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⽬录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GEMPORT 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》
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