GEM封装以及GPON原理.doc
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GPON帧结构以及技术原理
摘要:
本文介绍了GPON的技术原理,GPON数据帧的封装技术,GEM帧结构,以及GPON在QOS上的优势,DBA调度原理等
前言
作为新一代的光接入技术,GPON支持更高的速率和对称/非对称工作方式,同时还有很强的支持多业务(ATM业务、TDM业务及IP/Ethernet业务)和OAM的能力。
它以ATM信元和GEM(GenericEncapsulationMethod,通用封装方法)承载多业务,对各种业务类型都能提供相应的QOS保证,支持商业和居民业务的宽带全业务接入。
因此,GPON是最有发展潜力的宽带光接入技术。
一、GPON标准介绍
GPON技术由ITU-T提出并标准化。
2003年1月31日,ITU-T批准了GPON标准G.984.1和G.984.2.2004年相继批准了G.984.3和G.984.4,形成了G.984.x系列标准,至此,GPON技术标准已经完成。
各标准内容如一下:
1.1G.984.1(G.gpon.gsr):
千兆比无源光网络的总体特性。
该标准主要规范了GPON系统的总体要求,包括OAN的体系结构、业务类型、SNI和UNI、物理速率、逻辑传输距离以及系统的性能目标。
G.984.1对GPON提出了总体目标,要求ONU的最大逻辑距离差可达20km,支持的最大分路比为16,32或64,不同的分路比对设备的要求不同。
从分层结构上看,ITU定义的GPON由PMD层和TC层构成,分别由0.984.2和0.984.3进行规范。
1.2G.984.2(G.gpon.pmd):
千兆比无源光网络的物理媒质相关(PMD)层规范。
该标准2003年定稿,主要规范了GPON系统的物理层要求。
G.984.2要求,系统下行速率为1.244或2.488Gbit/s,上行速率为0.155,0.622,1.244或2.488Gbit/s。
标准规定了在各种速率等级下OLT和ONU光接口的物理特性,提出了1.244Gbit/s及其以下各速率等级的OLT和ONU光接口参数。
但是对2.488Gbit/s速率等级,并没有定义光接口参数,原因在于此速率等级的物理层速率较高,对光器件的特性提出了更高的要求,有待进一步研究,从实用性角度看,在PON中实现2.488Gbit/s速率等级将会比较难。
1.3G.984.3(G.gpon.gtc):
千兆比无源光网络的传输汇聚(TC)层规范。
该规范2003年完成,规定了GPON的TC子层、帧格式、测距、安全、动态带宽分配(DBA),操作维护管理功能等。
G.984.3引入了一种新的传输汇聚子层,用于承载ATM业务流和GEM(GPONEncapsulationMethod)业务流。
GEM是一种新的封装结构,主要用于封装那些长度可变的数据信号和TDM业务。
G.984.3中规范了GPON的帧结构、封装方法、适配方法、测距机制、QOS机制、加密机制等要求,是GPON系统的关键技术要求。
1.4G.984.4(GPONOMCI规范):
GPON系统管理控制接口规范。
2004年6月正式完成的0.984.4规范提出了对OMCI的要求,目标是实现多厂家OLT和ONT设备的互通性。
该建议指定了协议无关的MIB管理实体,模拟了OLT和ONT之间信息交换的过程。
二、GPON的系统结构
如上图所示:
GPON由光线路终端OLT、光网络单元/光网络终端(ONU/ONT)及光纤分配网ODN组成。
OLT位于中心机房,向上提供广域网接口,包括GE、ATM.DS-3等;ONU/ONT放在用户侧,为用户提供10/100BaseT.T1/E1,DS-3等应用接口,适配功能AF集成于ONU/ONT中:
ODN由分支器/祸合器等无源器件构成;上下行数据工作于不同波长,下行数据采用广播方式发送,上行数据采用基于统计复用的时分多址(TDMA)方式接入。
下行采用1490NM的波长传送,上行采用1310NM的波长传送,同时还可采用1550NM的波长承载CATV业务。
三、GPON的封装技术GEM功能描述
3.1GPON协议栈
GPON使用GEM协议进行封装,其协议参考模型如图1所示。
GPON由控制/管理平面(C/M平面)和用户平面(U平面组成)组成。
C/M平面管理用户数据流,完成安全加密等OAM功能;U平面完成用户数据流的传输。
用户平面分为物理媒介相关子层(PMD),GPON传输汇聚子层(GTC)和高层;GTC子层又进一步细分为GTC成帧子层和GTC适配子层,高层的用户数据和控制/管理信息通过GTC适配子层进行封装。
3.2C/M平面的协议栈
GTC层的控制/管理平面包括三个部分:
内嵌的OAM(Operations,AdministrationandMaintenance)块、PLOAM(PhysicalLayerOAM)和OMCI(ONUManagementandControlInterface),如图2所示。
