CN1433192A - 千兆以太网无源光网络中实现多种功能的方法及帧结构 - Google Patents

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Abstract

提供一种千兆比特以太网无源光网络(GE－PON)系统，根据长度可变的以太网帧配置上行和下行帧。GE－PON系统对点到多点连接的树结构中的上行分组发送使用TDM(时分复用)。还提供一种能够在GE－PON系统中有效提供千兆比特以太网业务量的帧结构以及提供在GE－PON系统中用来实现诸如初始ONU登记，后期ONU登记，测距和动态带宽分配等多种功能的方法。

Description

千兆以太网无源光网络中实现多种功能的方法及帧结构
发明领域
本发明涉及无源光网络，特别是在千兆以太网无源光网络(GE-PON)系统中实现多种功能的方法以及实施了该方法的以太网帧的结构。
背景技术
为配置从中心局到建筑物或普通家庭的光用户网络，已经提出如x一数字用户线(xDSL)，混合光纤同轴(HFC)，光纤到楼(FTTB)，光纤到路边(FTTC)，光纤到户(FTTH)等各种网络结构。在这些网络结构中，FTTx(x＝B，C或H)可以划分为基于AON(有源光网络)配置的有源FTTx和基于PON(无源光网络)配置的无源FTTx。因为PON的网络配置具有点到多点的拓扑结构，所以它被认为是在未来比较经济的光用户网络。
PON是形成具有一个光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)通过“1×N”个无源分光器耦合的树结构分步式拓扑结构的光用户网络。最近，在国际电信联盟一电信部分(ITU-T)标准中，基于点到多点连接的异步传输模式一无源光网络(ATM-PON)已经定义在相关的ITU-T G.982，ITU-T G.983.1和ITU-T G.983.3文件中。另外，电气和电子工程师学会(IEEE)802.3ah TF正在进行基于点到多点连接的GE-PON系统标准的制定。
基于点到点连接的千兆以太网和用于基于点到多点连接的ATM-PON的媒体访问控制(MAC)的相关技术标准已经制定，见IEEE 802.3z和ITU-T G.983.1。例如，1999年11月2日授予Ghaibeh等人的，题为“经点对多点无源光网络进行数据通信的协议”(PROTOCOL FORDATA COMMUNICATION OVER A POINT-TO-MULTIPOINT PASSIVEOPTICAL NETWORK)”的美国专利No.5,978,374详细揭示了与ATM-PON的MAC有关的技术。
图1示出了基于制定的常规点到点连接标准，用于千兆比特以太网的标准帧结构。图2示出了标准ATM-PON系统的配置简图。在基于点到点连接的标准千兆以太网中，没有定义基于点到多点连接的PON系统所需的各种功能。第一次是作为基于点到多点连接的PON的形式为ATM-PON制定标准。
如图2所示，标准ATM-PON系统包括一个OLT 10，它位于树结构的根并且向接入网络的用户提供信息。OLT 10与具有树拓扑结构的光分布网络(ODN)16耦合。ODN 16的作用是分配从OLT 10接收的下行数据帧和多路复用上行数据帧并将多路复用后的数据帧发送到OLT10。多个ONU 12a，12b和12c从ODN 16接收下行数据帧并且向终端用户14a，14b和14c提供所接收的下行数据帧。ONU 12a，12b和12c从终端用户14a，14b和14c向ODN 16发送上行数据帧。在图2中，终端用户14a，14b和14c包括多种终端设备，它们可以用在包括网络终端(NT)的PON中。
如图2所示的ATM-PON系统以具有53字节固定长度的帧的形式执行ATM信元的下行或上行分组发送。在具有图2所示的树结构的PON中，OLT 10将下行ATM信元插入到将要分配给ONU 12a，12b和12c的下行帧中。在上行发送中，OLT 10根据时分复用(TDM)访问从ONU 12a，12b和12c接收的上行数据。此时，连接在OLT 10和ONU 12a，12b和12c之间的ODN 16是无源装置。因此，OLT 10通过采用利用测距(ranging)算法的虚拟距离连接来避免在ODN 16的无源装置中引起数据冲突。另外，当OLT 10向ONU 12a，12b和12c发送下行数据时，OLT10和ONU 12a，12b和12c交换用于安全的保密加密密钥及运行，管理和维护(OAM)消息。在上行/下行帧的专用或通用ATM信元中提供了对应的数据区，以便可以按预定义时间间隔交换OAM消息。
如上所述，ATM-PON系统根据大小固定的ATM信元来配置上行和下行帧。ATM-PON系统针对点到多点连接的树结构中的上行分组发送采用TDM。
随着因特网技术的发展，用户端需要更多的带宽，为此，提出了超过ATM系统的千兆比特以太网系统。为获得更多的带宽，在ATM系统中需要的设备成本相对较高而且只能提供有限的带宽增长(例如，622Mbps)。另外，ATM系统必须对IP(网际协议)分组分段。相反，可以在千兆比特以太网中使用相对便宜的设备并且能够为端到端传输提供更高带宽(例如，1Gbps)。因此，为用户网络的PON结构提出了超过ATM系统的千兆比特以太网系统。
在千兆比特以太网中，已经制定了基于点到点连接的MAC协议和冲突避免方案的标准并且MAC控制器芯片是通用的。然而，包括MAC协议的GE-PON结构的标准正在制定中。另外点到多点连接不是由GE-PON实现的，并且用于GE-PON系统中OLT和ONU之间帧的格式也还没有定义。
发明内容
因此，考虑到上述需要开发了本发明，本发明的一个目的是提供在GE-PON系统中实现各种功能的方法。
本发明的另一个目的是提供能够在GE-PON系统中有效容纳千兆比特以太网业务量的帧格式。
本发明的另一个目的是提供在GE-PON系统中实现如初始化ONU登记，后期ONU登记，测距和动态分配带宽等各种功能的方法。
本发明的另一个目的是提供能够在GE-PON系统中内容如以太网，ATM等所有层一2业务类型的帧格式。
