network infrastructure concept description

24
NETWORK INFRASTRUCTURE CONCEPT DESCRIPTION Document number .................................................................. WP2030.080.000TD.001 Revision ........................................................................................................................... 1 Author ................................................................................................................ R.McCool Date ................................................................................................................. 20110602 Status .............................................................................................. Approved for Release Name Designation Affiliation Date Signature Submitted by: R.McCool 20110602 Accepted by: Approved by: P.Dewdney 20110613

Upload: khangminh22

Post on 31-Jan-2023

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

     

NETWORK INFRASTRUCTURE CONCEPT DESCRIPTION  

Document number .................................................................. WP2‐030.080.000‐TD.001Revision ........................................................................................................................... 1Author ................................................................................................................ R.McCoolDate ................................................................................................................. 2011‐06‐02Status .............................................................................................. Approved for Release 

  

Name  Designation  Affiliation  Date  Signature 

Submitted by: 

R.McCool      2011‐06‐02 

 

Accepted by: 

         

Approved by: 

P.Dewdney      2011‐06‐13 

    

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

  2011‐06‐02   Page 2 of 24 

 

DOCUMENT HISTORY Revision  Date Of Issue  Engineering Change  

Number 

Comments 

A  2011‐05‐09  ‐  First draft release for internal review 

B  2011‐06‐02    Second updated draft for aproval 

1  2011‐06‐13    Update with comments approved for release 

  

DOCUMENT SOFTWARE   Package  Version  Filename 

Wordprocessor  MsWord  Word 2007  WP2‐030.080.000‐TD.001v1 InfConcept.docx 

Block diagrams       

Other       

  

ORGANISATION DETAILS Name   

Physical/Postal  Address 

 

Fax.   Website   

    

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

 

TABLE OF CONTENTS 

1  INTRODUCTION ............................................................................................. 6 1.1  Purpose of the document ....................................................................................................... 6 1.2  Scope of the document ........................................................................................................... 6 

2  SYSTEM CONTEXT FOR NETWORK INFRASTRUCTURE ............................................... 6 2.1  SKA Hierarchy .......................................................................................................................... 6 2.2  Role of SKA Network Infrastructure in the SKA ...................................................................... 7 2.3  First Draft Interface Description ............................................................................................. 7 

3  TARGET REQUIREMENTS AND FUNCTIONALITY ...................................................... 9 3.1  Functional Requirements ........................................................................................................ 9 3.2  Non‐Functional Requirements ................................................................................................ 9 

4  FIRST DRAFT DESCRIPTION OF THE PHYSICAL NETWORK INFRASTRUCTURE DESIGN ........ 9 4.1  Designing network infrastructure for extensibility to SKA2 ................................................. 11 

5  TRENCHCOAT ESTIMATES OF PHYSICAL LAYER INFRASTRUCTURE SIZE METRICS. ........... 12 

6  IMPACT OF EXTENSIBILITY TO AIP AND SKA2 .................................................... 13 6.1  Providing extensibility using a passive duct network ........................................................... 14 

7  FIRST DRAFT POWER REQUIREMENTS .............................................................. 14 

8  FIRST DRAFT RELIABILITY CONSIDERATIONS ....................................................... 14 8.1  Network Architecture and its impact on availability ............................................................ 14 8.2  Accuracy of the Inventory and Maintenance System ........................................................... 15 

9  FIRST DRAFT COST REPORT. .......................................................................... 15 9.1  Quantity Estimation .............................................................................................................. 15 9.2  List of cost estimates itemized .............................................................................................. 15 9.3  Summary of 10 year cost of ownership ................................................................................ 16 9.4  Description of the procurement method.............................................................................. 16 9.5  Sensitivity Analysis of Cost estimates. .................................................................................. 17 

10  FIRST DRAFT RISK ANALYSIS ....................................................................... 19 

11  PLANNING FOR THE NEXT PHASE ................................................................... 24 

12  REFERENCES ........................................................................................... 24  

    

  2011‐06‐02   Page 3 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

LIST OF FIGURES Figure 1. Functional block diagram of the Digital Data Back Haul System, showing the  interconnect 

block as part of the ‘link’ block. .................................................................................................... 7 Figure  2.  Product  tree  for  Signal  Transport  and  Networks  showing  the  Physical  Layer  Cable 

infrastructure as an entity  in  its own right that will be subject to a work package description and subsequent contracts. ........................................................................................................... 7 

Figure  3  External  influences  on  the  design  and  implementation  of  the  SKA  Physical  network infrastructure ................................................................................................................................ 8 

Figure 4 External Interfaces to the SKA physical network infrastructure. .............................................. 8 Figure 5 SKA1 layout (zoom6) ............................................................................................................... 11 Figure 6 SKA2 layout (zoom6) ............................................................................................................... 11 Figure 7 SKA1 dish core (zoom 16)     Figure 8 SKA2 Dish Core (zoom 16) ......................................... 11 Figure 9 Chart illustrating the network fibre required to serve various extensibility options ............. 13 Figure 10 The development of array configurations and the interdependencies involved. ................ 18  

