GPON帧结构分析

GPON 帧结构分析 编号 版本 V1 0 编 制 审 核 批 准 All rights reserved 版权所有 侵权必究 for internal use only 仅供内部使用 叮叮小文库 2 文档修订记录文档修订记录 日期日期 DateDate 修订版本修订版本 RevisionRevision VersionVersion 修改修改 章节章节 SecSec No No 修改描述修改描述 ChangeChange DescriptionDescription 作者作者 AuthorAuthor 叮叮小文库 3 目目 录录 1前言 4 1 1缩略语 4 2技术背景 4 3GTC 成帧技术分析 4 3 1GTC 成帧概述 4 3 2GTC 下行成帧分析 5 3 2 1下行物理控制块 PCBd 5 3 3XX技术在 GPON 系统中的应用 14 3 4XXX技术与 EPON 的区别 15 4我司设备 XX 的实现 15 4 1与标准差异 15 4 2测试实践与应用 15 5FAQ 15 6参考资料 15 叮叮小文库 4 1前言前言 GPON Gigabit Capable PON 技术是基于 ITU TG 984 x 标准的最新一代宽带无源光综 合接入标准 具有高带宽 高效率 大覆盖范围 用户接口丰富等众多优点 被大多数运 营商视为实现接入网业务宽带化 综合化改造的理想技术 正是 GPON 高带宽 高效率 用户接口丰富等特点决定了 GPON 技术的数据帧组织形式及其结构 下面我们将对相关内 容进行介绍 1 1缩略语缩略语 GPONGigabit Passive Optical Network 吉比特无源光网络 Alloc IDAllocation Identifier分配标识符 DBADynamic Bandwidth Assignment动态带宽分配 GEMGPON Encapsulation MethodGPON 封装模式 GTCGPON Transmission ConvergenceGPON 传输汇聚 PCBdPhysical Control Block downstream下行物理控制块 PLOuPhysical Layer Overhead upstream上行物理层开销 T CONTTransmission Container传输容器 2技术背景技术背景 近年来随着接入网光进铜退 FTTH 等概念的深入 相应的 GPON EPON 等技术得 到了广泛的应用 GPON 相比 EPON 拥有更高带宽 更高效率 接入业务多样等优势 受 到了业内的广泛关注 近两年 GPON 的大规模应用也印证了 GPON 技术会有广阔的明天 GPON 技术主要有如下几种传输标准 0 15552Gbps 上行 1 24416Gbps 下行 0 62208Gbps 上行 1 24416Gbps 下行 1 24416Gbps 上行 1 24416Gbps 下行 0 15552Gbps 上行 2 48832Gbps 下行 0 62208Gbps 上行 2 48832Gbps 下行 1 24416Gbps 上行 2 48832Gbps 下行 2 48832Gbps 上行 2 48832Gbps 下行 其中1 24416Gbps 上行 2 48832Gbps 下行是目前最常用的 GPON 传输速率 本文介绍的 GPON 成帧技术也是基于该传输速率标准的 叮叮小文库 5 3GTC 成帧技术成帧技术分析分析 3 1GTC 成帧概述成帧概述 GTC上 下行帧结构示意如图1所示 下行GTC帧由下行物理控制块 PCBd 和GTC 净荷部分组成 上行GTC帧由多个突发 burst 组成 每个上行突发由上行物理层开销 PLOu 以及一个或多个与特定Alloc ID关联的带宽分配时隙组成 下行 GTC 帧提供了 PON 公共时间参考和上行突发在上行帧中的位置进行媒质接入控 制 本文主要介绍了下行速率为 2 48832Gbit s 上行速率为 1 24416Gbit s 