光網絡數字孿生標準化與應用研究*

孟海軍，趙 星，湯 瑞

（中國信息通信研究院 技術與標準研究所，北京 100191）

0 引言

數字孿生是指通過將物理世界中的實體或過程數字化來創建其虛擬副本，本質是數據加仿真的智能應用。數字孿生能夠通過虛實映射實現在虛擬世界對生產過程、生產設備的描述、診斷、控制、預測來模擬現實世界的生產運行并輔助決策[1]。在光網絡中，數字孿生可以用于模擬光信號的傳輸、網絡拓撲和性能，以便進行網絡規劃、優化和故障診斷等任務。

光網絡數字孿生系統是一種基于光網絡和數字孿生技術的系統設計與應用研究方向。該系統通過將現實世界的物理系統通過數字模型和算法進行仿真和建模，實時獲取物理系統的運行狀態，并通過分析、優化和預測來改善物理系統的性能和效率。

在光網絡領域，光網絡數字孿生系統可以對光網絡進行實時監測和管理，實時獲取光網絡的拓撲結構、鏈路狀態、網絡負載等信息，并通過建立數字模型和算法對光網絡進行仿真和優化。通過光網絡數字孿生系統，可以實現光網絡的智能化管理和網絡優化，提高光網絡的性能和可靠性。

數字孿生在光網絡中有許多應用場景，主要包括以下幾種。

（1）光網絡規劃和設計：數字孿生可以幫助網絡運營商和服務提供商進行光網絡規劃和設計。基于數字孿生技術，建立光網絡的數字模型，模擬和仿真光網絡的拓撲結構、鏈路狀態、網絡負載等信息，可以模擬和評估不同的光網絡部署方案，以確定最佳的網絡設計[2]。

（2）光網絡性能優化：數字孿生可以用于光網絡的性能優化[3]。通過實時收集和分析光網絡的運行數據，可以建立一個數字孿生模型，運用機器學習等算法，分析光網絡的拓撲結構和負載分布，優化光網絡的資源分配和路由策略，提高光網絡的性能和效率。

（3）光網絡故障診斷和預測：數字孿生可以幫助快速診斷和解決光網絡故障。通過實時獲取光網絡的運行狀態等數據，分析光網絡的故障模式、故障診斷和預測算法，實現對光網絡運行故障的診斷和預測[4]。通過智能化的故障預測和恢復策略，提高光網絡的可靠性和可用性。

（4）光網絡教育和培訓：數字孿生可以用于光網絡的教育和培訓。通過建立一個仿真的光網絡模型，學生和從業人員可以在虛擬環境中學習和實踐各種光網絡相關的技術和操作，提高操作技能和知識水平。

（5）光網絡安全與隱私保護：數字孿生可以用于光網絡的安全性評估和威脅模擬。通過建立一個光網絡的數字副本，可以模擬和評估不同的安全威脅和攻擊情景，提供相應的安全防護策略和措施。通過建立光網絡的安全模型和隱私保護算法，實現對光網絡的安全監控和隱私保護。

1 光網絡數字孿生標準化進展

目前，光網絡中的數字孿生標準化工作尚處于初級階段。然而，一些相關的標準化組織和研究機構已經開始關注數字孿生技術在光網絡中的應用，并推動制定相應的標準。

國際方面，國際電信聯盟遠程通信標準化組（ITU-T for ITU Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）通過開展《數字孿生網絡需求及架構》項目研究，于2022 年2 月率先發布Y.3090 規范，提出了數字孿生網絡（Digital Twin Network，DTN）的定義和架構，明確了DTN 中數據、模型、接口與物理網絡實時交互等特征要素，確定了網絡應用層、孿生網絡層和物理網絡層的基礎架構，揭開了數字孿生網絡標準化的序幕。ITU-T 關于DTN 的定義和架構結合了軟件定義網絡的相關思想，使得DTN 技術在軟件定義光網絡領域的標準化及應用成為可能；同時，光學傳輸網絡標準化工作組（ITU-T SG15）正在探討數字孿生在光網絡中的應用，以提供更好的網絡管理和控制能力。互聯網工程任務組（The Internet Engineering Task Force，IETF）于2022 年3 月啟動“DTN 概念和架構”項目，集中開展DTN 數據采集、DTN 接口技術、DTN 流量模擬、DTN 時延測量、性能導向DTN 等方向的研究，倡導DTN 數據收集接口的開放和標準化；IETF 較為具體的各方向技術研究為DTN 技術在實際場景中的開發應用和DTN技術的標準化指明了方向。此外，歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）的數字孿生專家組也在制定數字孿生相關的標準。