根据本发明的一个方面，上述和其它目的可以通过在包括OLT，具有作为无源设备的分光器的ODN，和多个ONU的GE-PON系统中提供实现各种功能的方法来完成，该方法包括以下步骤：
a)在初始驱动后，允许OLT向多个ONU中的每一个周期性地发送同步信号，以致于每个ONU响应周期性发送的同步信号与OLT同步；
b)允许与OLT同步的ONU识别包括在授权帧中的初始化登记请求帧的发送起始时间和发送时长，并且允许ONU在随机时延之后向OLT发送初始登记请求帧，以避免从ONU发送的初始登记请求帧在初始登记请求帧的发送时间的冲突，
c)允许接收初始登记请求帧的OLT计算预测的帧到达时间和实际的帧到达时间之间的差，预测的帧到达时间从授权帧中表示的初始化登记请求帧的发送起始时间来预测，并且允许OLT利用随机时延值来计算往返时间(RTT)；以及
d)在计算RTT之后，允许OLT在ONU列表中登记请求ONU登记的ONU，向ONU提供一个新的ONU ID，并且向请求ONU登记的ONU发送包括新ONU ID和RTT的登记响应帧。
根据本发明的另一个方面，为在包括OLT，具有作为无源设备的分光器的ODN，和多个ONU的GE-PON系统中实现各种功能提供一种方法，该方法包括以下步骤：
a)允许OLT和ONU根据同步信号与OLT同步地发送和接收数据；
b)允许新被驱动的ONU中的至少一个ONU与下行传输的同步信号同步；
c)允许与同步信号同步的ONU识别包括在授权帧中的后期登记请求帧的发送起始时间和发送时长，并且在后期登记请求帧的发送时间向OLT发送后期登记请求帧；
d)允许接收后期登记请求帧的OLT计算预测的帧到达时间和实际的帧到达时间之间的差，预测的帧到达时间从授权帧中表示的后期登记请求帧的发送起始时间来预测，并且允许OLT利用随机时延值计算RTT；以及
e)在计算RTT之后，允许OLT在ONU列表中登记请求后期ONU登记的ONU，向ONU提供一个新的ONU ID，并且向请求后期ONU登记的ONU发送包括新ONU ID和RTT的登记响应帧。
根据本发明的另一个方面，为在包括OLT，具有作为无源设备的分光器的ODN，和多个ONU的GE-PON系统中实现各种功能提供一种方法，该方法包括以下步骤：
a)允许OLT向ONU发送授权帧，以校正外部变化引起的误差，每个授权帧包括有关具有测距机会的ONU的ID，授权起始时间和授权时长的信息；
b)允许接收授权帧的ONU在下一个测距授权起始时间向OLT发送测距请求帧；
c)允许接收测距请求帧的OLT利用预测的帧到达时间和实际的帧到达时间之间的差来计算误差，预测的帧到达时间从授权帧中表示的测距请求帧的发送起始时间来预测，并且允许OLT向请求测距的ONU发送包括基于所计算误差的校正值的测距响应帧。
根据本发明的另一个方面，为在包括OLT，具有作为无源设备的分光器的ODN，和多个ONU的GE-PON系统中实现各种功能提供一种方法，该方法包括以下步骤：
a)允许OLT向ONU发送授权帧，以便授权带宽分配请求，每个授权帧包括有关已登记的ONU数量，具有带宽请求机会的ONU的ID，周期性测距校正值，授权时间偏移和发送时长的信息；
b)允许接收授权帧的ONU向OLT发送包括有关在下一个带宽分配请求时间发送等待时的缓冲区大小的信息的带宽分配请求帧；以及
c)发送带宽分配请求帧之后，允许接收授权帧的ONU向OLT发送关于根据发送时长信息的发送时长的发送等待的数据。
附图说明
本发明的上述及其它目的，特征和其它优点能够通过下面结合附图的详细描述理解得更加清晰。
图1显示了千兆比特以太网中标准帧结构的示意图；
图2显示了ATM-PON(异步传输模式一无源光网络)系统配置的示意图；
图3显示了根据本发明的GE-PON(千兆比特以太网-无源光网络)系统配置的示意图；
图4显示了根据本发明在GE-PON系统中作为数据基本形式在OLT(光线路终端)和多个ONU(光网络单元)之间发送和接收的长度可变的以太网帧的配置示意图；
图5显示了分组类型对应以太网PDU(分组数据单元)的分组格式的配置示意图；
图6显示了分组类型对应ATM-PDU的分组格式的配置示意图；
图7显示了在PON功能控制帧中用于ONU登记请求的登记请求帧的格式配置示意图；
图8显示了在PON功能控制帧中用于ONU登记响应的登记响应帧的格式配置示意图；
图9显示了在PON功能控制帧中用于测距请求的测距请求帧的格式配置示意图；
图10显示了在PON功能控制帧中用于测距响应的测距响应帧的格式配置示意图；
图11显示了在PON功能控制帧中用于带宽分配请求的带宽分配请求帧的格式配置示意图；
图12显示了在PON功能控制帧中用于授权发送上行数据机会的帧的格式配置示意图；
图13显示了在PON功能控制帧中OAM(运行，管理和维护)帧的格式配置示意图；
图14是解释初始ONU登记过程的示意图；
图15是解释利用往返时间校正上行和下行发送时延引起的同步错误的过程示意图；
图16是解释后期ONU登记过程的示意图；
图17是解释初始测距过程的示意图；以及
图18是解释动态带宽分配过程的示意图。
具体实施方式
现在，参考附图详细描述本发明的优选实施例。在图中，即使相同或相似的元素出现在不同附图中，仍然用相同的参考数字表示。另外，在下面对本发明的详细描述中，当描述对于本发明的描述是非必要的描述时，将省略对所涉及的已知功能和配置的详细描述。
图3是示意性地显示根据本发明的GE-PON系统的配置示意图。
图3所示的GE-PON系统包括OLT20，具有作为无源设备的分光器的ODN26，ONU22a，22b和22c，以及终端用户24a，24b和24c。图3所示的GE-PON系统中包含的各组件之间的连接结构与图2所示的ATM-PON系统中包含的各组件之间的相似。图3中所示的GE-PON系统可以以树结构包括一个OLT20和最多32个ONU。在此，最多32个ONU是根据OLT20和每个ONU之间的距离和功率预算分析确定的。如果需要，可将ONU22a，22b和22c安装在建筑物和复合公寓或接近独立房屋开发的入口处的光纤分布房屋(OFDH)。ONU22a，22b和22c提供如ADSL(异步数字用户线路)业务的各种服务。OLT10从主干网接收数据。另外，OLT20通过ODN26将接收到的数据分配到ONU22a，22b和22c或根据TDM访问从ONU22a，22b和22c发送的数据。本发明的设计使OLT20基本上执行用于MAC硬件地址的第2层交换功能，并且ONU22a，22b和22c执行第2层和第3层的网际协议交换/路由功能。