LIST OF TABLES Table 1 Network metrics obtained from TrenchCOAT optimisation. ................................................... 12 Table 2 Cost component list for STaN network infrastructure ............................................................. 16     

  2011‐06‐02   Page 4 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

 

LIST OF ABREVIATIONS AA‐Lo  ...............................  Low Frequency Aperture Array AIP  ...............................  Advanced Instrumentation programme CBP  ...............................  Cannot be predicted CDR  ...............................  Critical Design Review CoDR  ...............................  Concept Design Review COTS  ...............................  Commercial Off the Shelf CPF  ...............................  Central Processing Facility DDBH  ...............................  Digital Data Back Haul DRM  ...............................  Design Reference Mission HLD  ...............................  High Level Description HMI  ...............................  Human Machine Interface I&M  ...............................  Inventory and Maintenance ID  ...............................  Identity M&C  ...............................  Monitor and Control NDA  ...............................  Non Disclosure Agreement NVC  ...............................  Non Visibility Computing OH  ...............................  Overhead OSF  ...............................  Operations support facility PEP  ...............................  Project Execution Plan RFI  ...............................  Radio Frequency Interference SATS  ...............................  Synchronisation and Timing Sub‐System SEMP  ...............................  System Engineering Management Plan SKA  ...............................  Square Kilometre Array SKA1  ...............................  Square Kilometre Array Phase 1 SKA2  ...............................  Square Kilometre array Phase 2 SPDO  ...............................  SKA Program development Office SPF  ...............................  Single Pixel Feed SRC  ...............................  SKA Regional Centre SRR  ...............................  Specification Requirements Review STaN  ...............................  Signal Transport and Networks SYSML  ...............................  Systems Modelling Language SYSMOD  ...............................  System Modelling Process TBC  ...............................  to be confirmed TBD  ...............................  to be determined UTC  ...............................  Universal Time Constant 

   

  2011‐06‐02   Page 5 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

1 Introduction 

1.1 Purpose of the document 

This document describes  the  initial design work undertaken  for  the network  infrastructure  for  the SKA at the SPDO.  

1.2 Scope of the document 

This document will describe the network infrastructure of the SKA including the following; • Its context within the SKA Signal Transport and Networks. • First draft description of interfaces • Physical description of the sub‐system • First draft description of the design, including; 

o Architecture o Impact of array configurations o Installation, Commissioning and Maintenance considerations o Impact of extensibility to AIP and SKA2 

• Cost estimates • First Draft Risk analysis • Identification of gaps and further work • Plans to proceed to the next phase  

   

2 System Context for Network Infrastructure 

2.1 SKA Hierarchy 

The Network  infrastructure  is a common part of many Sub‐Elements  in  the SKA  telescope. From a functional hierarchy point of view the network  infrastructure  is only a part of a  larger system. The requirements on the networks vary according to the functional role it plays within a Sub‐Element.  In a physical and product  sense  it exists  in  the  telescope as an entity  in  its own  right as a  single infrastructure that serves many purposes and locations. It will be described as such for the purposes of letting contracts in the construction phase.  It is this dual character that often makes the physical infrastructure difficult  to adequately describe and capture at  the early stages of a project  like  the SKA.  An  example  of  this  dual  character  can  be  seen  in  figures  1  and  2.  In  figure  1  the  physical infrastructure is defined in the ‘interconnect’ block which is an Assembly of the DDBH Sub‐Element. In  figure 2  the  ‘physical  layer cable  infrastructure’ exists as an entity  in  the product  tree of Signal Transport and Networks.  There  are  a  number  of  characteristics  of  the  network  infrastructure  that mark  it  out  for  special attention  earlier  in  the  design  process  than  its  status  in  a  functional  hierarchy  would  normally warrant: 

1. It will be a large cost centre for the SKA,  2. it will be one of the first items constructed on site and,  3. once constructed will not be easy to upgrade. 

  2011‐06‐02   Page 6 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

 Figure 1. Functional block diagram of the Digital Data Back Haul System, showing the interconnect block as 

part of the ‘link’ block.  

  Figure 2. Product tree for Signal Transport and Networks showing the Physical Layer Cable infrastructure as an entity in its own right that will be subject to a work package description and subsequent contracts.  

2.2 Role of SKA Network Infrastructure in the SKA 

The physical network infrastructure of the SKA will be a fibre optic network that will transport data, monitor and control and synchronisation signals to and from the antennas and receptor stations of the array.  

