數字孿生網絡在5G網絡中的應用場景研究

摘要：本文針對數字孿生網絡在5G網絡中的應用場景進行了研究。通過分析數字孿生網絡的典型特征和5G網絡在全生命周期管理體系中的實際需求，圍繞多種應用場景，提出了數字孿生網絡的應用方案。基于各類場景，分析其痛點問題，以及可以運用數字孿生網絡的解決方案，旨在為數字孿生網絡與5G網絡的融合，以及數字孿生網絡的技術發展，提供一些參考。

關鍵詞：5G；數字孿生網絡；智能化運維；網絡優化；試錯風險

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.002

中圖分類號：TN 929.53；TP 18" " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-00-03

Research on the Application Scenarios of Digital Twin Networks

in 5G Communication Networks

YU Keyan， CHANG He， ZHAO Xin

（Liaoning Postal and Telecommunications Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Shenyang 110179， China）

Abstract： This article focuses on the application scenarios of digital twin networks in 5G communication networks. By analyzing the typical characteristics of digital twin networks and the actual needs of 5G communication networks in the full lifecycle management system， application solutions for digital twin networks are proposed around various application scenarios. Based on various scenarios， analyze their pain points and issues， as well as solutions that can be implemented using digital twin networks. Intended to provide some references for the integration of digital twin networks and 5G communication networks， as well as the technological development of digital twin networks.

Keywords： 5G; digital twin network; intelligent operation and maintenance; network optimization; trial and error risk

5G網絡作為新基建的主力軍，經過近5年時間的建設，其覆蓋范圍不斷增大、網絡質量不斷提高，為數字強國和信息化、數字化建設提供了重要的網絡基礎設施。數字孿生技術在20多年的發展過程中，為千行百業提供了各種各樣的助力。中國移動在2021年發布了《數字孿生網絡白皮書》，提出了將數字孿生技術與通信網絡技術相融合，形成的數字孿生網絡將逐漸應用在5G網絡“規、建、運、維、優”的全生命周期管理體系中。

1" "數字孿生網絡

1.1 數字孿生網絡概述

數字孿生網絡是指基于現存的物理網絡實體，通過數字化的手段，建立一個虛擬的孿生網絡，二者之間可以進行實時交互映射。數字孿生網絡可以直觀地反映出物理網絡的設備配置和實際運行情況；通過虛擬網絡驗證通過的仿真和策略也可以反作用到物理網絡中來[1]。

1.2 數字孿生網絡的特征

（1）交互性。數字孿生網絡的物理側和數字側是可以動態交互的，雙方通過實時的數據連接，將雙方的狀態進行雙向映射，并且相互影響。數字孿生網絡能夠用數字化的模型來映射物理實體，這種映射包括了物理實體的外觀、數據以及能力。而且數字模型是多種多樣的，可以根據需要進行轉換和合并。

（2）可擴展性。數字孿生網絡可以從不同的角度、不同的層級對數字模型的內容進行擴展，具有集成、調整和補充數字模型的能力。

（3）實時性。數字孿生網絡能夠映射出物理實體實時的狀態，該狀態包括物理實體的外在表現，如形狀、大小等，也要包含物理實體的內在機理，如工作狀態、攜帶數據等。由于物理實體可能隨著時間而發生變化，這也要求數字孿生體同樣進行變化。

（4）保真性。數字孿生網絡之所以被稱為“孿生”網絡，就是要求與物理實體保持高度的一致性和高仿真性。保真性是數字孿生網絡在不同場景下進行業務拓展的根本，但對于不同的應用場景，所要求的保真程度可以不同，可以根據需要對數字孿生網絡提出要求。

（5）閉環性。數字孿生體映射了物理實體的外在和內在，可以通過對數字孿生體的觀測和數據分析來了解物理實體的實際狀態。而反過來，在數字孿生體中采取的參數優化、模型調整、部署策略等，都可以作用在物理實體上，從而改變物理實體的狀態，真正實現了閉環控制[2]。

2" "5G網絡中的應用場景

2.1 5G網絡的場景需求分析

隨著5G網絡的高速發展，在其規劃、建設、運維、優化等全生命周期管理過程中，存在著各種各樣的問題。在4G、5G網絡融合組網的過程中，要考慮多頻段、多制式、多場景等各種復雜因素，這也大大增加了5G網絡規劃的難度，需要高效、準確地模擬規劃后的建設效果，制定合理的規劃方案。5G網絡的大規模建設，對工程管理、工程質量、安全生產等方面，都提出了更高的要求，需要有更直觀的手段來提供建設方案和指導工程建設，并且能夠借用智能手段提升安全生產管理水平。在5G網絡特色大帶寬、低時延業務拓展背景下，5G網絡故障的處理和恢復時間要求會更高，傳統被動式故障恢復模式無法快速響應需求，需要有更好的方法提前預測故障隱患，并且在故障出現后要有相應的應急保障措施。在5G網絡多設備、多業務混合部署的情況下，對資源的消耗是巨大，需要在不影響現網業務的情況下，對資源進行合理的調度，盡可能減少對能源的消耗。網絡結構越復雜，產生問題的節點就會越多，這對5G網絡優化也提出了更高的要求，需要網絡本身能夠智能化地提出調優方案，并在孿生體中進行仿真驗證，將修正后的策略應用到物理實體中，既提升了效果，又減少了對現網的影響。隨著5G網絡及相關技術的快速發展，借助數字孿生網絡對網絡創新技術進行高效仿真，充分驗證后部署至實體網絡，可以降低成本、提高效率[3]。

