数字孪生网络白皮书

中国联通数字孪生网络 白皮书 中国联通研究院 浪潮通信信息系统有限公司亚信科技（中国）有限公司中兴通讯股份有限公司2023年6月 版权声明 本报告版权属于中国联合网络通信有限公司研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其他方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国联通研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 目录 一、新需求与新挑战3 （一）发展需求3 （二）面临挑战5 二、数字孪生网络架构8 （一）目标架构8 （二）应用层：数字孪生网络的关键驱动9 （三）孪生网络层：数字孪生网络的核心引擎11 1.模型构建与管理11 2.网络感知16 3.模拟仿真18 4.智能决策19 5.智能管控21 （四）物理网络层：数字孪生网络的基础底座22 三、数字孪生网络典型应用场景分析23 （一）家庭宽带组网场景23 （二）重点场景保障场景24 （三）无线网络规划场景24 （四）无线网络建设场景25 （五）网络维护场景26 （六）网络分析优化场景26 四、数字孪生网络演进建议27 五、未来展望30 前言 当前，全球已进入数字经济时代，中国联通作为数字信息基础设施运营服务国家队，网络强国数字中国智慧社会建设主力军，数字技术融合创新排头兵，科学谋划并稳步实施由“1个战略规划纲要+9个行动计划+3个指导意见”构成的战略规划体系，推进业务、网络、管理等各领域全方位的数字化转型，奋力建设具有全球竞争力的世界一流企业，在数字经济主航道上奋楫笃行，扬帆远航。 随着5G大规模商用部署以及不断出现的网络新技术、新业务，网络负载不断增加、网络规模持续扩大、网络复杂性日益增长，对网络的运维保障、运营效率以及业务创新带来巨大挑战。在这样的背景下，数字孪生网络的理念应运而生。数字孪生网络旨在通过对全网用户、业务、网元等要素的数字化，构建与物理网络实体精准映射的孪生网络，提供仿真、决策、管控所需要的可信和可解释的技术验证能力，提升网络自智水平，支撑低成本试错寻优，加速新技术、新业务的可持续创新，助力电信运营商数智化转型，推动产业数字化建设。当前数字孪生技术在通信领域的应用尚处于探索阶段，本白皮书 探讨了数字孪生网络发展需求和面临挑战，提出了数字孪生网络目标架构、创新与实践方向、演进建议、未来展望，部分内容仍需进一步深入研究。希望本白皮书的发布能够吸引更多的行业伙伴与中国联通一起对数字孪生网络架构、技术以及标准化等内容开展合作研究，共同推动数字孪生网络生态的发展。 -1- 编写组成员（排名不分先后）： 中国联合网络通信有限公司研究院：李姗姗、杨剑建、许建宏、李涛、赵永建、赵占纯、王泽林、柳雨晨、刘畅； 浪潮通信信息系统有限公司：张传刚、沈林江、初宇飞、李泉、许春涛、陈光强、孟卫国、王炳亮、李伟、左修玉、谢丹、毕磊； 亚信科技（中国）有限公司：任志东王迎； 中兴通讯股份有限公司：詹勇、苏可可、邹广玲。 一、新需求与新挑战 （一）发展需求 需求一：宏观政策引领数字化转型升级方向 自2019年以来，我国政府将数字孪生明确为国家战略，多部委密集出台多项数字孪生相关文件。在《“十四五”规划》中提出以“智慧城市”和“新基建”为代表推动各领域利用数字孪生技术创新发展， 《“十四五”国家信息化规划》中明确要强化加速数字孪生技术战略研究布局和技术融通创新，《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》中明确要建设产学研用一体化平台和共性技术公共服务平台，开展数字孪生等关键技术攻关。通信网络是国家重要基础设施，数字孪生网络是网络技术与数字技术的交汇点，是通信产业转型升级的重要方向，是电信运营商落实国家战略和赋能数字经济的关键抓手。