Next G联盟发布最新白皮书《6G数字孪生用例和要求》（一）

2025年3月7日，美国电信行业解决方案联盟（ATIS）“下一代通信联盟”（NGA，以下简称Next G联盟）发布了一份对塑造6G未来至关重要的新白皮书《6G数字孪生用例和要求》，探讨数字孪生（DT）技术在6G时代的变革性作用。通过利用先进的人工智能、实时数据处理以及联合通信与感知，6G可以提升数字孪生模拟、分析和优化物理系统的能力，达到前所未有的精确度。这些改进将在制造、医疗和智慧城市等领域开辟新的机遇，以实现预测性维护、资源优化和实时监控。分布式计算与超低延迟连接的结合，使复杂的数字孪生模型能够在多个设备间无缝运行，从而推动城市规划、工业自动化和网络管理的效率与创新。

尽管数字孪生适用于很多行业，本白皮书重点关注三个在未来十年具有显著增长潜力的应用场景：网络数字孪生（NDT）、工业自动化数字孪生和智慧城市数字孪生（SCDT）。第一个应用场景“网络数字孪生”通过创建网络虚拟副本，以优化性能、增强移动性管理并实现网络切片，从而在预测分析和运营效率方面创造商机；第二个应用场景“工业自动化数字孪生”通过实现预测性维护、流程模拟和能源管理，推动智能制造，提升生产力和可持续性；第三个应用场景“智慧城市数字孪生”通过创建城市数字模型来改进规划、优化资源并促进公民参与治理，从而彻底改变城市管理。尽管数字孪生技术面临数据集成、安全性和可扩展性等挑战，但6G的演进将解决这些问题，使数字孪生更加稳健，成为各行各业不可或缺的一部分。

Ø 数字孪生技术

数字孪生是物理对象、环境、系统或流程的数字化表示。它旨在与实时流程并行运行，从而连接物理世界和数字世界。它利用实时数据、模拟、机器学习(ML)和推理技术，准确反映现实世界，从而增强决策能力、提升性能和效率并降低成本。

自然孪生（Natural Twin）和数字阴影（Digital Shadow）的概念对于理解数字孪生技术的更广阔前景至关重要。尽管数字孪生与系统的自然或物理表征耦合，但它可以独立运行，并且在确定对自然孪生的潜在影响时尤其有用。利用数字孪生进行实验和探索可以最大限度地减少对自然孪生的影响，并最大限度地提高实际应用效果和效率。

自然孪生的一个例子是安装在风电场的风力涡轮机。数字阴影是自然孪生的一种数据驱动的单向数字化表示。它主要涉及从物理资产收集和显示数据，但无法与自然孪生进行交互或影响。数字阴影的一个例子是将同一台风力涡轮机的性能数据（例如发电量、风速和运行时长）持续收集到性能监控仪表盘。这是一种单向数据收集；不会将任何数据发送回涡轮机以改变其运行。总而言之，自然孪生在其运行过程中生成数据，这些数据被传感器捕获并传输到数字阴影进行监控和分析。然而，与自然孪生直接耦合的数字孪生却可以实现网络运营监控、响应甚至优化机会的实时同步。这种直接耦合不同于单向的影子耦合，它能够对网络进行多方面、实时的监控，从而用于规划、资产跟踪和传统的性能管理。

数字孪生技术有望彻底改变许多行业，包括制造业、医疗卫生和制药业、建筑业以及智慧城市。从制造业的角度来看，数字孪生是一个复杂而动态的系统，能够带来显著的改进。它还能复制单个组件，用于资产管理相关分析。此外，它还能为汽车行业创建发动机组件的数字副本。潜在的应用领域还扩展到其他垂直领域，例如建筑、能源和公用事业、交通运输以及零售环境。

从NGA垂直行业的角度来看，由物理工程、数据科学和机器学习组成的数字孪生带来可衡量的业务成果，例如降低维护成本、提高工厂效率和增强市场敏捷性，从而使垂直市场能够对这项技术的经济效益感到乐观。

6G网络及其增强型网络平台将将为网络物理连续体提供动力。在网络物理连续体中，数字现实与物理现实相互作用并完美同步。虚拟物理世界支持层通过动态API向应用程序和应用程序开发者开放网络平台功能。它能够聚合来自多个运营商网络的网络平台功能。

对于大规模数字孪生应用而言，支持众多零能耗设备将是一个关键要素。尽管数字孪生在数字世界和物理世界表征上具有相似性，并且对有限延迟和数据速率的要求也类似，需要更高密度的传感器和更强大的计算能力。