2.2 數字孿生網絡的主要應用場景

（1）5G網絡規劃和設計。通信網絡規劃是基于現網需求和網絡漏洞進行的網絡方案規劃，規劃方案的好壞與網絡建成后的效果息息相關。規劃方案的傳統驗證方式多通過仿真軟件進行模擬，但相關參數的設定與現實網絡仍然存在較大的差異，導致仿真結果只能作為規劃方案的輔助手段。而基于數字孿生網絡對環境、需求、業務等信息的真實映射，可以便捷高效地規劃網絡方案，真實模擬網絡建成后的效果，從覆蓋、容量、可靠性、時延等方面判斷是否滿足建網需求。規劃的網絡對象可以是無線網、數據網、承載網、核心網、政務專網、行業專網等。

5G基站的勘察非常重要，在人工現場勘測過程中，要通過相片、視頻、手繪草圖等方式記錄現場環境，但有時仍無法完整反映周邊的實際情況。按照數字孿生網絡的標準，在勘察階段利用全景攝像頭、激光掃描、傾斜攝影和AI圖像識別等技術，采集站點、機房、設備及周邊環境數據并進行建模，滿足孿生可視化要求，形成數字資產。在城市CIM平臺和建筑物BIM條件具備的情況下，可以將數字模型與環境相結合，呈現更為精準的站點分布情況。而且基于精準采集的數據，可以利用三維建模軟件輔助繪制3D和2D圖紙，支持快速出圖，減少人工測量產生的誤差。

（2）5G網絡工程施工管理及驗收。在5G網絡建設的施工中，可以利用數字孿生網絡的可視化、數據采集識別等功能，實現對施工過程的管理。在設計階段三維模型及圖紙的基礎上，施工單位可以通過App終端直觀地了解施工方案和施工要求，有效指導施工。通過數字孿生網絡的相關平臺，可以將工地建設現場仿真還原，在實現工程施工可視化智能管理的前提下，提高工程管理信息化水平，使得施工進度、物料使用等均可視可查。通過高清的數據采集和識別技術，實時同步管控施工質量，對于現場違反安全施工要求的行為進行判斷，及時告警并整改，加強對安全生產的監管，保障人員和財產的安全。利用數字孿生網絡相關平臺的全景呈現，還可以將設計圖紙、施工結果進行對比分析，并結合現場測試結果，實現在線驗收和在線交付[4]。

（3）5G網絡維護和應急保障。5G網絡作為數字化的基座，憑借自身的技術優勢為千行百業提供了各類定制性的網絡服務。不同客戶對于帶寬、時延的要求是不盡相同的，有些根本無法接受網絡故障的發生，對恢復時間也有嚴苛的要求，被動式的故障恢復是無法滿足快速響應要求的。通過數字孿生技術手段可以以客戶和業務為核心，發揮智能化運維的優勢，在可視化、自動化等方面改善客戶的網絡體驗，并能大大提升運維效率。通過數字孿生網絡開展設備的預測性維護，通過相關監測數據，提前對可能發生故障的設備進行預判，及時采取相應措施。而對于突發的網絡故障，也可快速完成故障分析，準確定位問題點位并及時排障。

5G網絡的通信保障任務繁重，對于網絡的應急解決方案也提出了更高的要求。通過數字孿生網絡可快速推演定位故障區域、合理定位和調配應急資源、跟蹤應急解決進展。日常可以利用虛擬場景模擬故障情形，開展相關的培訓和仿真演練，并且可以有針對性地制定應急預案。

（4）資源配置優化和節能。在城域網等大型網絡中，路由器、交換機等網絡設備數量巨大且多種業務混合部署，對網絡的高可用性和時延穩定性具有較高要求。基于數字孿生網絡的部署便捷性，提出基于全面故障探測的重路由機制，通過探測包的發射和回彈，判斷路由質量，在發生故障后進行快速重路由。資源使用采用隨路探測的方式，在數據包逐跳轉發的過程中收集全部網絡信息，進行合理的帶寬分配和速率控制，避免網絡內部形成擁塞導致端到端傳輸延遲增大。