图3中所示的GE-PON系统保证了上行/下行数据的QoS(服务质量)并且恰当地在PON结构中维持恒定水平。GE-PON系统对数据进行编码，以使ONU 22j(j是作为自然数的a、b或c，并且i≠j)不能读取指向特定的ONU22i的数据，即，一个ONU不能读取指向另一个ONU的数据。GE-PON系统执行OAM功能，以便当通信引起物理误差时仍可以发送OLT20和ONU22a，22b和22c之间的数据。当分组通过ODN26后，OLT20和每个ONU22a，22b和22c之间的距离可以不同。因此，GE-PON系统通过在OLT20和每个ONU22a，22b和22c之间设置相等的虚拟距离来执行测距功能，以便当发送上行包时不会在ODN26中发生数据冲突。
如图3所示，GE-PON系统基本上将上行和下行帧配置成长度可变的以太网帧。GE-PON系统根据点到多点连接的树结构对上行发送采用TDM。在该实施例中，对在GE-PON系统中能够有效容纳千兆比特以太网业务量的长度可变以太网帧采用例格式结构。GE-PON系统执行与长度可变以太网帧有关的各种功能，即，初始ONU登记，后期ONU登记，测距和动态带宽分配。
首先，参见图4到13详细描述长度可变的以太网帧格式的结构。在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以对长度可变的以太网帧中个别字段名称和位置进行各种修改，添加和替代。
图4是显示根据本发明的GE-PON系统中包含OLT20和ONU22a，22b和22c之间发送和接收的数据格式的长度可变的以太网帧的配置示意图。如图4所示，长度可变的以太网帧包含1字节SOP(分组起始)字段30，2比特分组类型字段32，PON标题内容字段34以及PDU(分组数据单元)字段36。SOP字段30是记录表示分组起始的SOP信息的字段。分组类型字段32是记录用于识别分组类型的所需信息的字段。PON标题内容字段34是根据分组类型记录PON标题内容的字段。PDU字段36是根据分组类型记录分组数据的字段。
在该实施例中，分组类型包含以太网PDU分组，ATM-PDU分组，用来容纳PON功能的PON专用分组等。
图5是显示分组类型符合以太网PDU的分组格式的视图。参见图5，以太网数据帧包括SOP字段40和分组类型符合以太网PDU的分组类型字段41。以太网数据帧包含PON标题内容字段34和以太网PDU字段46。PON标题内容字段34包括6比特的空数据字段42，1字节的ONU ID字段43，2字节的长度字段44和2字节的HCS(标题检验和)字段45。如图5所示，2比特“00”记录在分组类型符合以太网PDU的以太网数据帧的分组类型字段41。当OLT20发送下行分组时，表示分组目标的ONU ID记录在PON标题内容字段34中包含的ONU ID字段43中。当ONU22a，22b和22c发送上行分组时，表示每个分组源的ONU ID记录在图5所示的ONU ID字段43。包括以太网PDU长度和标题长度的总长度信息记录在长度字段44中。用于CRC(循环冗余检验)的1字节记录在HCS字段45，因此除了以太网PDU字段46外，可以检查标题误差。
图6是显示分组类型符合ATM-PDU的分组格式示意图。参见图6，ATM数据帧包含SOP字段50和分组类型为ATM-PDU的分组类型字段51。ATM数据帧包含PON标题内容字段34和ATM-PDU字段56。PON标题内容字段34包括6比特的空数据字段52，1字节的ONU ID字段53，2字节的长度字段54和2字节的HCS字段55。如图6所示，2比特“01”记录在分组类型对应ATM-PDU的ATM数据帧的分组类型字段51。当OLT20发送下行分组时，表示分组目标的ONU ID记录在PON标题内容字段34中包含的ONU ID字段53。当ONU22a，22b和22c发送上行分组时，表示每个分组源的ONU ID记录在图6所示的ONU ID字段53。包括ATM-PDU长度和标题长度的总长度信息记录在长度字段54中。用于CRC(循环冗余检验)的1字节记录在HCS字段55，因此除了ATM-PDU字段56外，可以检验标题误差。
根据本发明的实施例，在OLT20和ONU22a，22b和22c之间用来执行根据点到多点连接的PON功能所必需的分组类型是PON专用分组。在本发明的该实施例中，在GE-PON系统中实现的各种用来支持点到多点连接的功能包括初始ONU登记，后期ONU登记，测距和动态带宽分配。执行PON功能所需的分组具有图7到10所示的帧格式(以下，称为PON-功能控制帧)。表示分组类型的2比特“11”记录在PON功能控制帧内的分组类型字段61、71、81和91。
接下来，参见图7到10详细描述PON-功能控制帧。应该理解图7到10中示出的PON-功能控制帧不包括图5中所示以太网数据帧中包含的以太网PDU字段和图6中所示ATM数据帧中包含的ATM-PDU字段。
图7是显示在PON-功能控制帧中用于ONU登记请求的登记请求帧的格式示意图。在从OLT20获得登记请求帧的发送授权后，当ONU22a，22b和22c的其中一个向OLT20请求它自己的登记时，登记请求帧符合将要使用的上行分组。
参见图7，登记请求帧包括SOP字段60，分组类型字段61，6比特控制类型字段62，6字节临时ONU ID字段63，3字节随机时延字段64和2字节HCS字段65。执行PON功能所需的6比特控制类型信息记录在图7中所示的登记请求帧的控制类型字段62。根据本发明实施例符合登记请求的控制类型定义为数值“2(＝二进制的000010)”。因此，数值“2(＝二进制的000010)”记录在登记请求帧的控制类型字段62。当请求相应ONU的登记时，临时ONU ID记录在登记请求帧的临时ONU ID字段63。临时ONU ID具有6字节以太网MAC硬件地址。3字节随机时延信息记录在随机时延字段64，这样能够避免分组之间的冲突。然而，当请求后期登记时，由于未使用随机时延信息，因此空数据“0”记录在随机时延字段64。用于CRC(循环冗余检验)的2字节记录在HCS字段65，以便可以检验登记请求帧中的误差。
