GPON帧结构分析

GPON 帧结构分析
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1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
GPON Gigabit Passive Optical Network 吉比特无源光
Alloc-ID Allocation Identifier分配标识符
DBA Dynamic Bandwidth Assignment 动态带宽分配
GEM GPON Encapsulation Method GPON 封装模式
GTC GPON Transmission Convergence GPON 传输汇聚
PCBd Physical Control Block downstream 下行物理控制块
PLOu Physical Layer Overhead upstream 上行物理层开销
T-CONT Transmission 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、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：
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。

3GTC成帧技术分析
3.1GTC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，上行速率为的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
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125μs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。

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。

●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
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。

3.3GTC上行成帧分析
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（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（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：
2. 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（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：
•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
用于完成对DBRu 域的CRC 校验。

3.3.2 GTC 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：由符合GEM 格式的数据帧构成。

图7 GEM 方式数据帧构成
2、 DBA 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。

图8 动态带宽报告帧构成
3.4 OLT 与ONU 的定时关系
3.4.1 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
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。

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±1μs。

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GTC净荷的映射
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
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。

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：
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。

图12 PTI使用示例
3.5.4用户业务到GEM 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，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125μs）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。

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GPON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，组成下行GTC净荷，由下行帧传输至ONU，ONU根据GEM PORT解封装成以太网包，根据对应关系传递到相应端口输出。

图15 GPON系统业务流处理过程
当前使用较多的为基于VLAN进行GEM PORT绑定，图16显示了各种业务在接入ONU后的详细处理过程，首先用户业务进入ONU时在端口处进行VLAN处理添加上VLAN，建议不同的业务分配不同的VLAN，添加VLAN的数据流根据VLAN与GEM PORT mapping，添加上GEM 帧头，GEM PORT为mapping中对应的port，GMAC将GEM帧组织成上行GTC净荷，在OLT分配的上行T-CONT时隙内将与其绑定的GEM帧传递给OLT。

相应的，OMCI报文通过封装在特定GEM PORT的GEM帧中传递。

图16 ONU用户业务处理过程
3.7GPON成帧技术与EPON的区别之成帧
GPON技术是ITU-T定义的一种无源光网络技术标准，EPON技术是IEEE定义的一种无源光网络技术标准。

从帧结构来看，GPON帧进行了独立的定义，其帧结构介绍前文已经进行了介绍。

EPON技术帧结构采用了以太网帧进行数据传输及系统维护，EPON通用的MPCP帧结构如图17所示。

图17 MPCP通用帧格式
MPCP作为EPON系统建立及维护的核心协议采用了以太网帧的格式，与GPON明显不同的，用户数据帧与MPCP帧是独立的以太网帧，MPCP帧不会携带用户数据，EPON带宽分配依靠MPCP中的GATE及REPORT帧完成，用户数据帧的带宽授时是通过MPCP交互完成的。

而GPON上下行帧除携带用户数据外，还同步进行带宽授时，上行方向通过突发的方式进行数据传输，极大地提高了带宽的利用率。

此外，GPON可通过GEM帧直接承载多种业务接入，相关内容已在前文介绍，而EPON技术承载业务较单一。

4参考资料
《接入网技术要求——吉比特的无源光网络（GPON）第3部分：传输汇聚(TC)层要求》。