無線通信的時頻資源、空間資源以及未來的計算、緩存資源均面臨著智能化需求預測和對應的高效分配與調度問題。在時隙、頻率等通信資源可以保障網絡各方面性能的前提下，由網絡自主生成節能策略，完成通信資源的調度，可以降低負載較低的基站的能耗，顯著提升能源利用率。

大量的基站及邊緣節點將使得網絡能耗進一步增加，在保證網絡性能的前提下需要進一步節能。利用數字孿生網絡的內生AI生成節能策略，然后擬合物理網絡的環境和特點，模擬覆蓋小區的用戶移動業務流量的增減以及執行節能策略的響應，極大地降低了網絡運營的試錯成本。

（5）5G網絡優化。在5G組網建設過程中，隨著業務量的不斷增大和基站部署的不斷密集，會逐漸出現網絡覆蓋黑洞、信號干擾、鄰區配置、切換參數配置、PCI配置問題等，影響終端速率，進而影響用戶體驗。對網絡的實時數據進行采集、篩選和整理，并結合歷史數據以及人工智能、大數據、專家經驗等技術定位網絡問題、制定網優調優方案，并在孿生體中進行仿真驗證，能主動發現問題、解決問題，大大節省人力物力，提高網絡維護效率。

流量工程一直是路由領域的一個經典問題。不合理的傳輸路徑選擇，會使流量集中在少數的網絡鏈路或者節點中，從而出現網絡擁塞并因此損害網絡的服務質量。孿生網絡采用數據驅動的分布式路由架構，其設計核心是“集中式訓練，分布式部署”。即其目標不再是單一的全局的決策模型，而是將決策邏輯下放到各個終端中，由它們共同協作完成優質的路由決策。數字孿生技術實現了真實的高質量數據采集，能充分挖掘數據驅動策略的潛力；而且數字孿生體概念能為模型的訓練和試錯提供充足的空間。

（6）降低網絡創新成本。隨著5G技術的高速發展，新的通信模式、新的業務類型、新的服務對象等，都需要在現有的5G網絡基礎上進行不斷創新。在一張正在運行的網絡上進行創新實驗的風險是很高的，而且會大大增加網絡的運營成本。數字孿生網絡正好可以解決這個問題，將相關創新實驗在數字孿生體上進行測試和驗證，利用與物理實體的一致性、實時交互和相互影響，可以模擬出物理實體的真實反應，將充分驗證后的策略部署到物理實體上，可以降低現網的試錯風險和成本。

（7）滿足5G行業網和專網的部署需求。5G網絡的真正價值在于垂直行業應用，也是5G業務未來發展的主要方向，要根據不同用戶的需求，制定不同行業的個性化組網方案，并進行個性化的網絡運維管理。數字孿生網絡及其相關平臺，一方面可以為垂直行業的設備、生產線、終端等提供孿生建模，在數字空間與物理實體之間建立起真正的可交互的聯系。另一方面利用承載的感知、分析、可視化等核心功能，將數字孿生網絡應用于網絡設計、網絡運營和維護等各個階段，幫助企業對作業設備、現場工況等進行實時監測，并以風險預警、故障定界等手段支撐客戶進行快速排障與業務恢復，提升客戶的生產管理效率，賦能企業生產管理與運營智能化。

3" "結束語

本文對數字孿生網絡在5G網絡中的應用場景進行了分析，并設想在“規、建、運、維、優”等5G網絡生命周期的各個關鍵環節，數字孿生網絡能夠發揮作用的不同場景，旨在為數字孿生網絡的快速發展助力。在不同場景下孿生技術與通信網絡的結合，能夠為5G網絡的高效、高質量的發展提供必要的幫助。數字孿生網絡是一項整體的、成體系的、完整的解決方案，需要全行業一起努力推進標準化和關鍵技術的研究。放眼未來，數字孿生是支撐6G無線通信和人工智能融合的關鍵技術，將在網絡演進中發揮重要作用，相關技術有待進一步研究開發。

參考文獻

[1] 張善翔，胡力宏，周巍，等.5G+數字孿生在數字化工廠中的應用[J].通信與信息技術，2023（4）：24-26，117．

[2] 劉光毅，鄧娟，鄭青碧.基于數字孿生網絡的6G無線網絡自治[J].中興通訊技術，2023，29（3）：2-7．

[3] 莊文龍，梅明濤，宋亞林，等.基于數字孿生技術的5G方案智能規劃研究[J].江蘇通信，2024，40（2）：8-12，22．

[4] 孫滔，周鋮，段曉東，等.數字孿生網絡（DTN）：概念、架構及關鍵技術[J].自動化學報，2021，47（3）：569-582．

作者簡介：于克衍（1986-），男，漢族，遼寧沈陽人，高級工程師，本科，研究方向為無線通信。

常" "鶴（1979-），男，漢族，遼寧沈陽人，正高級工程師，本科，研究方向為無線通信。

趙" "鑫（1981-），男，漢族，遼寧北鎮人，高級工程師，本科，研究方向為無線通信。