ T (t) T N (t) = m 1 + µ N µ 1 T 1 (t) ( T 1 (t) + T N (t)) = m 1 + µ N µ 1 T 1 (t) Ḃ1(t). et d'autre part, Ż 2 (t) = m 2 [µ 1 T 1 (t) µ 2 T 2 (t)] + m 3 [µ 2 T 2 (t) µ 3 T 3 (t)] + m 4 [µ 3 T 3 (t) µ 4 T 4 (t)] m [µ T (t) µ T (t)] = ρ 2 µ 1 T 1 (t) Ḃ2(t) = 0. donc, ρ 2 µ 1 T 1 (t) = Ḃ2(t) < 1.

24 108 F. Belarbi, A. A. Bouchentouf le fait que m N < ρ 2 entraîne que Z 1 (t) Z 1 (a) = t Récapitulons ci-dessus, pour tout i = 0,...M 1 a Ż 1 (u)du 0. Z 1 (t) Z 1 (a i ) si t [a i, a i+1 ], Ainsi, pour tout t [a 0, a M ] = [t Nm+(N+1), t N(m+1)+2 ], Z 1 (t) Z 1 (a 0 ) = Z 1 (t Nm+(N+1) ) et par la deuxième inégalité Références Z 1 (t) < m N [Z 2 (τ () 2 (t Nm+N )) + Z 1 (τ 1 (τ () 2 (t Nm+N )))]. [1] D. Bertsimas, D.Gamarnik & J.N.Tsitsiklis, Stability conditions for multiclass uid queueing networks, IEEE Trans. Automat. Control, 41(11), 1996, [2] H. Chen and H. Zhang, Stability of multiclass queueing networks under FIFO service discipline, Math. Oper. Res, 22(3), 1997, [3] J. G. Dai, On the positive Harris recurrence of multiclass queueing networks : a unied approach via uid limit models, Ann. App. Probab, 5, 49-77, [4] V. Dumas, Diverging paths in FIFO uid networks, IEEE Trans. Automat. control, 44 (1), 1999, [5] A. N. Rybko and A. Stolyar, Ergodicity of stochastic processes describing the operations of open queueing networks, Problems Inform. Transmission, 28, 1992, Faiza Belarbi, Amina Angelika Bouchentouf Laboratoire de Mathématiques, B.P. 89, Université Djillali LIABES, Sidi Bel Abbès, Algérie faiza bouchentouf

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