Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Рассмотрены вопросы определения необходимости модернизации базовых станций сотовой сети на основе математического аппарата теории нечетких множеств. Для улучшения качества предоставляемых услуг связи операторам необходимо направлять значительное финансирование на модернизацию оборудования базовых станций. Модернизация может улучшить и расширить качество выполнения функций базовых станций по обеспечению сотовой связи, повысить надежность базовой станции при эксплуатации и функциональность отдельных её элементов, а также позволит снизить затраты на обслуживание и ремонт при работе на сотовой сети. Сложность при сборе информации о состоянии оборудования определяется большим количеством факторов, влияющих на его работу, а также несовершенством получения и обработки полученных сведений. Для всесторонней оценки потребности в модернизации необходимо учитывать ряд показателей. В структуру показателей необходимости модернизации введены параметры, отражающие степень как физического старения, так и морального (отставание по техническим показателям и отставание в связи с появлением новых технологий и стандартов). При решении поставленной задачи выделены основные этапы принятия решений по модернизации. Принятие решений по необходимости модернизации основывается не только на числовой информации, учитываемой лицами, принимающими решения, но и на лингвистической и вербальной информации. Именно поэтому для определения необходимости модернизации базовых станций используется теория нечетких множеств, которая позволяет привлечь к решению задачи экспертов. Эксперты смогут сформулировать дополнительные нечеткие суждения, помогающие учесть не только измерительные характеристики, но и слабоформализованную нечеткую информацию. Для этого определены основные показатели потребности модернизации, сформулированы нечеткие оценки и выведено множество, отражающее необходимость модернизации базовых станций.

