面向空天地一体化网络的数字孪生技术架构及应用-李媛

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第48卷
总第521期
95
2024年1月第1期
面向空天地一体化网络的数字孪生技术架构及应用*
详细探讨了数字孪生技术在空天地一体化通信中的具体架构,以及网络优化方面的应用。将数字孪生分为虚拟空天
地一体化网络和智能决策层。虚拟网络是对物理空天地通信网的精准映射,支持实时监控和测试验证功能。在智能
决策层,通过环境感知与业务预测实现网络优化。最后,验证了面向空天地一体化的数字孪生技术在动态通信网络
优化中的巨大潜力,为网络优化的未来发展提供了创新思路。
数字孪生技术;空天地一体化网络;环境感知;业务预测;网络优化
(1.北京理工大学信息与电子学院,北京 100081;
2.南京信息工程大学计算机学院,江苏 南京 210044)
【摘 要】
李媛1,费泽松1**,晁子云1,黄靖轩1,李斌2,郑重1
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20231229-0001 中图分类号:TN927.23
文献标志码:A 文章编号:1006-1010(2024)01-0095-08
引用格式:李媛,费泽松,晁子云,等. 面向空天地一体化网络的数字孪生技术架构及应用[J]. 移动通信, 2024,48(1): 95-102.
LI Yuan, FEI Zesong, CHAO Ziyun, et al. Digital Twin Technology Architecture and Application for Space-Air-Ground Networks[J]. Mobile
Communications, 2024,48(1): 95-102.
Digital Twin Technology Architecture and Application for Space-Air-Ground Networks
This paper thoroughly explores the specific architecture of digital twin technology in integrated space-air-ground
communication, along with its applications in network optimization. The digital twin is divided into a virtual integrated
space-air-ground network and an intelligent decision-making layer. The virtual network serves as an accurate mapping of
the physical space-air-ground communication network, supporting real-time monitoring and test verication functions. In
the intelligent decision-making layer, network optimization is achieved through environmental awareness and business
forecasting. Finally, the paper validates the immense potential of digital twin technology oriented towards integrated
space-air-ground networks in dynamic communication network optimization, providing innovative insights for the future
development of network optimization.
digital twin; integrated space-air-ground network; environmental awareness; business forecasting; network optimization
(1. School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;
2. School of Computer Science, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China)
LI Yuan1, FEI Zesong1**, CHAO Ziyun1, HUANG Jingxuan1, LI Bin2, ZHENG Zhong1
[Abstract]
【关键词】
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与作者交流
收稿日期:2023-12-14
*基金项目:国家重点研发计划“环境和资源动态适配的智能
空口编译码和波形技术研究与验证”(2022YFB2902003);
江苏省前沿引领技术基础研究专项“新型泛在智能物联网理
论与应用基础研究”(BK20212001)
**通信作者
0 引言
随着通信技术的快速发展,2020年2月,国际电信联
盟启动了第六代移动通信技术(6G, the 6th Generation
Mobile Networks)的研究计划。相比于第五代移动通信
技术(5G,the 5th Generation Mobile Networks)的70%
[Keywords]
陆地覆盖率,6G要求陆地覆盖率提升至99%以上,包括
农村和偏远地区[1]。2021年3月,国际电信联盟提出在全
球范围内构建立体覆盖[2]、泛在连接[3]的通信网。在这一
背景下,空天地一体化网络作为6G关键技术之一,通过
集成地面、空中等多层次通信系统并统一网络协议,旨
在打破地理和技术的界限,实现全球范围的高效、无缝
的通信连接。6G时代的空天地一体化网络不仅仅是地面
基站、卫星、无人机等不同平台的简单组合,而是由地
基网络、天基网络和空基网络深度融合、协同工作,如
图1所示。通过多域网络的深度融合,空天地一体化网络
