随着大数据、云计算、虚拟现实、4K/8K高清视频等新兴产业的崛起,用户对于网络接入速率的要求与日俱增。作为网络接入的“最后一公里”主流解决方案之一,无源光网络(PON)能够提供强大的宽带接入能力。目前的PON技术如EPON、GPON、10G-EPON、XG(S)-PON等能够为用户提供高速的宽带接入速率。但是,随着网络带宽需求以每年50%的速率不断增长,现有的PON技术在几年后将无法满足未来业务巨大的带宽需求,研究面向未来海量带宽需求的具有更高宽带接入速率的PON技术显得尤为重要和紧迫。为此,IEEE成立802.3ca标准组来研究能够提供高达100Gb/s接入速率的下一代以太无源光网络(NG-EPON)。在时分复用的基础上,NG-EPON采用多个波长叠加的结构来提升总体带宽容量,同时引入信道绑定提升单个ONU的带宽能力。在NG-EPON中,ONU配备多套收发机,能够通过信道绑定在多个波长同时工作。NG-EPON的多波长及信道绑定的全新特性带来了大幅的容量提升,同时也给用户接入控制带来了很大的挑战。本论文主要针对NG-EPON中用户接入控制,基于多波长及信道绑定的新特性,从用户注册、资源调度和用户汇聚管理三个方面开展了深入的研究,提出了多通道ONU注册协议、资源调度算法以及ONU汇聚管理方案,实现了NG-EPON的用户快速接入以及资源的精细化管理和高效利用。具体而言,本论文完成了以下三个方面的工作:(1)NG-EPON用户注册技术研究NG-EPON由于采用了信道绑定技术,ONU可以在多个波长进行数据传输。为了保证传输可靠性,在注册时需要对ONU在每个波长上都进行验证。传统的EPON注册协议由于为单波长的场景设计无法直接应用到NG-EPON中。如果简单地将单波长EPON注册协议扩展到多波长,则会由于各个波长都要等待竞争窗口的结束,存在注册时间过长的问题,无法快速地提供用户接入服务。为了同时兼顾传输可靠性和注册效率,本论文提出了基于波长终端协作的协同注册协议。通过修改协议流程,协同注册协议只需要ONU在任何一个波长注册成功,便可以通过波长终端的协作利用其它的波长终端对剩余波长进行传输可靠性的辅助验证,从而实现ONU在所有波长的注册与验证。此外,本论文对传统的注册信息单元和状态机进行了扩展,可以很好地适用于协同注册协议,同时又能保持对传统10G-EPON甚至1G-EPON的后向兼容性。为了评估直接扩展版本和协同注册协议的性能,本论文对两种协议的注册流程进行建模分析,推导理论注册时延,同时进行仿真实验进行对比。理论和仿真结果都表明,协同注册协议能够有效地降低注册时延,能够大幅加快用户的接入速度。(2)NG-EPON资源调度技术研究NG-EPON ONU叠加的波长信道数量不同导致了NG-EPON多种类型ONU的存在,不同类型的ONU具备不同的工作波长能力。在资源调度即动态波长带宽分配时,必须要考虑不同的ONU工作波长能力、对应的带宽容量限制以及ONU波长能力不同导致的带宽分配的公平性问题。为了保证带宽资源在不同类型的ONU之间高效、公平地分配,本论文解耦了带宽分配和波长分配,提出了基于多阈值线的权值最大最小公平的带宽分配算法,然后对不同类型的波长分配顺序进行了研究,实现了NG-EPON中多类型ONU共存时的高效、公平、灵活的资源调度。此外,大小变化的以太网数据包在多个波长并行传输将导致乱序问题,重排序则需要一定的缓存和处理时延。针对此情况,本论文提出了抑制乱序情况的动态波长带宽分配算法,尽可能地将ONU带宽授权分配在单个波长上,并且基于分配结果进行带宽授权重整形优化,能够极大地降低出现乱序情况的ONU数量,理论和仿真都证明了本算法导致的乱序ONU数量小于波长数,与ONU数量无关。最后,在轻便的在线调度模式中,OLT需要对单个ONU进行快速的资源调度决策,针对波长分配模式,研究了不同的波长分配模式对于网络性能的影响,并提出了自适应的波长分配模式,综合考虑单个ONU负载以及总体负载进行动态波长分配,能够实现更低的时延和更大的吞吐量。(3)NG-EPON用户汇聚管理技术研究出于节能和服务保护的目的,根据用户数量和数据流量的涨落规律,OLT会选择性地关闭部分波长并把ONU汇聚到剩余波长上。在NG-EPON中,多种工作波长能力ONU的存在使得OLT在用户汇聚管理时选择汇聚波长时必须谨慎考虑用户的波长能力不均衡性,即使负载轻到只需要一个波长来承载,也不能随意地选取汇聚波长,必须根据ONU工作波长能力情况选取ONU都能工作的波长作为汇聚波长才能保证汇聚所有的ONU。进一步考虑负载情况则使得问题变得更加复杂,不同的工作波长能力和对应的负载情况组合将会导致不同的最简汇聚波长的选择。针对复杂的工作波长能力情况下的汇聚管理问题,本论文运用图论知识,对NGEPON中的波长汇聚问题进行分析,通过将问题转化为带容量限制的集合覆盖问题,提出相应的启发式算法求解。提出的二步求解法的复杂度低,性能优良,能够快速求出最简汇聚波长,同时给出每个ONU详细的迁移路径,方便运营商智能地运维管理。综上,本论文研究了NG-EPON高效用户接入控制技术,参考了IEEE 802.3ca标准组相关提案文稿,问题来源于对用户接入控制受NG-EPON新特性影响的思考,对用户接入控制的几个重要方面都展开了深入的研究,希望本研究能够为NG-EPON用户接入控制相关研究提供参考,并推动和促进IEEE 802.3ca NG-EPON用户接入控制技术的最终标准形成。