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数字孪生赋能智慧网络

发布时间:2022-08-01

编辑人:灵图互动

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1. 需求背景

数字孪生经历了一段时间的平稳发展,直到5G技术的出现,数字孪生技术的发展才正式进入快车道,本质原因是数字孪生的实现依赖通信技术的高效支撑。

数字孪生与网络发展相辅相成,当前的网络数字孪生发展还处于探索阶段,基于数字孪生实现网络管理智能化,同时辅助管理者挖掘网络潜在能力。GSMA(全球移动通信系统协会)专家提出,5G物联网时代的数字孪生将大幅提升各行业数字化进程,随着5G时代到来,网络数字孪生应运而生。数字孪生技术可以为以下示例性列举的一些场景提供支持:

1.1 5G网络目前的可用性有限研究人员和开发者要想实际访问5G网络非常困难,而且成本极高。许多行业都想探索5G的商业潜力,因此也需要一个灵活、低成本、高效率的研究场地。

1.2 网络安全性方面的风险也正在日益提高这意味着如果我们想要以前瞻方式研究风险,就需要具备一个有代表性的沙盘。

1.3 通信服务商也需要一系列的环境,对复杂的5G网络所应具备的行为和性能进行连续的验证和优化。5G网络数字孪生是一种仿真出来的物理网络端对端软件复本,两者以平行方式运行,从而可以实现连续的评估、预测和建议,以高效的、前瞻方式为实际运行的网络及其相关服务提供建模、验证和保障。

2. 功能架构

2.1 物理网络层

物理网络层是指实体网络,包括网络设备设施、网络服务的地理环境信息、完整的组网信息等。

2.2 数据层

数据是数字孪生运行的血液,用于物理网络层的信息上报和孪生层生成的策略指令下发等,同时数据层肩负着数据采集、数据清洗、数据汇聚、数据处理、及数据存储等能力。

2.3 孪生层

孪生层包含网元单体模型的构建及网络服务场景的构建,运用数字线程技术驱动场景运行赋能网络全生命周期管理。

2.4 应用层

基于孪生网络能力,超前验证网络生命周期各阶段遇到的问题,实现网络演进预测。

数字孪生智慧网络整体架构

3. 数字孪生智慧网络解决方案核心价值

3.1 沉浸式的管理体验

基于数字孪生实时交互并可视呈现的能力,为管理者提供了一种沉浸式的交互体验,动态的运行状态监测可及时发现网络异常并预测网络演进方向等信息。

全息化呈现网络虚实交互映射,帮助用户更清晰地感知网络状、更高效地挖掘网络有价值信息、以更友好的沉浸交互界面探索网络创新应用。

3.2 网络业务全生命周期管理

传统的网络业务生命周期管理没有很好的融合,不利于网络故障回溯、故障预测、网络优化设计等,网络数字孪生可以基于设备孪生体模型预测设备运行状态,当网络出现故障,回溯到网络与网元的“过去”,实现了网络和设备的生命周期关联分析,通过数字孪生网络将网络和设备的生命周期紧密结合,实现网络和设备的全流程精细化管理。

3.3 网络风险和成本降低

基于数字孪生网络对网络优化方案高效仿真,充分验证后部署至实体网络,降低现网部署的试错风险和成本,提高方案部署的效率。借助网络数字孪生,可实现低成本、高效率的网络创新技术研究,降低新技术在现网中验证时产生的风险,减小部署到现网中发生错误的可能性。

3.4 网络实时闭环控制

基于数字孪生网络具备的仿真、分析和预测功能,生成相应的网络配置,实现网络实时闭环验证控制。

4. 关键技术

4.1 网络数字孪生体建模技术

网络数字孪生体建模技术实现了物理空间中的网络实体向虚拟空间孪生体的映射,并通过在虚拟空间进行分析和决策,形成交互指令对物理空间进行干预和调控,使整个物理系统保持良好的运行状态。网络数字孪生体模型构建技术主要包括:孪生网络本体模型构建、统一表征融合网络孪生体数据库的构建以及网元模型和拓扑模型的构建。

