基于大数据技术实现频谱数字孪生基础设施

伴随着数字经济、新基建和工业互联网等国家战略的深入推进，实体经济与互联网融合的步伐不断加快，5G、物联网、车联网等新技术、新应用大量涌现。无线电业务在此期间涵盖了数字社会的各个领域，在国民经济和社会发展中具有重要的地位和作用，而无线电频谱则是无线电业务赖以开展的基础。

无线频谱的价值，可通过频谱的数字孪生化来体现，借助数字孪生技术，建立无线频谱的数字孪生基础设施，在此之上拓展基于无线频谱的数字孪生应用，助力数字经济发展，赋能实体经济数字化转型。

一、频谱的数字化特征及价值

电磁频谱中3000GHz以下的部分称为无线电频谱，可用于声音和图像广播、导航、气象、无线通信、报时、同步等。无线频谱是无线电频率的组合，是一种典型的数字模型，通过把传统的物理模拟信号，即在时间维度内可感知的实体信号，通过特定的算法，如傅里叶变换在另一个维度内进行体现，即成为频谱。

新的维度即为数字化的频域维度，正是有了频谱这一新维度，关于频谱的规划、技术开发和创新应用成为了可能，也才会有无线电技术体制、空口传输技术、调制编码创新等一系列针对于提高频谱利用率的提升。

在人类社会经济体系中，频谱已经具备了经济物品的所有属性，通过人类的劳动力、资本、知识和技术开发的频谱，已成为了现实的经济资源。频谱作为各种无线电业务开展的基础资源，正如支撑房屋建设的土地资源，是当今构筑信息高速公路的基石，也是引领当今整个通信信息产业继续创新的重要动力。

深圳市工业和信息化局发布的《深圳市无线电发射设备发展情况评估报告》指出：2019年我国通信设备及无线用户接入网设备出口金额为187亿美元，占全国出口总额的0.78%，虽然统计的只是依赖于无线电频谱资源的直接行业之一，但由此可见无线频谱资源在经济发展中的重要地位。

无线电技术与应用成为各行业数字化、信息化的重要手段，使整个社会的生产效率得到大幅提高。作为各种技术和应用的必须要素，频谱已成为行业创新发展不可或缺的基础资源。从3G时代起，智能手机开始普及，移动互联网有了雏形，从而催生出微信、淘宝等一系列数字经济的核心应用；在频谱资源领域的技术突破，使移动通信的带宽变大、速率大幅提升，社会进入4G时代，更具附加值的应用产生，出现了智慧城市、智能物联等新的数字经济模式；而5G的到来，令行业出现了颠覆性的创新，尤其是在工业制造领域，推动了以工业互联网为典型代表的智能制造、数字化转型。工业互联网将传统的工业制造业联网，通过系统工程模型，将工业互联网的实际情况在数字领域进行映射，工业互联网的数字孪生体就此产生。

2020年4月10日，国家发展改革委和中央网信办联合发布《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，将数字孪生体提到了与大数据、人工智能、5G等并列的高度，并专辟章节谈“数字孪生创新计划”，要求“引导各方参与提出数字孪生（体）的解决方案”。

因此，除简单的数字领域的控制、评估、仿真、产品迭代等基本应用外，更重要的是数字化的价值再次提升，基于数字孪生体的经济转型进入质变阶段。

得益于新一代数字技术的出现，使当前社会已经具备了构建数字孪生体经济的能力：全域立体感知、数字化标识、万物在线、可信互连、泛在计算、智能定义一切，大数据、区块链、人工智能、智能硬件、AR/VR等新技术应用，使模拟、仿真、分析产业中发生的问题成为可能，IT、DT技术不断完善，为构建数字孪生体奠定了坚实的基础。而以上应用都由无线电频谱作为基础支撑。