國內方面，CCSA TC3WG3 的SWG1 數字孿生網絡工作組主要負責DTN 標準的制定，目前已完成10 項相關團標和行標的研究與立項，內容包括數字孿生架構、技術要求、評價方法、運營管理要求、數字地圖等；主要標準項目包括《數字孿生網絡 架構及技術要求》《數字孿生網絡 網絡建模技術要求》《數字孿生網絡 能力評估》《數字孿生網絡 孿生網絡層數據域通用技術要求》《數字孿生網絡 中間系統到中間系統（Intermediate System to Intermediate System，IS-IS）孿生體模擬能力要求》等。此外，TC6WG1 也已啟動行業標準《傳送網數字孿生總體技術要求》和研究課題《數字孿生和大數據技術在傳送網領域的應用研究》《接入網數字孿生技術和應用研究》等課題的研究，開始為數字孿生在光傳送網絡的有序發展布局。此外，一些光網絡設備制造商和研究機構也在進行數字孿生的研究和開發工作，并嘗試將其應用于光網絡中，以提高光網絡的效率、穩定性和可靠性。

總的來說，數字孿生在光網絡中的標準化工作還處于初級階段，但已經開始受到重視并得到產業界的重點關注。隨著數字孿生技術在光網絡的不斷發展和現網應用，標準化工作必將迎來快速發展的階段。

2 光網絡數字孿生架構

光網絡數字孿生系統架構主要包括物理層、孿生層和應用層。光網絡數字孿生系統架構如圖1 所示。其中，物理層包括光網絡設備、光纖鏈路、光器件、光網絡拓撲等物理資源。應用層包括應用App、OSS/BSS、跨域管控系統等上層應用。孿生層包括數據采集、通信交互、數據存儲、數據分析與建模、可視化應用等數字孿生功能模塊。

圖1 光網絡數字孿生系統架構

（1）數據采集。負責采集光網絡設備的實時數據，例如光功率、傳輸速率、錯誤率等。這一層可以使用傳感器、監測設備或者網管系統來實現數據的采集。

（2）通信交互。負責實現采集層與上層系統之間的通信，將采集到的數據傳輸到上層系統。通信層可以使用網絡通信協議，例如TCP/IP 協議，或者其他通信技術，例如NETCONF、RESTCONF 等。

（3）數據存儲。負責存儲采集到的數據，可以使用數據庫或者數據倉庫等技術來實現數據的存儲。同時，存儲層也可以用于存儲設備的配置信息、歷史數據等。

（4）數據分析與建模。負責對采集到的數據進行分析和建模，以生成光網絡的數字孿生模型。這一層可以使用數據分析和機器學習算法來進行數據處理和模型構建。

（5）可視化應用。負責將生成的數字孿生模型以可視化的形式展示給用戶，并提供相應的應用功能。用戶可以通過可視化界面對光網絡進行實時監測、故障診斷、性能優化等操作，用戶的需求通過操作界面輸入，并在服務層轉化封裝為結構化的請求數據，通過HTTP 等協議完成層間接口調用。

3 光網絡數字孿生系統與管控系統交互接口

光網絡數字孿生系統與管控系統之間的交互接口主要分為5 類，分別是數據共享接口、指令下發接口、故障告警接口、數據分析接口和可視化展示接口。光網絡數字孿生系統與管控系統交互接口如圖2 所示。

圖2 光網絡數字孿生系統與管控系統交互接口

（1）數據共享接口。光網絡數字孿生系統可以提供接口，將實時的網絡數據（如設備狀態、光纖損耗、信號強度等）共享給管控系統。管控系統可以通過接口獲取這些數據，并進行實時監控和分析。

（2）指令下發接口。管控系統可以通過接口向光網絡數字孿生系統發送指令，如設備配置、網絡調度等。光網絡數字孿生系統接收到指令后，可以進行相應的操作，并將操作結果返回給管控系統。

（3）故障告警接口。光網絡數字孿生系統可以向管控系統發送實時的故障告警信息，如設備故障、鏈路中斷等。管控系統接收到故障告警后，可以及時采取相應的措施進行修復或處理。

