5G时代移动自组织网络的连接感知数字孪生

论文标题：Connection-Aware Digital Twin for Mobile Adhoc Networks in the 5G Era 中文标题：5G时代移动自组织网络的连接感知数字孪生

作者信息：

• Manuel Jesús-Azabal, 温州商学院信息工程学院，温州，中国
• Zhang Zheng, 温州商学院信息工程学院，温州，中国
• Gao Bingxia, 温州商学院信息工程学院，温州，中国
• Yang Jing, 温州商学院信息工程学院，温州，中国
• Vasco N.G.J. Soares, 葡萄牙卡斯特洛布兰科理工学院，卡斯特洛布兰科，葡萄牙；葡萄牙科维良电信研究所，科维良，葡萄牙；葡萄牙里斯本行政现代化局，里斯本，葡萄牙

论文出处：Preprints.org (www.preprints.org) 2024年10月7日，未经同行评审，doi: 10.20944/preprints202410.0367.v1

摘要： 5G移动自组织网络（5G-MANETs）是一种在局部环境中流行的敏捷解决方案，同时通过5G与远程实体保持通信。这些特性使5G-MANETs成为部署上下文应用的多功能通信基础设施，利用物理接近性的同时利用互联网的可能性。因此，探索这些网络及其在现实世界场景中的性能越来越受到关注。然而，由于其固有特性，如高度可变的拓扑、不稳定的连接、单个设备的能源消耗、消息路由以及偶尔无法连接到5G，5G-MANETs的管理和监控面临挑战。针对这些挑战，本研究旨在利用连接感知的数字孪生（DT）实时监控5G-MANETs。该方法提供两个主要功能：在多个节点缺乏5G连接的场景中提供网络的实时虚拟表示，并估计基础设施的性能，从而能够指定定制条件。为了实现这一点，提出了一种通信架构，分析其组件并定义涉及的过程。在实验室环境中实施并评估了DT，评估其在拓扑和互联网可用性变化条件下表示物理网络的准确性。结果表明，在完全连接的拓扑中，DT的准确性为100%，超低延迟平均低于80毫秒，在部分连接的上下文中性能合适，延迟平均低于3000毫秒。

关键词：数字孪生；5G移动自组织网络；通信架构；服务质量

1. 引言： 5G移动自组织网络（5G-MANETs）是一种通信范式，利用动态移动设备在局部传输信息，同时利用5G网络接口进行远程通信。这些网络特别适合部署利用设备间物理接近性进行直接通信的上下文应用。5G的集成增强了它们的能力，实现了对基于互联网的服务和云资源的无缝访问。这种局部自组织网络和全球5G连接的结合，使5G-MANETs能够为实时应用、自主系统、物联网部署和智能城市环境提供高效、可扩展和可靠的解决方案，为局部和远程交互提供了增强的移动性、低延迟和高数据速率。

2. 相关工作： 5G-MANETs的监控激发了多年来大量的研究工作。这些方法提供了关于网络的一系列结果和变量，使我们能够深入理解通信过程和上下文事件的影响。然而，这些工作主要集中在评估路由协议的性能，而不是监控网络的整体行为。此外，大多数提案都集中在提供定制的虚拟场景，主要是因为与物理测试平台相比，大大减少了时间和资源投资。

3. 连接感知5G-MANETs的数字孪生： 本文旨在提供物理场景中部署的5G-MANETs的准确虚拟表示，实现对网络事件和资源的精确监控。为了实现这一点，应用了数字孪生（DT）来代表一组节点、它们的连接和传输的消息。鉴于节点的动态特性以及5G信号可用性和强度的潜在变化，提案包括路由机制，使用连接的设备（如网关）传输来自断开节点的信息。为了详细说明提案的操作，本节讨论了系统的概述、其背后的架构和组件，以及用于信息传输的提议路由算法。

本节详细介绍了如何通过数字孪生（DT）来实现对5G移动自组织网络（5G-MANETs）的实时监控和性能评估。数字孪生是一种虚拟副本，能够精确反映物理资产的实际性能和运行状态，通过超低延迟的通信机制来创建与物理系统精确映射的虚拟实体。