一是孪生网络本体模型构建。

孪生网络本体模型是实现大规模网络数据一致性表征的基础。首先定义本体的组成要素,例如,类、属性、关系、规则和实例。

继而通过本体模型对大规模网络数据进行一致性表征。

二是统一表征融合网络孪生体数据库的构建。

基于孪生网络本体模型构建多源异构数据一致性融合表征操作,形成具有统一格式的数据,完成从多源异构数据到统一表征数据的映射。

三是网元模型和拓扑模型的构建。

根据不同网元模型的功能或拓扑模型的结构,可基于统一表征的数据库,按需组合构建网络基础模型,从而实现孪生网络和物理网络的虚实映射。

4.2 数字线程技术

数字线程是一种可扩展、可配置分析框架,将物理对象的全生命周期的各数字孪生体之间的数据资产进行传递和追溯,从而实现优秀策略的沉淀。数字线程技术是数字孪生网络场景的驱动器。它按照业务规则,在场景中对数字孪生体之间建立连接,并调度数字孪生体的交互,在场景中实现动态的业务逻辑,并管理每个数字孪生体的整个生命周期,需要具备以下主要能力:

一是场景驱动。

根据业务规则或预设的自然规则(重力、材质碰撞、地形淹没等),在场景中驱动数字孪生体交互,实现孪生域中各业务实践。数字线程技术在数字孪生网络中可驱动多个数字孪生体实例在多样化场景中进行网络性能验证。

二是场景隔离。

可对不同的场景生成不同的驱动线程实例,每个线程实例驱动一个场景运行,多场景同步运行时,场景中的孪生体实例互相不影响。同时还对场景、孪生体等实现鉴权服务,控制访问安全性。

三是数字孪生体生命周期追溯。

可对场景中的每个孪生体运行动作记录日志,后续可进行追溯与回放。

4.3 网络数字孪生可视化技术

根据通信业务需求,运用数字孪生技术构建网络数字孪生体模型,基于业务需求,构建不同级别的可视化能力,同时能够通过通信网络网元数字孪生体的拓扑规则形成网络网元的拓扑结构,并满足通信网络数字孪生体与现实物理通信网络设备之间的动态交互、关联性交互和沉浸式模拟。

网络数字孪生可视化需要支持不同精度的网元单体模型、场景模型构建能力,基于业务选择合适级别的可视化能力,以此构建对应环境的拟真能力。覆盖小微场景到规模化的城市级场景网络全生命周期管理可视化,通过该技术能高度拟真还原现实网络,利用数字线程驱动场景可视化运行,通过数字线程修改其网络可视化内容,达到动态可视的能力。构建一个宏观到微观、室内到室外、个性化场景到规模化场景、网络组网到设备单体的数字孪生网络的平行世界。

利用网络可视化技术,一方面可以辅助用户认识网络的内部结构,另一方面有助于挖掘隐藏在网络内部的有价值信息。数字孪生网络的可视化面临孪生网络规模大、虚实映射实时性要求高的挑战。网络孪生体可视化呈现分为以下3类:

一是网络拓扑可视化。

作为数字孪生网络可视化的基础,网络拓扑可视化将网络节点和链路以点和线构成图形进行呈现,清晰直观地反映网络运行状况,辅助人们对网络进行评估和分析。可视化布局算法是拓扑可视化的核心。

二是功能模型可视化。

将相关的可视化技术运用到数字孪生网络的流量建模、故障诊断、质量保障、安全建模等功能模型中,基于网络孪生体完成功能验证的同时实现可视化呈现。可进一步直观体现统一数据模型作为数字孪生网络能力源所发挥的作用。

三是可视化动态交互。

数字孪生网络的网络拓扑和数据模型需要尽可能提供动态交互功能,让用户更好地参与对网络数据和模型的理解和分析,帮助用户探索数据、提高视觉认知。常用的网络可视化动态交互方法有直接交互、焦点和上下文交互、关联性交互和沉浸式模拟等。

