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 khơng 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.
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) GPON3.8.1. Mục đích3.8.1. 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 q 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
hệ thống vận hành. Trong phương pháp thứ hai OLT khơng 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 khơng làm tăng trễ truyền dẫn dữ liệu. Ngồi 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 (bằng bản tin serial_number request).
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 mô 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.
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 GPON3.9.1. Khái niệm cấp phát băng thông3.9.1. Khái niệm cấp phát băng thông 3.9.1. Khái niệm cấp phát băng thông
Tại hướng lên băng thông được sử dụng bởi các ONU không chỉ phụ thuộc vào bối cảnh lưu lượng tại các ONU có liên quan mà đồng thời liên quan đến lưu lượng tại các ONU khác trong mạng. Vì sử dụng mơi trường chia sẻ băng thông nên lưu lượng truyền bởi mỗi ONU có khả năng bị xung đột và quá trình truyền lại làm giảm hiệu suất.
Băng thơng được cấp phát cho các liên kết logic theo hai phương thức tĩnh hoặc
động:
Cấp phát băng thông tĩnh SBA (Static Bandwidth Allocation) là phương pháp cấp phát băng thông đường lên bằng nhau giữa các ONU. Phương pháp này thì khơng hiệu quả, đặc biệt là lưu lượng gói bởi nhu cầu băng thơng của các ONU thì hiếm khi bằng nhau tại mỗi thời điểm, và băng thơng vẫn được dùng ngay cả khi khơng có lưu lượng đường lên.
Ngược lại, cấp phát băng thông động DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) là phương pháp cấp phát băng thơng cho ONU theo địi hỏi và nhu cầu lưu lượng đường lên. Đây là quá trình ONU (và các T-CONT liên kết với chúng) yêu cầu băng thông động và phương thức kiểm sốt gói tin rỗi tại OLT hay báo cáo trạng thái bộ đệm từ các ONU gửi tới OLT, OLT cấp phát lại băng thông đường lên cho các ONU tùy theo báo cáo đó. Báo cáo mẫu lưu lượng gửi tới OLT bởi một ONU bao gồm mẫu của mỗi loại T-CONT và chờ sự cấp phát từ phía OLT. OLT sẽ dựa vào loại T- CONT để ra quyết định cấp phát băng thông hướng lên.
Mặc dù DBA được đánh giá là hiệu quả hơn nhưng nếu được thiết kế không phù hợp với những đặc điểm kĩ thuật dịch vụ thì nó có thể làm tăng trễ và giảm hiệu quả sử dụng băng thông.
3.9.2. Cấp phát băng thông động DBA3.9.2.1. Các chức năng DBA3.9.2.1. Các chức năng DBA 3.9.2.1. Các chức năng DBA
Các chức năng DBA được thực hiện đối với mỗi loại T-CONT gồm: Phát hiện trạng thái tắt nghẽn bởi OLT và/hoặc
ONU. Báo cáo trạng thái tắt nghẽn đến OLT.
Cập nhật băng thông đã được cấp phát bởi OLT theo các tham số được cung cấp. OLT thực hiện cấp phát theo băng thông đã được cập nhật và loại T-CONT.
Thực hiện quản lý các hoạt động DBA, tất cả các tham số của DBA phải được cung cấp và dàn xếp bởi GPON OMCI.
3.9.2.2. Hoạt động DBA
Hoạt động DBA bao gồm 2 chế độ: DBA báo cáo trạng thái (SR DBA) và DBA không báo cáo trạng thái (NSR DBA) trong mỗi T-CONT.
SR DBA (Status Reporting DBA):
OLT thực hiện cấp phát băng thơng theo báo cáo từ phía ONU. Báo cáo này chứa dữ liệu đang đợi trong T-CONT trong khe thời gian đã được chỉ định. OLT nhận báo cáo trạng thái DBA, tính tốn lại bộ nhớ băng thơng (US BW Map) thông qua thuật tốn DBA và gửi bộ nhớ băng thơng mới đến tất cả các ONU với lưu lượng đường xuống. ONU nhận bộ nhớ băng thông từ OLT và gửi dữ liệu trong khe thời gian đã được chỉ định. Khi một ONU khơng có thơng tin để gửi, trong lúc nhận được sự cấp phát từ OLT, nó sẽ gửi một cell rỗi để thơng báo rằng bộ đệm của nó đang trống. Lúc đó, sự cấp phát cho T-CONT đó có thể được dùng để cấp phát cho các T-CONT khác. Nếu một ONU có một hàng đợi dài trong bộ đệm của nó thì OLT cấp phát nhiều T-CONT cho ONU đó.
Trong chế độ này, việc truyền trường tin DBA trong DBRu là bắt buộc nếu OLT yêu cầu, vì nếu thiếu trường DBA thì khng dạng dữ liệu đường lên khơng nhận ra.
NSR DBA (Non Status Reporting DBA):
OLT nhận dạng trạng thái tắt nghẽn của từng T-CONT bằng cách giám sát dịng lưu lượng luồng đến mà khơng cần báo cáo trạng thái từ ONU. Trong chế độ này, OLT cấp phát một cách cố định một số lượng băng thông đến mỗi ONU. Nếu ONU khơng có lưu lượng để gửi thì nó sẽ truyền một khung rỗi. Nếu OLT quan sát thấy một ONU khơng đang gửi khung rỗi thì nó sẽ tăng giá trị băng thơng cấp phát
đến ONU đó. Khi ONU đó bắt đầu gửi khung rỗi thì OLT sẽ giảm bớt băng thông cấp phát sao cho phù hợp.