的 GPON 成帧 技术 下行帧长为 125us 即 38880 字节 上行帧长为 125us 即 19440 字节 图 1 GTC 帧结构 3 2GTC 下行成帧分析下行成帧分析 3 2 1下行物理控制块 下行物理控制块 PCBd 图 2 下行物理控制块结构 下行物理控制块 PCBd 结构如图2所示 PCBd由多个域组成 OLT以广播方式发 送PCBd 每个ONU均接收完整的PCBd信息 并根据其中的信息进行相应操作 物理同步 Psync 域 固定长度为32字节 编码为0 xB6AB31E0 ONU利用Psync来确定下行帧的起始位置 叮叮小文库 6 Ident域 4 字节的IDENT 域用于指示更大的帧结构 最高的1比特用于指示下行FEC状态 低30 位比特为复帧计数器 PLOAMd域 携带下行PLOAM消息 用于完成ONU 激活 OMCC 建立 加密配置 密钥管理和告 警通知等PON TC 层管理功能 详细的各个PLOAM消息介绍本文不涉及 BIP域 BIP域长8比特 携带的比特间插奇偶校验信息覆盖了所有传输字节 但不包括FEC校验 位 如果有 在完成FEC纠错后 如果支持 接收端应计算前一个BIP域之后所有接收 到字节的比特间插奇偶校验值 但不应覆盖FEC校验位 如果有 并与接收到的BIP值进 行比较 从而测量链路上的差错数量 下行净荷长度 Plend 域 下行净荷长度域指定了带宽映射 Bwmap 的长度 结构如图3所示 为了保证健壮性 Plend域传送两次 带宽映射长度 Blen 由Plend 域的前12比特指定 因此在125 s时间周期内最多能 够分配4095个带宽授权 BWmap 的长度为8 Blen 字节 Plend域中紧跟Blen的12比特用于指定ATM块的长度 Alen 本文只介绍GEM模式进行 数据传输的方法 ATM模式不涉及 Alen域应置为全0 图3 Plend域结构 BWmap域 带宽映射 BWmap 是8字节分配结构的向量数组 数组中的每个条目代表分配给某个 特定T CONT的带宽 映射表中条目的数量由Plend域指定 每个条目的格式见图4 叮叮小文库 7 图4 Bwmap域示意图 Alloc ID域 Alloc ID域为12比特 用于指示带宽分配的接收者 即特定的T CONT或ONU的 上行OMCC通道 这12个比特无固定结构 但必须遵循一定规则 首先 Alloc ID 值0 253用于直接标识ONU 在测距过程中 ONU的第一个Alloc ID应在该范围内分 配 ONU的第一个Alloc ID是默认值 等于ONU ID ONU ID在PLOAM消息中使用 用于承载PLOAM和OMCI 可选用于承载用户数据流 如果ONU需要更多的Alloc ID 值 则将会从255以上的ID值中分配 Alloc ID 254是ONU激活阶段使用Alloc ID 用于发现未知的ONU Alloc ID 255是未分配的Alloc ID 用于指示没有T CONT能使用相关分配结构 Flags域 Flags域为12比特 包含4个独立的与上行传输功能相关的指示符 用于指示 上行突发的部分功能结构 Bit1 1 10987654321Bit0 Bit11 MSB 发送功率等级序号 PLSu Bit10 指示上行突发是否携带 PLOAMu 域 Bit9 指示上行突发是否使用 FEC 功能 Bit8Bit7 指示上行突发如何发送 DBRu 00 不发送 DBRu 01 发送 模式 0 DBRu 2 字节 10 发送 模式 1 DBRu 3 字节 11 发送 模式 2 DBRu 5 字节 Bit6 0 预留 StartTime域 StartTime域长16bit 用于指示带宽分配时隙的开始时间 该时间以字节为 单位 在上行GTC帧中从0开始 并且限制上行帧的大小不超过65536字节 可满足 2 488Gb s的上行速率要求 StopTime域 StopTime域长16bit 用于指示带宽分配时隙的结束时间 该时间以字节为单 位 在上行GTC帧中从0开始 