ska signal processing strategy to proceed to the next phase

26
Name Designation Affiliation Date Signature Additional Authors Submitted by: W. Turner Signal Processing Domain Specialist SPDO 20110401 Approved by: K.Cloete Project Manager SPDO 20110401 SKA SIGNAL PROCESSING STRATEGY TO PROCEED TO THE NEXT PHASE Document number ................................................................ WP2040.010.030PLA001 Revision ........................................................................................................................... 1 Author................................................................................................................. W.Turner Date ................................................................................................................ 20110401 Status ............................................................................................... Approved for release

Transcript of ska signal processing strategy to proceed to the next phase

 

 

 

Name  Designation  Affiliation  Date  Signature 

Additional Authors 

 

Submitted by: 

W. Turner  Signal Processing Domain Specialist

SPDO  2011‐04‐01   

Approved by: 

K.Cloete  Project Manager  SPDO  2011‐04‐01 

 

   

SKA SIGNAL PROCESSING STRATEGY TO PROCEED TO 

THE NEXT PHASE 

Document number ................................................................ WP2‐040.010.030‐PLA‐001

Revision ........................................................................................................................... 1

Author ................................................................................................................. W.Turner

Date ................................................................................................................ 2011‐04‐01

Status ............................................................................................... Approved for release

 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 2 of 26 

DOCUMENT HISTORY 

Revision  Date Of Issue  Engineering Change  

Number 

Comments 

A  ‐  ‐  First draft release for internal review 

B  ‐  ‐  Addressed comments received by K.Cloete 

1  1st April 2011    First Issue 

 

 

DOCUMENT SOFTWARE 

  Package  Version  Filename 

Wordprocessor  MsWord  Word 2007  10‐WP2‐040.010.030.PLA‐001‐1_SKASPNextPhase 

Block diagrams       

Other       

 

 

ORGANISATION DETAILS 

Name  SKA Program Development Office 

Physical/Postal 

 Address 

Jodrell Bank Centre for Astrophysics 

Alan Turing Building 

The University of Manchester 

Oxford Road 

Manchester, UK 

M13 9PL 

Fax.  +44 (0)161 275 4049 

Website  www.skatelescope.org 

 

   

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 3 of 26 

 

TABLE OF CONTENTS 

1  INTRODUCTION ............................................................................................. 6 

1.1  Purpose of the document ....................................................................................................... 6 

2  REFERENCES ................................................................................................ 6 

3  OVERVIEW .................................................................................................. 7 

3.1  SKA Phases and Milestones .................................................................................................... 7 

3.1.1  Preparatory Phase ........................................................................................................... 7 

3.1.2  Pre‐Construction Phase................................................................................................... 8 

3.1.3  Construction, Verification, Commissioning, Acceptance, Integration & First Science ... 8 

3.1.4  SKA2 Construction, Commissioning, Acceptance, Integration & First Science ............... 8 

3.2  SKA Work Packages ................................................................................................................. 9 

3.3  WP2.5  Digital Signal Processing ........................................................................................... 10 

3.4  Signal Processing Time Line .................................................................................................. 11 

3.4.1  Conceptual Design Review, CoDR ................................................................................. 11 

3.4.2  System Requirements Review, SRR .............................................................................. 13 

3.4.3  Preliminary Design Review, PDR ................................................................................... 13 

3.4.4  Critical Design Review, CDR .......................................................................................... 14 

4  GAPS IN THE CONCEPT PHASE ........................................................................ 15 

4.1.1  Remote Station Beamforming Concept ........................................................................ 15 

4.1.2  Reliability and Maintainability, RAM, Estimates ........................................................... 16 

4.1.3  Software development and costing strategy ................................................................ 17 

5  DEFINITION PHASE ...................................................................................... 17 

5.1  Tools ...................................................................................................................................... 18 

5.1.1  Requirements ................................................................................................................ 18 

5.1.2  Document Management ............................................................................................... 18 

5.1.3  Modelling ...................................................................................................................... 18 

5.2  SRR Document Tree .............................................................................................................. 19 

5.3  Signal Processing Requirements ........................................................................................... 20 

5.4  Further Development of Concepts ....................................................................................... 20 

5.4.1  Software Correlator ...................................................................................................... 20 

5.4.2  Embedded Correlator ................................................................................................... 21 

5.4.3  Tasks related specifically to Central  Beamformer Design ............................................ 22 

5.4.4  Tasks related specifically to Non Imaging processing ................................................... 23 

5.5  List of Resources ................................................................................................................... 24 

5.6  Estimated Contributions to Remainder of WP2 ................................................................... 26 

 

LIST OF FIGURES 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 4 of 26 

Figure 1 SKA top level phases and milestones. ....................................................................................... 7 

Figure 2 SKA Work Packages ................................................................................................................... 9 

Figure 3 Work Package 2 Taxonomy ..................................................................................................... 10 

Figure 4 Signal processing time scales .................................................................................................. 11 

Figure 5 Phases, reviews and baselines ................................................................................................ 17 

Figure 6 SRR Document Tree ................................................................................................................ 19 

 

 

 

 

LIST OF TABLES 

Table 1 Mapping of SEMP identified deliverables to the SP CoDR document set ................................ 12 

Table 2 Reliability Coverage in Concept Descriptions ........................................................................... 16 

Table 3 List of Resources ....................................................................................................................... 25 