内嵌的OAM和PLOAM管理物理层和TC层,OMCI提供对高层(与承载业务相关)的统一管理。
内嵌的OAM通道功能包括:
上行带宽授权、密钥切换指示和DBA信息报告。
由于采用OAM信息直接映射到帧中的相应域,保证了控制信息的传送与处理的实时性。
PLOAM通道功包括:
传送物理层和TC(传输汇聚)层中不通过OAM信道传送的所有信息,通过消息交互方式实现,因此是实时性低于嵌人OAM通道的低时延通道。
OMCI信道用来管理高层定义的业务,包括ONU的可实现的功能集、T-CONT业务种类与数量、QOS参数协商等参数。
是实现GPON网络集中业务管理的信令传输通道,通过ATM的PV/PC或GEM封装,实时性最低,处理层次高,并保证了开放性、可扩展的特性。
3.3U平面协议栈
GPON有两种传输模式:
一种是ATM模式另一种是GEM模式。
图3中清晰地解释了这两种传输模式在U平面中的传输过程。
GPON在传输过程中可以用ATM模式,也可以用GEM模式,也可以共同使用两种模式,使用哪种模式在GPON初始化的时候进行选择。
3.3.1ATM传输模式
在下行方向,信元封装在ATM块中传输到ONU。
ONU成帧子层对信元进行解压,然后ATM的TC适配器根据信元内携带的VPI和VCI信息进行过滤,使符合要求的信元到达相应的客户端。
在上行方向,ATM流通过一个或多个T-CONT进行传输,每一个T-CONT只和一个或多个ATM或者GEM流相关,因此在复用时不会产生错误。
当OLT端接收到相关的由Alloc-ID定义的T-CONT以后,信元通过ATMTC适配器然后到达ATM客户端。
3.3.2GEM传输模式
在上行方向,GEM帧是通过封装在GEM块中传输到ONU。
ONU成帧子层对GEM帧进行解压,然后GEMTC适配器根据GEM帧头中的Port-ID进行过滤,使含有正确Port-ID的GEM帧到达GEM客户端。
在上行方向,GEM传输模式和ATM传输模式类似,这里就不再赘述。
虽然GPON可以使用GEM和ATM两种传输模式,但是GEM是针对GPON制定的传输模式,它可以实现多种数据的简单、高效的适配封装,将变长或者定长的数据分组进行统一的适配处理,并提供端口复用功能,提供和ATM一样的面向连接的通信。
下面分别对GEM功能,帧格式、帧定界、分片机制等方面做详细的介绍。
四、GEM功能
GEM从帧结构而言和其他的数据封装方法类似,但是GEM是内嵌在PON中的,它独立于OLT端的SNI和ONU端的UNI,也就是说GEM在UNI的左边和SNI的右边无法识别,只被识别于GPON系统内,简单说也就是在ONU跟OLT的两个PON口之间才能被识别。
如图4所示。
五、GPON帧结构
5.1GPON下行帧结构
PCBd:
PhysicalControlBlockdownstream,包含了一些字段,OLT以广播的方式发送PCBd,每个ONU都接收整个的PCBd,然后ONU按照其中包含的相关信息进行动作(act)。
载荷部分,可以是ATM信元,也可以是GEM的多业务封装。
每个帧都是125us。
5.1.1其中PCBd结构又如下图所示:
如上图所示,PCBd里面有包含如下字段:
PSync:
Physicalsynchronization,固定4字节,用于ONU与OLT同步,找 到帧头。
编码是:
0xB6AB31E0。
Ident:
4字节,超帧指示。
值为0时指示一个超帧的开始。
PLOAMd:
13字节,下行PLOAM信息。
PhysicsLayOAM。
BIP:
Bitinterleavedparity,比特间查奇偶校验,计算自从上一个BIP 以来的所有Bytes的bit-interleavedparity。
接收者通过也计算该 bit-interleavedparity,并进行比较,来测量该链路上的差错数量。
Plend:
PayloadLengthdownstream,用于说明USBWMap域的长度及载荷中 ATM信元的数目,为了防止出错,Plend出现两次,它包含三个域分别是BLEN (说明USBWMap域的长度)、ALEN(说明ATM信元的数目)、CRC(提 供校验);
5.1.1.1其中USBWMAP结构如下:
AllocationID:
指明授权发送的ID标识,一个AllocationID对应于一个传 输聚合实体T-CONT(TransmissionContainer),一个ONU可分配多个 AllocationID;
Flags:
指明上行帧的开销,比特0置位指示特定的T-CONT发送PCBu(PCB upstream),比特1置位指示对应的ONU传输时应采取FEC(ForwardError Correction)措施,比特2置位指示对应的ONU发送PLOAMu信息,比特3置位 指示对应的ONU发送PLSu(PowerLevellingSequence,功率测量序列);
SSTART:
指明发送起始的时隙位置;
SSTOP:
指明发送中止的时隙位置;
RESERVED:
保留将来使用;
CRC:
提供整个USBWMap域的校验。
