為什么通信行業(yè)需要數字孿生？

孿生，就是雙胞胎（同卵）的意思。由于兩人共享完全相同的基因，他們心靈相通，對同一種食物過(guò)敏，患同樣疾病的幾率也相同，因此對于其中一個(gè)人的治療方案，可以直接照搬到另一個(gè)人身上。

所謂數字孿生，就是給現實(shí)事物在計算機系統上創(chuàng )建一個(gè)“數字克隆體”。他們雖然一個(gè)真實(shí)一個(gè)虛擬，但運轉方式分毫不差，因此本體可以把自身狀態(tài)實(shí)時(shí)同步給數字克隆體，而數字克隆體也可以通過(guò)大數據和人工智能等先進(jìn)工具來(lái)不斷求索，把得出的最佳決策方案下發(fā)給本體來(lái)執行。

數字孿生，其本質(zhì)上是一個(gè)解決復雜系統問(wèn)題的工具。其價(jià)值，就是將數字克隆體打造為本體的實(shí)驗床，用來(lái)在數字世界不斷進(jìn)行技術(shù)驗證、尋優(yōu)、試錯；而現實(shí)世界的本體則保持穩定，在必要時(shí)刻把數字克隆體的成果拿過(guò)來(lái)用即可。這樣一來(lái)，自然可以降低風(fēng)險，節約成本，提高效率。

數字孿生肇端于航天軍工領(lǐng)域，并不斷向智能制造、智慧城市等垂直行業(yè)拓展。隨著(zhù)Gartner 連續三年將數字孿生列入年度（2017-2019）十大戰略性技術(shù)趨勢，通信行業(yè)也開(kāi)始研究數字孿生的應用。

? ?? 為什么通信行業(yè)需要數字孿生？

經(jīng)常進(jìn)行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )測試、運維、優(yōu)化的同學(xué)，對下面這兩個(gè)詞可能深有體會(huì )：“如履薄冰，如臨深淵”。

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )屬于基礎設施，所提供的打電話(huà)、上網(wǎng)等服務(wù)也都是不可離開(kāi)須臾的剛需。一旦操作失誤導致大面積、長(cháng)時(shí)間斷網(wǎng)或者性能惡化，不啻于一場(chǎng)大的事故。

因此，所有運營(yíng)商對“現網(wǎng)”的任何操作，都是慎之又慎的。比如，對于新功能測試，一般都要嚴格選擇并限定區域，再三確認修改參數，操作實(shí)施還要在凌晨大家在睡覺(jué)的時(shí)間進(jìn)行，生怕出問(wèn)題影響用戶(hù)。

通信系統是一個(gè)極盡復雜的龐大系統，端到端網(wǎng)絡(luò )包含各種網(wǎng)元，每個(gè)網(wǎng)元都有多種不同的工作崗位，關(guān)注點(diǎn)也各不相同。

我們就像盲人摸象一樣，只見(jiàn)樹(shù)木不見(jiàn)森林，難以掌控全局，對用戶(hù)需求的變化反應緩慢，缺乏準確預測網(wǎng)絡(luò )性能的工具，只能小步慢走，試探前行。

所謂“智者千慮，必有一失”。不管我們怎樣“計劃周全”地運籌帷幄，也很難一帆風(fēng)順地決勝千里，在執行時(shí)總會(huì )出各種各樣意想不到的問(wèn)題。

如果我們能有一套系統，不但可以在部署之前充分驗證參數組合的有效性，還能通過(guò)智能尋優(yōu)來(lái)找出最優(yōu)參數，配置下發(fā)之后基站一運行，果然分毫不差。所謂“閉門(mén)造車(chē)，出門(mén)合轍”，便是如此境界。

為了設計這套系統，業(yè)界把目光投向了一種全新的數字化理念：

沒(méi)錯，那就是：數字孿生。

? ???通信行業(yè)怎樣應用數字孿生？

通信網(wǎng)絡(luò )，在構建“數字孿生”系統上，優(yōu)勢是得天獨厚的。

首先，網(wǎng)絡(luò )中的每一個(gè)基站，其實(shí)在網(wǎng)管系統中存在精確的模型。其中不但包含站址、經(jīng)緯度、天線(xiàn)掛高、方位角、俯仰角等工程參數，還包含諸多的功能特性、成千上萬(wàn)個(gè)塑造了網(wǎng)絡(luò )性能的無(wú)線(xiàn)參數、以及和其他網(wǎng)元協(xié)同工作的地面參數等等，這些數據已經(jīng)可以構建一個(gè)數字化的基站了。

然后，在核心網(wǎng)中，存儲著(zhù)每個(gè)用戶(hù)的一切數據，知道每一個(gè)用戶(hù)到底在什么地方、使用什么套餐、喜歡用什么APP、拿的是什么手機、什么時(shí)候給誰(shuí)打電話(huà)等等信息。一般來(lái)說(shuō)，運營(yíng)商對這些數據的管理非常嚴格，不必擔心自己被偷窺。