Table 4 Estimated person month contributions from 1 January 2011 to 31 March 2012 ................... 26 

 

 

 

 

   

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 5 of 26 

LIST OF ABBREVIATIONS 

AAVP ...................................... Aperture Array Verification Program

ASKAP .................................... Australian SKA Pathfinder

ASG ........................................ Agencies SKA Group

CoDR ...................................... Concept Design Review

DOW ....................................... Description of Work

DRM ........................................ Design Reference Mission

FP7 ......................................... Framework 7

IEAC ........................................ International Engineering Advisory Committee

MeerKAT ................................. South African pathfinder being built in the Karoo

PDR ........................................ Preliminary Design Review

PEP ......................................... Project Execution Plan

PMP ........................................ Project Management Plan

PrepSKA ................................. Preparatory Phase for the SKA

SEMP ...................................... System Engineering Management Plan

SSEC ...................................... SKA Science and Engineering Committee

SKA ......................................... Square Kilometre Array

SKA1 ....................................... Phase 1 of the SKA

SKA2 ....................................... Phase 2 of the SKA

SPDO ...................................... SKA Program Development Office

SPO ........................................ SKA Project Office

SRR ........................................ System Requirements Review

SWG ....................................... Science Working Group

UK ........................................... United Kingdom

WP .......................................... Work Packages

 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 6 of 26 

1 Introduction 

The purpose of  this document  is  to describe  the  strategy  to move  to  the next SKA element  level 

engineering phase for the signal processing aspects of the project, the definition phase. 

1.1 Purpose of the document 

In support of the purpose of the document the following aspects are described: 

High level milestones 

Identify the gaps at the CoDR 

Identify the activities to address gaps 

Identify activities in heading towards the next review the SRR 

This Signal Processing Strategy to Proceed to the Next Phase document is part of a document series 

generated to provide a top down and bottom up approach in support of the Signal Processing CoDR. 

This document set includes the following: 

Signal Processing High Level Description 

Technology Roadmap 

Design Concept Descriptions 

Signal Processing Requirements 

Signal Processing Costs 

Signal Processing Risk Register 

Signal Processing Strategy to Proceed to the Next Phase 

Signal Processing CoDR Review Plan 

Software & Firmware Strategy 

 

2 References 

The following documents are referenced in this document. 

[1] Strategy  to  to  Proceed  To  The Next  Phase WP2‐005.010.030‐PLA‐002,  K  Cloete  15th  Feb 

2011 

[2] R.T. Schilizzi et al, ‘Project Execution Plan – Pre‐Construction Phase for the Square Kilometre 

Array (SKA)’, document MGT‐001.005.005‐MP‐001, Rev K.  

[3] K. Cloete et al,  ‘PrepSKA FP7 Work Package 2 Project Plan’, document MGT‐040.030.002‐

PLA‐001, Rev I, dated 2011‐02‐16. 

[4] T.J. Stevenson,  ‘System Engineering Management Plan’, document WP2‐005.010.030‐MP‐

001, Revision F, dated 2011‐02‐15. 

[5] B.Carlson,  Giant  Systolic  Array  (GSA)  Correlator  Concept  Description 

WP2‐040.050.010‐TD‐001 Rev B 11th March 2011 

 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 7 of 26 

3 Overview 

A  high  level  overview  of  the  SKA  project  and  its milestones  is  presented  in  this  section  of  the 

document to provide a context for the Signal Processing domain.  The overview includes: 

Identification of the SKA Project Phases 

Identification of top level SKA milestones 

SKA Work package breakdown 

Top level Signal Processing work package breakdown. 

Further detail is provided in the system level documentation [1] 

3.1 SKA Phases and Milestones 

Figure 1 provides a time line for phases of the project and identifies the top level milestones of the 

project.   

 

Figure 1 SKA top level phases and milestones. 

The phases include: 

Preparatory phase (current phase) 

Pre‐construction phase 

SKA1 construction, verification, commissioning, acceptance, integration & first science 

SKA2 construction, commissioning, acceptance, integration & first science 

SKA Operations 

3.1.1 Preparatory Phase 

During this phase and within Work Package 2 of the project the organisations from around the globe 

are working under  the guidance and  co‐ordination  from  the  SPDO  to define and deliver a  costed 

system design for SKA1. Several verification programs form part of this phase with the main aim to 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 8 of 26 

deliver  preliminary  designs  for  particular  elements  of  the  SKA1  such  as  the  dish  and  the  low 

frequency aperture array receptors. 

During  this phase  several milestones must be achieved and  the phase will be  concluded with  the 

delivery of the costed system design for SKA1 and the deployment plan for the full SKA. 

3.1.2 Pre‐Construction Phase 

During this phase  large scale engagement with  industry will start. The preliminary designs of SKA1 

delivered during the preparatory phase will firstly be utilised 1) to solicit proposals from industry for 

the supply of these elements and 2) to be used as inputs into the refinement and detailed design of 

the elements. Although not strictly part of the pre‐construction phase and depending on the level of 

funding available at that stage, preliminary production units will be developed, built and tested for 

elements  that  have  been  identified  as  having  achieved  sufficient  technical  readiness  during  this 

phase. 

3.1.3 Construction, Verification, Commissioning, Acceptance, Integration & First Science 

During  this phase  the SKA1 equipment will be  rolled out on site,  integrated,  tested, accepted and 

commissioned. Early science observations will be conducted as soon as the array is large enough and 

will  be  grown  as  the  array  is  enlarged  during  construction  and more  and more  collecting  area 

becomes available. 