Ø 场景一：网络数字孪生

（1）场景描述

网络数字孪生（NDT）是物理网络的虚拟副本，旨在通过运行并行的实时流程来提高系统效率和生产力。NDT允许操作员实时监控网络行为，同时验证策略、分析、优化、模拟设计方案，并预测维护需求、性能和潜在停机时间,从而减少生产中断。无线NDT为优化和实验提供了一个安全的空间。关于网络和相关空中接口参数的准确描述则为“离线”优化和规划创造了空间。敏感参数（如与电源控制和接入相关的参数）可在影响运行网络的变化之前进行修改并用于建模练习。换句话说，NDT可用于监控网络、与网络互动、在部署前验证配置，以及在不影响实际网络的情况下运行“假设”或“万一”模拟。

NDT需要解决通信韧性问题，对延迟、数据和传感有严格的限制。不言而喻，网络应支持其他数字孪生（即网络和应用需要与数字世界集成）。NDT的关键使能技术让网络运营商能够在各种场景下进行网络架构/协议设计、网络规划、故障排除、网络优化和网络升级。简单来说，网络数字孪生是网络的虚拟模型，可在不影响实际网络的情况下进行测试和优化。这种优化和自动化过程是数字孪生在网络系统中的关键实际应用。

在NDT自动化的进一步发展中，需要考虑通过利用API简化流程，以实现网络可编程性以及网络、数据和服务能力的开放。这不仅可以实现自动化，还可以使第三方应用开发者社区围绕从网络中提取的信息构建价值，从而提升底线性能和和极高的成本效益。

API原生平台设计是一种简化且统一的网络可编程性（即网络控制）和网络开放架构，便于定制网络的设置和管理。作为网络、开发者和应用程序用户之间的增值网络平台，提供简化的垂直应用程序接口，以访问丰富但更复杂的网络API。该平台可实现更高级别的网络自动化，具备更高的自主性和灵活性，从而提升服务敏捷性。NDT将具备Industry 5.0定义的人机界面，以及机器人和智能机器，这些都将增强网络的弹性和可持续性（图1）。

图1为网络数字孪生系统组件

图片来源：Next G联盟

（2）商业机遇

网络数字孪生是一种多功能工具，能够满足各行各业的众多商业机会。例如，智慧城市中的交通管理优化以减少交通流量和拥堵，以及能源电网优化，从而合理高效地分配能源消耗和功率调节。医疗保健领域的例子包括实时监控各种医疗设备并进行患者数据分析。

NDT旨在预测网络基础设施的维护，优化网络性能，考虑容量规划，检测和隔离故障，以及设计和优化网络。这种多功能性在电信、制造、智慧城市和医疗保健领域尤为有益，展示了其适应性。NDT通过对网络资源的实时监控，旨在更早识别潜在的网络相关问题。通过容量规划，能够预见未来的网络需求，主动优化资源分配。从制造的角度来看，NDT将改善瓶颈低效问题，并预测潜在的设备故障，最大限度地减少停机时间和维护成本。

总体而言，NDT的目标是提高运营效率，降低成本，并能够在设备故障发生之前预测维护，从而实现显著的成本节约。能够利用混合数字孪生（DT）是一个额外的商业机会，使企业能够合并由物联网（IoT）传感器收集的资产数据。随着数据的收集，可以将其传输到数字孪生以更新其虚拟模型；因此，它帮助制造商了解网络的当前和过去状况，以及在制造商尝试升级系统时可能发生的情况。这个概念将提供利用预测性维护和提高生产优化的机会，对制造商来说是一大优势。此外，NDT还可以用于检测振动和识别任何错位，这同样有助于预测性维护。

（3）服务场景示例

用于网络资产清单的网络数字孪生：资产清单的准确性对于跟踪、规划、设计、优化甚至资产折旧都至关重要。物理站点的“已建”文档经常被网络团队的多个方面参考。数字孪生的及时性和准确性对于恰当描绘站点状态、能力和价值至关重要。这些因素反过来又会影响响应时间、升级需求，甚至站点位置、基础设施规划和土地租赁谈判。

用于增强移动性管理的网络数字孪生：NDT在通过实时数据分析和主动决策确保6G网络无缝连接方面发挥着关键作用。它通过两种方式增强6G移动性管理。首先，它通过持续模拟各种环境因素（包括建筑物、道路、隧道和天气状况），使网络能够适应动态条件。这有助于网络主动分配资源，确保网络单元之间实现最佳的无缝切换。