基于频谱于经济、社会、国家的重要地位，在新形势下有必要对频谱进行创新性的研究。

二、基于大数据实现频谱数字孪生基础设施

在时域、空域和频域上的无线电频谱状态数据，如信号能量值、信号特征等，以及包含设备ID、用户频谱需求、反馈等的用户或设备数据，还有频谱使用环境下的地形数据、水文气象数据等环境信息数据等构成了无线电频谱大数据，其具有“5V”特征：大量（Volume）、价值（Value）、真实（Veracity）、多样（Variety）、高速（Velocity）。

研究无线频谱大数据的最佳手段是直接处理原始（raw）数据，好处在于，一是避免人为“损害”数据，二是减少过程处理的时间。从数据层面解决问题，才能满足颠覆性的创新需要。

前文提到的数字孪生体，是一种为数字经济建设所服务的系统理论方法，无线频谱的数字孪生化和其他的数字孪生体一样，以服务数字经济为目的，遵循系统信息论的原则，第一，数字孪生化在信息转换中需容易识别（代表信息的符号类型数量不宜太多）和高效编码（用尽量少的符号表达尽量多的信息），即符合香农第一定理，第二，把不容易识别的信息通过一种等价进行转换，傅里叶变换是信息论体系中的重要支柱，在工业数字孪生化中，CAD图纸、IT系统架构以及二维物体图片的自动识别和建模方面应用了傅里叶变换算法，而在前文中已经提出，傅里叶变换是频谱数字化的重要手段之一。

频谱可作为一种数字化的模型，从数字经济维度上看，频率可类比于一个个基础“硬件”资源，这些硬件资源是支撑数字经济的物理颗粒，可作为数字经济发展情况的度量之一。从频率维度而言，产生了应用，则会产生“硬件”块，应用越多，块越厚重，对经济的支撑效果则越好。另外，频率使用率低、使用效果不充分、价值未充分发挥等情况，通过数字化的频率物理模型，都可以得到直观的体现。

三、借助数字孪生体赋能数字经济

数字孪生城市是无线频谱数字孪生化的应用场景之一，数字孪生体在城市建设与发展中的核心价值在于，它能够在物理世界和数字世界之间全面建立实时联系，进而对城市物理实体全生命期的变化进行数字化。

而无线电频谱数字孪生化是指电磁环境的当前状态、综合形势和发展趋势的“数字”化。无线电频谱数字孪生化研究的核心是将复杂物理电磁环境映射到数字空间中，形成数字的电磁频谱空间，为未来数字系统提升动态频谱效率、为无线电秩序管理提供工程应用支撑、为频谱应用提升数字经济价值提供有效的数字抓手。

目前的城市数字化建设可分为四个阶段，第一、二阶段是初步的城市数字治理和应用的网格化，第三阶段是借助于云、物联网、5G等将数据上云，形成城市大数据，第四阶段，则是将先进技术综合应用，形成与物理城市相对的城市全城大数据。

无线电频谱及无线技术始终贯穿了城市数字化建设应用及发展的整个进程，存在着“与物理城市相对应的城市数字化频谱基础设施”，这一基础设施，使得频谱不再是看不见、摸不着的信号数字特征，而转变为“看得见、摸得着”的数字物理模型；从数字经济的重要支撑转变为重要的数字度量。而通过频谱大数据的技术手段，能从新的维度上检视数字孪生城市，能更有效地促进和提升数字经济发展。

总结

基于无线频谱和数字孪生体融合的巨大潜力和价值，深圳无线电检测技术研究院立足于运营的短距离无线电设备检测与评估部重点实验室、粤港澳5G和新一代无线信息技术公共服务平台，在国家政策支持下开展关于频谱大数据的研究，并联合数字孪生体联盟，共建“数字孪生城市实验室”。

我们将充分发挥“数字孪生城市实验室”的作用，基于前期频谱大数据的研究基础，借助新型城市信息载体（智慧杆等），同时利用传统的无线电监测渠道和手段，实现无线频谱数字孪生基础设施建设，并开展无线频谱与数字经济相关性的模型和仿真研究，最终形成一个无线频谱赋能数字经济的理论模型和可实操的实现场景。
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