面向6G星地融合网络的数字孪生多层模块化架构设计与测试平台部署

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：Digital Twin Architecture Design and Testbed Deployment for Satellite-Terrestrial Integrated Networks

　　本文针对星地融合网络(STIN)部署验证难、高动态大时延导致多接入挑战等问题，提出了一种多层模块化数字孪生(DT)架构(MMA)，通过容器化虚拟化、软件定义网络(SDN)控制及FPGA信道仿真，构建了高保真DT测试平台，并以轻量多接入协议为案例验证了平台有效性，为6G万物互联(IoE)提供了可扩展的仿真验证基础。

　　

随着第五代(5G)移动通信技术的广泛应用，连接设备数量呈指数级增长，智能手机、传感器、车辆等终端对通信服务提出了更高要求。然而，传统地面网络在覆盖范围、服务可靠性和部署复杂性方面面临严峻挑战——自然灾害期间地面基础设施易瘫痪，海洋区域基站部署困难，不同网络段融合更是棘手难题。幸运的是，卫星网络的快速发展为补充现有地面网络提供了新的可能，通过构建星地融合网络(STIN)，能够实现更广域的覆盖和更灵活的网络架构，成为第六代(6G)移动通信的关键应用场景。

但星地融合网络的部署验证却充满挑战：卫星有效载荷开发耗时耗资巨大，太空部署涉及政策法规、成本安全等多重制约；网络的高动态特性、星地间大尺度时延（特别是空间段与地面段间的传播时延）给多接入、路由优化等关键技术验证带来困难。更重要的是，面向万物互联(IoE)的严格时延和可靠性要求，迫切需要一种新型研究框架和测试平台。

数字孪生(DT)技术为此提供了突破性解决方案。作为物理实体的数字复制，DT通过网络状态映射、信息交互和状态演化，能以更低成本验证网络优化设计。尤其在星地融合网络中，DT技术在部署测试、运维更新和技术迭代三个方面发挥着关键作用：通过构建虚拟孪生网络，可提前预测全规模部署后可能出现的网络行为或错误；实时状态同步助力精准维护；而结构化迭代流程更可持续推动路由、动态波束跳变等新技术发展。

然而，现有DT研究存在明显局限：多数工作聚焦特定算法设计，缺乏通用架构探索；有限的结构设计往往高度专用化，缺少模块化、可扩展性考量；更关键的是，详细部署方案和测试案例严重不足，难以系统验证孪生网络与物理网络的一致性。

针对这些痛点，王璐慧等人创新性提出了面向星地融合网络的多层模块化数字孪生架构(MMA)。该架构核心突破在于采用分层模块化设计，显著提升通用性和扩展性。具体而言，MMA在三个层次构建数字孪生：单板系统（用户设备）孪生为Docker容器，具备独立协议栈和资源隔离特性； standalone系统（卫星有效载荷）孪生则通过多个容器组合，引入虚拟交换设备和SDN控制器（本研究中采用Ryu控制器）协调数据交互；而集成网络孪生重点关注网络环境复现、状态更新和分布式部署。

在关键技术实现层面，研究团队引入了多项创新方法：基于Linux流量控制(TC)工具精确模拟星地链路时延、丢包率等网络状态；通过优先级标签和流表策略确保物理网络与孪生网络间状态同步的时效性；设计跨主机分布式部署方案，通过Open vSwitch(OVS)和VXLAN技术实现水平扩展。更值得关注的是，团队还基于现场可编程门阵列(FPGA)开发了星地竞争信道孪生模块，精准模拟用户上行接入请求过程中的冲突机制。

为验证MMA架构实用性，研究人员设计了轻量多接入协议作为案例研究。该协议针对低轨(LEO)卫星网络高动态特性，将接入流程简化为四个核心阶段：卫星周期性广播、单次随机接入尝试、单次随机接入响应(RARSP)和心跳确认，显著降低了大时延环境下的接入开销。协议栈包含无线资源控制(RRC)、分组数据汇聚协议(PDCP)、无线链路控制(RLC)和媒体接入控制(MAC)层，基于正交频分多址(OFDMA)映射时频资源。

测试平台部署体现了完整闭环验证思想：数字孪生网络部署在物理主机1，包含卫星容器(SatC)和用户设备容器(UEC)；物理网络平台则引入独立系统作为物理卫星有效载荷实体(SPE)和物理用户设备；两个物理交换机分别传输随机接入过程的控制流和业务传输的数据流。FPGA基础的信道孪生模块通过输入数据转换、多接入数据缓存、时隙状态维护、冲突判定、传播时延控制和输出数据转换六个步骤，精准模拟上行竞争信道行为。

实验结果充分验证了平台有效性。在时分复用(TDM)和时隙ALOHA协议测试中，用户数与重传时延对接入时间的影响符合理论预期——用户数固定为200时，总接入时长随重传时延增加而增加；重传时延固定为0.3秒时，总接入时间随用户数增加而增长。传播时延测试显示，系统可维持微秒级传播时延精度和纳秒级时隙精度。随机丢包功能测试中，设定丢包率与实际丢包率差异极小。用户在不同卫星间切换的测试表明，负载均衡后两卫星平均上行速率趋于一致。

这些结果证实，MMA架构能正确验证轻量多接入协议在星地融合网络中的工作逻辑，为6G万物互联技术研究提供了重要参考。该架构与生成式人工智能(GenAI)存在天然互补性：MMA可将大模型蒸馏为轻量代理，优化星上异常检测等任务资源；模块化结构支持合成数据生成和联邦训练，而GenAI赋能智能决策，如通过实时仿真实现自动协议调优。

研究表明，多层模块化数字孪生架构有效解决了星地融合网络仿真验证的通用性和扩展性难题。容器化虚拟化结合SDN控制提供了灵活可编程的测试环境；FPGA信道仿真确保了物理层行为的精确复现；分布式部署方案支持大规模网络扩展。未来工作将聚焦于提升星地融合网络中数字孪生网络的同步性能，并探索利用GenAI技术增强MMA平台的网络分析和预测能力，同时通过加密同步和认证控制交换加强物理与数字孪生间通信的安全完整性。

这项发表于《IEEE Open Journal of the Communications Society》的研究，不仅提出了创新的数字孪生架构原型，还提供了详实的部署验证案例，为6G星地融合网络的技术开发和标准制定奠定了重要基础。随着数字孪生技术的不断成熟，它有望在未来的空天地海一体化网络中发挥更加关键的作用，推动万物互联时代的真正到来。