GPON xác định hai phương thức đóng gói ATM và GEM (GPON Encapsulation Method). Các ONU và OLT có thể hỗ trợ cả T-CONT nền ATM hoặc GEM. GEM cung cấp khả năng thông tin kết nối định hướng tương tự ATM. GPON cho phép hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ khách hàng khác nhau. Khách hàng ATM được sắp xếp trong suốt vào khung GEM trên cả hai hướng. Khách hàng TDM được sắp xếp vào khung GEM sử dụng thủ tục đóng gói GEM. Các gói dữ liệu bao gồm cả các khung Ethernet cũng được sắp xếp sử dụng thủ tục đóng gói GEM. GEM cũng hỗ trợ việc phân mảnh hoặc chia nhỏ các khung lớn thành các phân mảnh nhỏ và ghép lại ở đầu thu nhằm giảm trễ cho các lưu lượng thời gian thực. Lưu lượng dữ liệu bao gồm các khung Ethernet, các gói tin IP, IPTV, VoIP và các loại khác giúp cho truyền dẫn khung GEM hiệu quả và đơn giản. GPON sử dụng GEM mang lại hiệu quả cao trong truyền dẫn tải tin IP nhờ sử dụng tới 93% băng thông cho phép trên kênh truyền dẫn.
• Cấu trúc khung GEM
Ở đường xuống, các khung được truyền từ OLT tới ONU sử dụng các phân vùng GEM. Ở đường lên, các khung được truyền từ ONU tới OLT sử dụng thời gian phân bổ GEM đã được cấu hình. Giao thức GEM có hai chức năng: hỗ trợ tạo các khung dữ liệu người dùng và cung cấp số hiệu cổng để ghép kênh.
Ở đây thuật ngữ ‘khung dữ liệu người dùng’ biểu thị các khung đến từ và đi tới các người dùng. Các chức năng này được hỗ trợ bởi phần tiêu đề GEM như trên hình 2.10. Tiêu đề GEM chứa các trường chỉ thị độ dài tải tin PLI (Payload length Indicator), Port ID, trường chỉ thị loại tải tin PTI (Payload Type Indicator) và 13 bit trường điều khiển lỗi tiêu đề HEC (Header error control).
Hình 2.10 Cấu trúc khung và mào đầu GEM
PLI chỉ thị độ dài, L tính theo byte của phần tải tin theo sau tiêu đề. PLI được sử dụng để tìm tiêu đề kế tiếp trong dòng dữ liệu. Kích thước 12 bit của trường này cho phép các phân mảnh có độ dài tới 4.095 byte. Nếu các khung dữ liệu người sử dụng lớn hơn giá trị này, các khung sẽ được phân mảnh nhỏ hơn 4.095 byte.
Giá trị Port ID cung cấp 4.096 giá trị chỉ số lưu lượng duy nhất trong GPON để thực hiện ghép kênh.
Trường PTI chỉ thị nội dung của tải tin được phân mảnh và cách thức xử lý thích hợp. Mã hoá của 3 bit này giống với tiêu đề ATM. Truyền tải GEM chỉ diễn ra trên các phân đoạn GPON, chứ không sử dụng cho mục đích OAM từ đầu cuối đến đầu cuối. Đặc điểm này có thể thay đổi trong tương lai.
Hoạt động báo cáo nghẽn thông qua các mã 2 và 3 là cho các nghiên cứu tương lai. Đối với mã 4, GEM sẽ tái sử dụng định dạng tế bào OAM hỗ trợ tải tin phân mảnh với độ dài 48 byte giống như trong các chức năng OAM của ATM.
Cuối cùng, HEC cho phép phát hiện và sửa lỗi cho tiêu đề. HEC sử dụng kết hợp mã BCH (39, 12, 2) và một bit chẵn lẻ (parity). Đa thức sinh cho mã này là x12 + x10 + x8 + x5 + x4 + x3 + 1. Mã BCH được tính toán dựa trên chia modul 2 giá trị của 39 bit đầu tiên trong tiêu đề cho đa thức sinh. Kết quả sẽ bằng không nếu không có lỗi. Nếu một thanh ghi dịch được sử dụng để thực hiện phép chia, giá trị khởi tạo ban đầu của thanh ghi dịch sẽ toàn các bit 0. Bit parity được thiết lập sao cho tổng số các bit 1 trong toàn bộ tiêu đề (40 bit) là một số chẵn.
Khi tiêu đề được lắp ghép lại, bộ phát sẽ thực hiện XOR tiêu đề với mẫu cố định: 0xB6AB31E055 và truyền đi kết quả. Máy thu sẽ XOR các bit nhận được với mẫu cố định để khôi phục tiêu đề. Cơ chế này đảm bảo một chuỗi các khung rỗi sẽ có đủ nội dung và cấu hình đúng.
Quá trình tạo khung trong GPON yêu cầu sự hiện diện của tiêu đề HEC tại điểm bắt đầu của phân vùng GEM và tất cả các tải tin GEM đường lên. Bằng cách đó, máy thu được đảm bảo sẽ tìm được tiêu đề đầu tiên và các tiêu đề kế tiếp bằng cách sử dụng PLI làm con trỏ. Nói cách khác, máy thu sẽ chuyển ngay sang trạng thái Sync khi bắt đầu mỗi phân vùng và tải tin. Tuy nhiên, trong trường hợp có lỗi, quá trình tạo khung có thể sẽ mất đồng bộ với dòng dữ liệu. Máy thu sẽ yêu cầu thực hiện đồng bộ lại bằng cách thực thi mô hình máy trạng thái như trên hình 2.11.