Ключевые слова:
базовые станции, модернизация, теория нечетких множеств, эксперты, показатели проведения модернизации, нечеткая информация, нечеткие оценки, принятие решений
Текст
Введение Условием успешного управления сложной системой является принятие верных решений по её дальнейшему функционированию и развитию [1]. Работа сложных систем в настоящее время связана с оперированием большим количеством данных [2]. Собранные сведения необходимо определенным образом хранить, получать на их основе наглядные результаты, а также обрабатывать различную информацию о состоянии систем. В дальнейшем при обработке таких результатов можно составить план действий и провести корректирующие работы. Существуют системы, успешное функционирование и работоспособность которых зависят от значительного количества факторов, таких как научно-технические достижения, социальные потребности пользователей, экономическое и политическое положение в стране. Такими системами являются сотовые сети оператора связи, в работе которых сложность представляет сбор информации о состоянии эксплуатируемого оборудования, в том числе и базовых станций. Тем не менее мобильные сети связи в настоящее время занимают доминирующее положение на рынке передачи данных [3]. Трудности при сборе информации о состоянии базовых станций определяются большим количеством факторов, влияющих на их состояние, несовершенством процессов получения и обработки полученных сведений. В результате оператор располагает недостаточным количеством сведений не только о физическом, но и о моральном износе оборудования базовых станций. Все это приводит к снижению эффективности управления оборудованием и к принятию неправильных решений по развитию всей сети в целом. Целью исследования являлась разработка метода определения необходимости модернизации базовых станций сотовой сети с применением математического аппарата теории нечетких множеств. Состояние объекта исследования Конкурентоспособность оператора связи на телекоммуникационном рынке определяется надёжной системой предоставления качественных услуг и четкой работой всего оборудования. Именно поэтому оператор вынужден повышать эффективность существующей инфраструктуры сети, т. е. обеспечивать качество связи при минимальных затратах. Сотовая сеть оператора строится на основе базовых станций, которые позволяют абонентам оставаться на связи. На базовые станции приходится значительная доля операционных и капитальных затрат оператора связи, поэтому так важно в процессе эксплуатации контролировать и улучшать их работу по мере необходимости. Для улучшения качества предоставляемых услуг связи оператору связи необходимо направлять значительные средства на модернизацию оборудования базовых станций [4]. Затраты на модернизацию определяются типом установленного оборудования и расположением базовой станции. Для обеспечения качества функционирования сотовой сети на предприятиях связи создаются системы технического обслуживания и ремонта, которые осуществляют управление техническим состоянием средств зоны обслуживания. От системы технического обслуживания и ремонта зависит эффективность работы оборудования сети [5]. При решении вопросов модернизации как всей сети, так и отдельного оборудования оператор вынужден принимать во внимание не только свой опыт эксплуатации определенного оборудования, но и возможности поставщика по проектированию, строительству, поставке, монтажу и техническому обслуживанию оборудования [6]. При модернизации базовых станций возникают следующие трудности: - учитывать сложность модернизируемого объекта (базовые станции представляют собой систему, состоящую из различных компонентов, на функционирование которых влияет множество факторов); - определять необходимость модернизации и её эффективность (модернизация должна обеспечивать сохранение уровня качества связи при сокращении затрат и при сохранении максимальной прибыли); - выделять основные показатели необходимости модернизации (для принятия адекватного решения анализ состояния базовых станций должен производиться с учетом различных показателей); - учитывать неопределенности (на эффективность модернизации влияет учет множества факторов, но их невозможно учесть полностью). На работу базовых станций оказывают влияние не только технические показатели, но и социально-экономические факторы, поэтому учет необходимости модернизации базовых станций при помощи одномерного показателя приведет к неполноте информации об их работоспособности и функционировании. Для комплексной оценки потребности в модернизации необходимо учитывать ряд показателей. Решение задачи по определению необходимости модернизации базовых станций Оборудование базовых станций подвергается не только физическому, но и моральному износу из-за отставания элементов оборудования от современных требований и изменения требований к качеству и составу целевых функций. Модернизация базовых станций позволяет улучшить их функциональные свойства и снизить эксплуатационные затраты, кроме того, модернизация позволяет отдалить стадию окончания жизненного цикла базовой станции. Ввиду сложности задачи модернизации базовых станций её декомпозируют на ряд отдельных задач, таких как анализ состояния базовых станций сотовой сети оператора; обоснование необходимости модернизации; выделение вариантов модернизации; формирование показателей необходимости модернизации; прогнозирование функционирования базовой станции после модернизации; прогнозирование затрат при модернизации и последующей эксплуатации; исследование возможности модернизации; выбор варианта модернизации; исследование по практическому внедрению модернизации (рис. 1). При решении задачи модернизации рассматривают исходные данные: требования к базовым станциям; возможности и характеристики базовых станций; затраты на выполнение элементарных операций по модернизации; затраты на эксплуатацию модернизированных базовых станций; объем трудовых и материальных ресурсов, необходимых для модернизации [7]. Особенностью задачи по определению необходимости модернизации базовых станций является разработка метода обработки информации, который учитывает четыре показателя модернизации, выделенные на основе рекомендаций экспертов в области построения и эксплуатации систем связи. Это увеличение количества целевых задач, связанных с появлением новых стандартов и технологий, а также научно-техническим прогрессом (НТП) в области предоставления услуг связи; ужесточение требований к техническим