基于DTIM模型的5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維方案研究與設(shè)計

1 引言

5G網(wǎng)絡(luò)，即第五代移動通信技術(shù)（5th generation mobile networks，簡稱5G或5G技術(shù)）是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，是繼4G、3G和2G網(wǎng)絡(luò)之后的一種革命性網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，具有高帶寬、大連接、低時延等新特性，將給用戶帶來翻天覆地的影響和變化，帶來全新的豐富業(yè)務(wù)能力和良好的用戶體驗。5G網(wǎng)絡(luò)的商用，也成為各國搶占技術(shù)高地、享受技術(shù)紅利的重要陣地之一。

然而，5G網(wǎng)絡(luò)基站覆蓋范圍小、耗電多等特點，使運營商獨立建設(shè)和運營5G網(wǎng)絡(luò)存在投資過大、見效較慢的問題。為此，為了更好地對用戶提供5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，共建共享成為5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的一種非?，F(xiàn)實的選擇。當(dāng)然，這也給5G網(wǎng)絡(luò)運維和服務(wù)保障帶來全新的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，例如如何更加高效、精準(zhǔn)地進行5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)，如何公平地為雙方的用戶提供透明的無差別通信服務(wù)。為此，需要在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運維技術(shù)基礎(chǔ)上，引進新技術(shù)、新理念，構(gòu)建與5G網(wǎng)絡(luò)共建共享相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)運維系統(tǒng)。

數(shù)字孿生技術(shù)、聯(lián)邦機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，正是解決上述難題的金鑰匙。

數(shù)字孿生（即Digital Twin，簡稱DT），最早起源于制造業(yè)，用于航空航天器的健康維護與保障，后來逐漸推廣到發(fā)動機制造、汽車制造、數(shù)控機床等各種制造行業(yè)，是智能制造必需的技術(shù)基礎(chǔ)。百度百科定義的數(shù)字孿生，是指充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。

百度百科定義的聯(lián)邦機器學(xué)習(xí)(Federated machine learning/Federated learning，又名聯(lián)邦學(xué)習(xí)，聯(lián)合學(xué)習(xí)，聯(lián)盟學(xué)習(xí))技術(shù)，是指一個機器學(xué)習(xí)框架，能有效幫助多個機構(gòu)在滿足用戶隱私保護、數(shù)據(jù)安全和政府法規(guī)的要求下，進行數(shù)據(jù)使用和機器學(xué)習(xí)建模。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在國內(nèi)通信運營商企業(yè)里尚處于探索、起步階段，它對通信運營商全面數(shù)字化運營、管理提供了良好的技術(shù)演進路徑，可以幫助通信運營商實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)、客戶和空間等企業(yè)生產(chǎn)元素的數(shù)字化運營和維護。而聯(lián)邦機器學(xué)習(xí)技術(shù)，經(jīng)過近些年互聯(lián)網(wǎng)公司、銀行等眾多企業(yè)的不斷推動，逐步受到通信運營商企業(yè)的重視，用它來解決集團和省公司、省公司與省公司之間的海量數(shù)據(jù)協(xié)同建模等應(yīng)用需求。

2 DTIM模型

根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維的需要，本文提出一種面向網(wǎng)絡(luò)、客戶和空間的通用數(shù)字孿生模型（Digital Twin Implementation Model，DTIM）。該模型由數(shù)字孿生特征Feature、數(shù)字孿生模型Model和數(shù)字孿生服務(wù)Service構(gòu)成，如圖1所示。

（1）孿生特征（DTIM-F），是數(shù)字世界用來刻畫和代表現(xiàn)實世界對象的特征集合。由自然特征、動態(tài)特征、統(tǒng)計特征和預(yù)測特征構(gòu)成：

圖1 數(shù)字孿生DTIM模型

① 自然特征：是現(xiàn)實世界對象具有代表性的自然屬性，比如建筑物信息模型、5G基站型號信息、5G基站經(jīng)緯度信息等，通常都是比較穩(wěn)定的靜態(tài)信息。

② 動態(tài)特征：是現(xiàn)實世界對象具有代表性的狀態(tài)信息，比如客戶當(dāng)前位置、5G基站當(dāng)前狀態(tài)、5G基站當(dāng)前負(fù)荷等。