（4）數據分析接口。光網絡數字孿生系統可以向管控系統提供數據分析接口，將歷史數據、統計數據等傳輸給管控系統。管控系統可以通過接口獲取這些數據，并進行進一步的分析和決策。

（5）可視化展示接口。光網絡數字孿生系統可以向管控系統提供可視化展示接口，將光網絡的拓撲結構、設備狀態、鏈路狀況等以圖形化的形式展示給管控系統。管控系統可以通過接口獲取這些可視化數據，并進行交互操作和監控管理。

通過數字孿生系統與管控系統之間的交互接口，光網絡數字孿生系統與管控系統可以實現數據傳輸、指令交互、故障告警、數據分析和可視化展示等功能，從而實現對光網絡的全面監控和管理。

4 光網絡數字孿生常用模型

光網絡數字孿生是指通過將光網絡的運行狀態和性能數據與數字模型進行集成，以實現對光網絡的全面仿真和分析的技術。光網絡數字孿生模型通常分為基礎模型和功能模型，光網絡數字孿生模型體系如圖3 所示。

圖3 光網絡數字孿生模型體系

基礎模型是指將光網絡的物理網絡拓撲、設備和鏈路參數及其他相關信息進行建模和描述的模型。光網絡數字孿生基礎模型可以通過實時采集光網絡的實際工作狀態數據，將其與模型進行比對和更新，從而實現對光網絡的實時監測和管理。基礎模型主要由光纖、光設備、光器件、光網絡拓撲等模型構成。

（1）光纖模型。光纖模型是數字孿生中的基礎模型之一。它描述了光纖的物理特性，如損耗、色散和非線性效應等。這個模型可以幫助預測光信號在光纖中的衰減和扭曲情況，并優化光網絡的傳輸性能。

（2）光設備模型。光設備模型用于描述不同類型的光設備，如光放大器、光開關和光調制器等。這些模型可以模擬光設備的工作原理和性能，幫助設計和優化光網絡的設備配置。

（3）光器件模型。對光網絡中使用的器件進行建模，包括光放大器、光調制器、光開關等。通過模擬這些器件在光網絡中的工作情況，可以評估其性能和影響因素，優化光網絡的設計和運行。

（4）光網絡拓撲模型。光網絡拓撲模型描述了光網絡中各個節點和連接之間的拓撲結構。這個模型可以幫助規劃和設計光網絡的布局，并優化網絡的容量和可靠性。

功能模型是在光網絡數字孿生基礎模型的基礎上，通過加入一系列的功能模塊和算法實現的模型。這些功能模塊可以包括光路規劃、資源調度、故障診斷、安全監測等，通過對數字孿生模型的建模和仿真，可以幫助運營商和網絡管理員更好地理解和管理光網絡，提升網絡運行效率和可靠性。功能模型主要由光網絡控制、光傳輸、光信號仿真、光網絡性能評估等模型構成。

（1）光網絡控制模型。光網絡控制模型描述了光網絡的控制和管理過程。它考慮了光網絡的路由選擇、光開關設置和靈活性等因素。這個模型可以幫助優化光網絡的控制策略和運行效率。

（2）光傳輸模型。光傳輸模型用于描述光信號在光網絡中的傳輸過程。它考慮了傳輸介質、光信號的傳播特性和網絡拓撲等因素。這個模型可以幫助預測光信號的傳輸效果，并優化光網絡的傳輸路徑和帶寬分配。

（3）光信號仿真模型。對光信號的傳輸、調制、解調等過程進行建模，模擬真實光網絡中的信號傳輸過程，包括信號的調制、解調、非線性失真等。通過模擬光信號的傳輸過程，可以評估信號質量和傳輸性能，優化光網絡的性能。

（4）光網絡性能評估模型。對光網絡的性能進行評估，包括光鏈路的損耗、帶寬利用率、信號質量等。通過模擬和分析光網絡的性能參數，可以發現性能瓶頸，優化光網絡的性能。

通過光網絡數字孿生平臺進行基礎模型和功能模型的集成和應用，可以實現對光網絡的仿真、規劃、設計、優化、故障診斷和預測等方面進行仿真和分析。光網絡數字孿生基礎模型和功能模型相互連接與交互作用，共同構成一個完整的數字孿生模型。

