L’Ecole doctorale : Ecole Doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris

et le Laboratoire de recherche SAMOVAR – Services répartis, Architectures, Modélisation, Validation, Administration des Réseaux

présentent

l’AVIS DE SOUTENANCE de Madame Fariba GHAFFARI

Autorisée à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, préparé à Télécom SudParis en :

Mathématiques et Informatique

« Une nouvelle architecture basée sur la blockchain pour les opérateurs de réseaux mobiles : au-delà de la 5G et de la 6G »

le VENDREDI 13 OCTOBRE 2023 à 14h00

à

Amphithéâtre Jean Prouvé
CNAM, 292 rue Saint-Martin 75003 Paris
également en visioconférence https://zoom.us/j/2445226856

Membres du jury :

M. Noel CRESPI, Professeur, Télécom SudParis, FRANCE – Directeur de these
M. Emmanuel BERTIN, Ingénieur de recherche, Orange Innovation, FRANCE – CoDirecteur de these
Mme Emmanuelle ANCEAUME, Directrice de recherche, Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires, FRANCE – Examinateur
M. Abdelkader LAHMADI, Professeure associée, Universite´ de Lorraine, CNRS, Inria, Loria, Nancy, France, FRANCE – Examinateur
Mme Cigdem SENGUL, Ingénieur de recherche, Brunel University England, ROYAUME-UNI – Examinateur

M. Axel KUPPER, Professor, Technische Universität Berlin, ALLEMAGNE – Rapporteur

M. Mika YLIANTTILA, Professor, Center for Wireless Communications, University of Oulu, Finland, FINLANDE – Rapporteur

« Une nouvelle architecture basée sur la blockchain pour les opérateurs de réseaux mobiles : au-delà de la 5G et de la 6G »

présenté par Madame Fariba GHAFFARI

Résumé :

Si l’architecture centralisée et autonome des opérateurs de réseaux mobiles (MNO) fournit une connectivité à des milliards d’utilisateurs, elle souffre d’un manque de mécanismes techniques pour améliorer la collaboration entre les MNO et d’autres fournisseurs. Cela a des répercussions sur les coûts de mutualisation, ainsi que sur la consommation d’énergie et l’impact environnemental. Cela peut également empêcher l’avènement de modèles commerciaux plus collaboratifs avec d’autres fournisseurs ou même avec les clients. En outre, la complexité des réseaux 5G et au-delà pourrait dépasser la capacité d’un MNO à gérer le coût et la complexité de la connexion. Enfin, les architectures existantes des MNO souffrent également de leur centralisation, ce qui entraîne problèmes techniques et vulnérabilités. Relever ces défis n’est pas chose aisée. Les architectures MNO sont définies depuis près de trois décennies par des organismes de normalisation bien établis. Cependant, nous pensons qu’il est intéressant de proposer à la communauté des chercheurs en télécommunications une approche de type « table rase ». Ces solutions alternatives doivent -au moins- avoir un écosystème distribué/décentralisé, assurer la fiabilité entre les acteurs dans un environnement peu fiable, partager les ressources entre les parties prenantes, apporter une plus grande automatisation, et fournir une sécurité et une confidentialité suffisantes. Toute alternative répondant à ces exigences constituerait une solution potentielle prometteuse. La blockchain est un grand ledger distribué pair-à-pair, une technologie cryptographiquement sécurisée, à appendice unique, immuable, traçable et transparente qui ne peut être mise à jour que par consensus entre la majorité des nœuds participants sur le réseau. En raison de ses caractéristiques intrinsèques, la blockchain et les Smart Contracts peuvent réduire le coût, la latence et la complexité de la collaboration entre les entités dans un réseau cellulaire multi-acteurs tout en augmentant la fiabilité, la traçabilité et les capacités de supervision. Ce travail propose un système de connectivité mobile multi-acteurs qui fournit une solution distribuée, fiable, automatisée, peu coûteuse et sécurisée pour les entités et les acteurs de l’écosystème du réseau cellulaire. Pour ce faire, ce travail fournit tout d’abord une étude complète des défis existants dans les réseaux cellulaires actuels en ce qui concerne les aspects commerciaux et de collaboration, les questions techniques et la sécurité. Les résultats de ces études nous ont conduits à proposer deux contributions principales, l’une concernant la coopération entre les différents acteurs de l’écosystème des réseaux cellulaires (c’est-à-dire les MNO, les fournisseurs de services, les petites entreprises, les vendeurs et les utilisateurs finaux) et l’autre concernant la collaboration entre les MNO (et potentiellement avec les organismes de réglementation) pour la gestion des identités et des profils. Plus précisément, la première contribution propose un nouvel écosystème de télécommunication hybride (distribué-décentralisé) pour façonner la conception des réseaux 5G et 6G. Cette méthode permet d’éliminer toute autorité centrale, d’augmenter la tolérance aux pannes du système, de simplifier les procédures informatiques et de fournir des paiements sécurisés entre les entités. La deuxième contribution introduit une nouvelle gestion du profil de l’utilisateur et un portage du numéro de téléphone mobile et du profil sur la base de la blockchain et des Smart Contracts. Cette méthode vise à éliminer l’autorité centrale dans la procédure de portage en créant un système plus collaboratif et distribué à cette fin, à augmenter l’automatisation et la confiance, et à traiter la latence élevée de la méthode existante pour le portage des MNO. En outre, il offre la possibilité de porter les profils des utilisateurs vers le MNO destinataire ainsi que le numéro de téléphone au moyen d’une procédure automatisée sans autorité centralisée ni tierce partie. Pour évaluer le système proposé et analyser la faisabilité de sa mise en œuvre, nous avons proposé trois scénarios de déploiement dans lesquels la blockchain peut être logiquement positionnée soit dans le RAN, soit dans le réseau coeur, soit dans la couche de service. Les résultats de l’évaluation montrent que le système est suffisamment évolutif en ce qui concerne le nombre d’acteurs et de collaborateurs, et en fonction des exigences du réseau, sa performance et son niveau de sécurité sont ajustables.
Abstract :

