Autor: GONZÁLEZ SÁNCHEZ, Daniel
Título: Contribution to Network Operation and Management Models Using Digital Twins
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
Departamento: INGENIERIA DE SISTEMAS TELEMATICOS
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/91014/
Director/a(s):
- Director/a: BELLIDO TRIANA, Luis
Resumen: The growth of telecommunications networks, driven by increasingly complex next-generation technologies and new resource-intensive services, has made network monitoring and maintenance more critical than ever for network operators. In this sense, the Digital Twin paradigm is emerging as a promising technology to mirror a networks whole operational and management lifecycle to optimize its performance without compromising the real-world network. Digital Twins are widely used in industry and research to accurately model the behavior of complex and dynamic systems. The application of the term Digital Twin to the field of telecommunication networks, also known as Network Digital Twin (NDT), has also gradually attracted attention to modeling the behavior of real networks through a digital representation of them that is continuously updated with the real network performance, configuration, and status data. As a result, an NDT system enables network operators to design maintenance and analytics solutions, model optimization systems, troubleshoot issues, or plan network configuration updates, thus promoting efficient network operations and management. In this regard, an NDT can be envisioned as an indispensable part of global network management systems in the future, covering the entire lifecycle management of real networks without compromising their daily operations, supporting the application of innovative technologies, and increasing the networks level of automation and intelligence. However, several challenges have been identified in the design and implementation of NDT systems to efficiently control and manage modern telecommunication networks, such as the dynamic modeling of real network behavior within the NDT system or the design of mechanisms for data collection, storage, and management, taking into account that data is the cornerstone of NDT construction. In line with this, the overall objective of this Doctoral Thesis is to contribute to the understanding and development of Network Digital Twins applied to the scope of autonomous network management, facilitating interoperability with external systems requiring information from network infrastructures and enabling on-demand management and operation tasks for network operators. In this sense, this thesis proposes an NDT solution supported by a new data integration methodology and a prototypical architecture to translate information from the network management domain into a formal, data-driven, and interoperable model. This NDT solution is built on the principles of model-driven network management and the use of the NGSI-LD standard specification defined in the ETSI Industry Specification Group on Context Information Management (ETSI ISG CIM), which facilitates the modeling of Digital Twins. The NDT proposal enables both the exposure and handling of the capabilities of real networks in terms of configuration and operational status, thus facilitating network operation and monitoring. By applying this NDT approach, the resulting work provides benefits in terms of network control and management to facilitate the integration of network automation systems. RESUMEN La monitorización y el mantenimiento de la red son tareas cada vez más cruciales para los operadores, impulsadas por los avances en las redes de telecomunicaciones, fruto de tecnologías de próxima generación cada vez más complejas y de nuevos servicios con alta demanda de recursos. En este sentido, el paradigma de los Gemelos Digitales o Digital Twin emerge como una tecnología prometedora para reflejar todo el ciclo de vida operativo y de gestión de una red con el fin de optimizar su rendimiento sin comprometer a la propia red. Los Gemelos Digitales están siendo ampliamente adoptados en la industria y la investigación para modelar con precisión el comportamiento de sistemas complejos y dinámicos. La aplicación del término Gemelo Digital en el campo de las redes de telecomunicaciones, conocido como Gemelo Digital de Red o Network Digital Twin (NDT), también ha atraído gradualmente la atención de la industria y la investigación para modelar el comportamiento de las redes a través de una representación digital de las mismas que se actualiza continuamente con los datos reales de rendimiento, configuración y estado de la red. Como resultado, un sistema NDT permite a los operadores de red diseñar soluciones de mantenimiento y análisis, modelar sistemas de optimización, solucionar problemas o planificar actualizaciones en la configuración de la red, fomentando así la eficiencia en las operaciones y la gestión de la red. En este contexto, un NDT puede considerarse una pieza clave de los futuros sistemas globales de gestión de redes, ya que abarca todo el ciclo de vida de gestión de las redes sin afectar a su funcionamiento diario, mejoran el nivel de automatización e inteligencia de las redes y facilitan la implementación de tecnologías innovadoras. Sin embargo, se han identificado varios desafíos en el diseño e implementación de sistemas NDT para el control y la gestión eficiente de las redes de telecomunicaciones modernas. Entre ellos se encuentran el modelado dinámico del comportamiento de las redes dentro del sistema NDT y el diseño de mecanismos para la recopilación, almacenamiento y gestión de datos de la red, considerando que los datos serán un elemento fundamental en la construcción de un NDT. En línea con lo anterior, el objetivo general que persigue esta tesis doctoral es contribuir a la comprensión y el desarrollo de Gemelos Digitales de Red aplicados a la gestión autónoma de redes, facilitando la interoperabilidad con sistemas externos que requieran información de infraestructuras de red y permitiendo la gestión y operación de la red bajo demanda por parte de los operadores de red. En este sentido, se propone una solución de NDT basada en una nueva metodología de integración de datos y un prototipo de arquitectura que traduce la información del dominio de gestión de redes a un modelo formal, basado en datos e interoperable. Esta solución de NDT se fundamenta en los principios de la gestión de redes basada en modelos y en el uso de la especificación estándar NGSI-LD definida por ETSI en el grupo de especificación ETSI ISG CIM (ETSI Industry Specification Group on Context Information Management) que facilita el modelado de Gemelos Digitales. Esta propuesta de NDT permite tanto la exposición como la gestión de las capacidades que ofrecen las redes reales en términos de configuración y de estado operativo, facilitando así su operación y monitorización. Al aplicar este enfoque de NDT, el trabajo resultante aporta beneficios en el control y la gestión de redes, facilitando la integración de sistemas de automatización de redes.