2.3 First Draft Interface Description 

As  described  earlier,  the  physical  network  infrastructure  plays  a  part  in  many  systems.  It  also interacts  with  the  site  environment  and  will  have  a  role  in  the  availability, maintainability  and reliability of the telescope in operation. Figure 3 shows many of the influences that could affect the SKA physical network infrastructure. Figure 4, more particularly, shows the external interfaces to the STaN  physical  Infrastructure,  with  the  set  of  external  influences  shown  more  generally  as ‘environment’. This diagram has been used to more generally describe the STaN domain and those interfaces that are not applicable in this case have been low‐lighted in grey.   

  2011‐06‐02   Page 7 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

  Figure 3 External influences on the design and implementation of the SKA Physical network infrastructure  

 Figure 4 External Interfaces to the SKA physical network infrastructure. 

 

  2011‐06‐02   Page 8 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

 

3 Target Requirements and Functionality 

3.1 Functional Requirements 

In SKA1 the extent of physical network infrastructure is defined by the configuration and maximum baseline  requirement  of  200  km.  In  SKA2  the  extent  of  the  network  infrastructure  is  currently defined  by  a  180  km  radius  central  region  and  spiral  arms  of  3,000  km  extent.    The  exact geographical  locations  for  connection  are  defined  by  the  array  configuration  that  has  a  very significant influence on the cost and design of the network.  The  capacity  requirements  and performance  characteristics will be defined by  the  following  Sub‐Elements of the STaN domain; DDBH, Timing and Synchronisation and Monitor and Control. These requirements will be defined in the next phase of the SKA following an SKA System SRR.  

3.2 Non‐Functional Requirements 

Figure 3 demonstrates that there are many external  influences that will have requirements on the physical  network  infrastructure.  There  will  certainly  be  Health  and  Safety,  regulatory  and extensibility related requirements associated with the physical network infrastructure of the SKA.   The  architecture  of  the  physical  network  infrastructure,  so  far  as  it  deviates  from  a  simple  star network, will be defined by the availability requirements of the SKA System as a whole.  The  requirements  of  the  as‐built  record  will  be  defined  by  the  availability,  reliability  and maintainability  requirements of  the SKA System as a whole and  the operational needs of  the SKA Inventory and Maintenance system. The I&M system will be part of a larger SKA asset configuration management system described in [1]  It  is possible  that, at system  level, the power and signal network  infrastructure routing are tied  to each other.  This decision might be  considered  in order  to  reduce  the  infrastructure  cost  and  the complexity of  the  two networks. The  result would be  to  impose power distribution and  signalling network requirements on the network route design and architecture.  

4 First Draft Description of the Physical Network Infrastructure Design 

The amount of cable required to serve SKA requirements  is related to the number of connections, the bandwidth of those connections and the distances to be connected. This is encapsulated in the expression; 

       

 

Where RNij network  infrastructure required to supply node  i to node  j  in the network for a bit rate requirement  RN  and  kij  is  the  distance  between  node  i  and  node  j.  [Note:  not  every  node  i  is connected  to every node  j  in  the network.] This,  in  telecommunications  circles,  is often  called  the distance∙bandwidth product and will determine the cost of the infrastructure required.  The size of the network  infrastructure required to serve the SKA can be described by the following metrics: 

• Number and size of the nodes in the network 

  2011‐06‐02   Page 9 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

  2011‐06‐02   Page 10 of 24 

 

• Number of kilometres of trench in the network • Number of fibre.kms in the network • Number of terminations in the network 

 Metric values have been estimated for the following scenarios using the TrenchCOAT tool developed in conjunction with the University of Cambridge [2]: 

• SKA1 baseline design • SKA1 baseline design extensible to an SKA1 incorporating PAFs • SKA1 baseline design extensible to an SKA2 baseline design • SKA1 baseline design extensible to an SKA2 incorporating WBSPF • SKA1 baseline design extensible to an SKA2 incorporating PAFs 

 An analysis of the SKA1 baseline design extensible to an SKA2 incorporating AA‐mid stations has not been included. The AA‐hi core is located separately from the rest of the array and it is assumed that it  could be  constructed  as  a  stand‐alone  array without  interference with  SKA1  infrastructure. On longer baselines an AA‐hi station is associated with an AA‐lo station. The current assumption, within the groups constructing these arrays, is that the network infrastructure will be shared [5].   These values have been calculated using  the working assumptions  for bandwidth  found  in  [3],  the configurations for SKA1 and SKA2 found in [4]. A channel bandwidth of 100 Gbps and a maximum of 64 channels per  fibre have been assumed. Only  the digital data backhaul requirements have been considered  in  this analysis. These are, by  far,  the greatest demand on  the network and  the most mature  in  their definition. Monitor and Control and Timing and Synchronisation  requirements are not  adequately  defined  to  include  in  an  analysis  at  this  point. However,  the  use  of  a maximum channel count of 64 channels per fibre represents an under utilisation of the fibre of approximately 20%, allowing expansion on the same infrastructure for M&C and SATS functions.  The model  of  the  cable  infrastructure  presented  here,  is  optimised  in  TrenchCOAT  in  order  to minimise  trench  and  cable  distance  (and  thus  cost).  It  therefore  naturally  follows  a  trunk  and tributary  pattern, much  like  a waterway  or  road  network.  The  network  trunks  form  around  the configuration arms. This analysis does not attempt to present a designed network infrastructure. The requirements  and  system  definition  and  array  configuration  are  too  immature  to  provide  design criteria at this stage of the project. This analysis provides a point view, for a given configuration of the network, for various design options, all of which include assumptions. It does however, provide an  indication  of  the  scale  of  the  network  in  question,  the  relative  differences  in  scale  for  the infrastructure for alternate options, given a fixed set of assumptions. Figures 5‐8 show images of the networks  produced  in  TrenchCOAT  and  demonstrate  the  scale  and  extent  of  the  network infrastructure required for SKA1 and SKA2.    

