无源光网络（PON）技术是为了支持点到多点应用而发展起来的光接入技术。由于采用光纤作为传输媒质，并使用无源光分配网，PON避免了外部设备的电磁干扰和环境影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节约了维护成本。窄带PON几乎没有怎么实际应用就被宽带PON（BPON）取代了，BPON目前出现了APON、EPON和GPON这3种技术。
PON是在所谓的“一公里”中缺少带宽时的解决方案。家庭用户为了获得快速因特网接入,可以选择的方法极其有限(电话或电缆系统)。同样,企业也局限于T1和T3载波提供的性能,虽然目前的无线、光纤和卫星业务都已更加成熟。PON提供了城域中的另一种解决方案。它主要用于解决宽带最终用户接入终端局的问题，由于这种接入技术使得接入网的局端(OLT)与用户(ONU)之间只需光纤、光分路器等光无源器件，不需租用机房和配备电源，因此被称为无源光网络。它用于FITH(光纤到家庭)。混合PON系统将光缆延伸到通信公司的远程终端,然后利用铜线DSL业务进入家庭。
在PON的架构中，一个光纤终端（OLT）下可以有多个无源光网络（PON）的单元。每一个单元均可形成一个独立的PON网，藉由并不昂贵的分波器和光纤分布连接多种不同类型的ONT。对于接入网络的无源性设计，减少了对电子元件的需求，如此一来便可以降低维修成本的支出。
无源光网络是“复兴的”光缆技术,它最初是为有线电视网络设计的。最近以来,它作为一种能在城域提供高速接入的体系结构而得到关注。PON现在是ITU规范。
通过PON，单根光纤从服务提供商的设备延伸到靠近居民区或商务中心的位置。“无源”是指该系统在服务提供商和客户之间不需要电源和有源的电子组件。它仅由光纤、分路器、接头和连接器组成。一根光纤可为多个客户提供服务,而此前的系统要求每个客户都有独立的光纤。PON可远距离使用,它是农村地区的理想选择。
在图中描述了基本的PON体系结构。其概念是将光纤中继线从服务提供商的头端辐射到用户。此系统具有以下组件:
OLT (光线路终端) PON光纤在服务提供商设施处的终端。
ONT(光网络终端) 在用户位置的终端。
OAS(光接人交换机) 位于服务提供商处的交换机,它聚合来自所有用户的信元/数据分组并提供向因特网和PSTN的连接。
POS(无源光分路器) 或“分路器”在沿着进入多点树状拓扑的路径的任意点分离中继线和光信号。
ONU(光网络单元) 提供对用户的扇出连接。每条PON中继线最多可支持32次分路和64个0NU。用户与ONU的连接可以使用同轴电缆、双绞线、光缆,甚至是无线连接。
I0T(智能光终端) 主要指设计用于商业连接的0NU。它为企业提供多种话音和数据业务,与综合接入设备非常类似。
PON中继线的带宽范围从l55Mbit/s到622Mbit/s。每一次分路都会减少带宽,因此用户可用的带宽取决于在他和头端设备之间的分路次数。例如,对622Mbit/s的中继线,如果对其分路以支持32个0NU,则与0NU相连的用户最多可获得19.5Mbit/s的带宽。该带宽由所有用户分享。为了组织此缆路上的通信,可以采用许多技术,包括ATM、以太网、FDM(频分复用)以及WDM(波分复用)。
FSAN (全业务接入网络)联盟对ATM PON(APON)作出了决定,APON变成ITU G.983标准。APON使用众所周知的技术,并提供有保障的QoS(因为ATM信元有固定的大小以及ATM专用的QoS协议功能)。APON是一种基于ATM信元的TDM／TDMA技术，由于ATM在实现不同业务的复用以及适应不同带宽方面的灵活性，使APON成为一种结合ATM多业务多比特率支持能力和无源光网络透明宽带传送能力的比较理想的长远解决方案，是未来宽带接入技术的发展方向，其标准遵循ITU－TG.983建议，速率为622Mbit/s。因为APON二层采用的是ATM封装和传送技术，因此存在带宽不足、技术复杂、价格高、承载IP业务效率低等问题。为更好适应IP业务，英里以太网联盟（EFMA）在2001年初，IEEE802.3ah工作小组对其进行了标准化， 由Cisco和Corning牵头的数家公司正在促进以太网PON的使用。他们称以太网比ATM更有理由成为PON的选择,因为大多数企业都使用以太网连接，所以提出了在二层用以太网取代ATM的EPON技术。IEEE组成了“Ethernet in the First Mile Study Group(英里以太网研究组)”对以太网PON以及其他接入技术进行评估。EPON可以支持1.25Gbit/s对称速率，将来速率还能升级到10Gbit/s，EPON产品得到了更大程度的商用。
