為什么通信行業(yè)需要數(shù)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，對同一種食物過敏，患同樣疾病的幾率也相同，因此對于其中一個人的治療方案，可以直接照搬到另一個人身上。

所謂數(shù)字孿生，就是給現(xiàn)實事物在計算機系統(tǒng)上創(chuàng)建一個“數(shù)字克隆體”。他們雖然一個真實一個虛擬，但運轉(zhuǎn)方式分毫不差，因此本體可以把自身狀態(tài)實時同步給數(shù)字克隆體，而數(shù)字克隆體也可以通過大數(shù)據(jù)和人工智能等先進工具來不斷求索，把得出的最佳決策方案下發(fā)給本體來執(zhí)行。

數(shù)字孿生，其本質(zhì)上是一個解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的工具。其價值，就是將數(shù)字克隆體打造為本體的實驗床，用來在數(shù)字世界不斷進行技術(shù)驗證、尋優(yōu)、試錯；而現(xiàn)實世界的本體則保持穩(wěn)定，在必要時刻把數(shù)字克隆體的成果拿過來用即可。這樣一來，自然可以降低風險，節(jié)約成本，提高效率。

數(shù)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Gartner 連續(xù)三年將數(shù)字孿生列入年度（2017-2019）十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢，通信行業(yè)也開始研究數(shù)字孿生的應(yīng)用。

關(guān)于數(shù)字孿生的起源，可以參考上期的這篇文章：《數(shù)字孿生，竟起源于一場差點發(fā)生的災(zāi)難？》。

為什么通信行業(yè)需要數(shù)字孿生？

經(jīng)常進行無線網(wǎng)絡(luò)測試、運維、優(yōu)化的同學，對下面這兩個詞可能深有體會：“如履薄冰，如臨深淵”。

移動通信網(wǎng)絡(luò)屬于基礎(chǔ)設(shè)施，所提供的打電話、上網(wǎng)等服務(wù)也都是不可離開須臾的剛需。一旦操作失誤導(dǎo)致大面積、長時間斷網(wǎng)或者性能惡化，不啻于一場大的事故。

因此，所有運營商對“現(xiàn)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(qū)域，再三確認修改參數(shù)，操作實施還要在凌晨大家在睡覺的時間進行，生怕出問題影響用戶。

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

我們就像盲人摸象一樣，只見樹木不見森林，難以掌控全局，對用戶需求的變化反應(yīng)緩慢，缺乏準確預(yù)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，也很難一帆風順地決勝千里，在執(zhí)行時總會出各種各樣意想不到的問題。

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

為了設(shè)計這套系統(tǒng)，業(yè)界把目光投向了一種全新的數(shù)字化理念：

沒錯，那就是：數(shù)字孿生。

通信行業(yè)怎樣應(yīng)用數(shù)字孿生？

通信網(wǎng)絡(luò)，在構(gòu)建“數(shù)字孿生”系統(tǒng)上，優(yōu)勢是得天獨厚的。

首先，網(wǎng)絡(luò)中的每一個基站，其實在網(wǎng)管系統(tǒng)中存在精確的模型。其中不但包含站址、經(jīng)緯度、天線掛高、方位角、俯仰角等工程參數(shù)，還包含諸多的功能特性、成千上萬個塑造了網(wǎng)絡(luò)性能的無線參數(shù)、以及和其他網(wǎng)元協(xié)同工作的地面參數(shù)等等，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)可以構(gòu)建一個數(shù)字化的基站了。

然后，在核心網(wǎng)中，存儲著每個用戶的一切數(shù)據(jù)，知道每一個用戶到底在什么地方、使用什么套餐、喜歡用什么APP、拿的是什么手機、什么時候給誰打電話等等信息。一般來說，運營商對這些數(shù)據(jù)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)進信息交互，除了實際發(fā)送的數(shù)據(jù)之外，還有用于系統(tǒng)控制的信令、探測各頻段的無線信號、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，用于判斷你的用戶體驗到底如何。也就是說，整個系統(tǒng)對信息的內(nèi)容和流向，是全面掌握的。

可以看出，目前的通信網(wǎng)絡(luò)在專有硬件之上，已經(jīng)構(gòu)建了一套非常完善的軟件系統(tǒng)，并擁有了如此詳盡且可以實時交互更新的數(shù)據(jù)。我們在此基礎(chǔ)之上，進行適當?shù)暮喕腿∩?，就可以在通用服?wù)器上構(gòu)建出一套虛擬的，高精度的數(shù)字孿生系統(tǒng)了。

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

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

孿生無線信道：需要基于高精度地圖和手機所在的環(huán)境信息，通過射線跟蹤模型來模擬無線信號傳播的反射、散射、繞射、衰落，還能根據(jù)手機的移動軌跡來進行動態(tài)調(diào)整，各種場景下的干擾也可以進行模擬，可以說是非常全面了。

B5G 和 6G 通信數(shù)字孿生信道建模方法的知識圖譜，來源：面向 B5G 和 6G 通信的數(shù)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(jié)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基站是完全一樣的，唯一不同的是該基站不需要實際發(fā)射信號，取而代之的是上述虛擬的無線信道。

孿生核心網(wǎng)：目前商用的核心網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)了完全的虛擬化，只需要直接拿過來，再進行一些精簡和適配就可以用了。

這套端到端的虛擬化孿生系統(tǒng)，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(shù)之后，就可以1:1保真地模擬真實基站。一個業(yè)務(wù)，在孿生系統(tǒng)里面跑出來的結(jié)果，和在真實基站下的效果是一致的。