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

Figure 5 SKA1 layout (zoom6)  

Figure 6 SKA2 layout (zoom6) 

 Figure 7 SKA1 dish core (zoom 16)      Figure 8 SKA2 Dish Core (zoom 16) 

 Further work should include analysis of array configuration options and the impact of those options on the network infrastructure. 

4.1 Designing network infrastructure for extensibility to SKA2 

The extensible designs have been generated using the SKA2 array configuration; • all dishes and stations not connected to the SKA1 design are excluded • all those SKA2 dish and station locations that are in the pathway for SKA1 have the required 

connectivity included • Dishes and stations not  included  in SKA1, but which would be connected to SKA1  locations 

have their required bandwidth added to the SKA1 locations in the downstream path the CPF  A simple example should clarify these ideas: Consider the following configuration: 

B1 ‐ > A1 ‐> B2 ‐ > A2 ‐> CPF. Here,  B1  and  B2  refer  to  antennas  belonging  exclusively  to  SKA2, whereas  A1  and  A2  antennas belong  to SKA1  (and  therefore  to SKA2 as well). Let’s assume,  that  the geometry  is  such  that  the most cost effective links would be the ones displayed in the scheme above (the signal flows from the outermost B1 towards the CPF, via trenches towards A1, from there towards B2, from there towards A2 finally reaching the CPF).  

  2011‐06‐02   Page 11 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

 For SKA1 (without planning ahead for SKA2) the link would look like this: 

A1‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐>A2‐> CPF The cables connecting A1 to A2 and A2 to the CPF would be just enough to transport the data rates associated with the A1 and A2 antennas.  When planning ahead for SKA2, one would like SKA1 to consist of the following network: 

A1‐‐‐‐‐‐(b2)===>A2==>CPF Notice that (b2) means that although antenna B2 will not be deployed in SKA1, the additional optic fibre would be added inside the trench between A1 and A2 starting from the point where B2 would be deployed. In this way, connecting B2 to the network infrastructure during SKA2 would be a simple task.  Also,  the  output  data  rate  of  A1  has  to  be  increased  to  accommodate  for  the missing  B1 antenna, during SKA1. Namely, the  link A1‐‐‐‐(b2) has to be able to carry, already during SKA1, not only the data of A1 but also the future data rate of B1. Nevertheless, there is no need to implement the trenching between B1 and A1 during SKA1 at all, as this is exclusively a SKA2 link.  The SKA2 extensible network presented here is therefore not optimised for SKA1 but should become cost‐efficient overall upon extension to SKA2. It is important to establish once more that the analysis presented here is not a final SKA network infrastructure design, but an indication of the impact that extensibility  could  have  in  the  network.  Further,  more  detailed  work,  is  required  on  final configurations, establishing  the  trunk network  routes and building  in  capacity along  these  routes. Any design  that  includes extensibility will  require an established and  stable SKA2  configuration  in order to avoid the construction of links to locations that subsequently change.  

5 TrenchCOAT estimates of physical layer infrastructure size metrics. 

SKA1 Baseline  SKA1 Incl PAFs SKA1 ext SKA2 

Baseline 

SKA1 ext to SKA2 with WBSPF 

SKA1 ext SKA2 with PAFs 

Total Cable Length (km) of type:         

1 tube  411  392  486  484  454 

2 tube  18  7  249  250  254 

4 tube  17  414  420  326 

6 tube  13  202  200  200 

9 tube    114  110  161 

24 tube    143  151  275 

Fibre.kms  3574  4419  46922  48545  68702 

Cable Route total length  429  429  540  540  540 

Total Number of nodes   300  300  1254  1252  1241 

Number of small nodes  (<200 splice) 

301  301  1217  1209  1169 

Number of medium nodes (<500 splice) 

  22  29  49 

Number of large nodes (<1000 splice) 

  1  1  7 

Number of very large nodes (>1000 splice) 

  14  15  17 

Number of CPF racks  1  1  9  10  13 

Number of fibre terminations at CPF node 

24  56  1488  1608  2040 

Table 1 Network metrics obtained from TrenchCOAT optimisation. 