③ 統(tǒng)計特征：是現(xiàn)實世界對象具有代表性的統(tǒng)計信息，比如5G基站近3個月平均故障數(shù)、5G客戶1個月內(nèi)投訴次數(shù)等。

④ 預(yù)測特征：是現(xiàn)實世界對象具有代表性的預(yù)測信息，比如5G基站設(shè)備發(fā)生故障概率、5G客戶流失概率等。

（2）孿生模型（DTIM-M），是根據(jù)孿生特征進行建模，分為單孿生模型、群孿生模型和跨孿生模型。

① 單孿生模型：針對單個數(shù)字孿生對象進行分析建模，如故障預(yù)測模型。

② 群孿生模型：針對同類型（如網(wǎng)絡(luò)）數(shù)字孿生對象進行分析建模，如指定區(qū)域的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋分析模型。

③ 跨孿生模型：針對多種不同類型（網(wǎng)絡(luò)、空間和客戶）數(shù)字孿生對象進行綜合分析建模，如指定區(qū)域用戶體驗感知下降根因分析模型。

可以用如圖2所示的方式直觀地區(qū)分3種不同類型的孿生模型。

（3）孿生服務(wù)（DTIM-S），是面向應(yīng)用提供現(xiàn)實世界和數(shù)字世界對象的服務(wù)，包括孿生交互服務(wù)、孿生模型服務(wù)、孿生展示服務(wù)和孿生仿真服務(wù)。

① 孿生交互服務(wù)：與現(xiàn)實世界對象進行交互的服務(wù)，如信息采集服務(wù)、操作控制服務(wù)、營銷接觸服務(wù)等。

圖2 孿生模型分類區(qū)分示意圖

② 孿生模型服務(wù)：針對孿生模型提供的服務(wù)，包括模型推理服務(wù)、模型訓(xùn)練服務(wù)等。

③ 孿生展示服務(wù)：可視化顯示現(xiàn)實世界和數(shù)字世界對象的服務(wù)，包括圖片、三維模型等的展示服務(wù)。

④ 孿生仿真服務(wù)：基于數(shù)字世界對象對現(xiàn)實世界進行仿真的服務(wù)，如5G網(wǎng)絡(luò)基站選址仿真服務(wù)。

按照部署模式，數(shù)字孿生DTIM可以分為孿生BODY和孿生BRAIN兩部分，前者以DOCKER容器的方式部署在靠近現(xiàn)實世界對象的邊緣節(jié)點上，后者則以DOCKER容器的方式部署在擁有較強存儲、計算能力和近數(shù)據(jù)湖的云端。這種部署模式，可以確保數(shù)字孿生具備的實時性、真實性、可仿真性等特性得到充分的實現(xiàn)和體現(xiàn)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

5G網(wǎng)絡(luò)的共建共享運維平臺，要充分發(fā)揮參與運營商各自擁有網(wǎng)絡(luò)、客戶數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)和公平的運維和服務(wù)保障。同時，還要符合數(shù)據(jù)是企業(yè)核心資產(chǎn)、安全第一的企業(yè)數(shù)據(jù)管理要求。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖3所示，共建共享下的運營商A和B，在各自負(fù)責(zé)建設(shè)和運維的區(qū)域內(nèi)，都建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺，而由雙方共同組建的共建共享中心，通過服務(wù)調(diào)用的方式，使用5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺提供的服務(wù)能力。

A、B兩方的5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺，通過聯(lián)邦協(xié)同這個唯一的協(xié)同點，在數(shù)據(jù)不出各自企業(yè)環(huán)境的情況下，通過聯(lián)邦機器學(xué)習(xí)技術(shù)，先橫后縱，進行雙方數(shù)據(jù)、模型的有效、安全協(xié)同。

共建共享各方的5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺，只從自己企業(yè)的數(shù)據(jù)存儲中訪問數(shù)據(jù)。

3.2 功能架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺，分層分中心解耦，采用業(yè)務(wù)中心化、應(yīng)用服務(wù)化的架構(gòu)（如圖4所示），實現(xiàn)服務(wù)即應(yīng)用的IT支撐模式。

