COSMOS City Scale Testbed

 

Fourth  generation  wireless,  better  known  as  4G,  turned  mobile  phones  into  movie-streaming  platforms,  but  the  next  wireless  revolution  promises  more  than  speedy  downloads.  It  could  pave  the  way  for  surgeons  operating  remotely  on  patients,  cars  that  rarely  crash,  and  events  that  can  be  vividly  experienced  from  thousands  of  miles  away. 

To  realize  this  vision  of  the  future,  the  National  Science  Foundation  (NSF)  and  an  industry  consortiumare  investing  $100  million  in  the  next  seven  years  to  build  a  set  of  wireless  networks  for  U.S.  researchers  to  test  new  ways  of  boosting  Internet  speeds  to  support  data-intensive  applications  in  robotics,  immersive  virtual  reality  and  traffic  safety.  New  York  and  Salt  Lake  City  are  the  first  cities  to  receive  funding  under  the  NSFPlatforms  for  Advanced  Wireless  Research  (PAWR)  initiative,  with  New  York  set  to  receive  $22.5  million.

Prof.  Dipankar  Raychaudhuri  and  Ivan  Seskar  (WINLAB/ECE)  are  leading  the  NSF-funded  Rutgers/Columbia/NYU  “COSMOS”  project  aimed  at  real-world  deployment  of  advanced  wireless  platforms  in  New  York  City. 

Led  by  researchers  at  Rutgers,  Columbia  and  NYU,  and  in  partnership  with  New  York  City,  Silicon  Harlem,  City  College  of  New  York,  University  of  Arizona,  and  IBM,  the  platform  in  New  York,  called  COSMOS,  will  be  a  proving  ground  for  a  new  generation  of  wireless  technologies  and  applications.  The  COSMOS  testbed  will  cover  one  square  mile  in  West  Harlem,  with  City  College  to  the  north,  Columbia  University’s  Morningside  Heights  campus  to  the  south,  the  Hudson  River  to  the  west,  and  Apollo  Theater  to  the  east.  This  vibrant,  densely  populated  neighborhood  is  seen  as  an  ideal  place  to  push  the  bandwidth  and  latency  limits  of  4G,  and  even  fifth-generation  wireless  technology,  or  5G,  which  carriers  are  starting  to  roll  out  in  some  cities  now.

By  2020,  the  number  of  Internet-connected  devices  is  expected  to  grow  to  20  billion,  creating  an  urgent  need  in  the  U.S.  and  abroad  for  infrastructure  that  can  rapidly  process  all  that  data.  To  improve  networking  speeds,  the  New  York  City  COSMOS  network  will  tap  previously  unused  radio  spectrum  bands  and  integrate  optical  fibers  underground  with  radio  antennas  and  other  equipment  on  city  rooftops  and  light  poles. 

The  high-bandwidth,  low-latency  network  is  expected  to  allow  applications  to  transmit  data  faster  than  one  gigabit  per  second  and  reduce  response  times  to  a  few  milliseconds,  improving  performance  10-fold  over  current  wireless  networks.  To achieve  this  high  level  of  performance,  data-processing  will  be  handled  by  on-site  “edge  cloud”  servers  rather  than  in  far-off  data  centers. 

The  open-access  COSMOS  platform  will  allow  researchers  from  anywhere  in  the  country  to  log  in  and  try  out  their  ideas  for  improving  networkperformanceand  creating  city-focused  applications,  from  augmented-reality  navigation  for  the  blind  to  “smart”  traffic  lights. 

“COSMOS  is  an  outdoor  laboratory  that  will  allow  us  to  test  entirely  new  classes  of  wireless  applications  such  as  smart  intersections  that  can  process  massive  data  in  real-time,”  said  principal  investigator  Dipankar  Raychaudhuri,  an  engineering  professor  at  Rutgers  University-New  Brunswick,  and  director  of  its  Wireless  Information  Network  Laboratory,  or  WINLAB.  