5.2GPON上行帧结构
PLOu:
PhysicalLayerOverheadupstream,上行物理层开销,用于突发传 输同步,包含前导码、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示,其长度由OLT 在初始化ONU时设置,ONU在占据上行信道后首先发送PLOu单元,以适OLT能 够快速同步并正确接受ONU的数据。
PLSu:
功率测量序列,长度为120字节,用于调整光功率。
PLOAMu:
PLOAMupstream,用于承载上行PLOAM信息,包含ONUID、Message 及CRC,长度为13字节。
PCBu:
包含DBA域及CRC域,用于申请上行带宽,共2字节;
Payload域:
填充ATM信元或者GEM帧。
六、GEM的帧结构
GEM的帧结构如图5所示。
GEM帧由5字节的帧头和L字节的净荷组成。
GEM帧头包括PLI(净荷长度指示),Port-ID(端口ID),PTI净荷类型指示)、和13bit的HEC(头错误控制)五
个部分组成。
PLI(PayloadLengthIndicator):
指示的是净荷的字节长度。
由于GEM块是 连续传输的,所以PLI可以视作一个指针,用来指示并找到下一个GEM帧头。
PLI由12bit组成,所以后面的净荷最大字节长度是4095个字节。
如果数据超 过这个上限,GEM将采用分片机制。
这在后面将会详细论述。
PortID:
12bit的Port-ID可以提供4096个不同的端口,用于支持多端口复 用,相当于APON中的VPI。
PTI(PayloadTypeIndicator):
用来指示净荷的类型。
PTI最高位指示GEM 帧是否为OAM信息,次高位指示用户数据是否发生拥塞,最低位指示在分片 机制中是否为帧的末尾,当为1的时候表示帧的末尾。
HEC(HeadErrorCheck):
有13bit,它提供GEM帧头的检错和纠错个功能。
HEC是由BCH(39,12,2)和一位的奇偶校验位组成。
生成多项式是,由生成多 项式对帧头前27bit进行编码,得到39bit的BCH编码再加上最后一位奇偶校 验位得到GEM40bit帧头。
一旦帧头确定以后,发送机将和固定OxB6AB31EO55 进行异或计算,将结果发送出去,接收机使用同样的异或计算恢复头部。
七、GEM分片机制
由于用户数据帧的长度是随机的,如果用户数据帧的长度超过GEM协议规 定的净荷长度就要采用GEM的分片机制如图7所示。
GEM的分片机制把超过长 度限制的用户数据帧分割成若干分割块,并且在每个块的前面都插人一个 GEM帧头。
如前所述,PTI的最低有效位就是用来指示这个分割块是否为用户 数据帧的最后一个分割块。
值得注意的是,每一个GEM块都是连续的、不跨 越帧界的传输。
分片过程中要注意当前GTC帧净荷中的剩余时间,以便合理 分片。
当高优先级的用户传输结束后剩余4个字节或更少(GEM帧头有5个节), 就要用空闲帧进行填充,接收机将会识别出这些空闲帧,并丢弃。
在GTC系统中使用分片机制有两个目的:
一个是在每个分片前面都加上一 个GEM帧头,另一个是对于一些时间比较敏感的信号,比如说语音信号,必 须以高优先级进行传输,而分片能保证这一点。
它把语音信号总是在净荷区 的前部发送,GTC帧的帧长是125us延时比较小,从而能保证对于语音业务的 QOS。
八、GPON数据帧的封装
如下图所示,其ATM与以太网数据的封装
8.1以太网封装到GEM
以太网封装到GEM会丢弃其前缀以及同步BIT。
8.2TDM到GEM的封装
从以上两种封装例子可以看出,GPON对多业务的支持是先天性的,优于 EPON。
先将数据封装到GEM帧,然后再将GEM帧封装到GPON帧中。
其中GEM封 装从GFP演化而来,只是在GFP帧上增加了PORTID以及PTI字段而已。
同时GEM 的封装大大提高了效率,高达90%以上。
九、GPON的OS机制。
9.1GPON的上行调度机制DBA
9.1.1GPONDBA的定义
GPONDBA主要过程仍延用G.983.4中的定义,但部分内容做了一定的调整,调整的内容如下:
GPON
G.983.4
T-CONT标识
Alloc-ID
Grant-code
报告单位
ATM:
Cell
GEM:
固定长度块(48字节)
ATM:
cell
报告机制
PLOu,DBRu,DBApayload
MiniSlot
协商过程
GPONOMCI
PLOAM(G.983.4)andOMCI(G.983.7)
在G.983.4中定义了五中类型的T-CONT:
保证带宽
Fixed
T-CONT1
高优先级
所有类型的混合
All
T-CONT5
Besteffort
T-CONT4
附加剩余带宽
Non-assured
T-CONT3
低优先级
Assured
T-CONT2
并且对特定的带宽类型进行了定义:
额外带宽(additionalbandwidth):
Non-assured和BestEffort带宽 之和.