While the existing centralized and stand-alone architecture of Mobile Network Operators (MNO) provides connectivity to billions of users, they suffer from a lack of technical mechanisms to enhance collaboration between MNOs and other providers. This has impacts on mutualization costs, as well as on energy consumption and environmental impact. This may also prevent the advent of more collaborative business models with other providers or even with customers. Moreover, the complexity of 5G and beyond 5G networks may surpass the capability of one MNO to manage the cost and the complexity of connection. Finally, existing MNO architectures also suffer from their centralization, resulting in several technical issues and vulnerabilities. Addressing these challenges is not a straightforward journey. MNO architectures have been defined for nearly three decades by well-established standardization bodies. However, we believe there is an interest in proposing to the telecom research community a clean-slate approach. Such alternative solutions need to -at least- have a distributed/ decentralized ecosystem, provide trustworthiness between actors in the distrusted environment, share the resources among stakeholders, bring higher automation, and provide sufficient security and privacy. Any alternative addressing these requirements would be a promising potential solution. Blockchain is a peer-to-peer distributed ledger, cryptographically secure, append-only, immutable, traceable, and transparent technology that is only updateable via consensus among a majority of the participating nodes on the network. Due to its intrinsic features, Blockchain, and smart contracts can decrease the cost, latency, and complexity of collaboration among entities in multi-actor cellular network while increasing the trustworthiness, traceability, and supervision abilities. This work proposes a multi-actor mobile connectivity system that provides a distributed, trustful, automated, low-cost, and secure solution for the entities and actors of the cellular network ecosystem. To do so, this work provides at first a comprehensive study of the existing challenges in current cellular networks regarding business and collaboration aspects, technical issues, and security. The results of these studies have led us to propose two main contributions, one regarding the cooperation among different actors of the cellular network ecosystem (i.e., MNOs, service providers, small-scale businesses, vendors, and end-users) and another for collaboration among MNOs (and potentially with regulation bodies) for identity and profile management. More precisely, the first contribution proposes a novel hybrid (distributed-decentralized) telecommunication ecosystem to shape the beyond 5G and 6G network design. This method provides the opportunity to eliminate any central authority, increase the fault tolerance of the system, simplifies IT procedures, and provide secure payment among entities. The second contribution introduces a new user profile management and mobile number and profile porting on top of Blockchain and smart contracts. This method aims to eliminate the central authority in the porting procedure by creating a more collaborative and distributed system to this aim, increase automation and trustfulness, and address the high latency of the existing method for porting the MNOs. Moreover, it brings the opportunity of porting the users’ profiles to the recipient MNO as well as the phone number with an automated procedure without a centralized authority or third parties. To evaluate the proposed system and analyze its implementation feasibility, we proposed three deployment scenarios in which the Blockchain can be logically positioned either in RAN, core network, or service layer. The evaluation results show that the system is scalable enough regarding the number of actors and collaborators, and based on the network requirements, its performance and security level are adjustable.