中国联通在公司战略规划体系中明确提出“加强网络技术标准研究和新技术试验示范，推动核心网解耦、智享大上行、确定性服务等5G增强技术以及智能开放光网络、算力网络、网络数字孪生等创新技术成熟和应用推广。 需求二：新技术融合创新，驱动数字孪生网络探索应用 数字孪生技术是多学科、多领域、多尺度融合产生的一项通用技术，随着新一代信息技术的快速发展，数字孪生与5G、物联网、大数据、人工智能等新技术深度融合，有力推动生产力进步，加快数字 孪生应用从智能制造向其它行业大规模拓展。信息技术进步是数字孪生广泛应用的基础底座，大数据、人工智能为数字孪生应用提供数据 和智能化能力；仿真技术将操作带入到虚拟环境，降低试错成本，提高执行成功率；移动计算、图形处理技术、AR\VR\MR可视化终端 为数字孪生提供了更直观的人机交互方式。同时，数字孪生网络也使 能新技术快速发展，在赋能AI研究方面，通过数字孪生网络生成满 足AI算法所需的大量真实网络数据，从而提升算法精准度；在助力物联网演进方面，借助数字孪生网络仿真、决策能力高效完成物联网的部署优化；在催熟元宇宙方面，数字孪生网络为管道快速升级提供智能网络规建维优能力。 需求三：数字孪生网络加速运营商全网全客户全场景智慧运营 随着运营商智慧中台、算网融合能力建设，以数字孪生网络加速业务运营智慧化、网络运营智慧化和管理运营智慧化，已成为企业智 慧运营效率提升的关键。数字孪生网络赋能端网业服一体化智慧运营， 当前通信网络承载的业务呈现个性化、多样化特点，客户对业务和网络的服务质量提出了更高的要求；围绕客户售前、售中、售后全生命周期的核心业务场景，基于全域数据结合数字孪生技术，打造端网业 服一体化的业务运营能力，从而促进客户感知提升。数字孪生网络赋 能网络规建维优智慧运营，随着5G的部署和商用，网络规模庞大、结构复杂，网络运维主要依赖于人工、工作量大、周期长、试错成本 高等问题明显；借助数字孪生技术可推动网络规建维优工作向自动化、智能化模式换挡升级，同时，通过对物理网络精准复制和系统仿真， 突破物理网络受到的时间、空间、成本等约束，实现低成本寻优试错。数字孪生网络赋能全网资产智慧运营，在管理运营中存在人、财、物等资产全流程数字化、可视化不足，运营管理智能化水平较低等挑战； 利用数字孪生技术对全网资产全生命周期可视化、交互化管理，从而提升全网资产敏捷供给水平。 需求四：数字孪生网络助力网络绿色低碳发展 为实现碳达峰、碳中和目标，《“十四五”信息通信行业发展规划》明确提出未来大型及超大型数据中心电能利用效率（PUE）需要在1.3以下。算力网络作为数字化经济的重要战略发展方向，算力基础设施的能耗和碳排放量问题同样不容忽视。打造低碳网络需要精准有效的节能方案，在数字孪生网络中构建多种节能方案，通过绿色能源模拟、站点部署模拟、节能设施模拟、低碳方案模拟，推演达成双碳目标的最佳路径。发展绿色低碳对智能管理提出更高要求，可利用数字孪生网络智能化认知决策能力对碳资产科学管理和动态弹性配置，不断提高算力基础设施的智能化、精细化、规模化绿色低碳运营。 （二）面临挑战 数字孪生网络是目前行业关注的热点方向，但相关研究整体仍处于目标场景探究和试点验证的初级阶段，业界尚无成熟产品落地。行 业标准化、技术发展、网络部署是当前数字孪生网络发展面临的三大挑战。 挑战一：电信领域数字孪生标准化工作起步阶段 当前，工业制造领域是数字孪生标准化重点切入点，电信领域数字孪生标准化研究相对较少。数字孪生标准化在ISO、IEC、ISO/IECJTC1、IEEE、全国信息技术标准化技术委员会、国家智能制造标准化总体组等国内外标准化组织或机构推动下，已相继发布了 《数字孪生概念与术语》（ISO/IECJTC1AWI5618）、《数字孪生应用案例》（ISO/IECJTC1AWI5719）、《智能制造虚拟工厂参考架构》（20182046-T-339）、《智能制造虚拟工厂信息模型》 （20182047-T-339）等多项数字孪生相关国际、国家标准。通信行业正在加速构建数字孪生标准体系，国内标准组织CCSA初步开展了对数字孪生网络架构、技术要求等课题的研讨，从电信领域数字孪生标准化方向看，当前主要专注于概念、场景、技术和架构等宏观层面的定义，在指导相关产品落地的诸如接口、功能和用例等定义上还有待加强。 