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Powder: Platform for Open Wireless Data-driven Experimental Research

这是一个大型的国家项目!

POWDER 是一个城市规模的, 可远程访问的, 端到端的软件定义平台, 旨在支持移动和无线通信的研究.

该平台位于犹他州盐湖城, 由 Univ. of Utah 与多个公共及私营组织合作建立, 是美国国家科学基金会 (NSF) 先进无线研究平台 (PAWR) 项目的一部分.

POWDER 的设计旨在解决当前无线网络研究中的几个关键挑战:

  1. 规模与真实性: 需要在真实的城市环境中建立大规模测试床, 而不仅仅是实验室环境.
  2. 灵活性: 必须支持从底层无线电波形到顶层应用的全栈编程.
  3. 可重复性: 作为一个科学仪器, 它需要保证实验结果的准确性和可重复性.
  4. 多样性: 支持多种移动模式 (如公交车, 市政车辆) 和 不同的覆盖场景 (城市, 住宅区, 校园).

Introduction 核心内容

(1) 背景与愿景

  • 现有的无线网络无法满足未来的需求, 需要建立一个城市规模的无线测试床 (Testbed) 来推动无线网络科学的发展.
  • 该平台被设计为一个 "活体实验室", 必须具备科学仪器的精度, 以确保实验结果的准确性和可重复性.
  • 平台需要支持前沿技术的竞争, 同时也要促进研究人员和工业界用户之间的合作.

(2) 解决方案: POWDER 平台简介

  • POWDER (Platform for Open Wireless Data-driven Experimental Research) 是目前正在犹他州盐湖城部署的高度灵活的城市规模科学仪器.
  • 它是美国国家科学基金会 (NSF) 先进无线研究平台 (PAWR) 项目的一部分, 由犹他大学及多个公私机构合作开发.

(3) 设计挑战

在设计和实现过程中需要解决许多相互矛盾的挑战:

如何支持未知的广泛研究需求, 支持远程用户, 确保实验的可重复性, 保证平台寿命, 在真实环境中进行安全的射频 (RF) 传输以及防止多用户间的干扰等.

(4) 系统概览

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  • 物理基础设施部署:

    • 覆盖范围: 平台在 14 平方公里的连续区域内部署了数十个固定可编程无线电节点和约 50 个移动节点.
    • 环境多样性: 涵盖了市区 (Urban), 住宅区 (Residential) 和校园 (Campus) 三种不同的环境, 并提供从宏基站到小基站的多种覆盖场景.
    • 移动性: 利用具有可预测路径 (如公交车), 有界限移动 (如市政车辆) 和可控移动 (如便携式背包) 的载体提供多样化的移动性.
    • 硬件配置: 节点由软件定义无线电 (SDR), 商用现成设备 (OTS) 和天线组成, 支持 "自带设备" (BYOD) 模式, 并通过光纤连接边缘计算和云资源.

  • 控制框架与软件:

    • 运行一套复杂的测试床控制框架, 既提供对硬件的底层 "原始" 访问 (Raw access), 也为高级用户提供易用的抽象层.
    • 利用 "配置文件" (Profiles) 机制, 用户可以在同一平台上运行从底层波形研究到顶层全栈网络 (如 ONAP 或完整 5G 网络) 的不同实验.

(4) 贡献: 支持的研究领域

  • 下一代无线网络架构: 利用深度可编程资源探索新型设计.
  • 动态频谱接入: 灵活监测和适应射频条件.
  • 网络计量: 在多样化条件下测量网络性能和行为.
  • 应用与服务: 支持从轻量级应用到密集型计算的端到端可编程服务模型.

Related Work 核心内容

对比类别 代表性案例/平台 主要特点 / 局限性 POWDER 的独特性 / 优势
室内无线测试床 美国: ORBIT, Arena, Drexel Grid SDR, PhantomNet (正集成入 POWDER)
欧洲: Fed4Fire+ (w-iLab.t, IRIS, NITOS), R2lab, TRIANGLE		 局限性:
虽然提供了灵活性, 但缺乏 POWDER 所具备的大规模部署和真实世界的环境条件.		 提供城市规模的覆盖, 具备真实世界的复杂环境条件.
早期室外测试床 美国: DOME, CORNET, OpenRoads, CorteXlab, ORBIT outdoor, Microsoft bus WLAN
欧洲: CityLab (Fed4Fire+)		 局限性:
1. 通常缺乏室内设施的灵活性.
2. 规模相对较小.
3. 专注于特定技术 (3G, LTE, WiMax, WiFi).
4. 通常不对外部研究人员开放.		 1. 提供高度灵活的端到端软件定义基础设施.
2. 具备城市规模.
3. 完全向外部研究人员开放.
5G 专用实验基础设施 欧洲: 5G-VINNI, 5GENESIS 主要关注点:
专注于使用商业设备进行 5G 特定实验, 有大量工业界参与. 主要解决应用性能或商业环境测量问题.		 支持更广泛的研究问题, 不仅限于商业设备性能, 还包括未来的网络系统设计与评估.
PAWR "兄弟" 项目 COSMOS
AERPAW		 主要关注点:
COSMOS: 架构类似, 但覆盖范围较小, 专注于毫米波 (mmWave) 技术.
AERPAW: 专注于空中 (Aerial) 无线通信.		 POWDER 覆盖范围更广, 并在同一平台内提供多种环境 (市区, 住宅区, 校园) 和覆盖场景的组合.