图8是显示在PON一功能控制帧中用于ONU登记响应的登记响应帧的格式示意图。在登记相应的ONU后，当OLT20通知相应的ONU登记结果时，登记响应帧对应将要使用的下行分组。
参见图8，登记响应帧包括SOP字段70，分组类型字段71，6比特控制类型字段72，6字节临时ONU ID字段73，1字节登记ONU ID字段74，3字节RTT字段75和2字节HCS字段76。执行PON功能所需的6比特控制类型信息记录在图8中登记响应帧的控制类型字段72。根据本发明实施例对应登记响应的控制类型定义为数值“3(＝二进制的000011)”。因此，数值“3(＝二进制的000011)”记录在登记响应帧的控制类型字段72。当请求相应的ONU登记时，临时ONU ID记录在登记响应帧的临时ONU ID字段73，并且OLT 20提供的新ONU ID记录在登记ONU ID字段74。OLT 20和相应的ONU 22a，22b和22c之间的往返时间记录在RTT字段75。用于CRC(循环冗余检验)的2字节记录在HCS字段76，以便可以检验登记响应帧中的误差。
图9是显示在PON一功能控制帧中用于测距请求的测距请求帧的格式示意图。在从OLT 20获得测距请求帧的发送授权后，当ONU 22a，22b和22c的其中一个向OLT 20请求测距时，登记请求帧对应将要使用的上行分组。
参见图9，测距请求帧包括SOP字段80，分组类型字段81，6比特控制类型字段82，1字节ONU ID字段83，和2字节HCS字段84。执行PON功能所需的6比特控制类型信息记录在图9中所示的测距请求帧的控制类型字段82。对应根据本发明实施例的测距请求的控制类型定义为数值“4(＝二进制的000100)”。因此，数值“4(＝二进制的000100)”记录在测距请求帧的控制类型字段82。请求测距的ONU的ID记录在测距请求帧ONU ID字段83。用于CRC(循环冗余检验)的2字节记录在HCS字段85，这样可以检验测距请求帧中的误差。
图10是显示在PON一功能控制帧中用于测距响应的测距响应帧的格式视图。当OLT 20向相应的ONU通知测距结果时，测距响应帧对应将要使用的下行分组。
参见图10，测距响应帧包括SOP字段90，分组类型字段91，6比特控制类型字段92，1字节ONU ID字段93，3字节纠错值字段94和2字节HCS字段95。执行PON功能所需的6比特控制类型信息记录在图10中测距响应帧的控制类型字段92。根据本发明实施例符合测距响应的控制类型定义为数值“5(＝二进制的000101)”。因此，数值“5(＝二进制的000101)”记录在测距响应帧的控制类型字段92。请求测距的ONU的ID记录在测距响应帧ONU ID字段93，并且测距后，3字节纠错值记录在纠错值字段94。用于CRC(循环冗余检验)的2字节记录在HCS字段95，以便可以检验测距响应帧中的误差。
图11是显示在PON-功能控制帧中用于带宽分配请求的带宽分配请求帧的格式示意图。在从OLT20获得发送带宽分配请求帧的授权后，当ONU22a，22b和22c的其中一个向OLT20请求带宽分配时，带宽分配请求帧对应将要使用的上行分组。
参见图11，带宽分配请求帧包括SOP字段100，分组类型字段101，6比特控制类型字段102，1字节ONU ID字段103，2字节队列长度字段104和2字节HCS字段105。执行PON功能所需的6比特控制类型信息记录在图11中所示的带宽分配请求帧的控制类型字段102中。与根据本发明实施例的带宽分配请求对应的控制类型定义为数值“6(＝二进制的000110)”。因此，数值“6(＝二进制的000110)”记录在带宽分配请求帧的控制类型字段102中。请求带宽分配的ONU的ID记录在带宽分配请求帧的ONU ID字段103，并且表示在请求带宽分配的ONU中发送等待的缓冲区大小的信息记录在队列长度字段104。用于CRC(循环冗余检验)的2字节记录在HCS字段105，这样可以检验测距请求帧中的误差。
图12是显示在PON一功能控制帧中用来授权发送上行数据的时机的帧的格式示意图。以下，用来授权发送上行数据时机的帧称为授权帧。当OLT20向相应的ONU授权发送上行数据的机会时，图12所示的授权帧对应将要使用的下行分组。
参见图12，授权帧包括SOP字段110，分组类型字段111，6比特控制类型字段112，表示ONU数量的1字节字段113，1字节ONU ID字段114，1字节授权类型字段115，3字节授权时间偏移字段116，3字节授权时长字段117，3字节周期性测距校正值字段118和2字节HCS字段119。1字节ONU ID字段114，1字节授权类型字段115，3字节授权时间偏移字段116，3字节授权时长字段117，和3字节周期性测距校正值字段118定义为ONU分配信息108。授权帧中的ONU分配信息108针对每个ONU而存在。
执行PON功能所需的6比特控制类型信息记录在图12中所示的授权帧的控制类型字段112。与根据本发明响应测距请求对应的控制类型被定义为值“1(＝二进制数据000001)”。因此，值“1(＝二进制数据000001)”记录在授权帧的控制类型字段112。表示OLT20授权发送上行数据机会的ONU数量的信息记录在授权帧的字段113。接收授权帧的ONU使用表示ONU数量的信息获得分组长度。接收授权帧的ONU ID记录在ONU ID字段114并且授权类型信息记录在授权类型信息字段115。在本发明的实施例中，授权类型定义为“1(00000001)”，表示初始化登记请求的授权，“2(00000010)”表示后期登记请求的授权，“3(00000011)”表示测距请求的授权，“4(00000100)”表示带宽分配请求的授权，或者“5(00000101)”表示数据请求的授权。表示ONU开始数据发送的时刻的信息记录在授权时间位移字段116。表示发送时长的信息记录在授权时长字段117。周期性测距校正值记录在周期性测距校正值字段118。用于CRC的2字节记录在HCS字段119，以便可以检验授权帧中的误差。