5 光網絡數字孿生模型學習算法

光網絡數字孿生模型學習算法是指利用機器學習方法從數據中學習光網絡的數字孿生模型。這樣的模型可以用于模擬和預測光網絡的性能、故障和狀態等。常用的光網絡數字孿生模型學習算法包括監督學習算法、遺傳算法、強化學習算法和深度學習算法。

（1）監督學習算法。監督學習算法是通過使用已有的標記數據進行訓練和學習[5]。在光網絡中，可以使用已知的網絡性能數據作為輸入和輸出，訓練監督學習模型來預測光網絡的性能。

（2）遺傳算法。遺傳算法通過模擬自然選擇和遺傳機制來尋找最優解[6]。在光網絡中，可以使用遺傳算法優化光網絡的拓撲和配置，以提高網絡的性能和效率。

（3）強化學習算法。強化學習算法是一種通過試錯和獎勵機制來優化策略的學習方法[7]。在光網絡中，可以使用強化學習算法來學習網絡的控制策略，以實現自動化網絡管理和優化。

（4）深度學習算法。深度學習算法是一種基于神經網絡的機器學習方法，可以通過多層次的神經網絡模擬光網絡中復雜的關系和模式。在光網絡中，可以使用深度學習算法來學習光信號傳輸的特征和預測網絡的性能。

這些算法可以根據具體的應用場景和需求進行選擇和組合。需要注意的是，光網絡中的數字孿生模型學習算法需要結合光學傳輸和網絡管理的專業和領域知識，以確保學習到的模型具有可靠性和準確性。

6 光網絡數字孿生應用挑戰

光網絡數字孿生技術是指將光網絡實時運行狀態與虛擬模型相結合，用數字孿生技術對光網絡進行全面的監測、仿真和優化。盡管光網絡數字孿生技術具有許多潛在的優勢和應用領域，但它也面臨一些挑戰。

（1）數據獲取。為了創建光網絡的數字孿生，首先需要獲取網絡的實時運行數據。然而，由于光信號在光纖中傳輸，直接獲取實時數據是一項挑戰。目前，可以通過光網絡的監測設備獲取一些數據，但這些數據可能不夠全面和準確，限制了數字孿生的精度和可靠性。

（2）數據處理和分析。光網絡數字孿生需要對大量的數據進行處理和分析。這些數據包括網絡拓撲結構、光信號傳輸特性、設備狀態等。對于大規模的光網絡來說，處理和分析這些數據是一項龐大的任務，需要高性能的計算和算法支持。

（3）模型建立和更新。光網絡的數字孿生需要建立準確的模型來描述網絡的物理特性和行為。這需要對光信號傳輸的物理過程和設備的行為進行深入的研究和理解。同時，光網絡是一個動態的系統，網絡拓撲和設備狀態可能會頻繁改變，因此數字孿生的模型需要及時更新。

（4）跨層級整合。光網絡數字孿生需要整合多個不同層級的數據和模型，包括光物理層、光傳輸層和網絡控制層等。這些層級之間存在復雜的相互作用和依賴關系，需要確定合適的整合方法和算法來實現數字孿生的跨層級仿真和優化。

（5）安全和隱私保護。光網絡數字孿生涉及大量的網絡數據和模型，其中可能包含敏感信息。因此，保護數字孿生的安全性和隱私性是一項重要的挑戰。需要采取適當的安全措施，如數據加密和訪問控制，以防止未經授權的訪問和數據泄露。

隨著光網絡數字孿生技術的日益發展，克服這些挑戰并廣泛應用光網絡數字孿生技術將帶來許多好處，如實時監測和優化網絡性能、提高網絡的可靠性和安全性等；同時，光網絡數字孿生也有助于加快光網絡的創新和發展，推動光通信技術的進一步革新。

7 結語

本文分析了數字孿生在光網絡中的廣闊應用前景，梳理了光網絡數字孿生技術國際國內標準化現狀，結合數字孿生技術特點和光網絡業務應用需求，提出光網絡數字孿生系統架構和數字孿生系統與管控系統交互接口；結合光網絡現網應用需求，提出光網絡數字孿生常用模型和學習算法，最后分析了光網絡數字孿生產業在業務和技術等方面的應用挑戰，為光網絡技術的革新和光網絡數字孿生產業的快速發展和現網應用提供技術支撐。