GPON关键技术－通用成帧协议研究

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    【摘要】本文简要介绍了宽带光接入网新技术GPON，还分析了通用的适用于多种业务的链路层的成帧协议—GFP，GFP不仅是数据信号映射到SDH、OTN的通用成帧协议，也是GPON封装数据的核心技术，为各厂家互联互通打下了基础。
    并且重点讨论并研究了针对GPON关键的GFP帧封装技术及上下行帧结构特点。
    一、前言
    接入网技术向多元化演进这是接入网市场长期格局，从长远看光接入网，尤为无源光网络PON可能是一种理想的解决方案。在各种光接入技术中，PON由于采用无源节点、敷设和运行维护成本低、对业务透明和易于升级等优点而备受业界关注。从最初的基于ATM的PON技术，到基于Ethernet的PON技术，再到现在的GPON，每一次PON标准的提出都促进了接入网技术的迅猛发展。近来ITU通过的新一代无源体系结构的GPON标准，将上下行速率提高到2.5Gb/s,并采用了通用成帧协议（GFP）来封装，更有效支持包括诸如话音、数据业务、视频业务、电子商务、远程教育、远程医疗等增值业务。
    全业务接入网（FSAN）协会自从1996年成立以来，就一直致力于无源光网络PON的技术标准研究，并且在2001年提出了1Gb/s以上速率的PON标准——GPON。GPON解决方案充分考虑了运营商的意见，提供从622Mb/s到2.5Gb/s的可升级的框架架构，并且支持不对称的上下速率，对任何一种业务都可以实现较高的带宽利用率（总效率达93%）和对多种业务的有力支持，特别是以本色模式和极高的效率同时支持数据和TDM。因此，GPON是目前最为理想的宽带光接入网技术。

    图1  GPON系统结构示意图
    图1是GPON的体系结构，由光线路终端OLT、光网络终端ONT及环形（或树形）拓扑结构的PON组成。OLT位于中心机房，向上提供广域网接口，包括GbE，OC-3/STM-1，DS-3等，向下对PON可提供1.244Gb/s或2.488Gb/s的光接口。ONU/ONT放在用户侧，为用户提供10/100BaseT，T1/E1，DS-3等应用接口，其对PON的光接口速率有155Mb/s，622Mb/s，1.244Gb/s和2.488Gb/s等多种选择。从OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，采用广播发送的数据流传输方式；反之为上行方向，采用基于统计复用的时分多址接入技术。PON通过粗波分复用CWDM（CoarseWavelengthDivisionMultIPlexing）覆盖实现数据流的全双工传输。PON一般采用树形拓扑结构，在需要提供业务保护和通道保护的情况下，可加上保护环，对某些ONT提供保护功能。
    二、GPON（ITU-T标准）的特点——本色模式PON
    FSAN协会在设计GPON协议时主要考虑以下问题：
    ⊙基于帧的多业务（ATM、TDM、数据）传送；
    ⊙上行带宽分配机制采用时隙指配（通过指示器）;
    ⊙支持不对称线路速率，下行2.488Gb/s，上行1.244Gb/s；
    ⊙线路码是不归零（NRZ）码，在物理层有带外控制信道，用于使用G983PLOAM的OAM功能；
    ⊙为了提高带宽效率，数据帧可以分拆和串接；
    ⊙缩短上行突发方式报头（包括时钟和数据恢复）；
    ⊙DBA报告、安全性和存活率开销都综合于物理层；
    ⊙帧头保护采用循环冗余码（CRC），误码率估算采用比特交织奇偶校验；
    ⊙在物理层支持QoS。
    由于GPON一开始就自下而上地重新考虑了PON的应用和要求，为新的方案奠定了基础，不再基于早先的APON标准，故称为本色模式PON。它一方面保留了与PON相关的许多功能，如OAM消息、DBA等；另一方面GPON则基于完全新的传输融合（TC）层，该子层能够完成对高层多样性业务的适配，包括ATM业务、TDM业务及IP/Ethernet业务，对多样性业务的适配是高效透明的，同时该子层支持多路复用、动态带宽分配等OAM机制。该TC层的适配协议是基于标准的ITU-T通用成帧协议（GFP），可以封装任何一种业务（包括时分业务和数据业务）到一种同步的传输协议中。
    三、通用成帧协议GFP
    作为一种通用的适用于多种业务的链路层规程，GFP既能适用于基于光网络/同步数字体系（SONET/SDH）的多业务传送平台MSTP，又适用于光传输网（OTN）中的多波长通道。客户信令可以是基于分组的（如IP/PPP，IP/Point-to-PointProtocol）或EthernetMAC帧），也可以是恒定比特率流或其他类型信令，如图2所示。GFP已正式被标准化为ITU-T建议G.7041。

