Đồ án tốt nghiệp 46 Sinh viên: Bùi Thị Phong
Hình 3-21: Mơ tả chi tiết cấu trúc khung đường lên
Cấu trúc khung up gồm bốn overhead và phần payload: Overhead lớp vật lí (PLOu- Physical Layer Overhead Upstream), các hoạt động, quản lí và bảo dưỡng lớp vật lí (PLOAMu-Physical Layer Operations, Administration and Management Upstream), san bằng công suất (PLSu- Power Levelling Sequence Upstream), và báo cáo băng thông động (DBRu-Dynamic Bandwidth Report Upstream).
3.6.2.2.1. Trường overhead lớp vật lí up lên (PLOu)
Trường overhead lớp vật lí up lên gồm trường mở đầu (Preamable), trường ranh giới (Delimiter) và 3 trường dữ liệu tương ứng với ONU (BIP, ONU-ID, Ind).
Trường PLOu bắt đầu với trường mở đầu để giúp cho bộ thu ở OLT đồng bộ với bộ phát ở ONU. Trường ranh giới tiếp theo sau đó báo hiệu bắt đầu của một luồng đường lên.
Trường Ind trong PLOu cung cấp những báo cáo trạng thái thời gian thực
ONU đến OLT, hình 3-21 biểu diễn bản tin trạng thái được mã hóa.
Như được trình bày ở phần trước, một ONU có thể được cấu hình với nhiều T- CONT. Nếu một ONU được cấp phát nhiều khe thời gian liên tục cho nhiều T-CONT
Đồ án tốt nghiệp 47 Sinh viên: Bùi Thị Phong
với những Alloc-ID khác nhau, thì PLOu chỉ cần được truyền một lần, được mơ tả ở hình 3-20 cho ONT A.
Trường BIP có 8 bit chứa số bit chẵn lẻ được chèn vào của tất cả byte truyền đi cho đến BIP cuối cùng của ONU, ngoại trừ các byte lời mở đầu và ranh giới. Đầu thu của OLT sẽ tính số bit được chèn vào là chẵn hay lẻ cho mỗi burst ONU sau đó so sánh với kết quả của BIP nhận được để tính ra số lỗi trên đường link.
Trường ONU-ID có 8 bit chứa số nhận dạng duy nhất ONU đang gửi dữ liệu. Trước khi ONU-ID được gán, ONU đặt giá trị không xác định là 255 trong trường này. OLT có thể kiểm tra trường này để xác nhận địa chỉ phân bố và truyền đúng đến ONU.
Chú ý rằng khi ONU chỉ ra một PLOAM khẩn cấp đang đợi, OLT sẽ cấp một vị trí up lên cho phép ONU gửi bản tin PLOAM. Thời gian đáp lại sẽ ít hơn 5 ms.
3.6.2.2.2. Trường PLOAMu
Các hoạt động, quản lí và bảo dưỡng lớp vật lí PLOAMu có 13 byte chứa các bản tin PLOAM đã được mô tả ở phần PLOAMd.
3.6.2.2.3. Trường PLSu (Chuỗi định mức cơng suất)
Trường PLSu có kích thước 120 byte, ONU sử dụng cho việc đo và điều khiển mức cơng suất của laser. Nó được sử dụng trong suốt q trình kích hoạt ONU. Khi được u cầu bởi OLT, PLSu sẽ được truyền bất cứ lúc nào. Chức năng giúp điều chỉnh mức cơng suất ONU. Trường này được gửi khi có chỉ thị cờ. Cơ chế điều khiển cơng suất thì có lợi trong 2 trường hợp là khởi tạo cơng suất ban đầu của bộ phát ONU (chỉ xảy ra lúc kích hoạt ONU) và thay đổi công suất của bộ phát ONU (xảy ra lúc hoạt động cũng như lúc kích hoạt). PLSu có thể được u cầu ở bất kì thời điểm nào. Ở nhiều trường hợp trong lúc kích hoạt, OLT có thể cài đặt bit PLSu để quảng bá cho phép ONU thiết lập bộ phát. Nếu ONU không sử dụng trường PLSu thì ONU sẽ khơng kích hoạt bộ phát. Điều này làm giảm sự đụng độ.