挑战二：数字孪生应用仍处于技术完善期 人工智能、大数据等新技术的发展是一个逐步成熟的过程，当前技术短板仍较凸出，会一定程度上制约数字孪生应用的深度。比如，在AI建模方面，AI场景碎片化使得AI技术难以大规模复制，导致 AI开发的高门槛、高成本，同时，AI技术一直面临攻击、隐私、安全以及可解释性方面的担忧；在仿真数据实时性方面，智能管控是数字孪生网络的核心能力，物理网络会根据孪生网络下发的指令进行动态调整和同步更新，仿真数据同步精度实时性不够会造成物理网络与数字孪生网络之间出现不可避免的偏差；在企业知识库构建方面，传统单域的知识库已无法满足虚实网络交互融合的需要，需集成数字孪生、AI、大数据等技术构建融合业务、管理、生态建设的新型知识库支撑智能化的认知决策，在实际构建中海量数据的搜集、挖掘以及用户、交易、产品等全要素的数字化呈现给企业知识库构建带来新的挑战。 挑战三：电信网络复杂度决定了数字孪生网络部署难度较大 电信网络系统复杂，基于海量数据对网络进行刻画，如何确保模型的精度满足网络运营要求，主要有两方面的问题。一是网元及功能建模难度大。孪生网络需要对所有网元做高保真复刻，网元本身计算比较复杂，数据量大，并且不同的设备商提供的网络设备不同，建模时需要考虑设备本身的多样性及功能的复杂性，因此数字孪生网络计算复杂度高，需要高速计算的软硬件融合设计。二是网元接口设计与连接方式不一致。电信级设备的高可靠、高性能要求，使得其设备形态传统上较为封闭，不同厂商的设备平台种类繁多，软件与硬件紧耦合，不支持跨网元、跨厂商的设备互通，并且不同网元的特性和连接 方式多种多样，未来部署数字孪生网络需要考虑标准设计和接口转化工作。 二、数字孪生网络架构 （一）目标架构 数字孪生网络（DigitalTwinNetwork）用于表示具有数字孪生能力的网络。参考TMFornm自智网络框架，基于市场需求和技术发展，依托“一个联通、一体化能力聚合、一体化运营服务”的核心优势，提出联通数字孪生网络“三层架构、闭环机制”的目标架构，通过对全网用户、业务、产品、网元、资源等全要素的数字化，构建与物理网络实体精准映射、动态交互的数字孪生体，实现全网全客户全场景智慧运营，赋能新技术和新业务可持续创新，牵引自智网络演进，助力公司高质量发展。 图1数字孪生网络目标架构 数字孪生网络“三层架构”指应用层、孪生网络层、物理网络层，“闭环机制”指孪生网络层内对数字孪生体的“构建-仿真-优化”闭环迭代，以及基于三层架构的物理实体与数字孪生体之间“感知-决策-管控”智能化闭环。其中： 应用层是数字孪生网络的关键驱动。基于前端业务、网络及管理 的智慧运营需求，通过调用孪生网络层的服务能力，实现“虚实映射、以虚控实、以虚优实、虚实共生”全网全客户全场景智慧运营。 孪生网络层是数字孪生网络的核心引擎。通过建立物理网络的完 整映射，打造模型构建、网络感知、模拟仿真、智能决策、智能管控五大核心能力，支撑孪生应用的数据和算法需求，同时在减少对现网影响情况下，加速新技术和新业务的可持续创新赋能。 物理网络层是数字孪生网络的基础底座。物理网络层包含构成端 到端网络的所有物理实体以及云化虚拟网络，通过持续推动网络SDN化、NFV化、云化、智能化，支撑数字孪生网络构建和管控交互，牵引自智网络演进。 （二）应用层：数字孪生网络的关键驱动 数字孪生网络覆盖和支撑的运营场景范围越全面，企业智慧运营水平会越显著。根据前端不同应用场景的运营需求，可分为虚实映射类运营需求、以虚控实类运营需求、以虚优实类运营需求、虚实共生类运营需求等四大类运营需求。运营商在数字孪生网络引入初期，主 要以满足虚实映射类运营需求为主，随着技术能力发展成熟，再逐渐扩充到其它场景范围，最终实现“虚实映射、以虚控实、以虚优实、 虚实共生”全网全客户全场景智慧运营。 一是虚实映射类运营需求。该类场景需求主要是借助孪生网络层开放的模型构建