3.1. 概述

5G-MANETs依赖于动态节点之间的物理接近性来支持上下文应用的部署。然而，设备的移动性和潜在的拓扑变化使得通信性能的测量变得至关重要。5G技术使得能够传输有关网络事件的实时信息，增强了对资源消耗和服务质量（QoS）的集中监控。本文提出的数字孪生旨在提供5G-MANETs的实时虚拟表示，更新拓扑结构并展示通信过程。基于收集到的网络事件，该提案集成了一个模拟核心，以估计定制配置对性能的影响。

3.2. 架构

提出的解决方案需要在两个主要上下文中协调多种技术：本地场景和数字孪生场景。本地场景代表了在物理场景中形成5G-MANETs所需的组件集，包括无线接口和个别性能报告。对于数字孪生，则需要获取有关网络事件的更新报告，以向用户提供5G-MANETs的实时表示。同时，还使用了额外的组件来自定义上下文和网络变量，包括估计它们对QoS和性能的影响。

3.2.1. 本地上下文

本地上下文由物理5G-MANETs的节点塑造。这些设备负责作为通信元素，以支持需要远程和本地通信的上下文应用的部署。因此，监控网络需要节点设备使用两个通信接口：蓝牙或WiFi用于本地数据传输，5G用于与数字孪生通信。此外，还需要一个本地报告组件来协调监控操作。

3.2.2. 数字孪生

数字孪生在云服务器上远程执行，由两个主要组件组成：监控核心和模拟核心。监控核心负责同时监控多个物理5G-MANETs，而模拟核心则提供物理网络的定制配置。

3.3. 连接感知同步

MANETs中节点的动态性可能导致某些节点缺乏5G接入。这种情况阻碍了最新更新的本地报告条目的传输，从而影响了数字孪生的准确性和保真度。鉴于5G信号覆盖的可变性是5G-MANETs固有的挑战，因此重要的是解决这些场景以最小化它们对数字表示的影响。为此，提案包括一个连接感知策略，以机会性地同步信息。文中描述了两种主要的潜在拓扑：全在线和部分在线。

3.3.1. 全在线拓扑

全在线拓扑定义了理想情况：5G-MANET中的所有节点都连接到互联网，为数字孪生提供新的事件。

3.3.2. 部分在线拓扑

在部分在线拓扑中，由于某些节点无法将本地事件传输到集中的MQTT接口，数字孪生的准确性可能会受到影响。因此，网络中的一些节点保持与5G的连接，而其他节点则面临断开连接。对于这些情况，提出了一种基于距离的路由策略，使用在线节点作为离线设备的本地报告的网关，以将信息传输到最近的在线节点。

本文提出的数字孪生方法提供了一种实时监控5G-MANETs的可靠解决方案，能够在多种网络条件下保持网络的实时虚拟表示，并估计网络在定制条件下的性能。

4. 实验结果： 评估所提出工作的性能涉及评估虚拟表示与物理网络的准确性。此外，考虑到提案的连接感知能力，评估场景变化了5G的可用性，以测试断开连接的影响和路由策略的有效性。为此，使用The ONE Simulator的核心实现了提案的原型，以执行网络的视觉表示和执行定制场景。

5. 结论和未来工作： 5G-MANETs是促进局部环境中信息交换的流行和敏捷解决方案。这些通信基础设施之所以重要，是因为它们使用5G进行远程通信，以及局部无线接口在局部环境中有效传输数据。这些网络及其连接可能性的相关性，导致了对它们在部署上下文解决方案以及实时监控其资源方面的应用的兴趣日益增加。然而，5G-MANETs提出了独特的挑战，如高度可变的拓扑、节点之间的不稳定链接、设备的能源消耗、消息的动态路由以及节点中的5G断开连接。因此，这些特性为监控这些网络提出了重大挑战。作为回应，本文介绍了一种基于数字孪生的通信架构，用于监控5G-MANETs，实现物理5G-MANETs的实时表示，并在定制场景中估计它们的QoS。工作提出了一种连接感知解决方案，使节点能够使用它们的本地无线接口跟踪网络事件，并使用它们的5G接口用最新的交互更新DT。