圖4 功能框架圖

5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺，由3個數(shù)字中心和基礎(chǔ)能力構(gòu)成。

① 數(shù)字孿生中心：包括網(wǎng)絡(luò)孿生、客戶孿生和空間孿生3種孿生。每種孿生，包括孿生實體、孿生模型、孿生訓(xùn)練和孿生服務(wù)等功能。而孿生知識圖譜，提供和維護這3種孿生的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

② 數(shù)字協(xié)同中心：包括孿生協(xié)同和聯(lián)邦協(xié)同兩大功能組。孿生協(xié)同功能組由邊緣節(jié)點管理、容器生命周期管理、應(yīng)用生命周期管理和邊緣消息訂閱調(diào)度等功能組成；聯(lián)邦協(xié)同功能組，則由聯(lián)邦角色管理、聯(lián)邦模型管理、聯(lián)邦算法管理和聯(lián)邦服務(wù)管理等功能組成。

③ 數(shù)字線程中心：是面向5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)建維優(yōu)等應(yīng)用或人員，提供可視化孿生管理、可視化應(yīng)用管理、可視化仿真、可視化預(yù)測和可視化監(jiān)控等功能。

④ 基礎(chǔ)能力編排：提供資源編排、數(shù)據(jù)編排和服務(wù)編排等基礎(chǔ)功能。

⑤ 邊緣能力節(jié)點：部署用于運行網(wǎng)絡(luò)孿生和客戶孿生Body部分的Docker進程，執(zhí)行孿生信息采集、孿生對象操作等交互，以及孿生模型推理執(zhí)行等功能。

3.3 應(yīng)用價值

基于DTIM模型的新一代5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺設(shè)計方案，目前在實驗室環(huán)境中進行了原型驗證，收到預(yù)期的效果。

① 實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)建維優(yōu)全流程全場景覆蓋，提高編排組合（通過孿生體的編排設(shè)計場景）、實景管理（全程實時可視化線上實體管理）和時空融合（特定時空下的精確管理線程）等能力。

② 解決跨運營商跨界信息自動化智能協(xié)同難題，實現(xiàn)全景感知（通過客戶、網(wǎng)絡(luò)、空間孿生聯(lián)動全方位感知世界）、全面認(rèn)知（通過相關(guān)孿生體之前的聯(lián)邦機器學(xué)習(xí)全面認(rèn)知用戶）、共建共享（基于全量數(shù)據(jù)規(guī)劃建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，提供無差別體驗）。

③ 可打造實時、敏捷、高效的自適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)實時更新（實時展現(xiàn)真實世界變化，提供沉浸式體驗）、數(shù)據(jù)驅(qū)動（依據(jù)實時數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型自主評估、發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整和個性服務(wù)（孿生個體根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)療等特殊業(yè)務(wù)場景提供個性服務(wù)）。

在經(jīng)濟和社會效益方面，可實現(xiàn)更加精準(zhǔn)精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，提高網(wǎng)絡(luò)投資效率，提高網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、自組織能力，節(jié)能降維增效，實時智能管理客戶體驗感知，增強客戶粘性，提高客戶響應(yīng)能力。同時，帶動跨企業(yè)（運營商）數(shù)據(jù)合作，催生基于聯(lián)邦協(xié)同的新商業(yè)模式，加快企業(yè)全面數(shù)字化經(jīng)營進程。

作為一種技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計方案，基于DTIM模型的新一代5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維平臺，在落地部署時，需要5G網(wǎng)絡(luò)共建共享各參與方按照約定的數(shù)據(jù)和模型要求，推動雙方的協(xié)同。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)的引入，將顯著提升5G網(wǎng)絡(luò)運營維護的敏捷性、實時性和靈活性。而網(wǎng)絡(luò)運維組件服務(wù)化理念的引入，與5G網(wǎng)絡(luò)本身提倡的服務(wù)化一脈相承。因此，基于DTIM模型的新一代5G網(wǎng)絡(luò)共建共享運維方案，具有較好的應(yīng)用推廣價值。進一步簡化服務(wù)編排和管理以提高系統(tǒng)整體水平擴展能力，以及開展網(wǎng)絡(luò)故障根因分析等，成為后期潛在的研究方向。