3.1.4 SKA2 Construction, Commissioning, Acceptance, Integration & First Science 

During  this  phase  the  roll  out  of  equipment  is  escalated  to  achieve  the  levels  necessary  for 

completion of the array by the end of 2022. 

   

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 9 of 26 

3.2 SKA Work Packages 

The SKA project is currently broken down into seven top level work packages which are identified in 

Figure 2.  

 

Figure 2 SKA Work Packages 

Within these, the signal processing has been defined as part of work package 2 where WP2 relates 

to the following domains: 

WP2.1 – SKA System 

WP2.2 – Dish Verification programme 

WP2.3 – Aperture Array verification Programme 

WP2.4 – Signal transport and networks 

WP2.5 ‐ Digital Signal processing 

WP2.6  ‐ Software and computing 

WP2.7 – WP2 design study management 

Of these, the technical work packages are overseen by a domain specialist at the Manchester based 

SKA  Program  Development  Office  (SPDO).  It  is  the  domain  specialist’s  responsibility  to  oversee, 

coordinate the work and execute some of it directly. 

The Digital Signal Processing work package WP2.5 is the principle concern of this document. 

bdd [block] system [Work Package definitions]

«block»

SKAWork Packages

«block»

WP2System Design

«block»

WP3Site Characterisation

«block»

WP5Procurement & Industry

«block»

WP4Governance

«block»

WP6Funding options

«block»

WP7Socio‐economic

«block»

WP1Management of PrepSKA

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 10 of 26 

Although the preparatory phase will not have been completed, the structure described above will be 

replaced by the end of 2011 with the establishment and transition to the SKA Project Office (SPO) 

(see [2] for more details) 

As the project moves forward  it will be  important to  increase the momentum, and aspects such as 

the growth of the SKA organisation and approval of funding will be key milestones and stimulants to 

achieve  this  goal.  However,  the  large  scale  influences  as  set  out  in  paragraph  4.2  may  have 

significant impact on the project as and when these influences occur. 

3.3 WP2.5  Digital Signal Processing 

The Digital Signal Processing (WP2.5) work packages and their hierarchy in relation to the SKA work 

package 2 are detailed in Figure 3 

 

Figure 3 Work Package 2 Taxonomy 

The next  level  in the hierarchy for the   WP2.5 Digital Signal Processing work package comprises of 

three parts: 

WP2.5.1 Correlator and Central Beamformer 

WP2.5.2 Digital Beam‐formers 

WP 2.5.3 Non‐Imaging Processing 

bdd [block] system [Work Package definitions]

«block»

WP2

«block»WP2.2

Dish Verification

«block»WP2.3

Aperture Array Verification

«block»WP2.5

Digital Signal Processing

«block»WP2.4

Signal Transport & Networks

«block»WP2.6

Software & Computing

«block»WP2.7

Design Study

«block»WP2.1System

«block»

WP2.5.1Correlator & Central

Beamformer

«block»

WP2.5.2Digital Beamformers

«block»

WP2.5.3Non-Imaging Processing

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 11 of 26 

The  signal processing Concept Design Review  (CoDR) will  focus on work  that has been performed 

against  these  work‐packages  with  a  focus  on  phase  1  of  the  SKA  project  whilst  considering 

extensibility to phase 2. 

Details with regards to the WP2 objectives and work are presented  in [3].  In summary the primary 

objective,  and  therefore  the  focus  within  the  SPDO  signal  processing  domain,  is  to  produce  a 

detailed costed system design for the signal processing aspects of SKA1 supported by a deployment 

plan for the full SKA. It  is towards this goal that all the effort  is directed, with the establishment of 

the conceptual baseline following the successful completion of the CoDR as the first and  important 

milestone on this road.  

3.4 Signal Processing Time Line 

Having presented  the SKA  top  level  time  line  in Figure 1, a more detailed diagram  is presented  to 

provide the context of the Signal Processing domain schedule and milestones in Figure 4 

 

Figure 4 Signal processing time scales 

This figure also identifies the funding phases for PrepSKA and the Project Execution Plan.  The CoDR 

review for the signal processing domain is in the PrepSKA phase under the control of the SPDO whilst 

the other key milestone reviews are in the PEP phase which is co‐ordinated by the successor to the 

SPDO.  

The milestone reviews are briefly described below. 

3.4.1 Conceptual Design Review, CoDR 

The  purpose  of  the  Conceptual  Design  Review  is  to  review  potential  solutions  against  systems 

requirements.  The  outcome  of  the  review will  provide  recommendations  on  how  to  proceed  in 

terms  of  which  presented  solutions  are  judged  to  have  potential  and  be  worth 

investigating/developing further, and weed‐out presented solutions that might have fundamental or 

Signal Processing

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Sub-System Definition

CoDR PDR CDR

Milestones SKA1 Final DRMSite

decision

Costed system design

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

SKA2 Signal Processors Definition and Design

SRR

Early Fabrication

PR

Factory

Site Assembly, Integration and Testing

Front End and Channeliser

Beamformer and Correlator

Pulsar and Transient Processor

SKA1 Construction, Verification, Commissioning, Acceptance, Integration & First Science