Powder Platform Overview 核心内容

主要由三个核心组件构成:

  1. 物理基础设施
  2. 功能性
  3. 控制框架

详细分点概括:

(1) Physical Infrastructure

POWDER 的物理层设计旨在支持多样化的实验环境和配置.

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  • 基站 (Base Stations):
    • 部署了数十个基站, 覆盖校园 (高密度)、市区和住宅区.
    • 分为两类: 通用基站 (由商用 SDR、射频前端和天线组成) 和 大规模 MIMO (mMIMO) 基站 (支持 64 收发器阵列).
    • 所有基站通过专用光纤连接到边缘计算集群.
  • 计算资源层次 (Compute Resources):
    • 边缘计算: 位于光纤汇聚点, 往返时间 (RTT) 低于 60 微秒, 满足实时处理需求.
    • 城域云: 连接到犹他大学的 Emulab 和 CloudLab 集群, 提供大规模计算能力, 延迟在毫秒级.
  • 无线端点 (Wireless Endpoints):
    • 部署了近 50 个端点, 配置与通用基站类似 (SDR + 小型计算节点), 通过 LTE/WiFi 进行带外管理.
    • 多样化形态: 包括固定端点、移动端点 (可预测路径的班车、不可预测的市政车辆) 和便携式端点.
    • 此外还部署了数十个 IoT 传感器单元.
  • 外部联合 (Federation): 与 PhantomNet (受控射频环境)、GENI 和 FABRIC 等国家级平台互联.

(2) Functionality

平台通过硬件积木、软件积木和控制框架的结合来实现整体功能.

  • 软件定义一切: 从端点, 基站到核心网和云基础设施, 整个系统都是软件定义的.
    • 支持多种软件栈: 如 SDR 栈 (GNU Radio, OpenAirInterface), 核心网栈 (free5GC), 以及虚拟化栈 (ONAP, OpenStack).
  • 灵活性与并发性: 射频设备支持宽频带, 允许研究人员灵活选择传播特性, 支持不同实验在非重叠频段上并发运行.
  • 专用功能: 支持 mMIMO 研究 (基于 Argos 技术和 RENEW 开源软件) 以及 "自带设备" (BYOD) 功能.

(3) Control Framework

控制框架基于 Emulab 构建, 旨在管理资源并为用户提供服务.

  • 低层级访问: 提供对硬件的直接 "原始" 访问 (Raw access), 避免虚拟化带来的性能损失, 这对实时通信研究至关重要.
  • Profile (配置文件) 机制:
    • 定义: Profile 是描述实验所需的硬件和软件依赖关系的 "配方".
    • 适用性: 新手可以直接使用预置的端到端实验环境 (如 "一键式" 4G/5G 网络), 专家则可以使用提供底层编程工具的 Profile.
    • 可重复性: 支持版本控制和参数化扫描, 确保实验结果的可追溯性和可重复性.
  • 实验工作流: 用户通过门户网站选择 Profile -> 框架自动分配资源、加载软件、配置网络 -> 用户通过 SSH 等方式访问实验环境.

这个workflow非常核心, 且值得借鉴学习

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  1. 用户访问与请求 (User Request)

    • 入口: 用户通过 POWDER Portal (门户网站) 访问平台.
    • 作用: 从用户角度来看, 该门户体现了平台的所有功能方面.

  2. 选择配置文件 (Profile Selection)

    • 操作: 作为实验的第一步, 用户通常需要选择一个 Profile (配置文件).
    • 来源: POWDER 提供了一个 Profile 数据库, 用户可以使用平台团队提供的现有 Profile, 也可以使用其他用户创建的 Profile.
    • 定义: Profile 描述了实例化该实验所需的硬件构建模块 (如 SDR, 计算节点) 和软件构建模块 (如 OAI Core, srsLTE 等).

  3. 实验实例化 (Instantiation)

    • 控制接管: 一旦用户选择并提供了 Profile 相关的参数, POWDER 的控制框架 (基于 Emulab Control) 接管流程, 开始实例化 Profile 的一个实例.
    • 具体执行步骤: 控制框架自动执行以下一系列操作:
      1. 验证 (Verifying): 检查 Profile 的语法是否正确.
      2. 资源检查 (Determining): 确定请求的硬件和软件资源是否可用.
      3. 分配 (Allocating): 为用户分配必要的资源.
      4. 加载 (Loading): 在选定的硬件资源上加载适当的软件 (例如操作系统镜像和其他 Profile 特定的软件).
      5. 配置 (Performing Configuration): 执行任何额外的配置 (例如网络配置) 以完成 Profile 实例的最终搭建.

  4. 实验视图与监控 (Experiment View/Control)

    • 状态反馈: 在 Profile 正在实例化的过程中, 用户可以通过 POWDER Portal 实时查看到流程的状态以及为实验所选资源的详细信息.
    • 可视化: 如图中所示, 这通常表现为一个网络拓扑图或状态面板.

  5. 实验访问与操作 (Experiment Access)

    • 就绪状态: 一旦 Profile 完全实例化 (在 POWDER 术语中称为一个 "Experiment"), 实验即准备就绪.
    • 直接交互: 用户可以通过门户访问实验中的资源, 例如通过 SSH 直接登录到节点 (Node access) 进行操作.
    • 低层访问: 这一步实现了用户对硬件 (如 SDR 和计算节点) 的直接控制和交互.