    图2  GFP的客户信号传送途径
    与HDLC不同，GFP为描述协议数据单元（PDU），不需比特填充，它有一个基于HEC的自我描述技术。
    它支持两种数据处理模式：一种是面向变长数据的数据处理模式，如IP/PPP或以太网MAC帧等变长度的帧，它采用映射整个数据帧（Frame-Mapped）的适配方式，等接收到一个完整的帧后再进行处理；另一种是面向数据块的数据处理模式，如视频经块状编码的实时信号，它采用透明映射（Transparent）方式，可以及时处理，不必等整个帧收到后再处理。
    从功能来划分，GFP有两种基本形式，即GFP客户帧和GFP控制帧，而GFP客户帧又可分成客户数据帧（CDF）和客户管理帧（CMF）。GFP客户数据帧用于传送客户数据，GFP客户管理帧则用于传送与客户信号或GFP连接有关的管理信息。GFP控制帧可划分为空闲帧（IdleFrame）和OA&M帧，前者用于空闲插入，后者用于运转维护和管理。
    以上GFP帧类型见图3所示：

    图3  GFP帧类型
    GFP的组成从功能上看，可分成公共部分和特定客户部分。前者用于所有的GFP帧的数据流，包括诸如PDU定界、数据链路同步、扰码、客户PDU复用，以及与客户无关的性能监控等；后者负责把客户PDU数据装入GFP负荷中，与客户有关的性能监控以及运转、维护和管理（OA&M）。GFP的帧结构详见图4所示
    四、针对GPON的GFP封装
    由于GFP提供以高效简单的方式在同步传送网上传送不同业务的通用机制，故它用作GPONTC层的基础是十分理想的。使用GFP时，GPONTC层本质上是同步的，并使用标准的SONET8kHz（125μm）帧，这使GPON能够直接支持TDM业务。
    但是，由于考虑到GPON多ONU、多路复用的情况，制定了针对GPON的GFP帧，如图5所示。
    在GFP帧的头部引入了PortID，用于支持多端口复用；还引入了Frag（Fragment）分段指示以提高系统的有效带宽，第一个分段的Frag值为10，中间分段的Frag值为00，最后一个分段的Frag值为01，若承载的是整帧，Frag的值为11。而且针对GPON的GFP帧也不支持透明传输模式。
    GPON下行的帧结构如图6所示，帧长125μs，包含PCBd（PCBdownstream）及负荷区，负荷区透明承载ATM信元及GFP帧。ONU根据PCBd获取同步等信息，并依据ATM信元头的VPI/VCI过滤ATM信元头的VPI/VCI过滤ATM信元，依据GFP帧头的PortID过滤GFP帧。
    PCBd模块组成主要有：
    （1）Psync（Physicalsynchronization，物理层同步）：用作ONU与OLT同步，值为0xF628；
    （2)Ident：用作指示超帧，值为0时指示一个超帧的开始；
    （3)PLOAMd（PLOAMdown-stream）：用于承载下行PLOAM信息；
    （4)BIP：比特间插奇偶校验8bit码，用作误码监测；
    （5)Plend（PayloadLengthdownstream）：用于说明USBW Map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US BW Map域的长度）、ALEN（说明ATM信元的数目）、CRC（提供校验）；
    （6）USBWMap域介绍如下：
    ⊙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（Transmission Container），一个ONU可分配多个 Allocation ID；
    ⊙Flags：指明上行帧的开销，比特0置位指示特定的T-CONT发送PCBu（PCBupstream），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置位指示对应得ONU发送PLSu（Power Levelling Sequence，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。
    GPON上行的帧结构如图7所示，具体内容如下：
    （1）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；
    （2）PLSu：功率测量序列，长度为120字节，用于调整光功率；
    （3）PLOAMu（PLOAMupstream）：用于承载上行PLOAM信息，包含ONUID、Message及CRC，长度为13字节；
    （4）PCBu：包含DBA域及CRC域，用于申请上行带宽，共2字节；
    （5）Payload域：填充ATM信元或者GFP帧。
    从上述对GPON的GFP封装及上下行帧格式的叙述可以看出，GPON的封装是高效透明的，其OAM机制也是相当完善的。GPON还支持上下行多种速率组合的不对称传输，这也为其应用提供了方便。
    五、结语
    本文重点讨论了GPON及其中的几个关键技术，特别是GPON的核心技术通用成帧协议（GFP），由于GPON采用了它，使GPON更加有效支持各种数据业务，使无源光网络更加具有吸引力，作为一个宽带接入网技术标准，能够支持多业务，并具有最丰富的OAM&特点，而且还为未来发展更多业务方面提供简便性和极好的扩展性。由于接入网是最靠近最终用户的一层，故其特征是包容许多协议和业务，从今天的TDM和数据业务一直到将来的许多新应用，如存储域网（SAN）、数字视像等。通过GFP适配方法，GPON为把这些业务在不以任何方式搅乱现有设备或改变传送层的情况下加入PON，提供了一条清晰的过渡途径，是实现光纤宽带接入最有优势的技术