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 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.
2.3.7.1 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 2.15.
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).
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 2.16. 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.
Hình 2.16. Mô tả chuyển trạng thái dựa trên tiêu đề GEM
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 2.17.
Hình 2.17. 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 2.18.
Hình 2.18. Mối quan hệ giữa khung GEM với khung GTC
2.3.7.2. Ánh xạ lưu lượng vào tải tin GTC
Một loạt các loại dữ liệu người sử dụng có thể được chứa trong tải tin GTC. Các giao thức kênh mang cơ bản là ATM và GEM. Trong mỗi giao thức này, nhiều dịch vụ khác nhau được vận chuyển.
2.3.7.2.1. Ánh xạ các tế bào ATM vào tải tin GTC
Lưu lượng ATM được mang trên giao thức GTC. Ở đường xuống, các tế bào được truyền từ OLT tới các ONU sử dụng các phân vùng tải tin ATM. OLT có thể phân bổ độ dài tế bào tuỳ theo yêu cầu của đường xuống. Phân lớp tạo khung ONU lọc các tế bào tới dựa trên giá trị VPI và phân tán các tế bào thích hợp tới các máy trạm ONU ATM. Ở đường lên, các tế bào được truyền từ ONU tới OLT sử dụng thời gian phân bổ ATM đã được cấu hình. ONU lưu đệm các tế bào ATM đến, sau đó gửi thêm cụm khi tới thời gian phân bổ. OLT nhận và ghép kênh các tế bào với các cụm từ các ONU khác và chuyển toàn bộ tới máy trạm OLT ATM.
2.3.7.2.2. Ánh xạ các khung GEM vào tải tin GTC
Lưu lượng GEM được mang qua giao thức GTC theo kiểu trong suốt. Trong luồng xuống, các khung được truyền dẫn từ OLT đến các ONU sử dụng vùng tải
trọng GEM. OLT có thể cấp phát nhiều khoảng thời gian mà nó cần trong luồng xuống. Khung lớp con ONU lọc các khung cơ sở đi vào trong Port-ID, và chuyển những khung thích hợp tới ONU GEM. Trong luồng lên, các khung được truyền dẫn từ ONU tới OLT sử dụng cấu hình GEM để định vị thời gian.
2.3.7.2.3. Ánh xạ TDM vào GEM
Dữ liệu TDM được đóng gói vào GEM như trong Hình 2.19. Các gói dữ liệu TDM với cùng Port-ID được ghép nối trong lớp cao hơn qua TC. Phần tải sẽ gồm L byte của đoạn TDM.
Hình 2.19. Cấu trúc khung dữ liệu TDM trong khung GEM
Các máy khách TDM được ánh xạ tới khung GEM bởi sự cho phép thay đổi chiều dài của khung GEM theo sự dịch tần số của máy khách TDM. Chiều dài của đoạn TDM biểu thị bởi trường PLI.
Quá trình thích nghi nguồn TDM cần phải sắp xếp dữ liệu đầu vào trong một bộ đệm lối vào và một lần một khung (ví dụ, mỗi 125 μs). Thông thường, trường PLI sẽ chỉ báo một số lượng các byte cố định theo tốc độ TDM danh định. Nếu tần số đầu ra nhanh hơn tần số tín hiệu đi vào, bộ đệm lối vào sẽ bắt đầu để trống. Bộ đệm được điền vào khi rơi ở ngưỡng thấp hơn. Kết quả là một số ít byte được đọc từ bộ đệm đầu vào và đưa vào bộ đệm khi vượt lên ngưỡng thấp hơn. Ngược lại, nếu tần số đầu ra chậm hơn tần số tín hiệu vào, bộ đệm sẽ bắt đầu lấp đầy. Việc đưa vào bộ đệm sẽ dần dần vượt lên ngưỡng trên. Kết quả, hơn một byte sẽ được đọc từ bộ đệm đầu vào và sự điền vào bộ đệm sẽ giảm bớt ở phía dưới ngưỡng trên.
Hình 2.20 miêu tả các khái niệm của các đoạn TDM có độ dài thay đổi ánh xạ vào trong phiên tải trọng của khung GEM.
Hình 2.20. TDM ánh xạ qua GEM
2.3.7.2.4. Ánh xạ Ethernet vào GEM
Dữ liệu Ethernet là các gói, mỗi gói được ánh xạ vào trong khung GEM. Tiền tố và byte SFD không được cho vào khung GEM. Sự phân đoạn của các gói Ethernet qua nhiều khung GEM xem trong phần 2.3.7.1 ở trên.