показателям базовых станций; появление аварий и отказы элементов базовых станций; износ оборудования и отказы, приводящие к увеличению эксплуатационных затрат. Рис. 1. Этапы решения задачи модернизации базовой станции (БС) Суммарное действие деструктивных факторов приводит к моральному и физическому износу оборудования базовых станций. Увеличение количества целевых задач обусловлено расширением пакета услуг и совершенствованием технологий. Рост объема передаваемых данных, внедрение технологий мобильной связи 3G, 4G и даже 5G, рост скорости доступа в Интернет увеличивают, в свою очередь, нагрузку на мобильную сеть и требуют использования современных элементов [8]. Целевые задачи определяются НТП в области предоставления сотовых услуг. Появление морального износа связано с отставанием технических характеристик и показателей от предъявленных требований. Это также обусловлено НТП и развитием научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) в сфере разработки новых поколений связи с высокими техническими возможностями. Технические параметры базовых станций определяют ключевые показатели эффективности сети (Key Performance Indicator - KPI). Они позволяют анализировать эффективность работы сети и уровень достижения целей по предоставлению услуг связи. К техническим показателям качества относятся доля успешных и неуспешных вызовов, вызовы с преждевременным разъединением соединения, вызовы с неудовлетворительным качеством передачи речи в момент контроля вызовов при испытании и т. д. Эксплуатационные затраты в большей степени зависят от энергозатрат, которые обусловлены ростом стоимости электроэнергии. Существуют различные технологии, позволяющие уменьшить эксплуатационные затраты системы базовых станций, но они требуют проведения модернизации, кроме того, результат внедрения таких технологий не всегда очевиден [9]. При внедрении энергосберегающих технологий энергопотребление может зависеть от внешних факторов. Например, при динамических системах неиспользуемые блоки базовой станции можно отключить, и тогда потребление энергии будет зависеть от трафика (нагрузки). Если используется система охлаждения воздухом, то потребление энергии зависит от температуры воздуха снаружи контейнера. Затраты в процессе эксплуатации могут быть вызваны также обслуживанием базовых станций, объемы которого напрямую зависят от отказов, аварий и неисправностей оборудования [8]. Трудозатраты на обслуживание необходимы для регламентированного обслуживания оборудования. Часто различные виды работ разделяют (например, обслуживание оборудования в контейнерах, верхолазные работы на вышках). Как отмечалось выше, на основе рекомендаций экспертов выделены четыре показателя необходимости модернизации, которые обобщены, расшифрованы и показаны на рис. 2. Рис. 2. Основные показатели для необходимости проведения модернизации базовой станции Увеличение количества целевых задач, ужесточение требований к техническим показателям и характеристикам, частые отказы и аварии, а также рост затрат при эксплуатации в совокупности приводят к исчерпанию остаточного ресурса базовой станции по моральному и физическому износу. Разработка метода определения необходимости модернизации базовых станций основываться на методе теории нечетких множеств для создания систем принятия решений в условиях неопределенности [10]. Для определения необходимости модернизации применим математический аппарат теории нечетких множеств, что позволит обобщить и сформировать мнения и знания экспертов, т. к. принятие решений по модернизации должно опираться не только на числовые показатели сети и оборудования, но и на вербальную информацию и лингвистические суждения. Предлагаемый метод решения задачи необходимости модернизации базовых станций Степень необходимости модернизации рассмотрим в виде отдельных показателей, которые могут быть оценены экспертами: - показатель необходимости модернизации по причине увеличения количества целевых задач; -показатель модернизации по причине ужесточения требований к техническим характеристикам; -показатель модернизации по причине частых отказов, аварий и неисправностей; -показатель модернизации по причине больших эксплуатационных затрат. Известно значение τ - фактическая наработка базовой сети в момент определения необходимости в модернизации. С учетом работы [11] значение показателя необходимости модернизации по целевым задачам вычислим как результат деления значения фактической наработки на сумму фактической наработки и оценки остаточного ресурса по данному показателю: , (1) где - показатель необходимости модернизации по целевым задачам; - примерная оценка остаточного ресурса базовой станции по целевым задачам. Значение показателя необходимости модернизации по техническим характеристикам вычисляется аналогичным образом: , (2) где - показатель необходимости модернизации по техническим характеристикам; - примерная оценка остаточного ресурса базовой станции по техническим характеристикам. Значение показателя необходимости модернизации по неустранимым отказам вычисляем как , (3) где - показатель необходимости модернизации по неустранимым отказам; - примерная оценка остаточного ресурса базовой станции по неустранимым отказам, авариям и неисправностям. Значение показателя по необходимости модернизации по эксплуатационным затратам вычисляется аналогично: , (4) где - начальный показатель необходимости модернизации по эксплуатационным затратам; - примерная оценка остаточного ресурса базовой станции по эксплуатационным затратам. При примерной оценке остаточного ресурса базовых станций по всем четырем показателям возникает неопределенность, и именно поэтому при оценивании остаточного ресурса базовых станций целесообразно перейти к нечетким оценкам. Нечеткое множество представляет собой множество упорядоченных пар вида , где - элемент универсума , - функция принадлежности, которая определяет степень принадлежности элементов множества к элементам множества лингвистических термов L. Представим универсальное множество в следующем виде <показатель целевых задач, технический показатель, показатель по отказам, эксплуатационные затраты>. Множество лингвистических термов представим в виде , где NB - низкий показатель, NM - скорее низкий, чем средний, Z - средний, PM - скорее высокий, чем низкий, PB - высокий показатель. Зададим треугольный тип функции принадлежности для четырех входных переменных и одной выходной переменной. График функции принадлежности выходной