  2011‐06‐02   Page 12 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

6 Impact of Extensibility to AIP and SKA2 

Figure 5 illustrates the change in scale required between a network that serves only SKA1 and one which can also serve SKA2. This change in scale is the result of the increase in numbers of elements in an SKA2 array and also the significant  increase  in bandwidth required of receptors  in SKA2.  It  is clear that the extensibility criterion has a significant  impact on network  infrastructure.  In any final design, careful consideration will be given to the choice between; investing capital in SKA1 in order to  deliver  SKA2  in  the  future  or,  constructing  an  SKA1  only  array  in  the  knowledge  it may  be abandoned in the next phase of the project. Including  sufficient  infrastructure  in an SKA1 design  for PAFs does not  increase  the  infrastructure significantly,  so  long  as  the  following  criteria  is  met:  The  required  bandwidth  for  PAFs  and associated design should not need a larger cable size on the dish side than the smallest size cable in the  array.  For  instance  in  the design  shown here,  the baseline design uses  an 8  fibre  core  cable which  is the same as the PAFs.  If the PAF design required, say a 16 core cable then the  impact of including this option would increase significantly.  

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

SKA1 Baseline SKA1 including PAFs SKA1 ext to SKA2 Baseline SKA1 ext to SKA2 WBSPF SKA1 ext to SKA2 PAFs

fibre.kms for different extensibility options

fibre.kms

 Figure 9 Chart illustrating the network fibre required to serve various extensibility options 

 Taking all the data currently available into consideration there are a number of factors that indicate that the construction of an SKA1 network infrastructure extensible to SKA2 presents more risk to the project than simply building an SKA1 only network. These are: 

1. The significant increase in size and complexity of the network when extensibility to SKA2 is considered. 

2. The uncertainties  in SKA2 requirements and design architectures  for M&C, Power, SATs & DDBH. 

3. The  absence  of  the  required models  for  power  network modelling  &  non‐performance imaging to develop design configurations for modelling network infrastructure. 

  2011‐06‐02   Page 13 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

4. The absence of the required processes to specify the requirements for the delivery of  ‘As‐built’ records from contractors to the project. 

5. The  schedule  pressure  on  the  SKA  project  to  undertake  the  construction  of  network infrastructure in 2015. 

In order to  justify the additional costs  involved  in the delivery of extensibility for SKA2 these risks must be mitigated, in advance. 

6.1 Providing extensibility using a passive duct network 

A  compromise  strategy  of  providing  extensibility  for  SKA2  uses  the  installation  of  a  passive  duct network on trunk routes for future use. These routes do not need to be cabled  in SKA1 but can be populated with cables in SKA2. This reduces the cost risk to the project if the configuration, network architecture  or  requirements  change  between  SKA1  and  SKA2.  In  addition  it  means  that  the trenching required for SKA2 is reduced when the time comes for construction.  The data provided  in  the analysis presented so  far enables  the  identification of  future SKA2  trunk routes on SKA1 cable routes. However this analysis has not been completed in time for this review. This will be the subject of further work. 

7 First Draft Power Requirements 

The  physical  network  infrastructure  of  the  SKA  is  a  passive  entity  and  as  such  has  no  power requirements  in  operation.  Monitor  and  Control  requirements  for  location  and  identification detection may  impose  some  active  components  into  an  otherwise  passive  network.  A  trade‐off between  the cost of powering active components  in a network and  the operational  requirements served by this design enhancement are a matter for further work.  The network connectivity at very  large nodes may be of sufficient scale that housings are required for  connection  racks.  Power  for  standard  services,  such  as  lighting,  will  be  required  in  this infrastructure.  In  construction  and  commissioning  installation  teams  will  have,  as  yet  undefined,  power requirements in order to install and commission the network. 

8 First Draft Reliability Considerations 

8.1 Network Architecture and its impact on availability 

The  concept  described  here  assumes  a  simple  star  architecture  for  the  physical  network infrastructure of the SKA. A star architecture has the distinct disadvantage that it represents a single point of  failure  in  the  chain between  a  receptor  and  the  correlator.  In  addition,  in  an optimised network the cable infrastructure is often concentrated along aggregated routes in order to minimise the trench network required  for the network  infrastructure. This means that a critical  impact on a cable along one of these trunk routes could affect many dishes and stations in the array.  Commercial operators use ring and mesh networks in order to avoid this problem and provide highly available networks. This adds additional complexity and therefore cost  into both the physical  layer and the transmission layer of the network.  A  special  case  of  the  requirements  on  availability  are  the  safety  critical  functions  that must  be maintained in the event of a failure in the network. It is possible that these safety critical functions may be provided by a separate system, for instance a satellite link or redundant dial up line routed along power infrastructure . It is also possible that the requirements for safety critical functions are 

  2011‐06‐02   Page 14 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

defined on the basis of their distance from the array operating site. For  instance; those dishes and stations  in the core arrays may not require an  ‘always up’  link because failures there can be easily accessed  by  an  array  operating  centre.  Careful  definition  of  the  requirements  on  safety  critical functions could significantly reduce their  impact on the design and subsequent cost of the physical network infrastructure.  A  detailed  availability  analysis will  have  to  be  carried  out  in  order  to  assess  the  impact  of  the network architecture on SKA System availability, cost and complexity. 

