GPON帧结构分析

1、GPON帧结构分析编号：版本：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)文档修订记录日期Date修订版本RevisionVersion修改 章节SecNo.修改描述Change Description作者Author1 前言GPON(Gigabit-Capable PON)技术是基于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GPOFW带宽，高效率，用户接口丰富等特点决定了 GPON术的

2、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GPONGigabit Passive Optical NetworkAlloc-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 downstreamPLOuPhysical Layer Overhead upstream上行物理层开销T-CON

3、TTransmission Container传输容器2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 EPO噂技术得到了广泛的应用，GPO恃目比EPONM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勺大规模应用也印证了 GPON术会有广阔的明天。GPO腋术主要有如下几种传输标准：上行下行上行下行上行下行上行下行上行下行上行下行上行下行其中上行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。3 GTCM帧技术分析3.1 GTCM帧概述GTC上、下行帧结构示意如图 1所示。下行GTC帧由

4、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， 上行速率为的GPON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3.2 GTCF行成帧分析3.2.1 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

5、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0xB6AB31E0 , ONU利用Psync来确定下行帧的起始位置。? 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犬态，低30位比特为复帧计数器。? PLOAMd携带下行PLOA踹息，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。t细的各个 PLOAMI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F

6、E俄验位（如果有）。在完成FEC“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FE侬验位（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 ds时间周期内最多能够 分配4095个带宽授权。BWmap勺长度为8x Blen字节。Plend域中紧跟Blen的12比特用于指定AT怏的长度（Alen）,本文只介绍GEMI式进行 数据

7、传输白方法，ATMI式不涉及，Alen域应置为全0。图3 Plend域结构? BWmap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勺带宽。映射表中条目的数量由Plend域指定。每个条目的格式见图 4。图4 BwmapM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-CON诚ONlUj上行OMCC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0253用于直接标识ONU在测距过程中，ONUJ第一个Alloc-ID 应在该范围内分配。ONU勺第一个Alloc-ID是默认

8、值，等于 ONU-ID （ONU-I至PLOAM!息中使用）， 用于承载PLOAM1 OMCI可选用于承载用户数据流。如果ON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ONlB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。Bit1110987654321Bit0Bit11 （MSB）:发送功率等级序号 （PLSu>B

9、it10: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DBRuo00:不发送DBRu01: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GTCJ中从0开始，并且限制上行帧的大小不超过 65536字节，可满足的 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

10、以字节为单 位，在上行GTC#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。3.2.2 TC净荷域BWmap之后是GT/荷域。GT脚荷域由一系列GE顺组成。GE除荷域的长度等于 GTCJ长减去PCB长度。ONUI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 GE帧并将其送到GE晞户端处理进程作进一步处理。注意，可把Port-ID配置为从属于PONH勺多个ONU并利用该Port-ID来传递组播流。GEM 方式下应使用唯个 Port-ID传递组播业务，可选支持使用多个Port-ID来

11、传递。ON皮持组播的方式由OLT!过OMCI接口发现和识别。3.3 GTCk行成帧分析3.3.1 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（PLO。以及与Alloc-ID 对应的一个或多个带宽分配日隙组成。下行帧中的BWmap言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BWma峙定的带宽分配结构控制。1 .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

12、、 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否正确。? Ind :该域向OLT报告ONU勺实时数据状态，各比特位功能所示如下:Bit位功能7 (MSB)紧急的PLOA储待发送（1 = PLOA储待发送，0 =无PLOA晦待）6FEC状态（1

13、= 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1预留，不使用0 (LSB)预留给将来使用。2 .物理层 OAM（ PLOAM物理层OAM（ PLOAM消息通道用于OLTONUt间承载OAM!能的消息，消息长度固定为 13字节，下行方向由OL饯送至ONU上行方向由ON发送至OLT。用于支持PONTC1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!息仅在默认的Alloc-ID的分配时隙中传输，详细的各个 PLOAM1息介绍本文不涉及。3 .上行动态带宽报告（DBRUDBR曲于上报T-CONT勺状