переменной одного из показателей модернизации приведен на рис. 3 (для всех остальных показателей график такой же). Рис. 3. График функции принадлежности выходной переменной одного из показателей модернизации Нечеткие оценки остаточного ресурса базовой станции, задаваемые в виде нечетких множеств с функциями принадлежности, можно представить в следующем виде: - нечеткие оценки по целевым задачам: (5) - нечеткие оценки базовой станции по техническим характеристикам: (6) - нечеткие оценки по отказам: (7) - нечеткие оценки по эксплуатационным затратам: , (8) где - функции принадлежности четырех показателей необходимости модернизации. Подставляя выражения (5)-(8) в (1)-(4) соответственно, получим следующие нечеткие оценки показателей необходимости модернизации. Так как значение фактической наработки базовой станции есть величина постоянная, то нечеткие оценки можно записать в следующем виде: , где - нечеткая оценка показателя необходимости модернизации по целевым задачам; , где - нечеткая оценка показателя необходимости модернизации по техническим характеристикам; , где - нечеткая оценка показателя необходимости модернизации по отказам; где - нечетка оценка показателя необходимости модернизации по эксплуатационным затратам. Суммарный показатель необходимости модернизации рассчитывается как сумма отдельных показателей необходимости модернизации: , (9) где - весовые коэффициенты, сумма которых равна 1. Выражение (9) можно переписать в виде (10) Запас остаточного ресурса базовой станции по четырём показателям должен быть больше продолжительности её модернизации, поэтому значение для обобщенного показателя необходимости модернизации рассчитывается как сумма граничных значений отдельных показателей умноженных на весовые коэффициенты. (11) где - граничные значения модернизации; - весовые коэффициенты, сумма которых равна 1. Условием того, что модернизацию проводить необходимо, является выражение где - момент начала модернизации i-го элемента базовой станции. Продолжительность модернизации будет больше момента начала модернизации i-го элемента базовой станции, а следовательно, она целесообразна тогда, когда значение необходимости модернизации i-го элемента, полученное по формуле (10), больше граничных значений модернизации, рассчитанных по формуле (11). Пример. Рассмотрим базовую станцию, для которой нужно определить необходимость проведения модернизации. Предположим, что базовая станция работает в сети примерно 5 лет, т. е. фактическая наработка в сети в момент определения необходимости модернизации приблизительно 8 760 часов. После экспертного согласования получаем следующие оценки для соответствующих показателей (значения показателей оцениваются в диапазоне [0, 1]): - показатель необходимости модернизации= 0,2 (по причине увеличения количества целевых задач); весовой коэффициент = 0,2; - показатель модернизации = 0,4 (по причине ужесточения требований к техническим характеристикам); весовой коэффициент = 0,3; - показатель модернизации = 0,5 (по причине частых отказов, аварий и неисправностей); весовой коэффициент = 0,25; - показатель модернизации = 0,1 (по причине больших эксплуатационных затрат); весовой коэффициент = 0,25. По формуле (10) находим суммарный показатель необходимости модернизации = = 0,31. Далее находим граничные значения модернизации каждого из показателей по формуле (12), с учетом того, что и примерно = 240 ч, а и = 10 ч, и находим суммарный показатель как сумму граничных значений отдельных показателей умноженных на весовые коэффициенты = 0,99. Сравниваем его с суммарным показателем необходимости модернизации , получаем . Следовательно, проведение модернизации на данном этапе оценивания состояния базовой станции нецелесообразно. Данная систематизированная совокупность действий (привлечение экспертов, задание и согласование нечетких оценок и весовых коэффициентов по каждому показателю, а также вычисление суммарного показателя необходимости модернизации) позволяет оценить состояние базовой станции. Дальнейшее сравнение суммарного показателя модернизации с заранее вычисленным граничным показателем дает возможность применять такой метод при определении необходимости модернизации базовых станций с учетом фактической наработки в сотовой сети. В рамках предложенного метода используются опыт и знания экспертной группы [12], применение метода на практике может помочь в определении необходимости модернизации для последующего принятия решений о том, какая именно модернизация требуется. Заключение В ходе исследования получены следующие результаты: - выявлены основные факторы, обусловливающие сложности в процессе принятия решений при модернизации базовых станций; - определены этапы решения задачи модернизации базовых станций; - по рекомендациям экспертов определены показатели необходимости модернизации; - на основе математического аппарата теории нечетких множеств предложены выражения, позволяющие определить степень необходимости модернизации по таким показателям, как показатель необходимости модернизации вследствие увеличения количества целевых задач; показатель модернизации по причине ужесточения требований к техническим характеристикам; показатель модернизации по причине частых отказов, аварий и неисправностей; показатель модернизации по причине больших эксплуатационных затрат; - показано, что при оценивании остаточного ресурса базовых станций по четырем показателям и для расчета отдельных показателей, вследствие неопределенности, нужно использовать экспертные оценки; - получены выражения нечетких оценок остаточного ресурса базовых станций по каждому из показателей, задаваемые в виде нечетких множеств с функциями принадлежности; - сформулированы нечеткие оценки показателей необходимости модернизации и их суммарный показатель как сумма отдельных показателей необходимости модернизации; - рассчитано суммарное граничное значение модернизации для его сравнения с суммарным показателем необходимости модернизации. Предлагаемый метод и внедрение результатов исследований открывает возможности повышения эффективности управлением структурой и развитием сети оператора в процессе оказания услуг за счет более полного и точного учета сведений о состоянии отдельных элементов оборудования базовых станций и принятия решений по их модернизации. Привлекая к решению данного вопроса экспертов и используя теорию нечетких множеств, можно учесть как результаты точных измерений, так и нечеткие суждения.
Список литературы

