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5G

网络数字孪生如何帮助政府管理5G的复杂性

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对于联邦政府和军方而言,5G的承诺在弹性作战行动中具有较高的优先级别,尤其是在竞争激烈和拥挤的环境中。欢迎了解国防部门如何设计和测试各类复杂网格网络和Open RAN解决方案上的5G频谱敏捷性。

长期以来,国防部门都面临着一项重大的挑战,即如何确保无线电信号传输和交付过程中的安全性和有效性。对于联邦政府和军方而言,5G的承诺在弹性作战行动中具有较高的优先级别,尤其是在竞争激烈和拥挤的环境中。5G承诺会为我们带来巨大的能力,并具备使用高速网络连接大量人员、机器和设备的容量。

5G也带来了自己特有的复杂性,包括数量众多的频率范围和各类新技术。在无线电网络的设计和频谱敏捷性中,有一系列关键的变量问题必须得到解决,因为只有这样才能确保关键地对地、地对空、舰对岸和空对空通信的成功。

这些变量都是什么呢?网络数字孪生又会如何以自己特有的方式帮助国防机构测试种类繁多的组合呢?本博客将探讨如何通过测试频谱敏捷性、网格网络和Open RAN 5G解决方案来确保成功的设计,在世界上最具挑战性的环境中实现卓越、可靠的通信。

成功保障无线电网络通信的六个关键变量

在5G集成到民用和国防网络中之前,政府必须确保该技术能够在严格、苛刻的现实环境中达到预期的工作水平。在为军事用途设计无线电网络和设备时,我们必须满足六项关键的变量才能确保可靠的通信:

  1. 距离:随着无线电天线的作用距离越来越远,尤其是卫星通信,通信的路径也变得越来越长,而信号在抵达终端设备时的强度已经大幅降低。

  2. 反射:无线电信号会在不同类型的大气条件中和固体材料上发生反射。这样便会导致多径传播,即信号通过两条或更多的路径抵达接收天线。

  3. 阻挡物:许多障碍物都可以完全阻挡或部分吸收信号。例如,崎岖的地面、建筑物和某些装甲车辆的材料都可能成为潜在的阻挡物。

  4. 干涉和噪音:其它无线电通信、额外的电子设备、大气条件,以及许多其它因素,都会在信号干扰的关键问题上推波助澜,从而导致通信失真或完全无法收听。

  5. 运动:无论是声音,还是人、地面车辆、海洋船舶和飞行器,都处在运动之中,而且它们运动的速度也不尽相同。正如多普勒效应会因运动来源而改变声波的频率一样,运动的复杂性会对无线电通信的行为和性能产生影响。

  6. 恶意行动方:欺骗和干扰都属于故意的干涉方法,而恶意行动方会使用这些方法向通信中注入不准确的信息,或者阻断基本的信号交付过程。

要想知道这些变量或变量的组合已经得到满足,唯一办法就是建立具备正确能力和专业知识的正确测试战略。这通常需要全面的定制测试,要投入难以想象的大量时间和金钱,尤其是采用内部团队的情况下,因为此类团队需要一个渐进的过程才能适应5G技术不断演进的复杂性。而这正是5G网络数字孪生发挥基本作用的用武之地。

数字孪生的信道仿真如何帮助构建频谱弹性

5G数字孪生是5G物理网络的软件仿真。在实验室和测试自动化,以及连续集成/连续交付(CI/CD)最佳惯例的驱动下,它可以实现连续的原型设计、测试和优化。数字孪生是一种功能强大的解决方案,能够在网络和设备实战部署前加快测试、降低成本,并实现成果的大幅改善。

数字孪生的一项关键功能就是通过众多变量和复杂性的不同组合,为所有场景测试的信道仿真能力提供支持,其中包括:

  • 多层面的环境:室内、室外、都市、乡村,甚至还有潜在的地对地和地对空条件。

  • 馈入效应:以可重复和随需的方式实施各类效应的能力,例如多普勒效应,并对其加以模拟和检查,确保信号的访问或系统的性能。

  • 附加干扰:插入噪音、干扰信号或其它干涉,测试各类技术、系统、设备和天线系统组件是否能够管理此类干扰,而且其中的干扰可以是来自已记录的现场条件的实际回放内容。

5G数字孪生右箭头图标能够以自动化的方式为所有这些组合和变量的测试提供支持。如果没有自动化,配置和测试所有这些场景所需的时间将令人望而却步。

思博伦的5G网络数字孪生可以帮助我们验证各类复杂的用例,将仿真出来的网络与现实世界的网络、服务和设备混合在一起。经验丰富的专家团队可以指导您完成复杂条件的测试,确保设备和网络在争用和拥塞环境中的安全性与性能。

Chart from "The Relationship Between 5G & Digital Twins for Industry 4.0" infographic

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三项用例:频谱弹性、网格网络通信和Open RAN测试

5G不仅仅是一种技术 - 它是多种技术的集合。因此,要验证5G网络在真实条件下的性能,我们必须在多种用例中对网络和设备开展测试。

1. 实现弹性运行的频谱敏捷性

数字孪生可以为上述六项关键性能和安全变量中任意一项或全部的测试提供支持。当我们的目标是定义和确保弹性运行中的高优先级时,可以通过建立测试场景来回答一些基本的频谱敏捷性问题,例如:

  • 距离:器件是否距离太远,以及功率水平是否太低?最佳的距离是多少?