The  technologies  underpinning  the  experiments  will  include:   

  • mm-Wave  Radio  Bands:  The  use  of  new  millimeter-wave  bands,  from  20  GHz  to  200  GHz,  will  make  it  possible  to  extract  more  capacity  from  the  radio  spectrum,  but  one  drawback  is  that  mmWave  signals  don’t  travel  as  far.  To  overcome  this,  researchers  will  use  the  network  to  test  new  radio  and  antenna  designs  and  techniques  for  aiming  radio  waves  directly  at  mobile  devices. 
  • Software-Defined  Radios:  Processing  signals  with  software  rather  than  hardware  increases  network  flexibility  and  allows  researchers  to  experiment  with  a  wide  range  of  frequency  bands.  The  radios  will  be  used  to  test  new  algorithms  to  support  mmWave  and  flexible  use  of  frequencies  across  various  bands,  a  feature  known  as  dynamic  spectrum  access.Edge  Cloud:  By  shifting  data-processing  from  cloud-based  data  centers  to  servers  integrated  into  the  wireless  access  network,  researchers  can  speed  up  processing  time.  This  is  especially  critical  for  applications  involving  Internet-connected  devices  that  require  fast  response  time.     
  • Advanced  Optical  Networking:  To  use  edge-cloud  infrastructure  effectively,  a  fast  front-haul  network  with  high  bandwidth  and  low-delay  connectivity  is  needed  to  tie  together  computing  clusters  and  the  wireless  access  network.  COSMOS  will  offer  this  connectivity  with  state-of-the-art  wavelength  division  multiplexed  optical  technology. 

New  York’s  tech  sector  is  now  the  nation’s  third  largest,  after  Texas  and  California,  with  most  of  those  jobs  concentrated  in  New  York  City,  according  to  a  recent  New  York  State  Comptroller  report.  The  City  has  embraced  the  COSMOS  project  for  its  potential  to  create  far-ranging  public  benefits.  These  include  bringing  startups  to  the  neighborhood  that  can  build  smart-city  applications  that  make  cities  safer  and  more  resilient.    Applications  to  come  out  of  COSMOS  could  reduce  the  number  of  crashes  that  injure  and  kill  drivers  and  pedestrians,  improve  accessibility  for  people  with  disabilities,  and  make  next-generation  911  systems  more  secure.   

“We  are  eager  for  the  opportunity  to  accelerate  the  development  of  new  products  and  services  based  on  advanced  wireless  technology,  and  shrink  their  time  to  market  in  New  York  City,  benefitting  millions  of  residents  and  visitors,”said  Chief  Technology  Officer  Miguel  Gamiño,  Jr. 

The  project  will  also  provide  hands-on  STEM  training  for  students  and  West  Harlem  residents  who  will  be  among  the  first  to  see  and  touch  technologies  that  are  still  years  away  from  appearing  on  the  market.  Silicon  Harlem  will  involve  K-12  students  from  the  community  and  City  College  will  partner  with  researchers  to  involve  its  engineering  students  and  support  the  testbed  installation. 

One  key  piece  of  radioequipment  to  be  piloted  will  be  the  millimeter-wave  wireless  antennas  and  radio  front-ends  that  will  be  unique  to  COSMOS.  These  mmWave  radios  will  operate  at  28  GHZ,  a  frequency  recently  made  available  by  the  U.S.  Federal  Communications  Commission.     

The  COSMOS  research  team  is  led  by  Raychaudhuri  and  Ivan  Seskar  at  Rutgers,  and  Gil  Zussman  and  Sundeep  Rangan,  electrical  engineering  professors  atColumbia  Engineering  and  New  York  University’s  Tandon  School  of  Engineering  respectively.  

The  Rutgers  team  at  WINLAB  will  build  on  extensive  research  experience  with  wireless  testbeds,  software-defined  radio  technology,  and  mobile  Internet  architecture.  WINLAB’s  open-access,  NSF-funded  ORBIT  wireless-testbed  is  currently  used  by  researchers  nationally  to  run  controlled  experiments  at  scale.  Other  COSMOS  team  members  include  electrical  engineering  professors  Marco  Gruteser  and  Narayan  Mandayam,  and  computer  science  professor  Thu  Nguyen.