5. 数字孪生智慧网络功能

5.1 无线网络重保

无线通信基于其构建成本廉价、建设工程周期短、适应性和扩展性好、设备易维护、等特性,为用户在日常生活中使用带来了广泛的便利性。当前包括但不限于智慧景区、智慧园区、智慧社区、智慧楼宇、智慧场馆等基本都是运用无线通信技术用于场景下的日常运作。

特定的无线网络应用场景往往对性能、覆盖范围等有所不同,现场组网方式也显有差异,既要满足用户对网络能力的要求,又要降低场景相关负责人的管理难度。需要一种具备极致透视能力的网络管理办法,实现对特定场景下无线网络的精细化管理。基于数字孪生技术的无线网络的实时重保应用,首先应对重保区域定义地理化围栏,依据网络孪生体(包括AAU CU、DU等)实例,自动化构建复现重保区域的无线网络情况,运用数字线程技术驱动孪生体实例运行,可模拟网络的运行状态及验证网络的性能,也可同步监测物理网络的运行情况。运用可视化技术将网络节点和链路以点和线的形式构成图形进行呈现,观地反映网络运行状况,基于孪生体与网元实体交互特性,依据场景的演化趋势,网元实体也可以接受孪生体的指令做相应配置调整,同时基于网元实体的运行状态,孪生体也可提前预测网络的运行趋势,辅助人们对网络进行评估和分析。让用户更好地参与对网络数据和模型的理解和分析,帮助用户探索数据、提高视觉认知。提升网络全息化呈现水平,如各种网元、拓扑信息、网络业务负荷、网络质量、详细告警等的实时状态、演化方向等信息等。

重保场景业务监测

5.2 智慧园区网络管理

智慧园区作为智慧城市发展的助推器,近些年各市政部门也在大力推动其合理化的建设进程,园区的总体建设目标主要围绕““安全”、“环保”、“安防”、“能源”、“应急”、“办公”等需求最终实现统一的智慧化管理。而通信技术作为"园区智慧化”实现的基础,有效合理的赋能园区内所有末端设备,才能真正实现园区的智慧化管理。传统的智慧园区布网方案复杂,设备入网方式混乱,管理不便。本案例提供了一种基于数字孪生技术的智慧园区网络管理方案。

非工业场景的智慧园区网络组网管理主要考虑门禁、智慧停车、智慧安防、智慧水电、商务办公场所等。基于数字孪生的园区网络设计,首先应对园区做统一的概框调研,落实园区各业务场景需求,对园区各板块进行模块化分类和统一集成管理,按需配置。智慧园区在网络规划前应知晓园区概框(面积、管理方式、租户类型) 园区特点(人员是否密集、企业是否有恶略网络使用需求等) 痛点问题(如是否有效率要求,无线代替有线减少布线麻烦等问题)、业务指标(关键的SLA如带宽、时延、可靠性、人员密度等)、终端要求(用户前端设备、传感器、监控设备)等,内容不限上述所述,应尽可能涵盖所有影响园区网络布局的因素。根据场景要求进行网络合理化配置。

基于数字孪生融合5G及行业现场接入技术的智慧园区网络模块化管理方案,运用5G融合行业现场网接入技术(RFID\蓝牙\wi-fi\UWB等)有关技术,将园区内各类网络需求按模块化分类统一集成管理。通过现场级边缘网关统一接入数字孪生平台,运用数字孪生技术复现园区全貌,构建孪生的智慧园区网络,运用大数据、AI等技术全面分析园区网络需求,生成网络服务方案,并在孪生的智慧园区中进行网络的编排构建,模拟验证业务符合性,同时在智慧园区网络运行过程,实时运行数据映射至孪生网络,基于各业务场景需求,在现有的资源中,孪生网络可以基于各业务 SLA要求,实时调配网络资源,按需保障各业务的优先级,有效保障各业务的SLA要求等。 数字孪生技术与5G及行业现场接入技术融合,以UPF下沉为特点的5G专网将在现场网中大量应用,部署在用户侧的UPF将数据分流至边缘计算平台进行处理,使得智慧园区中的用户侧数据不出场,最大限度的保证了数据安全。同时基于模块化的管理,在园区网络发生拓扑结构变化时,基于数字孪生技术也可以优先验证新的业务会给原有业务带来哪些影响,并基于影响因素输出网络调整或参数配置调整方案。最终实现对不同的工作场景所需的网络模块精细化管理,完成低成本试错,提高园区网络交付效率。