SKA Preparatory Phase

Detailed Design

Start of Phase 1 Construction

Rev 102011-03-16truncated

Concept

SRRSystem CoDRSKA1 Systems integration

PDR CDR

Phase 1 Verification and Commisioning

Detailed Design

Final SKA Deployment PlanProject management

PM Plan & Schedule

SKA Scope definitionPrepSKA

PlanProject staffing & developmentWBS, resource allocation

CoDR PDR CDR

REV REVScience DRM Development

Revision of Science Case

REV

Refinement of Early Science Shared Risk Science Operations

REVSKA2 Science Development

REV REV

Science / Engineering tradeoffs

Early Science Proposals

Continuous Performance Evaluation

Project execution, monitor and control

SKA1 construction approval

Preliminary DesignDefinitionConceptSKA1

SKA2

Continued SKA1 SE/Change management

dCoDR

Definition and high level Preliminary Design Preliminary Design

PDRDetailed Design

Demonstration and testing

AIP definition, development and fabricationAIP PAF or AA-mid Preliminary DesignPAF or AA-mid Detailed Design

AIP SKA2 DecisionAIP SKA1 Decision

PR

CoDRPhase 1 System Testing

SW Correlator Preliminary Design

Embedded Correlator Preliminary Design

Non Imaging Processor Preliminary Design

Detailed Design

Detailed Design

Factory Assembly, Integration and Testing

Site Assembly, Integration and Testing

SKA1 Pre-construction Phase

PrepSKA PEP

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 12 of 26 

technical  problems,  or  require  further  investigation.  In  addition,  if  potential  solutions  are  not 

presented  for  particular  problems,  to  point  out/  highlight  those  as  requiring  further  detailed 

investigation/study. 

The  requirements  presented  in  the  System  Engineering  Management  Plan  have  been  mapped 

against the individual document types presented as the CoDR document set and are in Table 1 

CoDR Document  SEMP deliverable covered 

Signal Processing High Level Description:

WP2‐040.030.010‐TD‐001 

Calculated or estimated performance parameters

Context  diagram  identifying  all  relevant 

interfaces (internal and external) 

First draft block diagram of the relevant system 

Technology Roadmap: 

WP2‐040.030.011‐TD‐001 

Signal Processing Requirements: 

WP2‐040.030.011‐TD‐001 

First draft requirement specification 

First  draft  requirements  traceability 

matrix/database 

Design Concept Descriptions  First  draft  cost,  schedule,  power  and  reliability 

estimates 

First  draft  block  diagram  of  the  relevant 

subsystem 

Signal Processing Costs:  Signal Processing Models  for  in  feed  to  the Cost 

Model 

Signal Processing Risk Register 

WP2‐040.010.010‐RE‐001 

First  risk  register  and  related  mitigation 

strategies for each of the candidate architectures 

Signal Processing Strategy to Proceed to the Next 

Phase 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001 

Strategy  and  plans  for  proceeding  to  the  next 

phase 

Software & Firmware Strategy 

WP2‐040.200.012‐PLA‐001 

Identification  of  software  and  related  software 

documentation activities that will  conducted 

Table 1 Mapping of SEMP identified deliverables to the SP CoDR document set 

 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 13 of 26 

3.4.2 System Requirements Review, SRR 

The SRR,  conducted at  the end of  the definition phase, will  review primarily  the definition of  the 

specific building item  as reflected in its relevant Requirement Specification. The review will typically 

be conducted after the conclusion of the requirement analysis and validation activities. 

As detailed  in  the  System Engineering Management Plan WP2‐005.010.030‐MP‐001  [4], delivered 

SRR outputs to be reviewed at this stage will include: 

•Report outlining the findings of the investigations of the candidate technology options and 

statements and justifications of the selected baseline option to be carried forward 

•Finalised  requirement  specification  (including  the  cross  verification matrix  indicating  the 

kind of tests to be performed for each of the requirements). 

•First draft interface control documents (internal and external) 

•First draft of the architectural design description document 

•First draft acceptance test plan/procedure 

•Updated risk register and related mitigation strategies  

•Updated block diagram of the relevant system, element or subsystem 

•Updated requirements traceability matrix/database 

•Strategy and plans for proceeding to the next phase 

•Updated Cost, schedule, power and reliability estimates 

•Logistical and software documents (To be defined) 

•First draft health and safety plan 

The output of this review is a well defined item at the project level at which it is being performed.  

3.4.3 Preliminary Design Review, PDR 

The PDR will be conducted at the end of the preliminary design phase and  is aimed to review and 

confirm  the  final  design  of  the  item  as  reflected  in  its  relevant  Architectural  Design  Description 

Document. The  review will be performed at  the conclusion of  the  functional analysis, verification, 

synthesis and design verification activities at the end of the preliminary design phase. 

As detailed  in  the  System  Engineering Management  Plan  [4]  (which  takes precedence), delivered 

PDR outputs to be reviewed at this stage will include: 

•Revised and final requirements specification 

•Final architectural design description document  

•Final interface control documents (internal and external) 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 14 of 26 

•Final block diagram  

•Acceptance test plans and procedures  

•First draft integration plan 

•Updated requirements traceability matrix/database  

•Consumables, spares and test equipment  

•Updated risk register and relating mitigations strategies  

•Upgrade plans 

•Roll out/build plans 

•Logistical and software documents (To be defined) 

•Audit of manufacturing data packs for designs to be carried forward 

•Final health and safety plan 

Together, the above set of documents must reflect the fully costed design of the item. The output of 

the review will be a fully designed item at the project level at which it is being performed at. 