StopTime域指示了该带宽分配时隙的最后一个有效 数据字节 3 2 2TC 净荷域净荷域 BWmap域之后是GTC净荷域 GTC净荷域由一系列GEM帧组成 GEM净荷域的长度等于GTC帧长减去PCBd长度 ONU根据GEM 帧头中携带的12比特Port ID值过滤下行GEM 帧 ONU 经过配置后可识别 出属于自己的Port ID 只接收属于自己的GEM帧并将其送到GEM客户端处理进程作进一步处 理 注意 可把Port ID配置为从属于PON中的多个ONU 并利用该Port ID来传递组播流 GEM 方式下应使用唯一一个Port ID传递组播业务 可选支持使用多个Port ID来传递 ONU 支持组播的方式由OLT通过OMCI 接口发现和识别 叮叮小文库 8 3 3GTC 上行成帧分析上行成帧分析 3 3 1上行帧结构开销上行帧结构开销 图5 上行帧结构 上行突发 GTC 帧结构如图 5 所示 每个上行传输突发由上行物理层开销 PLOu 以 及与 Alloc ID 对应的一个或多个带宽分配时隙组成 下行帧中的 BWmap 信息指示了传输 突发在帧中的位置范围以及带宽分配时隙在突发中的位置 每个分配时隙由下行帧中 BWmap 特定的带宽分配结构控制 1 上行物理层开销 上行物理层开销 PLOu 上行物理层开销如图 6 所示 PLOu 字节在 StartTime 指针指示的时间点之前发送 图 6 上行物理层开销 PLOu 域 Preamble Delimiter 前导字段 帧定界符根据 OLT 发送的 Upstream Overhead 消息和 Extended Burst Length 消息指示生成 BIP 该字段对前后两帧 BIP 字段之间的所有字节 不包括前导和定界 做奇偶校验 用于 误码监测 ONU id 该字段唯一指示当前发送上行数据的 ONU ID ONU ID 在测距过程中配给 ONU OLT 通过比较 ONU ID 域值和带宽分配记录来确认当前发送的 ONU 是否正确 Ind 该域向 OLT 报告 ONU 的实时数据状态 各比特位功能所示如下 Bit 位功能 7 MSB 紧急的 PLOAM 等待发送 1 PLOAM 等待发送 0 无 PLOAM 等待 6 FEC 状态 1 FEC 打开 0 FEC 关闭 5RDI 状态 1 错误 0 正确 4预留 不使用 3预留 不使用 2预留 不使用 叮叮小文库 9 1预留 不使用 0 LSB 预留给将来使用 2 物理层物理层 OAM PLOAM 物理层OAM PLOAM 消息通道用于OLT和ONU之间承载OAM功能的消息 消息长 度固定为13字节 下行方向由OLT发送至ONU 上行方向由ONU发送至OLT 用于支持 PON TC层管理功能 包括ONU激活 OMCC建立 加密配置 密钥管理和告警通知等 PLOAM消息仅在默认的Alloc ID的分配时隙中传输 详细的各个PLOAM消息介绍本文不涉及 3 上行动态带宽报告 上行动态带宽报告 DBRu DBRu用于上报T CONT的状态 为了给下一次申请带宽 完成ONU的动态带宽分配 但不是每帧都有 当BWmap的分配结构中相关Flags置1时 发送DBRu域 DBRu字段由 DBA域和CRC域构成 如下图所示 DBA 域域 根据带宽分配结构要求的DBA报告模式不同 DBA域预留8bit 16bit或32bit的域 必 需注意的是 为了维护定界 即使OLT要求的DBA模式已经被废除或者ONU不支持该DBA 模式 ONU也必须发送长度正确的DBA域 CRC 域域 用于完成对DBRu域的CRC校验 3 3 2GTC 净荷域净荷域 GTC 数据净荷 可以是数据 GEM 帧 也可以是 DBA 状态报告 净荷长度等于分 配时隙长度减去开销长度 1 GEM 帧 帧 由符合 GEM 格式的数据帧构成 Payload DBRu PLOAMu PLOu Frame Fragment GEM Header Full Frame GEM Header Frame Fragment GEM