3.6.2.2.4. Trường báo cáo băng thông động DBRu
Trường DBRu được liên kết với một T-CONT cho việc báo cáo trạng thái lưu lượng luồng lên của T-CONT được cấp phát. Trường DBRu chứa báo cáo băng thông động DBA, báo cáo này được sử dụng để thông báo đến OLT về số lượng dữ liệu đang xếp trong hàng đợi T-CONT ở mỗi ONU.
Đồ án tốt nghiệp 48 Sinh viên: Bùi Thị Phong
Báo cáo DBA có 3 mode (mode 0, mode 1,và mode 2) tương ứng với chiều dài trường báo cáo băng thông động DBA là 1, 2, và 4 bytes (hay tương ứng với 2, 3, 5 byte của trường DBRu). Việc chứa báo cáo DBA trong DBRu cho phép ONU cập nhật một cách liên tục lưu lượng của T-CONT cụ thể. Bản báo cáo DBA chứa các tế bào ATM hay khối GEM (có chiều dài 48 byte), đang ở trạng thái chờ trong bộ đệm luồng lên.
Trường CRC: cấu trúc DBRu được bảo vệ sử dụng CRC-8. Đầu thu của DBRu sẽ thực hiện phát hiện và sửa lỗi CRC-8. Nếu CRC chỉ thị rằng lỗi không thể sửa được thì thơng tin trong DBRu sẽ bị loại bỏ.
3.6.2.2.5. Phần tải
Phần tải up lên có thể là cell ATM, khung GEM, hay báo cáo DBA.
Các cell ATM có định dạng khung được quy định bởi ITU-T I.361. Phần tải ATM up lên có 53 byte. OLT sắp xếp các con trỏ để phần tải ATM luôn là 53 byte. Nếu tải vẫn cịn thừa chỗ trống thì thì nó sẽ độn thêm cho đủ 53 byte.
Hình 3-22: ATM upload
Phần tải up lên GEM chứa một số khung GEM gồm tiêu đề GEM và phần tải tin, được biểu diễn trong hình 3-24.
Phần tải up lên DBA chứa báo cáo cấp phát băng thông động từ ONU. Báo cáo băng thông động đầu tiên được xếp hàng ở các byte đầu tiên tại vị trí bắt đầu cấp phát. Tất cả báo cáo thì liên tiếp. Nếu chiều dài cấp phát khơng khớp với tồn bộ chiều dài báo cáo thì ONU sẽ bỏ bớt phần cuối của báo cáo hay đệm thêm các bit zero ở phần cuối nếu không đủ. Chú ý rằng ONU phải phản hồi việc phân bố tải DBA thậm chí nếu mode này của DBA khơng hỗ trợ thì nó vẫn duy trì phần tải này, như hình 3-23.
Đồ án tốt nghiệp 49 Sinh viên: Bùi Thị Phong
Hình 3-23: DBA payload
3.7. Phương thức đóng gói dữ liệu GEM
Phương thức đóng gói dữ liệu GPON (GPON Encapsulation Method – GEM) sử dụng để đóng gói dữ liệu qua mạng GPON. GEM 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 các lưu lượng thời gian thực.
Hình 3-24: Các khung GEM trong phần tải luồng lên
Ở hướng xuống, các khung GEM được mang đi trong GEM partition của phần tải của luồng xuống (Hình 3-15). Ở hướng lên, các khung GEM được mang đi trong GEM partition của phần tải luồng lên (Hình 3-24).
Việc đóng gói dữ liệu khung GEM cung cấp 2 chức năng: Thực hiện ghép kênh các cổng GEM lại.
Phân mảnh dữ liệu tải tin.