第三，你的手機只要有信號，就在不斷地和網(wǎng)絡(luò )進(jìn)信息交互，除了實(shí)際發(fā)送的數據之外，還有用于系統控制的信令、探測各頻段的無(wú)線(xiàn)信號、上報自己測得的信號質(zhì)量，等等不一而足?；緞t更是繁忙，除了為手機提供服務(wù)之外，還將收集到的所有信息匯總成性能KPI，用于判斷你的用戶(hù)體驗到底如何。也就是說(shuō)，整個(gè)系統對信息的內容和流向，是全面掌握的。
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可以看出，目前的通信網(wǎng)絡(luò )在專(zhuān)有硬件之上，已經(jīng)構建了一套非常完善的軟件系統，并擁有了如此詳盡且可以實(shí)時(shí)交互更新的數據。我們在此基礎之上，進(jìn)行適當的簡(jiǎn)化和取舍，就可以在通用服務(wù)器上構建出一套虛擬的，高精度的數字孿生系統了。

首先我們要做的，就是在通用服務(wù)器的基礎上，端到端地搭建一套完全虛擬化的孿生系統。

孿生手機：在一臺服務(wù)器上模擬多臺不同能力的手機，并可配置隨機進(jìn)行不同的行為來(lái)模擬真實(shí)用戶(hù)。比如，x%的手機看視頻，y%的手機玩游戲，z%的手機高速移動(dòng)......這些虛擬的手機不需要實(shí)際發(fā)射信號，因為它們連接到的是虛擬的無(wú)線(xiàn)信道。

孿生無(wú)線(xiàn)信道：需要基于高精度地圖和手機所在的環(huán)境信息，通過(guò)射線(xiàn)跟蹤模型來(lái)模擬無(wú)線(xiàn)信號傳播的反射、散射、繞射、衰落，還能根據手機的移動(dòng)軌跡來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，各種場(chǎng)景下的干擾也可以進(jìn)行模擬，可以說(shuō)是非常全面了。

B5G 和 6G 通信數字孿生信道建模方法的知識圖譜，來(lái)源：面向 B5G 和 6G 通信的數字孿生信道研究

孿生基站：完全用服務(wù)器模擬的基站，細節上包含物理基站的所有軟硬件模塊，上面的跑的軟件算法和真實(shí)基站是完全一樣的，唯一不同的是該基站不需要實(shí)際發(fā)射信號，取而代之的是上述虛擬的無(wú)線(xiàn)信道。

孿生核心網(wǎng)：目前商用的核心網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現了完全的虛擬化，只需要直接拿過(guò)來(lái)，再進(jìn)行一些精簡(jiǎn)和適配就可以用了。

這套端到端的虛擬化孿生系統，在上面加載和物理手機、基站及核心網(wǎng)完全同樣的軟件算法，并配置相同的參數之后，就可以1:1保真地模擬真實(shí)基站。一個(gè)業(yè)務(wù)，在孿生系統里面跑出來(lái)的結果，和在真實(shí)基站下的效果是一致的。

比如說(shuō)，這套孿生系統可以精準地預測網(wǎng)絡(luò )性能：假設你在人民廣場(chǎng)用手機看視頻，與此同時(shí)虛擬手機也在虛擬的人民廣場(chǎng)看同樣的視頻，你的真實(shí)手機和虛擬手機上的視頻清晰度和流暢度是一模一樣的。

有了最基礎的孿生系統還不夠，我們還需要在上面構造一個(gè)智能化、自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò )應用層，用來(lái)解決物理網(wǎng)絡(luò )中的實(shí)際問(wèn)題，包括端到端網(wǎng)絡(luò )SLA質(zhì)量保障、精準網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化、大規模天線(xiàn)權值優(yōu)化、用戶(hù)體驗提升等等。

數字孿生網(wǎng)絡(luò )結構，來(lái)源：數字孿生網(wǎng)絡(luò )（DTN）白皮書(shū)

如上圖所示，網(wǎng)絡(luò )應用層、孿生網(wǎng)絡(luò )層和物理網(wǎng)絡(luò )層之間的數據流轉構成了一個(gè)大循環(huán)，我們稱(chēng)之為“外循環(huán)”；在孿生網(wǎng)絡(luò )層內部，也會(huì )有一個(gè)不斷迭代調優(yōu)和仿真驗證的“內循環(huán)”。

這些問(wèn)題的解決一般是下面的思路：

數字孿生網(wǎng)絡(luò )的運行過(guò)程，來(lái)源：基于數字孿生網(wǎng)絡(luò )的6G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自治白皮書(shū)

首先，系統根據物理網(wǎng)絡(luò )實(shí)體構建數字孿生體；運維人員下發(fā)意圖，系統通過(guò)意圖網(wǎng)絡(luò )將其翻譯為網(wǎng)絡(luò )自治需求；數字孿生體以需求為導向，內部不斷進(jìn)行自我迭代優(yōu)化和仿真驗證，直至孿生網(wǎng)絡(luò )的性能達到預期目標；然后數字孿生網(wǎng)絡(luò )生成“數字規劃體”，并以其為將優(yōu)化好的數據同步給物理網(wǎng)絡(luò )實(shí)體，這就是“內循環(huán)”。