3.4.4 Critical Design Review, CDR 

The CDR will be performed at the end of the detailed design phase and will determine whether the 

item under review is ready to enter the preliminary production phase.  

As detailed in the System Engineering Management Plan [4], delivered CDR outputs to be reviewed 

at this stage will include: 

•Confirmation of the requirement specification and design description baseline 

•Review  of  all  aspects  of  the  production  process  as  well  as  the  supporting  documents 

(manufacturing data packs).  

•Review of test and verification plans/procedures  

•Review of updated risk registers 

•Presentation of final design data on costs, power, reliability etc. 

•Review of integration and test plans 

The exact details of this phase will be developed and expanded during PrepSKA. 

   

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 15 of 26 

4 Gaps in the Concept Phase 

Table 1 identified the deliverables, defined in the SEMP, to be covered at the CoDR.  On the whole, 

these have been provided with reasonable coverage. However, there are some gaps that have been 

identified that are not necessarily easily addressed in the time scales of the CoDR. 

The short falls are: 

Remote Station (Dish) Beamforming concept (SKA2) 

Reliability estimates 

Software development and costing strategy 

4.1.1 Remote Station Beamforming Concept 

There has been no concept put  forward at  the CoDR  for beam‐forming of  the  remote stations  for 

dishes that are primarily part of phase 2 of the project. There are two key reasons for this: 

The perception is that remote station beam‐forming is trivial 

The system requirements for the dish stations are not defined 

To  ascertain  whether  the  beamforming  is  trivial  and  the  gap  isn’t  large  a  quick  calculation  is 

performed  to determine  a ball park processing power and  communication bandwidth. To do  this 

some assumptions are made: 

Dish station diameter is of the order of 250 metres 

There are ~ 20 dishes per dish station 

The instantaneous bandwidth is 3.5 GHz 

There are ~ 40 Dish Stations 

Number of beams is less than 5  

The beam‐forming load is consequently: 

  5     25   3.5    2   1  875     

The input bandwidth is: 

25    3.5    2   4  700   /  

Reading  across  from  the  Sparse  AA  Beamformer  concept,  this  could  be  implemented  in  one 

Uniboard (or equivalent) for a board cost of €10k and a thermal dissipation of under 350 Watts per 

station. 

Consequently, the gap isn’t regarded as significant but should be addressed within the next phase 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 16 of 26 

During  the  Definition  phase  the  Signal  Processing  domain  will  iterate  with  the  system  level  to 

establish the requirements associated with dish station beamforming. 

4.1.2 Reliability and Maintainability, RAM, Estimates 

A requirement identified for inclusion at the CoDR is first draft estimates of Reliability for each of the 

presented  concepts. Table 2 provides a  summary of each of  the  concepts and whether RAM was 

considered. 

Concept   Reliability Figures Available Y/N 

Software Correlator  N

Giant Systolic Array  Y

ASKAP Style Correlator  N

UNIBOARD Correlator  N

CASPER Correlator  N

Low Power Correlator  N

SKADS AA Correlator  N

Central Beamformer  N

Station Beamformer  N

Non‐Imaging Processing  N

PAF Beamforming   N

FPGA Pulsar Processing  N

Table 2 Reliability Coverage in Concept Descriptions 

As can be seen from this table RAM has, for the most part, not been considered so far. To close this 

gap  in  the Definition phase,  the Signal Processing domain needs  to work  closely with  the System 

domain to define the requirements and the methodology for calculating RAM. 

Typically  Telcordia  SR‐332  (telecom  standard)  and MIL HDBK  217F  are  used  to  provide  reliability 

estimates. Manufactures  also  provide measured  reliability  data.  For  example,  Xilinx  published  a 

reliability report in Q3 2010:  

http://wiki.skatelescope.org/pub/SignalProcessing/WebHome/ug116.pdf  

From this report the reliability of the FPGAs is typically 50 to 200 FITS (failures in 109 hours) which is 

in  line with  the  reliability  estimates  for  an ASIC  [5].  It  is  assumed GPU processing  chips  are of  a 

similar complexity and will have a reliability of the order of 50 to 500 FITs.  

The use of reliability figures in conjunction with reliability block diagrams are now to be addressed in 

the Definition phase. 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 17 of 26 

Infant mortality  is  also  addressed  in  the  GSA  correlator  document  [5].  Infant mortality  includes 

issues  relating  to  silicon  failures,  defective  solder  joints,  cabling  failures/installation  errors, 

connector contact failures etc. 

The  EVLA,  found  a  correlation  between  complexity/number  of  solder  joints,  and  infant  failures.  

Plans to include eng‐model and production‐model reliability testing (if any), for example HALT/HAST 

need to be considered across all concepts. 

Reliability  estimates  for  human  factors  need  to  be  consider  which  reliability  tools  like    Relex 

reliability software can estimate. 

Soft‐FPGA failures due to configuration SRAM upsets can be an issue and need to be considered as 

part of RAM. The EVLA has ~15k FPGAs and are seeing on the order of 1‐3 events per month which 

need human  intervention  to  fix.   With a much more complex system, and presumably many more 

FPGAs, a methodology for deal with this issue needs to be identified possibly including some form of  

automatic recovery.  ALMA, have a plan was to reboot all FPGAs ~once per day to deal with the issue 

whether this is effective needs to be ascertained in the definition phase. 