1. Микони С. В. Теория принятия управленческих решений. СПб.: Лань, 2015. 448 с.

2. BigData. Большие данные - большие возможности операторов связи. URL: http://1234g.ru/novosti/bolshie-dannye-dlya-operatorov (дата обращения: 4.04.2017).

3. Фомина Т. А. Анализ рынка операторов сотовой связи // Молодой ученый. 2014. № 18. С. 466-468.

4. Колоколов А. А., Леванова Т. В., Поздняков Ю. С. Разработка гибридного алгоритма дискретной оптимизации для решения задачи модернизации базовых станций // Динамика систем, механизмов и машин. 2014. № 3. С. 74-90.

5. Витюк В. Л., Гузенко В. Л., Миронов Е. А., Севастьянов Д. А., Шестопалова О. Л. Модель для расчёта показателей качества функционирования системы технического обслуживания и ремонта сети связи // Фундаментальные исследования. 2015. № 5-3. С. 493-498.

6. Попов В. И., Скуднов В. А., Васильев А. С. Антенны базовых станций в сотовых сетях мобильной связи. Современное состояние и перспективы развития // Евразийский союз ученых. 2015. № 11-3 (20). С. 138-150.

7. Казаков Рус. Риф., Басотин Е. В., Миронов А. Н., Казаков Раф. Рам., Шестопалова О. Л. Анализ путей решения проблемы управления жизненным циклом наземного оборудования ракетно-космических комплексов // Фундаментальные исследования. 2016. № 6, ч. 2. С. 282-287.

8. Емельянов А. К. Оценка эффективности проектов развития инфраструктуры сетей сотовой связи // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5. С. 424.

9. Емельянов А. К. Пути повышения энергоэффективности подсистемы базовых станций сетей сотовой связи // Интернет-журнал «Науковедение». 2013. № 4 (17). С. 1-12. URL: http://naukovedenie.ru/PDF/30evn413.pdf.

10. Ухоботов В. И. Избранные главы теории нечетких множеств. Челябинск: Изд-во Челябинск. гос. ун-та, 2011. 245 с.

11. Дорохов А. Н., Миронов А. Н., Шестопалова О. Л. Определение потребности в модернизации средств технического обеспечения распределенной системы сбора и обработки информации // Информация и космос. 2014. № 1. С. 9-12.

12. Сорокин А. А., Дмитриев В. Н., Ахмат Юссуф. Модель нечеткого вывода для поддержки и принятия решений в процессе формирования структуры инфокоммуникационной системы // Науч. вестн. Новосибирск. гос. техн. ун-та. 2016. Т. 62, № 1. С. 74-90. DOI: 10.17212/1814-1196-2016-1-74-90.