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Challenge: COSMOS: A City-Scale Programmable Testbed for Experimentation with Advanced Wireless

Introduction 核心内容

COSMOS 测试平台的主要概括:

  • 背景与动机:
    • 随着无线技术向 5G 演进, 实现了数据速率的大幅提升和延迟的降低.
    • 然而, 目前缺乏可编程的, 真实城市规模的测试平台, 难以支持学术界和工业界对超高带宽, 超低延迟技术 (如毫米波, MIMO, 边缘云) 及其应用 (如 AR/VR, 自动驾驶) 进行实地探索.
  • 项目概况:
    • COSMOS 测试平台作为 NSF PAWR 计划的一部分, 部署在纽约市西哈林区 (West Harlem).
  • 系统架构与规模:
    • COSMOS 采用多层计算和网络架构, 依赖开源软件:
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    • 规划覆盖 1 平方英里的密集城市区域, 包含 9 个屋顶大型节点, 约 40 个街道中型节点和 200 个小型移动/固定节点, 并通过光纤网络和各种计算资源连接.
  • 关键技术组件:
    • 平台集成了软件定义无线电 (SDRs), IBM 28 GHz 可编程相控阵天线模块, 光传输网络以及核心与边缘云.
    • 通过 SDN 框架和管理软件实现对异构资源 (CPU/GPU/FPGA) 的灵活控制.
  • 部署阶段与挑战:
    • 部署分为三个阶段, 该区域已被指定为 FCC 创新区.
    • 项目面临三大主要挑战: 在密集城市中协调多方合作的部署挑战, 全天候运行的管理挑战, 以及新兴技术集成与开发的技术挑战.
  • 研究与教育价值:
    • 平台支持从物理层到应用层的多领域研究, 同时也致力于通过 COSMOS 教育工具包为当地 K-12 学生提供 STEM 教育平台, 以缩小数字鸿沟.

Related Work 核心内容

有一些对比对象, 可以积累

  • 现有相关测试平台:
    • Bristol Is Open (英国): 提供智慧城市, 无线连接及云/IoT 托管的研究平台
    • ADRENALINE (西班牙): 侧重于大规模光传输网络和分布式边缘计算的实验研究
    • POWDER-RENEW (美国): 与 COSMOS 有部分相似之处, 部署于盐湖城, 重点关注 Massive MIMO 并利用 CloudLab 资源.
  • COSMOS 的独特性:
    • 相比之下, COSMOS 部署于纽约西哈林区 (West Harlem) 这一人口密集的城市环境
    • 技术重点在于 毫米波 (mmWave), 光-无线融合网络, 边缘云以及全可编程性
  • 架构设计渊源:
    • COSMOS 的架构参考了 GENI, Emulab, PlanetLab, CloudLab 等平台
    • 受 ORBIT 测试平台 (大规模室内仿真平台) 的影响最为显著, 两者具有相似的设计需求和规模
  • 面临的独特挑战: 尽管借鉴了前人经验, 但在真实的密集城市环境中部署城市级规模的下一代无线测试平台, 仍面临着过往平台未曾解决的独特挑战

Testbed Design & Architecture 核心内容

(1) Multi-Layered Computing Architecture

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  • 设计目标: 为满足毫米波通信, 宽带信号处理 (500 MHz 以上), 资源虚拟化, 低延迟前/回传 (front/back-haul) 以及紧耦合边缘云的实验需求, 架构采用自底向上的多层设计.
  • 硬件层级: 系统包含三类硬件组件: (i) SDR 节点 (无线硬件), (ii) 边缘云服务器 (无线云), (iii) 通用云
  • 无线节点类型:
    • 大型节点 (Large): 屋顶安装的广域基站
    • 中型节点 (Medium): 安装在建筑物侧面或灯柱上的微蜂窝基站
    • 小型节点 (Small): 固定或移动的用户设备
  • 计算与处理:
    • 集成 CPU/GPU/FPGA 资源以支持 C-RAN 和 NFV
    • 信号处理任务可以在本地 SDR (Radio Hardware) 和远程 C-RAN (Radio Cloud) 之间灵活划分
  • 可编程性与数据路径:
    • 用户可灵活配置网络拓扑和计算链 (Computing Chains)
    • 实验路径包括本地计算, 附近大型节点的远程计算或中央服务器的远程计算等多种组合

(2) Network Infrastructure & Connectivity

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  • 核心网络: 为配合高带宽和 C-RAN 集成, 核心网络主要由 100 Gbps+ 光纤组成, 并结合自由空间光通信 (FSO) 和微波回传技术
  • 低延迟技术: 采用 SDN 交换结构, 波分复用 (WDM) 交换和光载无线电 (RoF) 接口, 以实现极低延迟连接
  • 站点分布:
    • Columbia & CCNY: 位于西哈林部署区域边缘, 直接连接节点
    • NYU: 数据中心位于曼哈顿 (32 AoA), 距离哥伦比亚大学约 7 英里
    • Rutgers: 设有控制中心, 通过互联网连接测试床, 负责调度和管理服务
  • 拓扑结构:
    • 大部分连接基于光纤树状拓扑, 节点连接至哥伦比亚大学数据中心的核心光交换机
    • SDN 允许在光纤基础设施上叠加多种 x-haul 网络拓扑

其他实在没啥要看的了, 本文实际上就是一个大型国家工程的说明书...

但有一说一, 这图画的是真好, 看起来非常震撼, 值得学习:

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