8.2 Accuracy of the Inventory and Maintenance System 

The SKA network  is  large enough that the accuracy of the  ‘As built’ record could have a significant impact on  the ability of  the SKA organisation  to operate  the  telescope. With potentially hundreds and  thousands of  fibre  inter‐connections  it  is necessary  that each connection  through  the  system can be traced and located. Whilst terminal equipment will advertise locations and identifications to the  M&C  systems  the  intermediate  network  is  inherently  passive  and  the  locations  of  the interconnection  points  from  cable  to  cable must  be  accurately  recorded  in  order  to  trace  a  link through the network. If this does not happen it is possible that telescope operators will know what equipment  is  at  the  end  of  a  link, but not  the  cable  in which  the  link  fibre  is  located. Or  that  a particular link has a fault at a known distance from the CPF, but not the route along which the fault resides.   The need for an accurate ‘As‐built’ record becomes more imperative if extensibility to SKA2 is taken into  consideration.  In  this  instance  the passive network will  sit,  largely unlit, and entirely passive. Without accurate Inventory and Maintenance systems the subsequent connection of these dormant networks  in  SKA2  could  become  so  difficult  as  to  render,  questionable,  the  provision  of  this extensibility in the first place. 

9 First Draft Cost Report. 

Cost data for the network infrastructure is available to the project from a number of sources: 1. The ALMA infrastructure cost estimates, written by Corning Cable System Inc. are available 

to the SKA [6]. The SKA physical network infrastructure is analogous to the ALMA network. It  has  a  trunk,  joint  and  branch  architecture, which  is  very  similar  to  the way  the  SKA network will  look  in the central region, where the antenna and station  locations are  fairly densely packed. 

2. Nokkia Siemens Networks cost estimates. These estimates are subject to a Non‐Disclosure Agreement and will be presented in [7] under the procedure outlined in [8] for information of this type. 

9.1 Quantity Estimation 

The size of the physical infrastructure required for various design scenarios is described in sections 4 and 5 of this document. 

9.2 List of cost estimates itemized  

Description of cost  Cost component Included? YES/NO/NA 

Cost estimate Base Year Value 2007 

Reference to Substantiating 

evidence 

Notes

Subsystem Hardware costs incl of:   Component cost   YES 3.5 M€  ‐  ALMA cost 

Costs  presented  are for  SKA1  Baseline 

  2011‐06‐02   Page 15 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

  2011‐06‐02   Page 16 of 24 

 

  SKA1 Baseline Network.  

 7.9 M€ ‐  SKA2 

Baseline Network. 

estimates [6][7], 2005 – inflated by an LCI index of 

3.6% 

design.   97%  of  the  cost  is  in the trench network.  Node  costs  are assumed  to  be  €25 per  node  connection incl  of  installation, hardware & test. 

Safe Operation  N/A      

Internal M&C  N/A  

Internal Power  NO

   

Inherently passive unless active M&C components are added. 

Internal  Software & licences  NO GIS Systems for I&M 

Localised or Internal Temp Control  N/A      

EMC (shielding and resilience)  N/A  

Integrated diagnostics  NO    M&C  specific  active components 

Test, Verification, Validation  YES  

Internal Integration  N/A  

Spares  NO   

Star links, no redundancy, no diverse routes 

Repair and rework  YES  

Quality control  YES      

NRE development costs   N/A  

Labour (manufacture & field installation)  YES      

Simulators  N/A  

Test Equipment  NO  

Lightening protection  NO  

Environmental protection NO  

Hardware  Sub‐system Operations  costs incl: 

    

Maintenance  NOAnnual power costs  N/AUpgrades  NOLabour  NO     

Table 2 Cost component list for STaN network infrastructure 

9.3 Summary of 10 year cost of ownership  

This information is subject to an NDA and can be found in [8] 

9.4 Description of the procurement method 

The  physical  network  infrastructure will  be  provided  by  external  contractors  under  one  or more contracts let by the project. It is anticipated it will be operated as a private network by the project; either, directly by project staff or possibly as a contract let by the project. 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

9.5 Sensitivity Analysis of Cost estimates. 

The cost estimates are based on single point analysis of particular scenarios and as such are extremely sensitive to the input variables, in particular, the array configuration.  A single generic array configuration has thus far been generated for the purposes of site selection. Further work is need in establishing configurations that trade‐off cost with performance parameters. Fig 10 shows a schematic of the development of configurations and the interdependencies of the input information, modelling capacity and project timeline.  