14、态，为了给下一次申请带宽，完成ONIUJ动态带宽分配。但不是每帧都有，当BWmap分配结构中相关Flags置1时，发送DBRiM。 DBRi段由DB即和CRC 域构成，如下图所示：DBA (1,2,4Byte )DBA域CRC (1 Byte )根据带宽分配结构要求的 DBA告模式不同，DB即预留8bit、16bit或32bit的域。必需 注意的是，为了维护定界，即使OL馁求的DBA莫式已经被废除或者 ON不支才I该DBA莫式，ONU 也必须发送长度正确的 DB做。? CRCM用于完成对DBRiM的CR版验。3.3.2 GTC净荷域GTC数据净荷，可以是数据GEM,也可以是 DBA状态报告。净

15、荷长度等于分配时隙长度减去开销长度。1、 GEM:由符合GEM式的数据帧构成。PLOuPLOAMuDBRuPayloadGEMHeaderFrame FragmentGEMHeaderFull FrameGEMHeaderFrame Fragment图7 GEM方式数据帧构成2、 DBA报告：包含来自ONUK定长度的DBA报告，用于ONU勺带宽申请和报告。图8 动态带宽报告帧构成3.4 OLT与ONU勺定时关系3.4.1 概述本文中只介绍ONUt于O5状态的上下行帧交互过程中OLT与ONU勺定时关系，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G

16、TC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。3.4.2 ONUli送定时所有的上行发送事件都以承载BWmap勺下行帧开始时间为参考点，BWma的包含了相应的带宽分配结构。需要特别注意的，ONUt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

17、时间可能会发生变化。ONia任何时刻都维护一个始终运行的上行GTCM时钟，上行GTCM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向应时间和必要延时的总和，如图所示。图9 ONU上行发送定时示意ONU向应时间是一个全局参数，它的取值应保证ONUW充分时间接4包括上行BWma旺内的下行帧、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±1S O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勺传输延时抖动和处理延时抖动。ONU的必

18、要延时值基于 OLT规定的均衡延时参数，在 ONU勺不同状态下会发生变化。3.5 GE则到GTC争荷的映射3.5.1 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帧至ij GTC净荷的映射示意见图 10。图10 GEM至ij GTC净荷的映射3.5.2 GEM 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（HE。域组成。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

19、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 用户数据分片因为用户数据帧长是随机的，所以GEM协议

20、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。12 PTI 使用示例3.5.4 用户业务到GEM帧的映射GPON（统通过GEM!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

21、到一个单独的GEM或多个GEM中，如果一个以太网帧被封装到多个 GE咖中，则应进行数据分片。 一个GE咖只应承载一个以太网 帧。如图13指示了由以太网帧映射到 GEMh的对应关系。图13 以太网帧映射到 GEM上? IP包到GE咖的映射IP包可直接封装到 GEM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GE咖中或多个 GEM中，如果一个IP包被封装到多个 GE咖中，则应进 行数据分片。一个 GEM只应承载一个IP包的情况如图14所示。图14 IP包映射到GEM上? TDM帧到GEM的映射GEMi载TDMk务的实现方式有多种：TDM数据可直接封装到 GEM中传送；或者先封装

22、到以太网包中再封装到GEW传送等多种方式。TDM数据封装到GEM勺方式如图15所示。该机制是利用可变长度的GEM来封装TDM帧。具有相同Port-ID的丁口濒据分组会汇聚到 TC层之上。图15 TDM帧映射到GEM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 d 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

23、种情况将在PLI 域中反映出来。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。3.6 GTCM帧技术在GPO除统中的应用GPO喊帧技术在GPON（统中应用主要体现在 GPON1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 GPO源统中的传输过程来介绍 GTC成帧技术的实现。GPO隙统用户业务处理过程如图1

24、5所示，上行方向，语音信号输入ONU经过AD转换封装成以太网包后被封装在GE咖中，其GEM port-id 为6,以太网业务直接封装在 GEM帧中，其port-id 为4, ONUB OLT分配的上行 T-CONT时隙内将携带 GEM4 GEM6勺T-CONT 传递给OLT，OLTPON芯片将上行 GTC争荷中的GEM4GEM吩别传递给 GE帖户端进行处理，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勺对应关系，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GPONS TM模块，TM模块通过记录的GEM PORT!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,组成下行GTC净荷，由下行帧传输至