  • 反射:如果信号通过一系列多径被反射,那么应如何构建该架构才能实现弹性?

  • 阻挡:信号是否受到了某个部门控制下的材料的阻挡?如果是,改变障碍物的设计或材料是否能够解决该问题?

  • 干涉和噪音:造成干扰的原因是什么?网络压制噪音或干涉的能力如何?设备设计中的改变如何才能提高纯净度?

  • 运动:灵活应对运动中人员、设备和运输工具的最佳网络设计是什么,尤其是当物理在三维尺度上快速运动时?

  • 恶意行动方:我们多快能探测到干扰和欺骗?网络修复干扰的能力如何?应对欺骗的能力如何?

通过发现系统在波动的变量和变量组合条件下的性能表现,可以验证敏捷性,或者帮助我们查明需要改进的各项空白,让系统为现实环境下的运行做好准备。

2. 复杂战术边缘通信系统的网格网络测试

与传统蜂窝网络不同的是,网格网络是一种一切都在相对于彼此独立运动的环境,其中的部队、舰船、飞机和车辆都在地面、海面和空中同时运动。

现有的网格拓扑结构选项有许多中,每一种都适用于特定的安全和隐私用途:

  • 星型通信:没有任何一台设备会直接相互通信,所有的信号都要通过一个公共的点。

  • 车队:在这种车队中,通信会从一台运动中的车辆跳过一个较短的距离并发至第二辆车,然后是第三辆,再到第四辆。

  • 环型:每台设备只与其左边或右边的设备通信,最终形成一个完整的设备环。

  • 全网格:每台设备都可以与所有其它的设备通信。

与消费级网络相比,网格网络可以提供更安全,而且是最终更加卓越的服务。但它是一个复杂的环境,验证起来非常困难。每一台设备,或节点,都会在不同的潜在网格配置下移动,而且它们都具备不同的无线电传播模型。在现实生活中,还有可能出现不同网格的组合协同工作的情况。

网格网络的测试中会涉及多种潜在性能问题的测试,而这些问题又可能在任何时刻对每个节点产生影响。这其中就包括多普勒效应和容量,而所涉及的高清通信和灵活性则会成为在拥塞环境中实现最佳性能的关键。

5G网络数字孪生支持在所有这些组合中实现可重复性。最先进的实验室和测试自动化,以及可重复的仿真,都将是在此类规模下实现全面验证所必不可少的。

3. 通过测试Open RAN来实现供应商多样性下的供应链安全性

商用无线电设备的设计用途是宏观的消费级网络和巨大的都市环境。军队通常会开发自己的通信设备,以便适应作战行动中特有的粗暴且充满敌对的环境。由于考虑到了这些要求,政府和军队目前都在探索如何利用Open RAN右箭头图标来为其复杂且要求苛刻的多种环境提供更富弹性的无线电网络。

Open RAN可以为国防部门提供:

  • 亚组件的灵活性,以便包括所有(和/或)为该目的服务的部件。

  • 富于创新的能力,为沙漠、丛林或其它恶劣环境提供支持。

  • 厂商多样性,在某家厂商受到攻击并无法交付必要的产品时提供供应链的弹性。

  • 复杂性,用以确保部件和厂商能够根据军方的具体要求和标准实现互操作。

在不同技术的互操作性方面,由于多种组件必须集成到单个无缝系统中,我们一定要确保这些组件能够按计划正常运行。性能至关重要,而且当问题是“它的性能是否与传统的RAN系统一样好,或者更好?”时,国防部门需要一个肯定的答案。

由于采用于多家厂商的组件,Open RAN环境已经不再是一个像RAN一样的封闭系统。它也将会有多个攻击表面。“那么它的安全性又如何呢?”5G数字孪生可以加快此类环境中所有组成部分的全面测试工作,其中的一些组成部分可能分布于地理上相互离散的多个地点。数字孪生可以在规格、互操作性、性能、扩展能力和安全性的一致性测试方面为厂商提供帮助,使之满足或超越各类严格的要求。

利用数字孪生帮助政府管理5G的复杂性

5G正在不断演进,而且前景广阔。随之而来的还有5G技术中众多的复杂性,而它们都可能对大规模条件下的充分测试构成挑战。思博伦的5G网络数字孪生右箭头图标可以帮助政府和国防部门应对这些复杂性。

最后的想法:正如我们在新发布的2021年5G更新:市场动力、深入分析及各项考虑 – 思博伦报告附录右箭头图标中所述,或许5G推广中最显著的趋势就是,软件、工具和服务企业的地位将从“厂商”提升为“值得信赖的伙伴”。由于预算的收紧,内部团队的职责将只集中于自己作为专家最擅长的领域,而依靠技能高超的伙伴来填补那些有资质要求的资源空白。5G数字孪生具备尖端的技术、经验丰富的专业能力,以及先进的测试方法,正好可以为各类机构填补这样的空白。

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Stephen Douglas
Stephen Douglas

思博伦市场战略总监

Stephen现就职于思博伦的战略部门,负责协助定义技术方向、新型创新解决方案和市场领先的颠覆技术。Stephen在电信领域拥有近20年的从业经验,一直从事最尖端的下一代技术方面的工作,并且曾经该行业中多家服务商、新兴企业和一线OEM厂商中任职,助力这些企业推进各项创新和变革。Stephen是联网技术的忠实倡导者,并且一直在努力挑战、化解和突破阻碍创新和商业成功的各种藩篱。