6. 典型案例

6.1 数字孪生助力场馆重点区域网络保障

6.1.1 应用背景

赛事要求确保期间关键场所有线、无线网络的通信畅通、安全,保证网络高质量运行,保障与会及相关人员网络畅通以及高速的5G 网络体验,保障场馆物联网设备通畅与高速的5G网络体验。需解决重点保障场馆多、人流密度大,比赛周期长、网络性能要求高、5G信号覆盖稳定性、应急保障要求反应快、电信设备设施多等难点。

6.1.2 方案流程

一是规划。通过提前获取赛事的场馆位置信息,实现在地图上添加地理围栏。对每个场馆周边一二级道路信息进行提取,组成重点保障的道路网。围绕重点保障对象,可对网络提前建设规划。

二是分析。获取重点保障基站、机房、等重要电信设施。对网络覆盖情况,容量情况,是否可达,做出提前预判分析。对重要传输网络进行主备分析。

三是预测。结合网络数字孪生产品,通过在数字城市模拟推衍,在物理城市执行,可对自然灾害、断站、退服等突发事件对重点场景网络影响程度进行预演分析。

四是决策。根据在数字孪生城市的模拟推衍,通过物挛生指令控制与事件脚本编排生成可视化的应急方案。为决策提供有效的优化依据。当突发事件发生时,自适应套取应急方案。

五是监控。对比赛场馆、重点人群的网络性能指标进行监控。通过MR落在栅格中的电频值实时监控信号强弱情况,可及时预防突发事件。对天气、水文的监控可及时预测收影响的机房、基站以及传输网。

六是指挥。通过大屏指挥系统,在数字孪生城市中选择应急方案,并在物理城市中执行,结合视频直播、位置定位等方法实时查看执行过程。统一指挥各个职能部门有条不紊的面对各种突发事件。

6.1.3 方案应用

一是重点人群监控。获取卫健委上报病患数据,再结合大数据中心提供位置信息与GIS空间计算及道路拟合算法进行纠偏,展现用户的轨迹信息。最后通过缓冲分析获取同行者人员,进行人员监控。

重点人群轨迹监控

二是电信设备设施规划监测。根据场馆地址坐标信息,在地图圈定地址围栏,根据人群与高速流量使用情况调整5G网络工作参数。

电信设备设施规划监测

三是赛事直播信号保障。需保障场馆8K赛事直播信号无中断无卡顿,需要及时调整光网络的负载情况。场馆末端设备(终端设备)的光网络必须有主备光缆,当故障出现时能及时切换,保障通信网络的流畅。

赛事直播信号保障

6.2 数字孪生助力运营商光网络高效管理

6.2.1 应用背景

随着千行百业数字化转型进程的推进,对运营商网络能力和管理水平提出了极高的要求。运营商要求实现光网络拓扑可视管理,支撑光网络运行维护和投资规划。

6.2.2 主要目标

一是物理网络孪生化。

聚资管机房、光接入设施等资源数据,实现网络哑资源数据的孪生体定义与设计,以该市区选定区域范围,实现对网络资源覆盖可视还原。

二是业务知识数据化。

汇聚资管业务运行数据,实现对光网络业务运行状态的还原。以光网络告警场景为例,实现对告警规则的配置定义,实现业务场景动态配置。

三是孪生网络应用场景模拟。

聚焦网络精准投资规划主题,建立小区户数测算、端口扩容预测和稽核模型,完成对网络投资规划场景的还原。

光网络数字生流程

6.2.3 方案应用

一是光网络故障分析。

可视化呈现该位置区域内光网络现状,监测光网络资源利用率、告警现状、告警数据、告警级别。基于告警详情,快速判断告警引发因素,基于地理信息快速到达故障所在位置。

光网络告警分析场景

二是网络利用率分析。可视化动态呈现业务现状,监测业务变化,分析业务趋势,分析资源的整体利用率。预测业务演进趋势。

网络利用率分析



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