目前，作为新一代接人技术的PON已经成为当前实现丌Tx的方案，下属BPON、EPON、GPON和WPON等多种技术，其应用范围也包含了宽带接人、TDM专线和基站回传等多个领域。与传统的网络结构相比，PON技术具有以下优点：
(1)PON是无源的，因此会节省更多的网络建设费和网络运营维护费。
(2)PON可以实现多用户分担成本。PON协议所固有的安全性和带宽共享机制，可以确保用户共用线路的安全和透明。
(3)为相同数量客户提供业务的PON设备的体积更小，占用中心局的空间更少。
(4)PON同时支持传统语音业务和宽带业务，具备良好的业务扩展性，能平地滑向NGN网络演进，还能轻松加载各种增值业务。
(5)PON支持所有住宅用户和许多商业用户共享一个接入网(包括物理层和协议层)，因而减少了分散的接入网的数量。
PON中最主要的三个部分，包括位于局端的OLT(OpticalLineTerminal，光线路终端)、终端ONU(OpticalNetwork Unit，光网络单元)以及ODN(Optical Distribution Network，光配线网)。PON“无源”是指ODN全部由光分路器(Splitter)等无源器件组成，不含有任何电子器件及电源。如图1所示。
图1 基于PON的宽带接入方式
面对未来运营商的多种需求，PON技术以其高带宽、高可靠性以及强大的全业务接入能力已成为兀Tx的主流技术，并配合“光进铜退”的发展战略，在光通信市场占据地位。
当今，光通信技术正在往单波长的大容量以及密集波分复用的方向发展，作为下一代接入网中的PON技术也有向这两个方向发展的趋势。从长远的角度来看，1 Gbit／s的传输速率远远不能满足下一代光接入网、用户终端对业务和服务的需求，随着互联网持续、快速发展的需要，如视频会议、实时游戏和If，I'v等高带宽应用不断涌现，尤其是HDTV、网真等视频业务对网络接入带宽提出了更高的要求，也推动着新的PON技术层出不穷。
新生的无源光网络技术的代表：WDM—PON、OCDMA—PON和wDM／TDMHPON等，从目前国际研究的现状来看，这些新技术集中地表现在三个方面：一是高带宽、高利用率，包括提供超过100 km长距离传输，多于1000用户的大用户量的接人，以及每户大于50 Mbps的带宽；第二是新的网络结构和新的应用；例如把PON和LAN、OFDM、WiMAX等技术相结合，体现了网络与业务的融合；第三是新材料、新器件的使用；例如基于硬金属塑料光纤hardplasticclad fiber(HPCF)一PON应用于WDM—PON中，可以实现均匀光分路比和低插入损耗。
FPGA技术、低成本光学器件以及无源架构都为无源光网络(PON)以及这些网络的演进做出了巨大贡献。系统级OEM厂商不断发现，FPGA能够提供技术性设计和经济方面的优势，特别是在网络侧的中心局(CO)基础设施端。
2002年之前，低性能的FPGA主要用于原型创建工具。而如今的FPGA具有强大的性能和丰富的功能，能更好地满足日益提高的PON设计需求。另外，更低设计成本、灵活和可扩展的FPGA对于竞争激烈的无源光网络市场来说也是关键。
PON是点到多点(P2MP)光纤到驻地(FTTP)的网络拓扑技术，也常被定义为光纤到路边(FTTC)和光纤到家庭(FTTH)。在PON定义中采用了FTTP或CPE(用户驻地设备)。通过无需供电或无源的光分离器，单路光纤可以服务于多个驻地。分离器通常为32路，不过有时会多达64路。一个PON网络包括一个位于业务提供商中心局的光线路终端(OLT)和众多的光网络终端(ONT)，后者也被称为进入驻地的光网络单元(ONU)。
下行的OLT信号以广播方式送到共享一根光纤的各个ONT。目前的PON标准规定下行的数据率高达2.5Gb/s(Gbps)。上行信号则利用时分多路(TDM)技术组合在一起。与数字用户线(DSL)或电缆相比，PON具有无可比拟的带宽优势，可以提供高速三重播放业务(语音，视频和数据)。
根据Infonetics的预测，到2010年，北美和亚太地区PON用户的年度复合增长率可高达150%。吉比特PON(GPON)在北美正在取得强劲的增长，而以太网PON (EPON)主要用在日本。日本政府的津贴政策正在推动PON市场的逐年增长，而中国正在仔细权衡EPON和GPON的优劣。