图13是显示PON-功能控制帧中OAM(运行，管理和维护)帧的格式示意图。OAM帧对应能够用于使OLT20与ONU22a，22b和22c彼此通信的分组。
参见图13，OAM帧包括SOP字段120，分组类型字段121，6比特控制类型字段122，1字节OAM内容字段123和2字节HCS字段124。用来执行PON功能所需的6比特控制类型信息记录在图13所示的OAM帧的控制类型字段122。根据本发明实施例的运行，管理和维护的控制类型定义为值“7(＝二进制数据000111)”。因此，值“7(＝二进制000111)”记录在OAM帧的控制类型字段122。OAM内容记录在OAM内容字段123中。用于CRC的2字节记录在HCS字段124，这样可以检验OAM帧中的误差。
在如上所述的本发明实施例中，GE-PON系统执行诸如初始登记，后期登记，测距，动态带宽分配等多种与长度可变的以太网帧有关的功能。
图14是解释初始ONU登记过程的示意图。图15是解释利用往返时间校正由上行和下行发送时延引起的同步误差的过程示意图。图16是解释后期ONU登记过程的示意图。图17是解释初始测距过程的示意图。图18是解释动态带宽分配过程的示意图。
图14到18中所示的同步信号“sync”是用来调整OLT20和ONU22a，22b和22c之间循环周期的信号，并且OLT20周期性地发送同步信号“sync”。根据本发明的实施例，同步信号“sync”之间的循环周期最好设置为2毫秒。将同步信号“sync”之间的循环周期设置为2毫秒有以下原因。如果循环周期较短，则增加额外开销。而如果循环周期较长，那么从每个ONU接入的时间间隔会较长。如果是这样，则会降低QoS并且不能正确执行OAM功能。因此，同步信号“sync”之间的循环周期最好设置为额外开销与QoS的折衷。在本发明的实施例中，同步信号“sync”不是由特定帧格式定义的，但是它可以由具有特定比特码型的帧格式实现。初始ONU登记过程
首先，参考图14详细描述根据本发明实施例的初始ONU登记过程。
参见图14，在初始驱动后，OLT20向ONU22i和ONU22j周期性地(例如，每隔2毫秒)发送同步信号“sync”。随着由OLT20周期性发送的其中一个同步信号“sync”，ONU22i和ONU22j(这里，i或j是作为自然数的a，b或c，并且i≠j)与OLT20同步。与OLT20同步的ONU22i和ONU22j等待授权帧。ONU22i和ONU22j检查图12中所示授权帧的授权类型字段115的值是否被设置为表示授权初始登记请求的值“1(00000001)”，ONU22i和ONU22j识别分别记录在授权时间位移字段116和授权时长字段117中的初始登记请求帧的发送起始时间和发送时长。ONU22i和ONU22j在随机时延之后向OLT20发送登记请求帧作为图7所示的初始登记请求帧，从而避免在初始登记请求帧的发送时间从ONU22i和ONU22j发送的初始登记请求帧的冲突。初始登记请求帧发送之后，为了表示是哪个ONU发送了初始登记请求帧，ONU22i和ONU22j将6字节以太网MAC硬件地址作为临时ONU ID记录在图7的临时ONU ID字段63。另外，ONU22i和ONU22j在图7所示的随机时延字段64中记录用于计算RTT所需的3字节随机时延值RD(x)(x＝i或j)。
相应初始登记请求帧，OLT20计算预测的帧到达时间t1和实际的帧到达时间t2之间的差，其中预测的帧到达时间t1是从授权帧中表示的初始登记请求帧的发送起始时间预测的。另外，OLT20利用由ONU22i或ONU22j记录在初始登记请求帧的随机时延字段64中的随机时延值RD(x)(x＝i或j)计算RTT。RTT包含DD(下行时延)时间和UD(上行时延)时间。RTT的值等于(实际的帧到达时间t2-预测的帧到达时间t1-随机时延值(x))。计算RTT之后，OLT20在ONU列表中登记请求ONU登记的ONU22i和ONU22j。OLT20向ONU22i和ONU22j给出新的ONU ID。OLT20将临时ONU ID，即，由请求ONU登记的ONU设置的以太网MAC硬件地址记录在图8中所示的登记响应帧的临时ONUID字段73中。OLT20将新的ONU ID记录在登记ONU ID字段74中。OLT20将计算出的用于校正上行或下行发送RTT的RTT记录在RTT字段75中。用于CRC的2字节记录在HCS字段65中，以便可以检验出登记响应帧中的误差。
OLT20向相应的ONU22x(x＝i或j)发送图8中所示的包含新ONUID和RTT的登记响应帧。当相应的ONU22x(x＝i或j)接收图8中所示的登记响应帧时5，如图15所示，它利用从OLT20接收的登记响应帧中的RTT来校正由DD和UD引起的同步误差。ONU22x通过将同步信号接收点处理为使RTT比在它实际接收同步信号时的点快的点来校正同步误差。
OLT20以恒定周期(例如，几十次)不停地发送初始登记授权帧，这样，ONU22i和ONU22j可以获得足够的初始登记机会。然而，如果ONU还没有执行它自己的初始化登记，它可以利用下面描述的后期ONU登记过程来执行它自己的登记。后期ONU登记过程
参考图16详细描述根据本发明实施例的后期ONU登记过程。当OLT20和ONU22a，22b和22c彼此通信时，后期ONU登记过程向新的ONU提供后期登记机会。
参见图16，OLT20周期性发送同步信号“sync”和图12中所示的下行授权信息。已存在的ONU22m接收下行授权信息并且发送上行信息(实际用户数据)。
当除了现有的ONU外，新的ONU22n被驱动后，相应OLT20周期性发送的个同步信号“sync”之一，新的ONU22n与OLT20同步。与OLT20同步的ONU22n等待图12中所示的授权帧。ONU22n检查包含在图12所示授权帧中授权类型字段115的值。如果授权类型字段115的值被设置为表示授权后期登记请求的值“2(00000010)”，ONU22n识别分别记录在授权时间位移字段116和授权时长字段117中的后期登记请求帧的发送起始时间和发送时长。ONU22n在后期登记请求帧的发送时间向OLT20发送作为图7中所示的后期登记请求帧的登记请求帧。当后期登记请求帧发送后，为了表示是哪个ONU发送了后期登记请求帧，ONU22n将作为临时ONU ID的6字节以太网MAC硬件地址记录在临时ONU ID字段63中。当ONU22n将随机时延值“0”记录在随机时延字段64后，发送后期登记请求帧。由于与初始登记请求不同，高带宽不会分配给后期登记请求，因此不会使用随机时延值。