Các gói dữ liệu bao gồm cả các khung Ethernet (hay dữ liệu TDM) 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. Cấu trúc gói GEM được mơ tả trong hình 3-25.
Đồ án tốt nghiệp 50 Sinh viên: Bùi Thị Phong
Hình 3-25: Cấu trúc gói GEM
12 bit chỉ thị chiều dài tải tin PLI (Payload Length Indicator), xác định chiều dài tải GEM, để đồng bộ và phát hiện ra khung tiếp theo. Trường này cho phép chiều dài tải tin là 4095 bytes. Bất kì tải tin người sử dụng nào có kích thước dài hơn
4095 bytes thì phải được phân mảnh dữ liệu.
12 bit Port ID chỉ thị Port-ID cho đích đến của tải tin .
3 bit chỉ thị loại tải tin PTI (Payload Type Indicator) xác định nội dung của tải tin như trong bảng 3-2. Và xác định xem khung dữ liệu người dùng trong phần tải tin có phải là phân đoạn EOF (End Of Fragment) cuối cùng hay không.
Bảng 3-2: Các mã PTI trong tiêu đề GEM
Trường điều khiển lỗi tiêu đề HEC (Header Error Control) sử dụng mã BCH nhị phân để bảo vệ tính tồn vẹn cho tín hiệu tiêu đề.Trường này cũng dùng để khiển đồng bộ khung GEM, cung cấp chức năng phát hiện và sửa lỗi.
Quá trình phân mảnh dữ liệu trong đóng gói GEM được chỉ ra trong hình 3-26. Sự phân mảnh của khung dữ liệu người dùng phải được truyền một cách liên tục. Bởi vì các khung dữ liệu người dùng có chiều dài ngẫu nhiên, giao thức GEM phải hỗ trợ phân đoạn khung dữ liệu của user để cho phép chèn header GEM tại vị trí đầu tiên của mỗi phần dành riêng và phần tải. Chú ý rằng việc phân đoạn có thể xảy ra ở hướng down và up. Mỗi khung dữ liệu của người dùng được chia làm một số phân đoạn. Một
Đồ án tốt nghiệp 51 Sinh viên: Bùi Thị Phong
đoạn tương ứng một header và trường PTI chỉ thị khung chứa phần kết thúc khung dữ liệu của user.
Hình 3-26: Quá trình phân mảnh dữ liệu trong gói GEM
Tiến trình mơ tả trong GPON u cầu sự có mặt của header GEM tại nơi bắt đầu mỗi khung down dành riêng cho GEM và mỗi phần tải GEM up lên. Phía thu thì chắc chắn tìm thấy header đầu tiên và có thể tìm thấy header kế tiếp bằng việc sử dụng PLI như là con trỏ. Nói cách khác phía thu sẽ chuyển tiếp lập tức đến trạng thái sync tại nơi bắt đầu phần tải. Tuy nhiên, trong trường hợp lỗi không thể sửa được trong header, thì tiến trình mơ tả sẽ mất đồng bộ với luồng dữ liệu. Sau đó phía thu sẽ thử u cầu lại việc đồng bộ bằng việc thực hiện cơ chế trạng thái biểu diễn ở hình 3-27.
Hình 3-27: Cơ chế trạng thái mơ tả GEM
Trong trạng thái tìm kiếm, đầu thu tìm kiếm HEC header GEM trong hàng đợi (bit hay byte). Khi nó tìm thấy HEC, nó sẽ chuyển tiếp đến trạng thái pre-sync nơi mà nó tìm thấy HEC tại vị trí được chỉ thị trong header được tìm thấy trước. Nếu HEC đó khớp thì sau đó nó sẽ chuyển tiếp đến trạng thái sync. Nếu khơng khớp thì nó sẽ quay về trạng thái tìm kiếm.