其次，现有的移动性管理机制依赖于信号测量，与用户环境（UE）无关。相比之下，用户环境触发的情境移动性事件可以防止由于用户环境突然变化（例如，用户进入隧道或从室外移至室内环境）时信号强度变化识别延迟而导致的中断时间增加和无线链路故障。通过利用边缘服务器为确保延迟和可扩展性而提供的实时、同步的无线电环境虚拟模型，并考虑到用户环境的移动模式，可以预测无线电条件的变化，从而能够更精确地预测和触发情境移动事件。例如，当用户环境切换进入隧道时，基于实时DT模拟检测到信号即将衰减，它可以在通过测量检测到信号衰减并影响服务质量之前，触发切换到更好的小区或不同的频谱带。根据用户环境共享的情境事件，网络可启动主动行动，如触发切换或调整网络单元之间的资源配置。

NDT可集成AI/ML模型，不断改进移动性和无线电环境变化预测。通过从过去的移动事件和故障中学习，用户环境在触发移动事件时会变得更加智能，从而优化整体网络性能。

用于网络切片的网络数字孪生：在6G时代，随着使用案例的种类和数量及其不同要求的增加，用于网络切片的NDT可提高性能、改善网络资源效率并降低成本。5G时代引入的网络切片技术，在共享通用物理网络的同时，为具有不同需求的应用提供独立的端到端服务调配。本质上，网络切片会创建一个具有特定网络功能和特性的逻辑网络，以满足一系列服务需求，同时与其他应用共享物理网络资源。部署网络切片实例需要一组托管功能和资源，例如计算、存储和网络资源。5G网络支持的典型切片包括eMBB、URLLC和mMTC切片。

用于网络切片的NDT对网络架构进行建模，包括物理基础设施层、网络功能层和服务层。对于物理基础设施层，可以利用仿真和模拟工具以及从传感器收集的信息来创建互联设备和网络域（如无线接入网、传输网和核心网）的虚拟孪生。现有的网络功能虚拟化（NFV）管理和协调框架（例如ETSI定义的框架）可用于在网络层中对物理资源到逻辑和虚拟资源的映射进行建模。此外，在网络层，可以使用集成人工智能的软件定义网络（SDN）来支持灵活的网络配置和差异化的QoS功能。服务层建模应允许配置来自虚拟运营商（MVNO）或第三方服务提供商等实体的服务级别协议要求。

通过对网络切片架构进行适当建模，NDT可用于预测各种条件下的关键绩效指标（如吞吐量和延迟），包括服务水平要求、网络配置、流量类型和资源分配策略。

（4）研究领域

以下是一些针对NDT的研究建议/改进领域：

NDT建模、测试与监控：持续测试对于成功实施虚拟和物理部署的NDT至关重要。NDT面临的一个主要挑战是持续的模拟数据过程，这涉及创建现实世界数据的虚拟表示，无论是网络、设备还是软件。需要解决的问题是“如何实现全天候实时流程的不中断、按需测试？还是必须在特定时间进行更新？”

安全性：系统的物理操作需要考虑交通拥堵、安全漏洞或设备故障等因素。网络安全研究的必要性不仅仅是一个建议，而是一种必然。我们需要持续研究在虚拟链路和物理链路之间同步数据时可能出现的网络安全漏洞，以确保系统的安全可靠。

API：“由谁负责控制API与NDT之间的集成？”是当前需要解决的关键问题；更重要的一个问题是“NDT如何与该自动化过程交互？”。API不仅是一个关键领域；它们还与多家公司互动，而不仅仅是运营商、网络制造商和设备供应商，使其成为流程中不可或缺的一部分。

参考文献：

[1]Next G Alliance. 6G Digital Twins Use Cases and Requirements[R]. (2025-03-07)[2025-04-20].

[2]ATIS’ Next G Alliance Shows How Digital Twins and Fixed Wireless Access Will Enable Innovative New 6G Applications[EB/OL]. (2025-03-07)[2025-04-21].https://atis.org/press-releases/atis-next-g-alliance-shows-how-digital-twins-and-fixed-wireless-access-will-enable-innovative-new-6g-applications/

[3]6G apps will be enabled by digital twins and FWA, says NGA[EB/OL]. (2025-03-10)[2025-04-21].https://www.rcrwireless.com/20250310/featured/nga-digital-twins-6g-apps