当同时驱动几个新ONU并且发送的后期登记请求之间引起帧冲突时，来自OLT20的登记响应帧不能被发送到请求后期登记的ONU。如果ONU不接收登记响应帧，那么ONU利用随机退避(back off)算法按照预定义的次数重新为它自己的后期登记发送后期登记请求帧，接收后期登记授权帧并且发送后期登记请求帧，因此避免了帧冲突。当ONU发送后期登记请求帧后，为了表示是哪个ONU发送的后期登记请求帧，它将作为临时ONU ID的6字节以太网MAC硬件地址记录在临时ONU ID字段63中。另外，ONU将3字节的随机时延值记录在随机时延字段64中。
当OLT20接收后期登记请求帧而没有任何帧冲突时，OLT20利用预测的帧到达时间t3和实际的帧到达时间t4之间的差来计算RTT，其中预测的帧到达时间t3从授权帧中后期登记请求帧的发送起始时间来预测。RTT的值等于(实际的帧到达时间t4-预测的帧到达时间)。计算RTT之后，OLT20在ONU列表中登记请求后期登记的ONU。OLT20向ONU22n提供新的ONU ID。之后，OLT20向请求后期登记的ONU22n发送包含新ONU的登记响应帧。OLT20将临时ONU ID，即，请求后期登记的ONU22n设置的以太网MAC硬件地址记录在图8所示登记响应帧中的6字节临时ONU ID字段73中，这样请求后期登记的ONU22n能够接收登记响应帧。OLT20将新的ONU ID记录在登记ONU ID字段74中。OLT20将用来校正上行和下行发送RTT的所计算出的RTT在记录3字节RTT字段75中。
当请求后期登记的ONU22n接收图8中所示的登记响应帧后，如图15所示，它利用从OLT20接收的登记响应帧中的RTT来校正DD和UD引起的同步误差。初始测距过程
参考图17描述根据本发明实施例的初始测距过程。
OLT20通过初始ONU登记和后期ONU登记向已登记的ONU提供初始测距机会。OLT20以及ONU22a，22b和22c校正上行和下行时延引起的同步误差，但是不对由外部变化引起的误差做精确纠错。为校正由外部变化引起的误差，OLT20将表示具有测距机会的ONU的1字节ONU ID记录在图12所示的授权帧的ONU ID字段114中。OLT20将表示测距请求授权的值“3(00000011)”作为授权类型记录在授权类型字段115中。OLT20将周期性测距校正值“0”记录在周期性测距校正值字段118中。OLT20将3字节的授权起始时间记录在授权时间位移字段116中并且将3字节授权时长记录在授权时长字段117中。OLT20执行具有这些记录的授权帧的下行发送。
具有用于测距请求的上行发送机会的ONU在下一个测距授权起始时间执行测距请求帧的上行发送。
接收测距请求帧的OLT20利用预测的帧到达时间和实际的帧到达时间之间的差来计算误差，其中，预测的帧到达时间从授权帧中表示的测距请求帧的发送起始时间来预测。之后，OLT20将计算出的误差作为3字节纠错值记录在图10所示的测距请求帧的纠错值字段94中。OLT20执行包括纠错值的测距响应帧的下行发送。因此，如果ONU接收图10中所示的测距响应帧，那么它利用纠错值字段94中记录的纠错值对由外部变化引起的误差执行精确纠错。
初始测距之后，OLT20不再提供用于周期性纠错的额外的动态测距机会。然而，OLT20利用图11中所示的上行带宽分配请求帧的到达时间差异获得在下面结合图18描述的动态带宽分配过程中周期性产生的误差。OLT20将3字节的周期性测距校正值记录在下一个授权帧的周期性纠错值字段118中，并且执行授权帧的下行发送。动态带宽分配过程
参考图18来描述根据本发明实施例的动态带宽分配过程。
为了授权带宽分配请求，OLT20向每个已登记的ONU22a，22b和22c发送图12中所示的授权帧。OLT20将已经登记过的ONU数量记录在图12所示的授权帧的字段113中。OLT20将具有带宽分配请求机会的ONU的ID记录在1字节的ONU ID字段114中。OLT20将表示授权带宽分配请求的值“4(00000100)”记录在1字节授权类型字段115中。OLT20将周期性测距校正值记录在3字节周期性测距校正值字段118中。另外，OLT20将授权时间偏移记录在3字节授权时间偏移字段116中。OLT20将由包含在OLT20中的调度程序(scheduler)调度的发送时长记录在授权时长字段117中。调度程序根据从ONU要提供的发送等待缓冲区的大小计算ONU单元发送时长。
OLT20向ONU22a，22b和22c发送图12中所示的具有上述信息的授权帧。然后，ONU22a，22b和22c获得对带宽分配请求的授权。
具有用于带宽分配请求的上行发送机会的ONU在下一个带宽分配请求时间将表示发送等待缓冲区大小的信息记录在图11所示的带宽分配请求帧BW_Request的2字节队列长度字段104中。ONU执行带宽分配请求帧BW_Request的上行发送。之后，ONU根据调度后的发送时长信息发送用于发送时长的发送等待的数据。
如上面的描述所显示的，本发明提供能够在GE-PON(千兆比特以太网-无源光网络)系统中有效地容纳千兆比特以太网业务量的帧格式，并且在GE-PON系统中实现诸如初始ONU登记，后期ONU登记，测距以及动态带宽分配等多种功能的方法。
虽然已经为了说明的目的揭示了本发明的优选实施例，但是在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种修改，添加和替换。因此，本发明不局限于上述实施例，而是由所附的权利要求和它们等同范围定义。

Claims (23)

1.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中实现多种功能的方法，该方法包括步骤：