Hình 2.11 Mô tả chuyển trạng thái dựa trên tiêu đề GEM
Trong trạng thái tìm (Hunt), máy thu sẽ tìm trường HEC trong tiêu đề GEM. Khi tìm được một tiêu đề, máy thu sẽ chuyển sang trạng thái trước đồng bộ (Pre-sync), trạng thái khi mà nó đang tìm kiếm HEC với vị trí được chỉ ra trong tiêu đề tìm thấy trước đó. Nếu HEC tìm thấy là đúng, máy thu sẽ chuyển sang trạng thái đồng bộ (Sync). Nếu HEC không tồn tại, máy thu sẽ chuyển sang trạng thái tìm. Chú ý rằng quá trình thực thi có thể chọn nhiều đối tượng khác nhau ở trạng thái trước đồng bộ sao cho HEC phù hợp không làm gián đoạn việc phát hiện phân định (delimiter). Ngoài ra, quá trình thu có thể lưu đệm dữ liệu nhận được khi ở trạng thái trước đồng bộ, nếu dịch chuyển sang trạng thái đồng bộ thành công, dữ liệu được lưu đệm có thể chính thức được coi là một phân mảnh GEM hợp lệ.
Để tách riêng các tốc độ, một khung GEM rỗi sẽ được định nghĩa. Nếu không có khung người sử dụng nào được gửi, quá trình truyền sẽ tạo ra các khung rỗi và gửi đi. Máy thu sẽ sử dụng các khung này để duy trì đồng bộ và tất nhiên sẽ không có dữ liệu được đưa lên GEM client. Tiêu đề khung GEM được định nghĩa là toàn các bit 0. Điều này hàm ý rằng dữ liệu thực chỉ có khi tiêu đề là mẫu cố định 0x0xB6AB31E055 do đã thực hiện XOR trước khi truyền.
Do các khung dữ liệu có độ dài ngẫu nhiên, giao thức GEM cần phải hỗ trợ phân mảnh dữ liệu cho phép chèn các tiêu đề GEM tại điểm bắt đầu mỗi phân vùng và tải tin. Cần lưu ý rằng sự phân mảnh có thể xảy ra trên cả đường xuống và đường lên. Bit có trọng số thấp nhất trong trường PTI của tiêu đề được sử dụng cho mục đích này.
Mỗi khung dữ liệu có thể được chia thành một số phân mảnh. Một số trường hợp được mô tả trên hình 2.12
Hình 2.12 Một số trường hợp phân mảnh
Một điều rất quan trọng cần lưu ý là mỗi phân mảnh được truyền đi kế tiếp nhau. Điều này có nghĩa rằng một phân mảnh không thể đứng ngoài biên của khung. Đây là một hệ quả của yêu cầu mỗi tiêu đề phải bắt đầu ở tất cả các phân vùng và tải tin. Vì vậy, quá trình phân mảnh cần biết được thời gian còn lại phân vùng hoặc tải tin và phân mảnh các khung dữ liệu một cách phù hợp. Một hàm ý khác của điều này là tiến hành truyền các khung rỗi. Trong một số trường hợp, mỗi khung hoàn chỉnh có thể có 4 hoặc nhiều hơn các byte thừa trong phân vùng GTC hoặc tải tin. Độ thừa này nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất của khung GEM. Trong trường hợp này, máy phát sẽ gửi đi một mẫu tiêu đề ưu tiên. Máy thu tách tiêu đề này và loại bỏ nó. Trong bất kỳ trường hợp nào, GEM sẽ được lưu lại tại thời điểm bắt đầu mỗi phân vùng hay tải tin.
Quá trình phân mảnh trong GEM có thể được sử dụng với hai mục đích trong hệ thống GTC. Mục đích đầu tiên đã được đề cập đó là chèn một tiêu đề tại thời điểm bắt đầu mỗi phân vùng hoặc tải tin. Ngoài ra, nếu là dữ liệu thời gian thực như thoại, cần ưu tiên so với dữ liệu không phải thời gian thực. Nói chung, hai ứng dụng của phân mảnh có thể được thực hiện bằng hai bước xử lý riêng: đầu tiên là chèn lưu lượng khẩn sau đó là chèn các tiêu đề cho phù hợp với phân vùng hoặc tải tin GTC. Tuy nhiên, một phương pháp đơn giản hơn là để mỗi tầng phân mảnh thực hiện luôn cả hai chức năng. Trong trường hợp này, các mảnh dữ liệu GEM khẩn luôn luôn được gửi đi ở đầu mỗi phân vùng hoặc tải tin. Bởi vì khung GTC tuần hoàn 125µs nên cần đảm bảo trễ đủ thấp cho dữ liệu khẩn. Sự sắp xếp này được minh hoạ trong hình 2.13.
Hình 2.13 Mối quan hệ giữa khung GEM với khung GTC