宽带PON(BPON)或者国际通信联盟(ITU-T) G.983x是流行的美国PON标准。其下行数据速率为622Mb(Mbps)，上行数据率为155 Mbps。安装在光纤链路中的无源分离器允许一根光纤最多连接64个家庭。今年，GPON或ITU-T G.984，即BPON的演进版本，有望进入更多的美国家庭。它支持TDM和分组数据，下行和上行数据率分别可达2.5 Gbps和1.24Gbps。GPON的关键优点是无需增加IP就能支持交换式数字视频和原有的TDM语音。
成本敏感性
不管哪种标准，用于提供宽带接入的PON系统具有高度的成本敏感度。DSL是目前使用最为广泛的宽带接入技术。由于具有庞大的用户数量，DSL为每端口设置了极低的成本标杆。因此，DSL对PON提出了强大的挑战。不过PON系统在过去两年里在降低成本和增强功能方面也取得了长足的发展。
随着PON市场的发展，系统级OEM厂商和运营商正密切关注其成本的降低，尤其是OLT的成本。在ONT侧，数量有望增加到百万台，因为PON将为数以百万计的驻地提供服务。许多ASIC和ASSP供应商盯上了ONT，并提供各种芯片产品。由于ONT是一个量很大的市场，ASIC和ASSP芯片厂商能够帮助降低成本，从而帮助系统级OEM和运营商提供较低的价格。
另一方面，OLT系统数量为数万台而非数百万台，故成本较高。例如，PON家用调制解调器的成本为100到300美金，而PON网络中OLT系统的成本则高达10000美金。实际上，OLT的成本对运营商来说极为关键，因此大都集成了多端口线路卡，可以处理越来越多的驻地数量。
OLT线路卡的期望数量在可预见的未来将保持在中等到较低的水平，这有两个原因。首先，64个ONT只需要一个OLT，其次，每个OLT线路卡可以支持4到8个OLT端口。于是，OLT线路卡的数量和所用的元器件要远远少于大批量的ONT设备。
设计复杂性使成本问题更加严重。PON OLT和ONT拓扑结构是一个共享的媒体架构，这为系统OEM设计师提出了挑战。由于PON标准中采用了TDM技术，因此OLT和各个ONT之间的交互非常复杂。TDM用来共享不同驻地间的容量。早期的PON标准使用静态TDM，因此每个驻地接收相同的容量。
但是，的PON标准要求能够根据驻地的需求变化，为不同的驻地动态分配容量。这种动态带宽分配(DBA)功能需要利用ONT和OLT之间传送的信令通知OLT每个ONT所需的容量。OLT也需要将分配的容量通知给每个ONT。该协议基于从ONT到OLT的请求消息。OLT确定的容量分配，并用确认消息予以响应。
另外，与较简单的点对点以太网端口不同的是，由于存在动态TDM要求，PON端口是一种更复杂的P2MP。因此OLT端口必须在多个ONT驻地之间进行连续切换。每个ONT分配得到32或64个可用时隙中的一个与OLT进行交互通信。OLT必须快速且连续地依次锁定到每个ONT数据流上，用的是众所周知的突发模式。为了支持这一极快的锁定方案，需要一个高度专用的媒体访问控制器(MAC)、串行/解串器(SerDes)以及时钟和数据恢复(CDR)功能。为了协调对每个ONT的访问，PON MAC尤其重要。
图1：DSL和PON拓扑共存。
基于FPGA的设计
针对上述背景，系统级OEM厂商在实现低成本和高效的OLT设计方面可选择性很少。一种方法是选用ASIC技术。但这种方法的投资成本极高。由于一些原因，ASSP也无法较好地实现。ASSP在支持PON演进需求方面的灵活性有限，缺乏设计可扩展性，并且功耗随着时钟速率的升高而升高。ASSP在提供可竞争的差异化产品方面的能力也很有限，还面临着器件停产的风险。另外，拥有成本也越来越高，上市时间较长。
然而，FPGA却能为OLT的设计提供低成本高效率的开发平台。当设计无缝移植到结构化ASIC进行大批量生产时成本还能进一步降低。这种方法由于省去了大型且耗时的ASIC开发，系统OEM厂商可以省去较大的成本，并缩短上市时间。
图2：OLT线路卡采用的分布式与集中式架构的比较
像STratix这类FPGA器件，能够为实现和集成主要的OLT线路卡功能(见图2)提供所需的高性能逻辑。而且，FPGA也是用于实现CO OLT或者ONT用户驻地端EPON和GPON MAC的可选技术。另外，可以在一片FPGA中集成PHY和MAC，从而在一个芯片上实现虚拟线路卡。FPGA中先进的高效率内核矩阵基于的是被称为自适应逻辑模块(ALM)的创新逻辑单元。
