AVIS DE SOUTENANCE de Mme Fariba GHAFFARI

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

et le Laboratoire de recherche SAMOVAR – Services rĂ©partis, Architectures, ModĂ©lisation, Validation, Administration des RĂ©seaux

présentent

l’AVIS DE SOUTENANCE de Madame Fariba GHAFFARI

AutorisĂ©e Ă  prĂ©senter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, prĂ©parĂ© Ă  TĂ©lĂ©com SudParis en :

Mathématiques et Informatique

« Une nouvelle architecture basĂ©e sur la blockchain pour les opĂ©rateurs de rĂ©seaux mobiles : au-delĂ  de la 5G et de la 6G »

le VENDREDI 13 OCTOBRE 2023 Ă  14h00

Ă 

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, TĂ©lĂ©com SudParis, FRANCE – Directeur de these
M. Emmanuel BERTIN, IngĂ©nieur de recherche, Orange Innovation, FRANCE – CoDirecteur de these
Mme Emmanuelle ANCEAUME, Directrice de recherche, Institut de recherche en informatique et systèmes alĂ©atoires, FRANCE – Examinateur
M. Abdelkader LAHMADI, Professeure associĂ©e, Universite´ de Lorraine, CNRS, Inria, Loria, Nancy, France, FRANCE – Examinateur
Mme Cigdem SENGUL, IngĂ©nieur 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 basĂ©e sur la blockchain pour les opĂ©rateurs de rĂ©seaux mobiles : au-delĂ  de la 5G et de la 6G »

présenté par Madame Fariba GHAFFARI

Résumé :

Si l’architecture centralisĂ©e et autonome des opĂ©rateurs de rĂ©seaux mobiles (MNO) fournit une connectivitĂ© Ă  des milliards d’utilisateurs, elle souffre d’un manque de mĂ©canismes techniques pour amĂ©liorer la collaboration entre les MNO et d’autres fournisseurs. Cela a des rĂ©percussions sur les coĂ»ts de mutualisation, ainsi que sur la consommation d’Ă©nergie et l’impact environnemental. Cela peut Ă©galement empĂŞcher l’avènement de modèles commerciaux plus collaboratifs avec d’autres fournisseurs ou mĂŞme avec les clients. En outre, la complexitĂ© des rĂ©seaux 5G et au-delĂ  pourrait dĂ©passer la capacitĂ© d’un MNO Ă  gĂ©rer le coĂ»t et la complexitĂ© de la connexion. Enfin, les architectures existantes des MNO souffrent Ă©galement de leur centralisation, ce qui entraĂ®ne problèmes techniques et vulnĂ©rabilitĂ©s. Relever ces dĂ©fis n’est pas chose aisĂ©e. Les architectures MNO sont dĂ©finies depuis près de trois dĂ©cennies par des organismes de normalisation bien Ă©tablis. Cependant, nous pensons qu’il est intĂ©ressant de proposer Ă  la communautĂ© des chercheurs en tĂ©lĂ©communications une approche de type « table rase ». Ces solutions alternatives doivent -au moins- avoir un Ă©cosystème distribuĂ©/dĂ©centralisĂ©, assurer la fiabilitĂ© entre les acteurs dans un environnement peu fiable, partager les ressources entre les parties prenantes, apporter une plus grande automatisation, et fournir une sĂ©curitĂ© et une confidentialitĂ© suffisantes. Toute alternative rĂ©pondant Ă  ces exigences constituerait une solution potentielle prometteuse. La blockchain est un grand ledger distribuĂ© pair-Ă -pair, une technologie cryptographiquement sĂ©curisĂ©e, Ă  appendice unique, immuable, traçable et transparente qui ne peut ĂŞtre mise Ă  jour que par consensus entre la majoritĂ© des nĹ“uds participants sur le rĂ©seau. En raison de ses caractĂ©ristiques intrinsèques, la blockchain et les Smart Contracts peuvent rĂ©duire le coĂ»t, la latence et la complexitĂ© de la collaboration entre les entitĂ©s dans un rĂ©seau cellulaire multi-acteurs tout en augmentant la fiabilitĂ©, la traçabilitĂ© et les capacitĂ©s de supervision. Ce travail propose un système de connectivitĂ© mobile multi-acteurs qui fournit une solution distribuĂ©e, fiable, automatisĂ©e, peu coĂ»teuse et sĂ©curisĂ©e pour les entitĂ©s et les acteurs de l’Ă©cosystème du rĂ©seau cellulaire. Pour ce faire, ce travail fournit tout d’abord une Ă©tude complète des dĂ©fis existants dans les rĂ©seaux cellulaires actuels en ce qui concerne les aspects commerciaux et de collaboration, les questions techniques et la sĂ©curitĂ©. Les rĂ©sultats de ces Ă©tudes nous ont conduits Ă  proposer deux contributions principales, l’une concernant la coopĂ©ration entre les diffĂ©rents acteurs de l’Ă©cosystème des rĂ©seaux cellulaires (c’est-Ă -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 rĂ©glementation) pour la gestion des identitĂ©s et des profils. Plus prĂ©cisĂ©ment, la première contribution propose un nouvel Ă©cosystème de tĂ©lĂ©communication hybride (distribuĂ©-dĂ©centralisĂ©) pour façonner la conception des rĂ©seaux 5G et 6G. Cette mĂ©thode permet d’Ă©liminer toute autoritĂ© centrale, d’augmenter la tolĂ©rance aux pannes du système, de simplifier les procĂ©dures informatiques et de fournir des paiements sĂ©curisĂ©s entre les entitĂ©s. La deuxième contribution introduit une nouvelle gestion du profil de l’utilisateur et un portage du numĂ©ro de tĂ©lĂ©phone mobile et du profil sur la base de la blockchain et des Smart Contracts. Cette mĂ©thode vise Ă  Ă©liminer l’autoritĂ© centrale dans la procĂ©dure de portage en crĂ©ant un système plus collaboratif et distribuĂ© Ă  cette fin, Ă  augmenter l’automatisation et la confiance, et Ă  traiter la latence Ă©levĂ©e de la mĂ©thode existante pour le portage des MNO. En outre, il offre la possibilitĂ© de porter les profils des utilisateurs vers le MNO destinataire ainsi que le numĂ©ro de tĂ©lĂ©phone au moyen d’une procĂ©dure automatisĂ©e sans autoritĂ© centralisĂ©e ni tierce partie. Pour Ă©valuer le système proposĂ© et analyser la faisabilitĂ© de sa mise en Ĺ“uvre, nous avons proposĂ© trois scĂ©narios de dĂ©ploiement dans lesquels la blockchain peut ĂŞtre logiquement positionnĂ©e soit dans le RAN, soit dans le rĂ©seau coeur, soit dans la couche de service. Les rĂ©sultats de l’Ă©valuation montrent que le système est suffisamment Ă©volutif en ce qui concerne le nombre d’acteurs et de collaborateurs, et en fonction des exigences du rĂ©seau, sa performance et son niveau de sĂ©curitĂ© 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.