 Software reliability is to be included in RAM. 

4.1.3 Software development and costing strategy 

Software development and costing  strategy  for  signal processing  is  to be aligned with  that of  the 

software and computing domain and utilised the procedures developed as part of the domain. 

 

5 Definition Phase 

The Definition phase  immediately follows the Concept phase and associated CoDR and leads to the 

requirements review, SRR, as detailed in Figure 5  

 

 

Figure 5 Phases, reviews and baselines 

The following sections provide an overview of the strategy to proceed from the CoDR towards the 

SRR. This includes: 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 18 of 26 

A definition of the tools required to support the definition phase 

The documentation that is to be developed for the SRR 

Tasks required for the development of the concepts presented at the CoDR 

Resources available 

The activities in the definition phase will continue to work with a top down and bottom up approach 

with activities  supporting  the Element  Level Signal Processing activities  such as  the Element  level 

requirements whilst continuing the development of the individual concepts. 

5.1 Tools 

During the Definition phase the complexity of the system, the number of requirements and quantity 

of documentation  is expected to  increase significantly across all domains. As an aid to dealing with 

this complexity and ensuring consistency and tractability across the system, tools for requirement, 

document and modelling are being considered.  

5.1.1 Requirements 

It  will  be mandatory  for  the  SKA  Requirements  Engineering  activity  to  employ  tools  to  ensure 

traceability, completeness, change control and adequate verification.   The SPDO does not have the 

resources to yet fully implement tools, but the process of identification and selection has started on 

the basis of evaluation licensing, principally in relation to IBM offerings. 

5.1.2 Document Management 

Document Management, including Change Control, is being evaluated making use of the CERN EDMS 

system.   The deployment of EDMS, or an alternative Data Management System, may necessitate a 

retrospective change to the document numbering scheme. 

5.1.3 Modelling  

Work on the  identification and evaluation of Model Based System Engineering tools  is expected to 

accelerate  once  resources  are  available  and  the  Requirements  Capture  phase  ramps  down.    The 

most  pressing  application  of Modelling  is  in  cost/performance  trade‐off  studies,  and  the  existing 

models will be integrated once the tools have been deployed. 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 19 of 26 

5.2 SRR Document Tree 

 

Figure 6 SRR Document Tree 

Figure  6  details  the  development  of  the  documents  presented  at  the  CoDR  into  the  documents 

required  for  the  next  review  the  SRR.  In  essence,  the  activities  in  producing  these  documents 

represent the backbone of the strategy to proceed. 

For simplicity of representation, the diagram  is presented with a semi‐rolled‐up perspective of the 

hierarchy.  

The CoDR has  identified several concepts  for the  implementation of the signal processing. Each of 

these  concepts  is  to develop  into  first pass document  sets  for Design Specifications and  Interface 

Control Document sets for the SRR. There will be multiple instances of documents in the document 

sets spanning the hierarchy.    

All Design Specifications and Interface Control Document sets are traceable to the Signal Processing 

element level requirement through the system hierarchy.  

The Signal Processing Element level requirements are to be developed to a stable and baselined for 

the SRR. 

Each  Interface Control document  set  is  to be made of a Data exchange Specification and Physical 

interface Specification component. Depending on complexity, these may be separate documents 

For each Design Specification and Interface Control Document there will be an associated Test Plan 

document.  

bdd [block] system [SRR documentation model]]

«block»Signal Processing

«block»Interface Control

Document Set

«block»Data Exchange Specification

«block»Physical Interface

Specification

«block»Design Specification

«block»Architecture DescriptionDocument

«block»Requirements

«block»Test Plan

«block»Test Plan

«block»Technology Roadmap

«block»Test Plan

informs

satisfies

«block»Concepts

satisfies

1..*

Develops into

satisfies

«block»Test Plan

traceable to

1..*1..*

satisfies

informs

«block»System

Traceable to

«block»High Level Description

informs

«block»Costing

refines

traceable to traceable to

informs

traceable to

CoDR Artifact SRR Artifact

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 20 of 26 

The High Level Description will develop  into an Architecture Description Document which  is  to be 

traceable  to  the  Signal  Processing  Element  level  requirements  and  is  to  inform  the  Design  and 

Interface Control Document set specifications 

The costing document  is  to be refined  to  include  in  feed  from  the Design Specifications. This  is  to 

include expanding the coverage for the template identified in the costing how to document 

Section 3.4.2 details the deliverables identified in the SEMP for the SRR. 

5.3 Signal Processing Requirements 

As illustrated in Figure 6, the Signal Processing Element requirements form a major hub for the other 

documents to be presented at the SRR.  Consequently, a large amount of effort between the CoDR 

and the SRR is to be allocated to developing this document such that there is complete coverage and 

traceability of the requirements.  

The associated Test Plan  is to be generated as  in feed to the SRR but  is only required to be a first 

pass 

5.4 Further Development of Concepts 

A two pronged approach to the development of each concept to be carried forward from the CoDR. 

This is to include: 

Generation of documentation supporting the SRR 

Evaluation of technology  

The  SRR  documentation  is  dealt with  in  section  5.2.  The  following  sections  identify  the  types  of 

activities expected for the technology evaluation for each type of concept. 