  2011‐06‐02   Page 17 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

 

Figure 10 The development of array configurations and the interdependencies involved.

  2011‐06‐02   Page 18 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

10 First Draft Risk Analysis 

No. Risks  Short Description Risks Becoming Issues

Result in: 

Proposed Mitigation 

Current Status 

Risk Owner 

Impact:SKA1 SKA2 

Likelihood:SKA1 SKA2 

Exposure:SKA1 SKA2 

STaN Infrastructure1. Array 

Configurations • Network infrastructure costs are not taken into consideration in analysis of array configurations. 

• This will lead to a prohibitively expensive network infrastructure and lead to trade‐offs in collecting area or baseline in a telescope de‐scope, without weighing these options against compromise in uv coverage. 

• If this analysis occurs after site locations are surveyed then any recommended changes will be difficult to implement because of the cost of site surveys. 

Include a multi‐dimensional aspect to array configuration analysis allowing trade‐offs to occur between cost and performance. Implement this before survey of the array site locations so that the configuration does not become fixed by inertia. 

RM HighHigh 

HighHigh 

HighHigh 

  2011‐06‐02   Page 19 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

2. SKA2 requirements insufficiently stable to develop configurations 

• The design architectures, requirements and models for SKA2 are not sufficiently stable to assess alternative configuration designs. 

• Unstable configuration designs used in the development of extensible networks 

• If these networks are constructed and the configuration changes the initial investment may be redundant 

Establish programmes in order to develop modelling capacity in the areas of power networks and non‐imaging performance so that configuration options can be assessed. 

PED HighHigh 

HighHigh 

HighHigh 

3. SKA2 requirements insufficiently stable to develop credible designs 

• The design architectures and requirements for SKA2 are not sufficiently stable to develop network designs extensible to SKA2. 

• Unstable SKA2 requirements lead to the design of network infrastructure that is over or under specified for SKA2 needs. 

 

Assess design maturity and use in the decision between the construction of an SKA1 only network, or one extensible to SKA2. 

PED HighHigh 

HighHigh 

HighHigh 

4. SKA Configuration management requirements are left unspecified 

• The SKA Asset Configuration Management requirements are not sufficiently mature to define processes for the collection and recording of ‘As‐built’ records 

• A network is constructed, but insufficient ‘As built’ records compromise the reliability, availability and maintainability of the networks 

Select an asset management system for the SKA and define the processes needed to interface with it. Assess design maturity and use in the decision between the construction of an SKA1 only network, or one extensible to SKA2. 

PED HighHigh 

HighHigh 

HighHigh 

  2011‐06‐02   Page 20 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

5. The processes of record keeping are left unspecified at the point of network construction 

• The as‐built record, as input into the Inventory and Maintenance System of the SKA is not accurate enough to operate the network to the desired availability. 

• A network is constructed, but insufficient ‘As built’ records compromise the reliability, availability and maintainability of the networks 

Produce clear processes for the implementation of designs including the contractual requirements for suppliers on documenting the ‘As‐built’ record and the commissioning test results.  

Investigate the use of  GIS databases used in conjunction with field based record keeping. Trade‐off expense with telescope operational performance. 

RMc HighHigh 

HighHigh 

HighHigh 

6. The processes of record keeping are left unspecified at the point of network construction 

• The as‐built record, as input into the Inventory and Maintenance System of the SKA is not accurate enough to implement dormant extensibility capacity effectively. 

• A network, extensible to SKA2, is constructed but insufficient ‘As built’ records compromise the SKA’s ability to access this infrastructure efficiently when it is needed 

Produce clear processes for the implementation of designs including the contractual requirements for suppliers on documenting the ‘As‐built’ record and the commissioning test results.  

Investigate the use of  GIS databases used in conjunction with field based record keeping. Trade‐off expense with ability to implement extensibility capacity in SKA2. 

RMc LowHigh 

N/AHigh 

N/AHigh 

  2011‐06‐02   Page 21 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

7. Insufficient automated monitoring included in the passive infrastructure 

• The passive infrastructure of the network is not adequately able to provide automated information on location, identification and fault diagnosis to Inventory and Maintenance systems.  

• This leads to a failure to operate the network to the desired availability 

Investigate the use of active elements within the network, such as in‐line OTDR as well as passive identifiers, such as magnetic markers and barcodes. Trade‐off expense with telescope operational performance. 

RMc HighHigh 

LowMedium 

MediumHigh 

8. Insufficient feedback through the system layer on the impact of availability criteria on networks 

• Conservative approach to availability criteria in other System Sub‐Elements and at System level produces a network architecture that is inherently expensive. 

• This leads to a prohibitively expensive network incorporating ring and mesh architectures to achieve availability levels.  

• This leads to a loss of collecting area or baseline in a telescope de‐scope without consideration of the acceptance of risk as an alternative. 

Develop capacity to generate and cost star, ring and mesh architectures for configurations. Advertise the impact of availability criteria on network infrastructure. Encourage other groups to think carefully about the requirements, such as the identification of safety criteria and the acceptance of risk. 