Header 图 7 GEM 方式数据帧构成 2 DBA 报告 报告 包含来自 ONU 固定长度的 DBA 报告 用于 ONU 的带宽申请和报告 DBA 1 2 4Byte CRC 1 Byte 叮叮小文库 10 Payload DBRu PLOAMu PLOu DBA Report Pad if needed 图 8 动态带宽报告帧构成 3 4OLT 与与 ONU 的定时关系的定时关系 3 4 1概述概述 本文中只介绍 ONU 处于 O5 状态的上下行帧交互过程中 OLT 与 ONU 的定时关系 下 面提供几个定义 下行帧的开始时间是指发送 接收 PSync 域第 1 个字节的时刻 上行 GTC 帧的开始时间是指值为 0 的 StartTime 指针所指示的字节发送 接收 实 际或计算的 的时刻 上行发送时间是指带宽分配结构中 StartTime 参数指示的字节发送 接收的时刻 对于非相邻结构的上行发送 StartTime 参数指示的发送字节紧跟上行突发的 PLOu 域 特殊的 序列号响应时间定义为发送 接收 Serial Number ONU 消息第 1 个字节的时刻 3 4 2ONU 上行发送定时上行发送定时 所有的上行发送事件都以承载 BWmap 的下行帧开始时间为参考点 BWmap 中包含了 相应的带宽分配结构 需要特别注意的 ONU 发送事件不以接收相应带宽分配结构的时间 为参考点 因为下行帧中带宽分配结构的接收时间可能会发生变化 ONU 在任何时刻都维护一个始终运行的上行 GTC 帧时钟 上行 GTC 帧时钟同步于下 行 GTC 帧时钟 二者之间保持精确的时钟偏移 时钟偏移量为 ONU 响应时间和必要延时 的总和 如图所示 叮叮小文库 11 图 9 ONU 上行发送定时示意 ONU 响应时间是一个全局参数 它的取值应保证 ONU 有充分时间接收包括上行 BWmap 在内的下行帧 完成上行和下行 FEC 如果需要 并准备上行响应 ONU 响应时 间值为 35 1 s 名词 必要延时 Requisite Delay 是指要求 ONU 应用到上行发送的超过正常响应 时间的总的额外延时 必要延时的目的是为了补偿 ONU 的传输延时抖动和处理延时抖动 ONU 的必要延时值基于 OLT 规定的均衡延时参数 在 ONU 的不同状态下会发生变化 3 5GEM 帧到帧到 GTC 净荷的映射净荷的映射 3 5 1概述概述 GTC 协议以透明方式承载 GEM 流 GEM 协议有两个功能 一是用户数据帧定界 二是为复用提供端口标识 GEM 帧到 GTC 净荷的映射示意见图 10 图 10 GEM 到 GTC 净荷的映射 3 5 2GEM 帧格式帧格式 GEM 帧头格式见图 11 GEM 帧头由净荷长度指示 PLI Port ID 净荷类型指示 PTI 和 13 比特的帧头差错控制 HEC 域组成 叮叮小文库 12 图 11 GEM 帧结构 PLI 以字节为单位指示紧跟帧头的净荷段长度 L 通过 PLI 可查找下一个帧头从而提 供定界 由于 PLI 域只有 12 比特 所以最多可指示 4095 字节 如果用户数据帧长大于 4095 字节 则必须要拆分成小于 4095 字节的碎片 Port ID 用来标识 PON 中 4096 个不同的业务流以实现复用功能 每个 Port ID 包含 一个用户传送流 在一个 Alloc ID 或 T CONT 中可以传输 1 个或多个 Port ID PTI 编码 含义如下表所示 PTI 编码含义 000用户数据碎片 不是帧尾 001用户数据段 是帧尾 010预留 011预留 100GEM OAM 不是帧尾 101GEM OAM 是帧尾 110预留 111预留 HEC 字段提供帧头的检错和纠错功能 3 5 3用户数据分片用户数据分片 因为用户数据帧长是随机的 所以 GEM 协议必须支持对用户数据帧进行分片 并在 每个 GTC 净荷域前插入 GEM 帧头 注意分片操作在上下行方向都可能发生 GEM 帧头 中 PTI 的最低位比特就是用于此目的 