5.4.1 Software Correlator 

Address gaps identified at the CoDR (if any) 

Development of  a  Software Correlator Architecture Description Document  including  sub‐system requirements 

Development  of  a  Software  Correlator  design  specification  set  including  sub‐system requirements 

Development of a Software Correlator  Interface Control Document set  including  interface requirements  in  the  form  of  a  Data  exchange  Specification  and  Physical  interface specification sets 

Identify,  optimal  communications  topology  in  terms  of  cost  and  performance  between processing nodes  including  latency and  jitter characterization. This will potentially  include optimisations of the OS communications stack including memory buffer sizing to avoid data loss.  

Identify scalability of software correlator solution  in terms of cost and thermal dissipation as a function of number of antenna and correlation algorithms 

Identify a Monitoring and Control philosophy that is inclusive of any hardware acceleration cards. Built  in test and Power on Self Test should be considered. For a software correlator and  supporting  network,  SNMP  and  RMON might  be  considered  for  hardware  and  OS 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 21 of 26 

monitoring.  However,  monitoring  needs  to  cover  the  functionality  of  the  correlator Application too. 

Identify a system boot mechanism that provides a reasonable boot time (say 3 to 4 minutes for the application to be running from cold start) 

Identify an automated mechanism for software update  (possibly along the  lines of Linux’s Anaconda?) 

Specify  software  test  harnesses  to  ‘stress  test’  the  software  correlator  in  terms  of simultaneous processing and communications load. This could also be used to make power and temperature measurements as a function of load. 

Characterise  the  performance  of  compilers  possibly  including  a  comparison  of manufacturer’s against open source GNU. 

Identify all licensing issues with respect to software, OS and support tools.  

Identify  any  environmental  limitations  of  the  equipment:  operating  and  storage temperatures, humidity, shock vibration etc. 

Identify any Health and Safety issues for the equipment. 

Determine the support period and warranty offered on products. 

Estimate Non Recurring Costs including software development. It is expected that function point analysis or equivalent will be used for costing.  

Estimated reliability figures  

5.4.2 Embedded Correlator 

This section refers to concepts based on FPGA and ASIC technology 

Address gaps identified at the CoDR (if any) 

Development of a Embedded Correlator Architecture Description Document  including sub‐system requirements 

Development  of  a  Embedded  Correlator  design  specification  set  including  sub‐system requirements 

Development of a Embedded Correlator Interface Control Document set including interface requirements  in  the  form  of  a  Data  exchange  Specification  and  Physical  interface specification sets 

Identify  and  evaluate  candidate  architectures. Currently,  the  FX  architecture  is  favoured. However, the scale of the SKA in terms of number of antenna, baseline length and fields of view create new challenges. These include: 

o FFT lengths required in the Channelizer. 

o F to X corner turner  

o Memory requirements for correlation results 

o Data rate to Science Computing 

Determine  the  number  of  bits  required  at  different  stages  of  the  processing  chain  and model bit truncation. 

Model  channelizer  implementation  to  determine  the  associated  processing  and memory requirements and performance in terms of cross talk between channels. Consideration is to be given to coarse/fine channel split with up‐sampling.  

Identify  optimal  communications  topology  in  terms  of  cost,  performance  and  thermal dissipation between channelizer and correlator.   

Identify all licensing issues with respect to software, OS and support tools.  

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 22 of 26 

Identify any Health and Safety issues for the equipment. 

Determine the support period and warranty offered on products.   

Where  bespoke  designs  are  being  implemented,  ascertain  through  modelling  (possibly using  CAD  software)  the  key  physical  constraints  of  the  design.  This might  include  the number of processing devices per card/ module. 

Propose Equipment Practice detailing cabinets, racking, cooling and cabling. 

Determine  the  topology  and  technology  options  for  communication  between  correlator processing nodes 

Estimate Non Recurring Costs including software development. It is expected that function point analysis or equivalent will be used for costing.  

Estimated reliability figures  

5.4.3 Tasks related specifically to Central  Beamformer Design  

Address gaps identified at the CoDR (if any) 

Development of a Central Beamforming Architecture Description Document  including sub‐system requirements 

Development  of  a  Central  Beamformer  design  specification  set  including  sub‐system requirements 

Development of a Central Beamformer  Interface Control Document set  including  interface requirements  in  the  form  of  a  Data  exchange  Specification  and  Physical  interface specification sets 

Identify  calibration  requirements  and  any  differences  in  configurations  required  for different experiments trading bandwidth, precision, FoV etc. 

Model/ simulate beam‐former. 

Determine  the  number  of  bits  required  at  different  stages  of  the  processing  chain  and model any bit truncation. 

Ascertain  beam‐former  coefficient  update  rate  and  determine  the  associated  processing load and bandwidth implications in delivering coefficients to beam‐former.  

Identify  and model  RFI Mitigation  algorithms  suitable  for  implementation within  beam‐forming hardware 

Identify  optimal  communications  topology  in  terms  of  cost,  performance  and  thermal dissipation.  

Liaise with AA_low  and Dish  Receptor  design  teams  to  derive  the  number  of  frequency channels  required  to  support  beam‐forming  and  ascertain  the  merits  and  pit  falls    of including channelization   

Identify all licensing issues with respect to software, OS and support tools.  

Identify any Health and Safety issues for the equipment. 

Determine the support period and warranty offered on products.   

Where  bespoke  designs  are  being  implemented,  ascertain  through  modelling  (possibly using  CAD  software)  the  key  physical  constraints  of  the  design.  This might  include  the number of processing devices per card/ module. 