NSR DBA có điểm tiện lợi ở chỗ, các ONU khơng cần biết đến DBA. Tuy nhiên, bất lợi ở chỗ, khơng có cách để OLT biết được làm thế nào để cấp phát băng thơng đến các ONU có hiệu quả nhất.
Trong chế độ này, trường DBA trong DBRu không được gửi đi do OLT khơng u cầu.
Hình 3-30: Các bước hoạt động của DBACác bước hoạt động của DBA như hình 3-30.Các bước hoạt động của DBA như hình 3-30. Các bước hoạt động của DBA như hình 3-30.
1) ONU lưu dữ liệu cho lưu lượng hướng lên được nhận từ người dùng vào bộ
đệm.
2) Khối dữ liệu chứa trong bộ đệm được báo tới OLT như một yêu cầu được quy định bởi OLT.
3) OLT chỉ định thời gian bắt đầu truyền dẫn và khoảng thời gian truyền cho phép (cửa sổ truyền dẫn) tới ONU như một sự cấp phép.
4) ONU chờ đợi thời gian được cấp và truyền khối dữ liệu đến OLT.
3.9.3. Các loại T-CONT và tham số hoạt động
Các khung truyền dẫn T-CONT hướng lên chia thành 5 loại, sử dụng để quản lý việc cấp phát băng thơng hướng lên. Có số nhận dạng là Alloc-ID. Mỗi T-CONT được mô tả bằng các tham số hoạt động riêng. Tuy nhiên, đơn vị của tham số hoạt động được chỉ ra như sau: Đối với ATM, đơn vị hoạt động là số lượng tế bào. Còn đối với GEM, đơn vị hoạt động là số lượng khối có chiều dài cố định (48 byte), được quy định bởi OMCI.
Có băng thơng cố định và được sử dụng chính cho các dịch vụ nhạy với trễ và có độ ưu tiên cao như VOIP.
T-CONT loại 2 và T-CONT loại 3
Có băng thơng cung cấp được bảo đảm, nghĩa là băng thơng trung bình được cấp phát cố định trong những khoảng các khoảng thời gian xác định. Băng thông này khác với băng thông cố định trong T-CONT loại 1 được điều khiển cho một dải độ trễ nhỏ. T-CONT loại 1 bảo đảm độ trễ truyền và sự thay đổi trễ và tốc độ truyền còn T-CONT loại 2, 3 chỉ đảm bảo tốc độ truyền. Loại T-CONT này được sử dụng chính cho các dịch vụ video và dữ liệu có độ ưu tiên cao hơn.
T-CONT loại 4
Có nổ lực cho băng thơng tốt nhất (best effort), được sử dụng cho các dịch vụ dữ liệu như internet và những dịch vụ có độ ưu tiên thấp và khơng địi hỏi băng thông cao.
T-CONT loại 5
Các tham số mô tả cho lưu lượng T-CONT loại 5 là băng thông cố định (đặt trước), băng thông đảm bảo (đặt trước), băng thông không đảm bảo (cấp phát động), băng thông nổ lực tốt nhất best effort (cấp phát động), băng thông tối đa (đặt trước), được sử dụng cho tất cả các loại băng thông và hiệu lực với tất cả các dịch vụ.
Trong trường hợp truyền dẫn là ATM, việc cấp phát tài nguyên được thực hiện sử dụng VPI. VPI được định dạng bởi thông sô mô tả lưu lượng và được truyền trong các T-CONT tùy theo yêu cầu QoS. Cơ chế ánh xạ giữa độ đảm bảo QoS và loại T-CONT do nhà điều hành quản lý.
Trong trường hợp truyền dẫn là gói GEM thì các kết nối GEM được xác định bằng Port-ID có thể được định dạng lưu lượng bởi các thông số mô tả lưu lượng và được truyền trong các T-CONT.
3.10. Bảo mật
Trong hệ thống PON thì ở hướng down dữ liệu được truyền broadcast đến tất cả ONU. Mỗi ONU chỉ có thể truy cập dữ liệu của mình, nhưng nếu user nào có ý định phá hoại thì có thể giả ONU của user khác để truy cập dữ liệu, hệ thống bảo mật GPON thì ngăn chặng việc nghe lén này.
Giống như các mạng khác, GPON sử dụng thủ tục mật mã để ngăn ngừa việc nghe trộm các tín hiệu khơng mong muốn. Khơng giống như truy cập wireless hay modem, trong mạng PON bất kì ONU nào cũng khơng thể thấy được lưu lượng up lên của ONU khác. Điều này cho phép làm đơn giản hóa thủ tục mật mã. Đầu tiên là chỉ cần mật mã ở hướng down dữ liệu. Thứ 2 là dữ liệu up lên có thể truyền key mật mã.
GPON sử dụng chuẩn mật mã nâng cao AES (Advanced Encryption Standard). Đối với q trình mã hóa dữ liệu, key và giá trị bộ đếm được sử dụng. Key này được biết đến bởi OLT và ONU. Để cập nhật key, OLT sẽ gửi bản tin key request message bởi việc sử dụng kênh PLOAM. Để đáp lại bản tin này, ONU sẽ phát ra key mới và gửi đến OLT.
Giá trị bộ đếm được dùng cho quá trình mật mã được phát ra bởi một bộ đếm