Đồ án tốt nghiệp 52 Sinh viên: Bùi Thị Phong
Trong trường hợp khơng có dữ liệu được gửi, khung GEM rỗi được sử dụng, phần tải tin của khung rỗi chứa toàn zero để giữ cho bộ thu và phát đồng bộ nhau. Nếu khơng có khung người dùng được gửi, q trình truyền có thể phát ra các khung nhàn rỗi này để làm đầy các khe thời gian trống. Phía thu sẽ sử dụng các khung này để duy trì đồng bộ và tất nhiên là khơng có dữ liệu trong GEM.
3.8. Giao thức ranging (sắp xếp) GPON 3.8.1. Mục đích 3.8.1. Mục đích 3.8.1. Mục đích
Vì nhiều ONU kết nối với giao diện OLT trong hệ thống mạng PON, nên địi hỏi phải có một phương pháp để ghép kênh các tín hiệu từ mỗi ONU. Một trong những phương pháp đó là TDMA, TDMA chia tín hiệu vào các khe thời gian khác nhau để sao cho chúng không xung đột nhau.
Việc sắp xếp trong kĩ thuật TDMA như sau: Trước hết, OLT đo độ trễ khứ hồi RTD đến ONU, định thời truyền dẫn của ONU được xác định theo RTD để tín hiệu từ những ONU riêng lẽ đến và không chồng lắp lên nhau. Phương pháp TDMA ghép các tín hiệu từ những ONU khác nhau vào trong các khe thời gian không chồng lắp.
Mỗi khi có sự xung đột dữ liệu trên đường truyền thì dữ liệu đó cần được truyền lại, và giao thức sắp xếp trong GPON sẽ tính tốn thời gian để truyền lại, sao cho hiệu quả nhất, giảm thiểu trễ truyền, và sử dụng băng thơng có hiệu quả.
3.8.2. Thủ tục sắp xếp
Vì khoảng cách giữa các ONU và OLT khác nhau, nên nếu mỗi trễ khứ hồi RTD (Round Trip Delay) chưa được xác định thì định thời truyền dẫn vẫn chưa được thực hiện. Vì vậy, nếu có một ONU mới kết nối vào mạng thì trước hết cần phải đo RTD. Bằng lệnh của hệ thống vận hành, OLT tự động tạo ra cửa sổ sắp xếp phù hợp để đo trễ và xác định ONU để truyền tín hiệu cho việc đo trễ. Chiều dài của cửa sổ sắp xếp được thiết lập tùy theo khoảng cách giữa ONU và OLT. Ví dụ, nếu ONU được đặt ở vị trí khoảng từ 5-10 km thì cửa sổ sắp xếp sẽ đạt giá trị là (10–5 km) * 2/(300,000 km/sec/1.5) = 50 msec, theo thời gian mà ánh sáng di chuyển qua về từ OLT đến ONU, ở đây, 1.5 là chỉ số khúc xạ ánh sáng.
Có hai cách xác định ONU cho quá trình sắp xếp: Một phương pháp xác định chỉ một ONU duy nhất đã đăng ký và phương pháp khác xác định tất cả các ONU chưa đăng ký. Trong phương pháp thứ nhất, một ONU với số ID riêng được xác định trong
Đồ án tốt nghiệp 53 Sinh viên: Bùi Thị Phong
hệ thống vận hành. Trong phương pháp thứ hai OLT không biết số ID riêng của mỗi ONU, khi đó sẽ có vài ONU có thể truyền tín hiệu cho q trình đo trễ diễn ra liên tục. Một biện pháp giảm xung đột trong q trình sắp xếp là truyền tín hiệu cho q trình đo trễ với một khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên, tương tự như phương pháp được sử dụng trong Ethernet (CSMA/CD). Thậm chí nếu có xảy ra xung đột ngay bước đầu tiên thì vẫn có thể tiến hành đo trễ bằng cách lặp lại quá trình truyền dẫn hai hay ba lần…
Vì dữ liệu người dùng khơng được truyền trước khi q trình sắp xếp kết thúc nên sẽ không làm tăng trễ truyền dẫn dữ liệu. Ngoài ra, thời gian chờ ngẫu nhiên được sử dụng để chống xung đột không được bao gồm trong độ trễ khứ hồi RTD
3.8.3. Giao thức ranging GPON
ITU-T Rec. G.983.2 B-PON và ITU-T Rec. G.984.3 GPON sử dụng thủ tục sắp xếp tương tự nhau. Thủ tục sắp xếp GPON được chia làm 2 giai đoạn.