比如說，這套孿生系統(tǒng)可以精準地預(yù)測網(wǎng)絡(luò)性能：假設(shè)你在人民廣場用手機看視頻，與此同時虛擬手機也在虛擬的人民廣場看同樣的視頻，你的真實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(chǔ)的孿生系統(tǒng)還不夠，我們還需要在上面構(gòu)造一個智能化、自動化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，用來解決物理網(wǎng)絡(luò)中的實際問題，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(guī)模天線權(quán)值優(yōu)化、用戶體驗提升等等。

數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來源：數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)（DTN）白皮書

如上圖所示，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層、孿生網(wǎng)絡(luò)層和物理網(wǎng)絡(luò)層之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)構(gòu)成了一個大循環(huán)，我們稱之為“外循環(huán)”；在孿生網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部，也會有一個不斷迭代調(diào)優(yōu)和仿真驗證的“內(nèi)循環(huán)”。

這些問題的解決一般是下面的思路：

數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的運行過程，來源：基于數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的6G無線網(wǎng)絡(luò)自治白皮書

首先，系統(tǒng)根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)實體構(gòu)建數(shù)字孿生體；運維人員下發(fā)意圖，系統(tǒng)通過意圖網(wǎng)絡(luò)將其翻譯為網(wǎng)絡(luò)自治需求；數(shù)字孿生體以需求為導(dǎo)向，內(nèi)部不斷進行自我迭代優(yōu)化和仿真驗證，直至孿生網(wǎng)絡(luò)的性能達到預(yù)期目標；然后數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)生成“數(shù)字規(guī)劃體”，并以其為將優(yōu)化好的數(shù)據(jù)同步給物理網(wǎng)絡(luò)實體，這就是“內(nèi)循環(huán)”。

物理網(wǎng)絡(luò)用新的數(shù)據(jù)運行之后，發(fā)現(xiàn)結(jié)果跟目標還是有差距，于是把結(jié)果反饋給數(shù)字孿生體繼續(xù)進行優(yōu)化，這就是“外閉環(huán)”。這兩個閉環(huán)就這樣不斷運轉(zhuǎn)，驅(qū)動物理網(wǎng)絡(luò)性能達成預(yù)期目標。

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

當前我們在無線速率優(yōu)化時主要面臨以下幾個問題：

1. 用戶感知變差目前主要是通過用戶投訴或者告警等進行被動發(fā)現(xiàn)，再經(jīng)過派發(fā)工單，

問題定位，解決等流程后，將嚴重影響用戶的感知及滿意度；

2. 無線網(wǎng)絡(luò)本身的復(fù)雜性，導(dǎo)致影響速率的因素過多，而同時又無法確定在不同的外

部或內(nèi)部環(huán)境下不同因素的實際影響范圍；

3. 在進行無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時，我們無法預(yù)知調(diào)整不同影響因素時對現(xiàn)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. 在實際的參數(shù)調(diào)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)系不大的其他場景的驗證，導(dǎo)致業(yè)務(wù)受到影響，同時浪費大量的人力、物力。

基于數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的無線速率優(yōu)化示意圖，來源：數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)（DTN）白皮書

有了數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)，可自動化地進行地理空間仿真、無線覆蓋仿真、以及無線參數(shù)配置仿真，及時發(fā)現(xiàn)用戶感知問題，并根據(jù)仿真結(jié)果來在孿生網(wǎng)絡(luò)中進行站點新增、覆蓋優(yōu)化、以及參數(shù)優(yōu)化并進行網(wǎng)絡(luò)速率的迭代驗證；最終，優(yōu)化好的方案會輸出給物理網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行。

當然，有些操作需要人工進行，比如站點新建和天線覆蓋方向調(diào)整等。這些人工操作再疊加物理網(wǎng)絡(luò)自動執(zhí)行的部分，最終達到網(wǎng)絡(luò)速率優(yōu)化的目標。

未來的展望

在5G以及之前的通信系統(tǒng)里，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)、運維和優(yōu)化等生命周期的各階段相互割裂，導(dǎo)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題而提出的。數(shù)字孿生，是實現(xiàn)自智網(wǎng)絡(luò)的重要途徑，目前業(yè)界已經(jīng)展開了廣泛的研究。

5G 網(wǎng)絡(luò)運維管理與 6G 數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)自治的對比，來源：基于數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的6G無線網(wǎng)絡(luò)自治白皮書

目前，數(shù)字孿生在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還處于早期研究階段，業(yè)界對于數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的概念和內(nèi)涵尚未形成共識。并且，作為基于規(guī)模龐大的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的復(fù)雜系統(tǒng)，數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)、模型和架構(gòu)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(shù)字孿生的探索，還都是外掛式的，碎片化的?！巴鈷焓健笔侵笖?shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)在硬件和軟件上是割裂的，并未進行融合，這就使數(shù)據(jù)同步和下發(fā)的實時性和有效性受到了限制；“碎片化”是指通過用例驅(qū)動的方式對某些特定的功能實現(xiàn)較高的自動化程度，但系統(tǒng)性、普適性還不夠。

孿生的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)端到端架構(gòu)示意圖，來源：基于數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的6G無線網(wǎng)絡(luò)自治白皮書

在6G時代，我們期望利用網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)生算力和內(nèi)生智能來構(gòu)建數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)，并在其上進行虛實對接、持續(xù)規(guī)劃和故障自愈，實現(xiàn)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(shù)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時代綻放出絢爛之花。

審核編輯 ：李倩