Hình 2.21. Cấu trúc khung Ethernet ánh xạ vào khung GEM 2.3.8. ĐỊNH CỠ VÀ PHÂN ĐỊNH BĂNG THÔNG ĐỘNG TRONG GPON
2.3.8.1. Định cỡ
- Mục đích của định cỡ: Định cỡ (Ranging) được thực hiện để loại bỏ việc phát lại không cần thiết, do vậy sử dụng băng tần hiệu quả và làm cho thời gian trễ cực đại nhỏ nhất nhờ việc ngăn các tín hiệu từ các ONU khỏi sự xung đột. Khi các khối mạng quang được nối tới một giao diện OLT trong hệ thống mạng quang thụ động (PON), đặt ra nhu cầu cần một phương pháp ghép tín hiệu cho mỗi ONU.
Trong các phân tích ở trên [mục 2.3.4], chúng ta đã phân tích về các kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh được sử dụng cho hê thống GPON. Do thực tế là phương pháp TDMA có chi phí thấp nhất hiện nay, nên các hệ thống PON nói chung và GPON nói riêng sử dụng TDMA được chuẩn hóa và thương mại hóa. Vì vậy, chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn về phương pháp TDMA vì nó gắn liền với việc định cỡ trong GPON. Đầu tiên, OLT đo độ trễ 2 chiều tới ONU. Xem trong Hình 2.22, thời gian truyền tín hiệu của mỗi ONU được điều chỉnh phù hợp với trễ khứ hồi (Round Trip Delay – RTD, đó là thời gian trễ cần thiết để một tiến trình chuyền đi qua giữa OLT và ONU) sao cho tín hiệu từ ONU tới ở các thời điểm khác nhau và không gây chồng lấn. TDMA ghép tín hiệu từ các ONU vào các khe thời gian.
Hình 2.22. Đa truy nhập phân chia theo thời gian trong GPON
- Cửa số định cỡ: Khoảng cách giữa OLT và ONU thường khác với ONU tới ONU. Nếu không xác định chính xác RTD thì không thể thiết lập được thời gian phát. Nếu chúng ta kết nối với một ONU, đầu tiên ta phải đo RTD. Với yêu cầu của hệ thống vận hành (OPS), Hình 2.23 minh hoạ OLT tự động và đều đặn sử dụng cửa sổ định cỡ để đo trễ và xác định một ONU để phát tín hiệu trong phép đo trễ.
Chiều dài cửa sổ định cỡ được thiết lập theo khoảng cách giữa OLT và ONU. Nếu ONU được đặt cách OLT khoảng 5-10 km, chiều dài của cửa sổ định cỡ cần nhỏ nhất là (10-5km)x2/(300.000km/sec/1,5) = 50 msec. Trong đó, 1,5 là hệ số khúc xạ của sợi quang.
Hình 2.23. Cửa sổ định cỡ
Sau khi đo RTD, thời gian phát của ONU phải được điều chỉnh. Đó là khoảng thời gian (thời gian bảo vệ) giữa các tín hiệu do ONU nào đó và các ONU khác phát. Thời gian bảo vệ phải đủ lớn để các tín hiệu từ các ONU khác nhau không xung đột. Khoảng thời gian bảo vệ này được gọi là burst overhead (BOH). Khi BOH tăng lên, nó làm giảm hiệu suất và mặt khác khi nó được rút ngắn, chi phí thiết bị tăng lên. Các ảnh hưởng tới kích thước của BOH: Lỗi trong phép đo RTD; Thay đổi RTD, sự biến đổi trong RTD là khoảng 36ps/km/8C; Thời gian ON/OFF của laser. Thời gian để nguồn phát ổn định (laser on time) khi laser ONU được chuyển sang ON và thời gian nguồn quang giảm đi một mức (không ảnh hưởng tới việc nhận tín hiệu ONU tiếp theo) khi laser chuyển sang OFF (laser off time) phải khả dụng.
Máy thu thiết lập thời gian: Chúng ta phải đưa vào thời gian chuẩn để tách dữ liệu và xung đồng hồ từ tín hiệu OLT nhận được. Nó gồm thời gian yêu cầu để chỉnh mức nhận như thiết lập thời gian điều khiển độ tăng ích tự động, thời gian đồng bộ bit tín hiệu nhận và thời gian đồng bộ mã.
- Thủ tục định cỡ: Có hai cách xác định ONU cho quá trình định cỡ là phương pháp xác định duy nhất ONU đã đăng ký và phương pháp 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 không biết số ID