Hình 3-28: Sắp xếp GPON trong giai đoạn 1
Giai đoạn đầu, đăng kí số serial cho ONU chưa đăng kí và cấp ONU-ID cho ONU đã được thực thi. Số serial là số nhận dạng của mỗi ONU riêng và là số duy nhất. Nói cách khác số nhận dạng ONU được dùng để điều khiển, giám sát và kiểm tra ONU, vì thế nó là số duy nhất trên trong mỗi mạng PON. Trong giai đoạn đầu, nó gồm các bước sau (hình 3-28):
1) OLT chỉ định tất cả ONU tạm dừng việc truyền dẫn ở hướng up lên (ONU halt). 2) OLT chỉ định ONU chưa có số nhận dạng ONU-ID để truyền serial-number
Đồ án tốt nghiệp 54 Sinh viên: Bùi Thị Phong
3) Lúc nhận được yêu cầu truyền serial_number, ONU này sẽ truyền số serial (SN- transmission) sau khi đợi thời gian ngẫu nhiên (tối đa là 50 ms, thời gian để lắng nghe trên đường truyền có bị nghẽn hay k)
4) OLT chỉ định một ONU-ID cho ONU chưa được đăng kí (bản tin assign ONU-ID message).
Trong giai đoạn kế tiếp, độ trễ khứ hồi RTD được đo ở mỗi ONU đăng kí mới. Hơn nữa, giai đoạn này cũng ứng dụng cho các ONU mà bị mất tín hiệu trong lúc truyền. Các bước chi tiết được mơ tả như sau (hình 3-29):
Hình 3-29: Sắp xếp GPON trong giai đoạn 2
5) OLT chỉ định tất cả ONU tạm dừng việc truyền dẫn ở hướng up lên (ONU halt). 6) Sử dụng số serial đã đăng kí, OLT chỉ định chỉ có một ONU được truyền tín hiệu
để đo độ trễ (Ranging request).
7) ONU có số serial khớp với số serial được chỉ định sẽ truyền tín hiệu để đo độ trễ (Ranging transmission) nó bao gồm số nhận dạng ONU-ID được gán ở giai đoạn đầu.
8) OLT sẽ đo độ trễ khứ hồi RTD tùy thuộc vào thời gian mà tín hiệu đo độ trễ thu được. Hơn nữa, sau khi xác nhận số serial và số nhận dạng ONU khớp với nhau thì nó thơng báo độ trễ cân bằng (=Teqd - RTD) tới ONU (thông qua bản tin Ranging_time). Ở đây Teqd là hằng số và RTD là giá trị độ trễ RTD tối đa cài đặt trong mạng PON. Ví dụ trong trường hợp độ trễ RTD tối đa của 20 km thì Teqd là 200 ms.
Đồ án tốt nghiệp 55 Sinh viên: Bùi Thị Phong
9) ONU ghi nhớ độ trễ cân bằng mà nó tiếp nhận và làm chậm lại chuỗi thời gian truyền up lên thông qua giá trị độ trễ cân bằng (Delay equalization).
Thơng qua các tiến trình này, tất cả ONU được sắp xếp trở nên tương đương với một độ trễ RTD (= độ trễ round-trip gốc + độ trễ cân bằng).
3.9. Cấp phát băng thông động DBA trong GPON 3.9.1. Khái niệm cấp phát băng thông 3.9.1. Khái niệm cấp phát băng thông 3.9.1. Khái niệm cấp phát băng thông