Propose  Equipment  Practice  including  card,  shelf  and  cabinet  standards  and  associated PSUs and cooling 

Determine the topology and technology options for communication between  beam‐former processing nodes 

Estimate Non Recurring Costs including software development. It is expected that function point analysis or equivalent will be used for costing.  

Estimated reliability figures   

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 23 of 26 

5.4.4 Tasks related specifically to Non Imaging processing 

Address gaps identified at the CoDR (if any) 

Development  of  a Non‐Imaging Architecture Description Document  including  sub‐system requirements 

Development of a Non‐Imaging design specification set including sub‐system requirements 

Development  of  a  Non‐Imaging  Interface  Control  Document  set  including  interface requirements  in  the  form  of  a  Data  exchange  Specification  and  Physical  interface specification sets 

Work with the System team to ensure sufficient coverage of requirements to allow progress in  developing  and  sizing  implementation  concepts.  This  particularly  relates  to  the parameter space associated with Binary Pulsar systems 

Work  with  the  System  requirement  team  to  develop  use  cases  for  the  Non‐Imaging processing. 

Develop optimal Coherent De‐dispersion implementation 

Analyse and evaluate Binary search algorithms  against search parameter space 

Analyse and evaluate automated detection algorithms  

 Determine the number of bits required at different stages of the processing or data storage chain and model any bit truncation. 

Identify,  optimal  communications  topology  in  terms  of  cost  and  performance  between processing nodes  including  latency and  jitter characterization. This will potentially  include optimisations of the OS communications stack including memory buffer sizing to avoid data loss.  

Identify a Monitoring and Control philosophy that is inclusive of any hardware acceleration cards. Built in test and Power on Self Test should be considered. SNMP and RMON might be considered  for  hardware  and  OS monitoring.  However, monitoring  needs  to  cover  the functionality of the Non‐Imaging applications too. 

Identify a system boot mechanism that provides a reasonable boot time (say 3 to 4 minutes for the application to be running from cold start) 

Identify an automated mechanism for software update  (possibly along the  lines of Linux’s Anaconda?) 

Specify  software  test  harnesses  to  ‘stress  test’  the  Non‐Imaging  processing  in  terms  of simultaneous processing and communications load. This could also be used to make power and temperature measurements as a function of load. 

Characterise  the  performance  of  compilers  possibly  including  a  comparison  of manufacturer’s against open source GNU.  

Identify power  requirements  including but not  limited  to wattage,  required voltages, any special power sequencing needs and UPS needs to allow orderly shutdown of equipment 

Identify all licensing issues with respect to software, OS and support tools.  

Identify  any  environmental  limitations  of  the  equipment:  operating  and  storage temperatures, humidity, shock vibration etc. 

Identify any Health and Safety issues for the equipment. 

Determine the support period and warranty offered on products. 

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 24 of 26 

5.5 List of Resources 

Table 4  Includes  the official  [ref]  list of  the people and  institutions  that have volunteered  to provide effort  for  the PrepSKA phase of  the SKA against 

particular work packages. These have been organised  such  that  the Lead  Institution co‐ordinates  the work  in  the work package  from  the Participating 

organisations. 

Work 

Package 

SPDO 

Domain 

Specialist 

WP 

number 

Task Lead Institutes Task Leader Participating Institutes Resources 

WP2.5 

Digital Signal  

Processing 

W. Turner 

 

2.5.1 Correlator and central beamformer DRAO B.Carlson  JIVE A. Szomoru

  KASI J. Kim

  NCRA Y. Gupta

  CSIRO J. Bunton

  NRF F. Kapp

2.5.2 Digital Beamformers

2.5.2.1 PAFs  CSIRO J Bunton ASTRON W. van Cappellen 

  DRAO B. Veidt

  UCAL L. Bruton

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 25 of 26 

2.5.2..2 AAs  AAVP

2.5.2.3 Station Beamforming UK M.Jones

C.Shenton 

MPIfR R. Keller

  ASTRON A.Gunst

  DRAO B.Carlson

  INAF S. Montebugnoli

2.5.3 Non‐Imaging  UK B.Stappers  ASTRON J.G. Bij de Vaate

  CSIRO J.Bunton

  MPIfR R. Keller

  NRF F. Kapp

  OBSPAR C. Viou

  UORL R. Weber

2.5.4 Software Correlators KASI J. Kim

  NCRA Y. Gupta

  UK P.Alexander

Table 3 List of Resources1 

In addition to this list, other institutions are providing support including:  ICRAR: T. Colgate and N. Clarke for Non Imaging processing including transients and dedispersion 

                                                            1 Taken from [3]

WP2‐040.010.030‐PLA‐001     Revision : 1 

  2011‐04‐01   Page 26 of 26 

JPL: L. Daddario, R.Navarro, K. Wagstaff, W.Majid for Correaltion and Non Imaging processing including dedispersion and auto detection  

5.6 Estimated Contributions to Remainder of WP2 

 

WP  Description  SPDO  ASTRON  CSIRO  DRAO  ICRAR  INAF  MPIfR  NCRA‐ 

TIFR 

OBSPAR  TDP  UK  Other  Totals 

2.5  Digital Signal Processing  14    7  40          15    83.5    160.5 

 

Table 4 Estimated person month contributions from 1 January 2011 to 31 March 20122 

 

                                                            2 In process of being finalised [3]