1、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）GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 2 页 共 17 页 2文档修订记录日期Date修订版本Revision Version修改章节Sec No. 修改描述Change Description作者AuthorGTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 3 页 共 17 页 3目 录1 前言 .21.1 缩略语 22 技术背景 .23 GTC 成帧技术分析 23.1 GTC 成帧概述 .23.2 GTC
2、 下行成帧分析 .23.2.1 下行物理控制块（ PCBd） .23.3 XX 技术在 GPON 系统中的应用 23.4 XXX 技术与 EPON 的区别 24 我司设备 XX 的实现 .错误！未定义书签。4.1 与标准差异 错误！未定义书签。4.2 测试实践与应用 错误！未定义书签。5 FAQ.错误！未定义书签。6 参考资料 .2GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 4 页 共 17 页 41 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
3、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 吉比特无源光网络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
4、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：0.15552Gbps 上行 1.2
5、4416Gbps 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 5 页 共 17 页 53 GTC
6、 成帧技术分析3.1 GTC 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
7、结构3.2 GTC 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 6 页 共 17 页 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
8、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Ple
9、nd 域的前12比特指定，因此在125s时间周期内最多能够分配4095个带宽授权。BWmap 的长度为8Blen 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 7 页 共 17 页 7图4 Bwmap域示意图 Alloc-ID域Alloc-ID域
10、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0253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-ID254是ONU激活阶段使用Alloc-ID，用于发现未知的ONU，Alloc-ID255是未分配的Alloc-ID，
11、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。Bit1110 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Bit0 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 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 Start
12、Time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。3.2.2 TC 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G
13、EM 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 8 页 共 17 页 83.3 GTC 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
14、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
15、（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（1PLOAM 等待发送，0无 PLOAM 等待）6 FEC 状态（1FEC 打开，0FEC 关闭）5 RDI 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GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 9 页
16、 共 17 页 91 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，
17、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。 Pay
18、load DBRu PLOAMu PLOu Frame Fragment GEM Header Ful Frame GEM Header Frame Fragment GEM Header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。DBA（1,2,4Byte） CRC（1 Byte）GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 10 页 共 17 页 10Payload DBRu PLOAMu PLOu DBA Report Pad ifnee图 8 动态带宽报告帧构成3.4 OLT 与 ONU 的定时关系3.4.1
19、 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。3.4.2 ON
20、U 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 11 页 共 17 页 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
21、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 351s。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。3.5 GEM 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
22、图 10。图 10 GEM 到 GTC 净荷的映射3.5.2 GEM 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 12 页 共 17 页 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 4
23、096 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100 GEM OAM，不是帧尾101 GEM 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。GE
24、M 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 13 页 共 17 页 13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
25、 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，GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 14 页 共 17 页 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
26、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
27、入缓存中对输入数据进行排队，每当有帧到达（即每125s） 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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 15 页 共 17 页 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
28、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 GTC 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
29、 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
30、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，
31、OMCI 报文通过封装在特定 GEM PORT 的 GEM 帧中传递。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 16 页 共 17 页 16图 16 ONU 用户业务处理过程3.7 GPON 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
32、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。GTC 帧结构分析 V1.0 内部公开第 17 页 共 17 页 174 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
