A container-based architecture to provide services from SDR devices

Abstract

Rádio Definido por Software (SDR) é um dispositivo de rádio programável que, conectado a um computador ou como uma solução embarcada, pode transmitir e receber informações usando ondas de rádio. A característica de programabilidade do SDR e sua largura de banda de rádio frequência (RF) estendem sua aplicação a diversas áreas que incluem aviação, satélite, radar e dispositivos móveis. O emprego do SDR tem despertado grande interesse na provisão de serviços de rede. Atuando como uma interface sem-fio multiprogramável na borda de redes cabeadas, o SDR é capaz de transmitir, receber e decodificar informações de rádio. Estas informações são usadas para fornecer serviços, como por exemplo uma página de internet contendo um mapa de rastreamento de aeronaves em tempo real, e gráficos de monitoramento de sensores. No entanto, para ser usado para esta finalidade, o SDR deve integrar-se às correntes tecnologias dos ambientes de rede, como NFV, SDN, containerização, e a computação em nuvem. Esta dissertação está focada na integração do SDR com a technologia de containerização. É proposta uma arquitetura para geração de serviços usando contâineres e o SDR como dispositivo de borda. Usando diferentes modelos de SDRs (USRP, LimeSDR e RTL-SDR), a plataforma GNURadio e Docker containers, dois cenários de aplicação da arquitetura são apresentados, nos quais a comunicação ADS-B e LoRa são implementadas. A avaliação da solução proposta é realizada comparando-se a geração de serviço com a arquitetura, (com dois níveis de isolação de rede), e sem a arquitetura. O tempo de lançamento e de resposta dos serviços, e a utilização dos recursos computacionais são comparados, mostrando que a arquitetura tem impacto nesses fatores. Este impacto aumenta conforme o nível de isolação de rede utilizado. Por outro lado a arquitetura aplica uma topologia que converte os componentes funcionais do serviço em blocos modulares, tornando possível sua aplicação em diferentes projetos de RF, e oferece benefícios não funcionais, como a capacidade de prover serviços em tempo real, emprego com diferentes modelos de SDR, e isolação de rede. Além disso, a arquitetura adiciona uma série de características de controle herdadas da tecnologia de virtualização.

Software Defined Radio is a programmable radio device that, when connected to a computer or as an embedded solution, can transmit and receive data information using radio waves. The programming features of the SDR and its RF bandwidth range extends the application possibility to several areas, including aviation, satellite, radar, and mobile communication. SDR has drawn great attention to network service provision. Acting as a multi-programmable air interface at the edge of wired network environments, SDR can receive, decode and forward radio information, which is used to generate the services. Examples of services including real-time flight tracker web pages, and sensor monitoring data charts. However, to provide network services, SDR must integrate into complex network environments where recent technologies, such as NFV, SDN, containerization and cloud computing, are applied. This thesis addresses the integration of SDRs with containerization. It proposes an easy-to-deploy container-based architecture to provide network services from SDR devices. Using different types of SDR devices (USRP, LimeSDR and RTL-SDR), GNURadio platform and Docker Container, two use cases of the proposed architecture are presented, demonstrating scenarios where ADSB and LoRa communication are implemented in order to provide services to end-users. Evaluation of the proposed solution is performed comparing two models of service provision: with the proposed architecture (two levels of network isolation), and without the architecture. The overhead time added to launch the services, the time response and computational resource utilization are compared, showing that there is an overhead added by the architecture which impacts on the system performance. The overhead increases with the applied network isolation level. Conversely, the architecture converts the service functional components into modular components, its application can be extended to different RF projects and SDR types, and offers non-functional benefits such as, real-time capability, network isolation, fine setting of communication parameters, and a set of control and configuration features inherited from container virtualization platform.