确定带宽(assuredbandwidth):
如果ONT的T-CONTbuffer中有数据发送, 则总能得到有效的调度。
如果T-CONTbuffer中没有数据则其带宽将被其他 T-CONT使用。
尽力而为带宽(besteffortbandwidth):
如果没有高优先级 的带宽使用,则尽力而为带宽将得到调度。
固定带宽(fixedbandwidth):
预留的或者循环申请的带宽,能够保证最 低的传送延迟。
就算没有数据发送,其带宽也会预留不被其他T-CONT使用。
保证带宽(guaranteedbandwidth):
是确定带宽和固定带宽的总和。
剩余 带宽(surplusbandwidth):
PON口带宽去掉固定带宽或者确定带宽以及其 他保留的带宽后的带宽。
OLT通过两种方式的DBA利用下行帧PCBd中的BWmap来控制每个ONT上T-CONT的发送,从而达到带宽动态分配的目的。
这两种方式在G.983.4中分别定义为NSR-DBA和SR-DBA。
9.1.1.1NSR-DBA(NonStatusReport):
非状态报告DBA,通过在OLT侧检测每个T-CONT的拥塞状态来进行带宽分配
9.1.1.2SR-DBA(StatusReport):
T-CONT向OLT发送数据时汇报T-CONTbuffer的当前状态,汇报的方式有三种:
PLOu,DBRu,DBApayload。
OLT根据汇报调整带宽分配。
9.1.2DBA的实现过程
NSR-DBA:
非状态报告的DBA实现主要依靠OLT对接收的数据进行监控,实施对T-CONT的控制,主要步骤如下:
步骤1:
在OLT侧以固定的间隔获得接收到的cell或固定长度的块数目。
步骤2:
计算带宽利用率。
使用带宽除以当前分配的带宽
步骤3:
通过带宽利用率和门限值进行比较,确定是否发送拥塞
步骤4:
如果发送拥塞,调整T-CONT的发送带宽
SR-DBA:
状态报告的DBA实现是OLT通过对ONU状态报告的处理,对带宽信息进行分析,从而对T-CONT发送带宽进行控制,达到带宽动态调整的目的。
在G.984.3中定义了三中方式的汇报过程:
PLOu:
在PLOuInd域中简单的标识T-CONT的状态,但没有T-CONT的详细信息,只是通知OLT相关T-CONT的状态
DBRu:
提供特定的T-CONT的连续的业务更新状态。
DBApayload:
在DBApayload汇报ONU部分或所有T-CONT的状态。
用于这三种状态中有一些是可选的操作,每个设备厂商ONU提供的支持不同,所以OLT如果采用SR-DBA的方式必须首先通过OMCI和ONU进行协商,确认采用报告的方式。
SR-DBA的主要流程:
步骤1:
ONU/ONT监控每个T-CONTbuffer中的队列长度
步骤2:
将T-CONTbuffer中的Cell或块数填充到DBRu的DBA域中(或采用其他方式),在发送上行数据的过程中,将状态信息报告给OLT。
步骤3:
OLT收集各T-CONT中的状态信息,并调整T-CONT的发送带宽
8.2GPON下行调度机制
GPON下行调度根据简单的QOS来调度,根据配置将不同优先级的COS值放到不同的硬件对列转发。
8.2.1支持PON口级的调度。
即一个PON口下所有的GEMPORT争用这个PON口的带宽。
8.2.2支持ONU级调度。
其中又分为同一ONU下所有的GEMPORT争用带宽、同一GEMPORT下的所有数据流争用带宽。
此时需要配置速率模板,其争用的带宽为配置的带宽。
参考文献:
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8)熊华平,曹明翠,罗志祥,等.GPON-新一代宽带光接人网.光通信技术.2003.(11):
8-10
固网上海用服部
万敏140864
2008-8-21@BuenosAries
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- GEM 封装 以及 GPON 原理