每个用户数据帧可以分为多个碎片 每个碎片之前 附加一个帧头 PTI 域指示该碎片是否是用户帧的帧尾 一些 PTI 使用示例见图 12 叮叮小文库 13 图 12 PTI 使用示例 3 5 43 5 4用户业务到用户业务到 GEMGEM 帧的映射帧的映射 GPON 系统通过 GEM 通道传输普通用户协议数据 可支持多种业务接入 下面介绍 几种常用的用户业务到 GEM 帧的映射 以太网帧到 GEM 帧的映射 以太网帧直接封装在 GEM 帧净荷中进行承载 在进行 GEM 封装前 前导码和 SFD 字节被丢弃 每个以太网帧可能被映射到一个单独的 GEM 帧或多个 GEM 帧中 如果一个以太网帧被封装到多个 GEM 帧中 则应进行数据分片 一个 GEM 帧只应承 载一个以太网帧 如图 13 指示了由以太网帧映射到 GEM 上的对应关系 图 13 以太网帧映射到 GEM 上 IP 包到 GEM 帧的映射 IP 包可直接封装到 GEM 帧净荷中进行承载 每个 IP 包 或 IP 包片段 应映射 到一个单独的 GEM 帧中或多个 GEM 帧中 如果一个 IP 包被封装到多个 GEM 帧中 叮叮小文库 14 则应进行数据分片 一个 GEM 帧只应承载一个 IP 包的情况如图 14 所示 图 14 IP 包映射到 GEM 帧上 TDM 帧到 GEM 帧的映射 GEM 承载 TDM 业务的实现方式有多种 TDM 数据可直接封装到 GEM 帧中传送 或者先封装到以太网包中再封装到 GEM 中传送等多种方式 TDM 数据封装到 GEM 的方式如图 15 所示 该机制是利用可变长度的 GEM 帧来 封装 TDM 帧 具有相同 Port ID 的 TDM 数据分组会汇聚到 TC 层之上 图 15 TDM 帧映射到 GEM 帧上 通过允许 GEM 帧长根据 TDM 业务的频率偏移进行变化可实现 TDM 业务到 GEM 帧的映射 TDM 片段的长度由净荷长度指示符 PLI 字段指示 TDM 源适配进程应在输入缓存中对输入数据进行排队 每当有帧到达 即每 125 s GEM 帧复用实体将记录当前 GEM 帧中准备发送的字节数量 一般情况下 PLI 字段根据 TDM 标称速率指示一个固定字节数 但经常需要多传送或少传送一些 字节 这种情况将在 PLI 域中反映出来 叮叮小文库 15 如果输出频率比输入信号频率快 则输入缓存器开始清空 缓冲器中的数据量最 终会降到低门限以下 此时将从输入缓存器中少读取一些字节 缓冲器中的数据量将 上升至低门限以上 相反的 如果输出频率比输入信号频率慢 则输入缓存器开始填 满 缓冲器中的数据量最终会上升到高门限以上 此时将从输入缓存器多读取一些字 节 缓冲器中的数据量将降至高门限以下 3 6GTC 成帧技术在成帧技术在 GPON 系统中的应用系统中的应用 GPON 成帧技术在 GPON 系统中应用主要体现在 GPON 局端设备与终端设备的数据交 互过程 下面就结合用户数据在 GPON 系统中的传输过程来介绍 GTC 成帧技术的实现 GPON 系统用户业务处理过程如图 15 所示 上行方向 语音信号输入 ONU 后经过 AD 转换封装成以太网包后被封装在 GEM 帧中 其 GEM port id 为 6 以太网业务直接封 装在 GEM 帧中 其 port id 为 4 ONU 在 OLT 分配的上行 T CONT 时隙内将携带 GEM4 GEM6 的 T CONT 传递给 OLT OLT PON 芯片将上行 GTC 净荷中的 GEM4 GEM6 分别传递给 GEM 客户端进行处理 GEM 客户端在 TM 功能模块中对 GEM 帧进行解封装 解出以太网包 并记录这类以太网包与 GEM PORT 的对应关系 解出的以 太网包通过主交换芯片传输给上联接口板进行上联汇聚 下行方向 上联板过来的数据通 过主交换芯片传输给 GPON 板 TM 模块 TM 模块通过记录的 GEM PORT 与以太网包的对 应关系确定相应 GEM PORT 并将以太网包封装成 GEM 帧 组成下