可以有效地综合利用各种无线资源,实施网络控制和信
息处理,以应对网络服务的多样化需求,实现“网络一
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“面向6G的星地融合网络技术”专题
体化、功能服务化、应用定制化”的目标[3]。这对于实现
全球覆盖、支撑超高速率和超低延迟通信提供了切实可
行的解决方案。更为重要的是,空天地一体化网络在应
对紧急情况、支持物联网的大规模部署以及推动智慧城
市的发展等方面,都显示出不可替代的作用。
在过去十几年中,越来越多的国家和地区开始重
视空天地融合网络[4-5],积极探索空天地一体化网络的
技术发展和应用领域。然而,建立空天地一体化网络需
要保障多层次的通信业务在任何位置与任意时刻的通信
需求,需要具备数据动态转发能力与持续传输能力。此
外,空天地一体化的全域系统中,网络更加异构,资
源更加异质,服务更加异需。因此,空天地一体化网络
的相关研究仍然存在诸多挑战,包括多源数据管理难度
大、系统建设周期长、策略验证成本高、网络优化效果
差等问题。这些挑战不仅影响了网络的效率和可靠性,
也限制了其在广泛场景下的应用能力。
在此背景下,数字孪生技术为解决上述难题提供了
新的思路和可能性。数字孪生技术的核心在于创建一个
精确的、动态的虚拟数字孪生网络,孪生体能够实时反
映相应物理网络系统的状态和性能[6]。该技术的优势在
于能够进行高效的数据融合分析、实时的状态监控和低
成本的推演验证,从而显著提高决策的效率和准确性。
在各个领域,包括制造业、医疗保健和城市规划等,数
字孪生已被广泛应用,并显示出其强大的潜力。文献[7]
中,作者面向智能制造工厂提出了一种基于数字孪生的
大数据虚实融合参考框架。以工业互联网为载体,将虚
拟空间与物理空间深度协调融合,有效推动了智能工厂
的发展。在文献[8]中,作者提出了一种基于迁移学习的
多源数据融合的数字孪生建模方法,有效地利用和结合
实验数据和仿真数据,实时监测大尺寸或复杂曲面的结
构强度。文献[9]中,基于数字孪生的智慧城市可以有效
融合不同来源的多领域城市数据,帮助补充智慧城市的
新信息。虚拟数字城市可验证各个功能单元的真实性、
完整性、可追溯性和数据所有权,确保数据来源真实可
靠。在文献[10]中,作者提出了一种基于联合神经网络的
疾病诊断算法。该算法可以很好地应用于数字孪生医疗
系统,提高疾病诊断的准确性和速度。
数字孪生能够描述孪生对象当前的运行状态、诊断
过去发生的问题、预测未来的变化趋势[11],这为空天地一
体化网络的网络优化提供了支持。数字孪生技术不仅可以
监控卫星、无人机等设备的生命周期,还可以基于历史信
息和通信知识感知系统状态、无线环境并预测设备行为,
从而优化物理空天地网络中的通信策略。综上所述,为了
解决空天地一体化网络的多源数据管理难度大、建设周期
长、成本高等挑战,本文提出构建面向空天地一体化多域
异构网络的数字孪生。首先,基于双向动态交互采集物理
世界的大量多源异构数据,分析并建立空天地一体化虚拟
网络。该虚拟网络不仅包括地面基站、卫星和其他通信设
备,还涵盖了网络操作的各个方面,支持测试验证功能。
然后,联合态势信息感知、预测等功能,对通信网络的组
网策略进行推演分析和优化。
图1 面向6G的空天地一体化网络
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李媛,费泽松,晁子云 , 等 : 面向空天地一体化网络的数字孪生技术架构及应用
1 空天地一体化的数字孪生技术架构
空天地一体化网络的数字孪生技术架构如图2所示。
数字孪生技术架构包括两部分,虚拟空天地一体化网络
和智能决策层。物理空天地一体化网络和虚拟空天地一
体化网络经过虚实交互进行参数上传与策略下发。虚拟
网络输入载体与设备状态、链路与电磁环境状态、网络
与无线资源状态数据发送至智能决策层,智能决策层根
据不同的策略优化功能进行推演分析得到优化结果,再
在虚拟网络中测试验证结果的有效性。
1.1 虚拟空天地一体化网络
虚拟空天地一体化网络的准确孪生可以帮助实时监
测和分析设备的运行状态、预测设备的性能和故障,以
及优化设备的运行策略,对基于数字孪生的空天地一体
化通信网络研究具有重要的基础意义。因此,所构建的
天地一体化数字孪生网络的完整度、准确度和成熟度,
极大影响着后续智能决策层中策略优化的性能。为了实
现基于空天地一体化数字孪生的优化策略,需要从数字
孪生的构建出发,明确空天地一体化网络中需要孪生的
对象。通过实现设备级、链路级和网络级孪生来实现多
维多域的天地一体化通信网络虚拟构建,为基于数字孪
生的天地一体化通信网络优化奠定基础。
(1)设备级孪生
天地一体化网络的数字孪生系统对通信网络设备进行
了孪生。设备级孪生包括载体运行参数孪生、通信设备孪
生以及无线资源孪生。载体运行参数的孪生是指对卫星、
无人机等通信载体的高度、位置、姿态、轨道、速度等参
数进行孪生。通信设备的孪生是指针对真实网络设备建立
虚拟仿真节点。虚拟仿真节点主要由空基、天基、地基设
备的孪生体构成,每个通信设备的孪生包括硬件孪生和软
件孪生。硬件孪生是指对通信部分的基带处理单元、射频
处理单元进行孪生,包括物理层协议孪生、MAC层协议
孪生、编解码功能模块孪生、调制解调功能模块孪生、功
率控制功能模块孪生等。软件孪生是指对系统软件和接口
协议进行孪生。无线资源的孪生是指对时、频、空以及功
率域无线通信资源的孪生,例如带宽、调制编码方案、同
步信号时频配置方式、波束赋形码本等。
(2)链路级孪生
天地一体化网络的数字孪生系统对通信网络的链
路进行了孪生。该部分被划分为信道孪生和电磁环境孪
生。信道孪生是指基于大、小尺度参数的分布情况,针
对网络传输过程的信道冲激响应或信道频率响应进行孪
生。电磁环境孪生针对不同的链路类型(如空天链路、
天地链路、空地链路)、敌方干扰情况、天气环境、视
距/非视距、移动性等多种通信电磁环境进行孪生。
(3)网络级孪生
天地一体化网络的数字孪生还需要对通信网络的拓扑、
路由等进行孪生。需要孪生的拓扑结构主要分为同构网络拓
扑和异构网络拓扑。同构拓扑的孪生对象主要有地面网络拓
扑、空中网络拓扑、星间网络拓扑。异构拓扑的孪生对象是
图2 天地一体化网络的数字孪生系统架构
标签: #数字孪生
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