物理網(wǎng)絡(luò )用新的數據運行之后，發(fā)現結果跟目標還是有差距，于是把結果反饋給數字孿生體繼續進(jìn)行優(yōu)化，這就是“外閉環(huán)”。這兩個(gè)閉環(huán)就這樣不斷運轉，驅動(dòng)物理網(wǎng)絡(luò )性能達成預期目標。

下面我們以網(wǎng)絡(luò )速率優(yōu)化為例來(lái)說(shuō)明數字孿生網(wǎng)絡(luò )在其中起到的作用。

當前我們在無(wú)線(xiàn)速率優(yōu)化時(shí)主要面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：

1. 用戶(hù)感知變差目前主要是通過(guò)用戶(hù)投訴或者告警等進(jìn)行被動(dòng)發(fā)現，再經(jīng)過(guò)派發(fā)工單，

問(wèn)題定位，解決等流程后，將嚴重影響用戶(hù)的感知及滿(mǎn)意度；

2. 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )本身的復雜性，導致影響速率的因素過(guò)多，而同時(shí)又無(wú)法確定在不同的外

部或內部環(huán)境下不同因素的實(shí)際影響范圍；

3. 在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化時(shí)，我們無(wú)法預知調整不同影響因素時(shí)對現有網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)造成的

影響是大還是小，是正面的還是負面的；

4. 在實(shí)際的參數調整后，我們的測試驗證往往是不充分的，容易遺漏與本次操作關(guān)系不大的其他場(chǎng)景的驗證，導致業(yè)務(wù)受到影響，同時(shí)浪費大量的人力、物力。

基于數字孿生網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)速率優(yōu)化示意圖，來(lái)源：數字孿生網(wǎng)絡(luò )（DTN）白皮書(shū)

有了數字孿生網(wǎng)絡(luò )，可自動(dòng)化地進(jìn)行地理空間仿真、無(wú)線(xiàn)覆蓋仿真、以及無(wú)線(xiàn)參數配置仿真，及時(shí)發(fā)現用戶(hù)感知問(wèn)題，并根據仿真結果來(lái)在孿生網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行站點(diǎn)新增、覆蓋優(yōu)化、以及參數優(yōu)化并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )速率的迭代驗證；最終，優(yōu)化好的方案會(huì )輸出給物理網(wǎng)絡(luò )來(lái)執行。

當然，有些操作需要人工進(jìn)行，比如站點(diǎn)新建和天線(xiàn)覆蓋方向調整等。這些人工操作再疊加物理網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)執行的部分，最終達到網(wǎng)絡(luò )速率優(yōu)化的目標。

?????未來(lái)的展望

在5G以及之前的通信系統里，網(wǎng)絡(luò )的規劃、建設、運維和優(yōu)化等生命周期的各階段相互割裂，導致效率低，成本居高不下。自智網(wǎng)絡(luò )，正是為了解決這些問(wèn)題而提出的。數字孿生，是實(shí)現自智網(wǎng)絡(luò )的重要途徑，目前業(yè)界已經(jīng)展開(kāi)了廣泛的研究。

5G 網(wǎng)絡(luò )運維管理與 6G 數字孿生網(wǎng)絡(luò )自治的對比，來(lái)源：基于數字孿生網(wǎng)絡(luò )的6G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自治白皮書(shū)

目前，數字孿生在通信網(wǎng)絡(luò )中的應用還處于早期研究階段，業(yè)界對于數字孿生網(wǎng)絡(luò )的概念和內涵尚未形成共識。并且，作為基于規模龐大的通信網(wǎng)絡(luò )構建的復雜系統，數字孿生網(wǎng)絡(luò )在數據、模型和架構方面存在多項需要攻克的技術(shù)難題。

業(yè)界當前在5G網(wǎng)絡(luò )上對數字孿生的探索，還都是外掛式的，碎片化的?！巴鈷焓健笔侵笖底謱\生網(wǎng)絡(luò )和物理網(wǎng)絡(luò )在硬件和軟件上是割裂的，并未進(jìn)行融合，這就使數據同步和下發(fā)的實(shí)時(shí)性和有效性受到了限制；“碎片化”是指通過(guò)用例驅動(dòng)的方式對某些特定的功能實(shí)現較高的自動(dòng)化程度，但系統性、普適性還不夠。

孿生的數字化網(wǎng)絡(luò )端到端架構示意圖，來(lái)源：基于數字孿生網(wǎng)絡(luò )的6G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )自治白皮書(shū)

在6G時(shí)代，我們期望利用網(wǎng)絡(luò )的內生算力和內生智能來(lái)構建數字孿生網(wǎng)絡(luò )，并在其上進(jìn)行虛實(shí)對接、持續規劃和故障自愈，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )全生命周期的高水平自治和閉環(huán)自治，降低人力消耗，大幅提升網(wǎng)絡(luò )運行效率。

千里之行，始于足下。數字孿生這顆的種子，在業(yè)界同仁的傾心澆灌之下，必將在6G時(shí)代綻放出絢爛之花。

審核編輯：黃飛

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