a)初始驱动后，由光线路终端(OLT)向光网络单元(ONU)周期性地发送同步信号，以使所述多个ONU中的每一个响应周期性发送的同步信号与OLT同步；
b)由与OLT同步的ONU识别初始登记请求帧的发送起始时间和包含在授权帧中的发送时长，以致在随机时延后ONU向OLT发送初始登记请求帧，以避免在初始登记请求帧的发送时间从ONU发送的初始登记请求帧的冲突；
c)由接收初始登记请求帧的OLT计算预测的帧到达时间和实际的帧到达时间之间的差，预测的帧到达时间是从授权帧中表示的初始登记请求帧的发送起始时间预测的，以便OLT利用随机时延值计算往返时间(RTT)；以及
d)在计算完RTT后，由OLT在ONU列表中登记请求ONU登记的ONU，以使OLT向ONU提供一个新的ONU ID，并且向请求ONU登记的ONU发送包含新ONU ID和RTT的登记响应帧。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
e)由接收登记响应帧的ONU利用包含在登记响应帧中的RTT校正由下行时延(DD)和上行时延(UD)引起的同步误差。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
f)在识别初始登记请求帧的发送起始时间和包含在授权帧中的发送时长之前，由ONU确定授权类型字段中的值是否被设置为表示初始登记请求授权的值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于初始化登记请求帧包括用来识别请求ONU登记的ONU的以太网媒体访问控制(MAC)硬件地址作为临时ONU ID。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于RTT的值等于(实际的帧到达时间一预测的帧到达时间一随机时延值)。
6.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中实现多种功能的方法，该方法包括步骤：
a)由光线路终端(OLT)和与OLT同步的多个光网络单元(ONU)根据同步信号发送和接收数据；
b)将新驱动的ONU中的至少一个ONU与下行发送的同步信号同步；
c)由与同步信号同步的ONU识别后期登记请求帧的发送起始时间和授权帧中包含的发送时长，以使ONU在后期登记请求的发送时间向OLT发送后期登记请求；
d)由接收后期登记请求帧的OLT计算预测的帧到达时间和实际的帧到达时间之间的差，预测的帧到达时间的从授权帧中表示的后期登记请求帧的发送起始时间预测的，以使OLT利用随机时延值计算RTT(往返时间)；以及
e)在计算完RTT后，由OLT在ONU列表中登记请求后期ONU登记的ONU，其中OLT向ONU提供一个新的ONU ID，并且向请求后期ONU登记的ONU发送包含新ONU ID和RTT的登记响应帧。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤：
f)由接收登记响应帧的ONU利用包含在登记响应帧中的RTT校正下行时延(DD)和上行时延(UD)引起的同步误差。
g)如果ONU不接收登记响应帧，ONU执行下列步骤：
i)利用随机退避算法为它自己的后期登记重新发送后期登记请求帧预定次数，
ii)接收后期登记授权帧，和
iii)执行后期登记请求帧的上行发送。
8.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中实现多种功能的方法，该方法包括步骤：
a)由OLT向多个光网络单元(ONU)发送授权帧，以便校正外部变化引起的误差，每个授权帧包含与具有测距机会的ONU的ID，授权起始时间和授权时长有关的信息；
b)在下一个测距授权起始时间，由接收授权帧的ONU向OLT发送测距请求帧；以及
c)由接收测距请求帧的OLT利用预测的帧到达时间和实际的帧到达时间之间的差计算误差，预测的帧到达时间是从授权帧中表示的测距请求帧的发送起始时间预测的，以便OLT向请求测距的ONU发送包含基于所计算出的误差的纠错值的测距响应帧。
9.根据权利要求8所示的方法，还包括步骤：
d)由接收授权帧的ONU利用包含在授权帧中的纠错值对由外部变化引起的误差执行精确纠错。
10.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中实现多种功能的方法，该方法包括步骤：
a)由光线路终端(OLT)向光网络单元(ONU)发送授权帧，以便授权带宽分配请求，每个授权帧包含与已登记ONU的数量，具有带宽请求机会的ONU的ID，周期性测距校正值，授权时间偏移和发送时长有关的信息；
b)由接收授权帧的ONU在下一个带宽分配请求时间向OLT发送包含与发送等待缓冲区大小有关的信息的带宽分配请求帧；以及
c)当带宽分配请求发送后，由接收授权帧的ONU向OLT发送有关基于发送时长信息的发送时长的发送等待的数据。
11.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中的光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的长度可变的以太网帧的结构，包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录对应分组类型的PON标题内容的PON标题内容字段；以及
记录对应分组类型的分组数据的分组数据单元(PDU)字段。
12.根据权利要求11所述的结构，其特征在于分组类型包括以太网PDU分组，异步传输模式无源光网络(ATM-PDU)分组和容纳PON功能的PON专用分组。
13.根据权利要求12所述的结构，其特征在于与以太网PDU对应的分组类型的PON标题内容字段包括：
空数据字段；
当OLT发送下行分组时记录表示分组目标的ONU ID和当ONU发送上行分组时记录表示每个分组源的ONU ID的ONU ID字段；
记录包括以太网PDU长度和标题长度的总长度信息的长度字段；以及
记录除了以太网PDU外的标题误差检验的信息的标题检验和(HCS)字段。
14.根据权利要求12所述的结构，其特征在于与ATM-PDU对应的分组类型的PON标题内容字段包括：