RMc HighHigh 

LowLow 

MediumMedium 

  2011‐06‐02   Page 22 of 24 

 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

  2011‐06‐02   Page 23 of 24 

 

9. Schedule  • The scheduled timetable for Site and System design are not sufficiently aligned to allow the design for the physical network infrastructure to develop in time for the Site PDR and CDRs. 

• Site infrastructure is constructed with insufficient data about network design,  architectures and requirements. 

• The constructed infrastructure is subsequently found to be unfit for purpose. 

Highlight the link between Site, System and the Physical Network Infrastructure and create a formal programmatic link between them so that delays in one are reflected in the other 

KC HighHigh 

HighHigh 

HighHigh 

  Abbreviations: Risk ID – Unique risk identifier  L = Likelihood (1‐5) C = Consequence (1‐5) IR = Intrinsic Risk (untreated) (High, Medium, Low) Risk owner – person/organisation responsible for managing the risk RL = Residual likelihood (likelihood that will remain after treatment) RC = Residual consequence (consequence that will remain after treatment) RR = Residual risk (the risk rating after treatment (High, Medium, Low)   

Kobus Cloete    KC Peter Dewdney    PED Andre Gunst    AG Duncan Hall    DH Roshene McCool    RMc Rob Millenaar    RM Neil Roddis    NR Tim Stevenson    TS Wallace Turner    WT 

    WP2‐030.080.000‐TD.001     Revision : 1 

 

 

11 Planning for the next phase  In the next phase work on network infrastructure will continue in five main areas; 

1. The  collection  of  Sub‐Element  requirements  for  the  network  infrastructure  and consideration of their impact on the design 

2. The  development  of  alternative  array  configurations  and  investigation  of  the  network infrastructure costs of these configurations. 

3. The  investigation of methods  and processes  for  ‘as‐built’  record  keeping  for  the  array,  in particular options such as GIS. 

4. The continued  interaction between STaN and groups working on  site  infrastructure  in  the precursors to ensure this experience is fed in to the project. 

5. The continued development of infrastructure design and refinement of cost estimates. There  is no  resource allocated  for  these  tasks  in PREPSKA, over and above  the  time of  the SPDO Domain  Specialist.  However  the  task  has  been  identified  in  the  PEP  [10]  as  WP7.3  Network Infrastructure. In addition to the tasks identified above resource will be allocated to;  

6. The leadership and coordination of the network infrastructure task, including review of plans and designs, up to and including a CDR in the pre‐production phase.  

7. The integration of site information and network infrastructure designs  8. The preparation of the procurement datapacks.  

Additional work has been identified in the course of preparing this review document, this is; 9. The  investigation  of  the  use  of  active  components  (e.g  in‐line  OTDRs)  to  achieve 

maintainability targets for the passive network infrastructure.  

12 References [1] SKA Operational Concepts, P.E. Dewdney, SKA Project Document WP2‐001.010.010‐PLA‐002, 2011‐02‐21. [2] “Cost‐effective  infrastructure  in  a multi‐antenna  telescope  layout”,  G.  Grigorescu,  P.  Alexander,  R.  C. 

Bolton, R. McCool Experimental astronomy, Oct 2009. Also published as SKA Memo 121 [3] STaN High Level D description, R. McCool, STaN CoDR Document ‐ WP2‐030.030.030‐TD‐001, 2011‐05‐09 [4] SKA Configurations Design, R. Bolton et al, SKA Project Document – WP3‐050.020.000‐R‐002, 2011‐02‐17. [5] The Aperture Arrays for the SKA: the SKADS White Paper, SKA Memo 122, A Faulkner et al. [6] ALMA External Optical Cabling Design Project, Bill of Materials and  Installation Cost Analysis, C. Holden 

(Corning  Cable  Systems  Inc),  R.McCool  (JBO),  ALMA  Project  Document  BEND‐54.09.00.00‐005  A  BOM, 2005‐05‐05. [Not for publication outside the ALMA project, permission for SKA use obtained in 2009] 

[7] ALMA AOS  INTERNAL FIBRE SYSTEM BOM and Budgetary Costs, C. Holden  (Corning Cable Systems  Inc), ALMA‐DES‐ROO‐056, 2006‐03‐10. [Not for publication outside the ALMA project, permission for SKA use obtained in 2009] 

[8] CoDR Information Subject to an NDA, R. McCool, WP2‐030.030.030‐TD‐002, 2011‐06‐14. [9] STaN CoDR Plan, R. McCool, STaN CoDR Document – WP2‐030.030.030‐PLA‐001, 2011‐05‐09. [10] Project  Execution  Plan,  Pre‐Construction  Phase  for  the  Square  Kilometre  Array,  R.T  Schilizzi  et  al,  SKA 

project document MGT‐001.005.005‐MP‐001(K).