空数据字段；
当OLT发送下行分组时记录表示分组目标的ONU ID和当ONU发送上行分组时记录表示每个分组源的ONU ID的ONU ID字段；
记录包括ATM-PDU长度和标题长度的总长度信息的长度字段；以及
记录除了ATM-PDU外的标题误差检验的信息的标题检验和(HCS)字段。
15.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中的光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的PON一功能控制帧中用于登记请求的登记请求帧的结构，该结构包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录用于执行PON功能的所需控制类型信息的控制类型字段；
当请求ONU登记时记录临时ONU ID的临时ONU ID字段；
记录随机时延信息以避免ONU登记请求分组之间的冲突的随机时延字段；
记录用于循环冗余检验(CRC)的信息以便检验登记请求帧中的误差的标题检验和(HCS)。
16.根据权利要求15所述的结构，其特征在于临时ONU ID具有以太网媒体访问控制(MAC)硬件地址。
17.根据权利要求15所述的结构，其特征在于当请求后期登记时，记录在随机时延字段中的随机时延信息为空数据。
18.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中的光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的PON一功能控制帧中用于登记响应的登记响应帧的结构，该结构包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录用于执行PON功能所需的控制类型信息的控制类型字段；
当请求ONU登记时记录临时ONU ID的临时ONU ID字段；
记录由OLT给定的新ONU ID的登记ONU ID字段；
记录OLT和对应的ONU之间往返时间的往返时间(RTT)字段；
记录用于循环冗余检验(CRC)的信息以便检验登记响应帧中的误差的标题检验和(HCS)字段。
19.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中在光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的PON一功能控制帧中用于测距请求的测距请求帧的结构，该结构包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录用于执行PON功能所需的控制类型信息的控制类型字段；
记录请求测距的ONU的ID的ONU ID字段；以及
记录用于循环冗余检验(CRC)的信息以便检验测距请求帧中的误差的标题检验和(HCS)字段。
20.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中的光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的PON一功能控制帧中用于测距响应的测距响应帧的结构，该结构包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录用于执行PON功能所需的控制类型信息的控制类型字段；
记录请求测距的ONU的ID的ONU ID字段；
测距后，记录纠错值的纠错值字段；以及
记录用于循环冗余检验(CRC)的信息以便检验测距响应帧中的误差的标题检验和(HCS)字段。
21.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中的光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的PON一功能控制帧中用于带宽分配请求的带宽分配请求帧的结构，该结构包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录用于执行PON功能所需的控制类型信息的控制类型字段；
记录请求带宽分配的ONU的ID的ONU ID字段；
记录在请求带宽分配的ONU中表示发送等待的缓冲区大小的信息的队列长度字段；以及
记录用于循环冗余检验(CRC)的信息以便检验带宽分配请求帧中的误差的标题检验和(HCS)字段。
22.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中的光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的PON一功能控制帧中用于授权发送上行数据机会的授权帧的结构，该结构包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录用于执行PON功能所需的控制类型信息的控制类型字段；
记录表示OLT授权发送上行数据机会的ONU数量的信息的字段；
记录接收授权帧的ONU的ID的ONU ID字段；
记录授权类型信息的授权类型字段；
记录表示ONU开始数据发送时的点的信息的授权时间偏移字段；
记录表示发送时长的信息的授权时长字段；
记录周期性测距校正值的周期性测距校正值字段；以及
记录用于循环冗余检验(CRC)的信息以便检验授权帧中的误差的标题检验和(HCS)字段。
23.一种在千兆比特以太网无源光网络(GE-PON)系统中的光线路终端(OLT)和多个光网络单元(ONU)之间发送的PON一功能控制帧中运行，管理和维护(OAM)帧的结构，该结构包括：
记录表示分组起始的信息的分组起始(SOP)字段；
记录用于识别分组类型所需的信息的分组类型字段；
记录用于执行PON功能所需的控制类型信息的控制类型字段；
记录OAM内容的OAM内容字段；以及
记录用于循环冗余检验(CRC)的信息以便检验OAM帧中的误差的标题检验和(HCS)字段。
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