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 Monsieur Nischal ARYAL

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

Réseaux, Informations et Communications

« Cadre de collaboration basé sur la Blockchain pour les réseaux cellulaires B5G et 6G »

le JEUDI 18 SEPTEMBRE 2025 à 14h00

à

Telecom SudParis, 9 Rue Charles Fourier, 91000, Courcouronnes FR
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Membres du jury :

M. Noel CRESPI, Full professor, Télécom SudParis, FRANCE – Directeur de these
Mme Emmanuelle ANCEAUME, Full professor, CNRS, University of Rennes, IRISA, FRANCE – Rapporteur
M. Abdelkader LAHMADI, Associate Professor, Universite de Lorraine, CNRS, INRIA, LORIA, FRANCE – Rapporteur
M. Roberto RIGGIO, Associate Professor, Information Engineering Department, Polytechnic University of Marche, ITALIE – Examinateur
Mme Thi-Mai-Trang NGUYEN, Full professor, Brunel L2TI, Université Sorbonne Paris Nord, FRANCE – Examinateur
Mme Axel KüPPER, Full professor, Technische Universität Berlin, ALLEMAGNE – Examinateur
M. Emmanuel BERTIN, Associate Professor, Orange Innovation, FRANCE – CoDirecteur de these

« Cadre de collaboration basé sur la Blockchain pour les réseaux cellulaires B5G et 6G »

présenté par Monsieur Nischal ARYAL

Résumé :

L’augmentation de la connectivité dans les réseaux cellulaires a créé une forte demande de services d’une grande diversité. Les opérateurs mobiles, traditionnellement basés sur des architectures centralisées et indépendantes, répondent de moins en moins bien aux besoins actuels tels que la faible latence, les communications massives entre machines et le très haut débit. Pour répondre à ces attentes, il devient nécessaire de moderniser les infrastructures tout en favorisant une collaboration entre opérateurs, fournisseurs de services et utilisateurs. Une telle approche permet un meilleur partage des ressources, une réduction des coûts et une gestion plus respectueuse de l’environnement. Cette collaboration se heurte toutefois à des difficultés. Les réseaux cellulaires ont été conçus il y a plusieurs décennies pour fonctionner de manière isolée, avec un contrôle centralisé. L’introduction de fonctions collaboratives peut accroître la complexité, augmenter les coûts et introduire de nouvelles vulnérabilités, en particulier la dépendance à des points de défaillance uniques et des problèmes de sécurité et de confiance. Pour dépasser ces limites, les travaux de recherche ont exploré des approches décentralisées. La Blockchain apparaît comme une solution adaptée car elle offre transparence, immuabilité et traçabilité. En supprimant le contrôle centralisé, elle renforce la confiance entre acteurs. L’usage de Smart Contracts ajoute un mécanisme automatisé pour gérer les services et appliquer les accords, réduisant ainsi la latence, la complexité et les coûts. Ce travail de thèse propose un cadre collaboratif basé sur la Blockchain, conçu pour les réseaux multi-acteurs Beyond 5G et 6G. L’objectif des travaux est de répondre à quatre défis majeurs : établir la confiance, garantir la sécurité, améliorer l’efficacité et réduire les points de défaillance uniques (single points of failure). La première contribution concerne une nouvelle procédure d’authentification et d’accord de clés intégrée à la blockchain. Fonctionnant comme une surcouche, elle décentralise l’authentification, réduit la dépendance aux autorités centrales et améliore le passage à l’échelle sans perturber les systèmes existants. La deuxième contribution traite de la gestion dynamique des Service Level Agreements entre opérateurs et fournisseurs. Les conditions sont négociées et inscrites sur la blockchain sous forme de Smart Contracts. Ceux-ci appliquent et suivent automatiquement les engagements, assurent la transparence et réduisent le besoin de supervision manuelle, tout en prévoyant la détection et la sanction des violations. La troisième contribution concerne le partage sécurisé de données. Elle propose deux solutions complémentaires. La première est fondée sur une identité auto-souveraine, qui donne à chaque entité une identité unique et permet un accès sécurisé aux services sans divulguer de données personnelles. La seconde repose sur un chiffrement basé sur les attributs, permettant aux utilisateurs de définir eux-mêmes les politiques d’accès à leurs données. Pour valider ces propositions, un banc d’essai hybride combinant Go Ethereum, OpenAirInterface et Magma a été mis en place. Les résultats montrent que le système peut évoluer pour accueillir de nombreux acteurs tout en maintenant des performances et une sécurité adaptée aux différents scénarios. Enfin, ce travail identifie plusieurs défis à surmonter avant une adoption réelle, comme la latence des opérations blockchain, la conformité aux normes en évolution, les besoins de stockage plus élevés et la nécessité de mécanismes incitatifs pour encourager la participation. Ces résultats ouvrent la voie à de futures recherches pour concevoir des architectures collaboratives adaptées aux réseaux cellulaires de prochaine génération.

Abstract :

The rapid increase in connectivity within cellular networks has created a strong demand for diverse and high-quality services. Mobile network operators, traditionally built on centralized and independent architectures, are struggling to meet current needs such as low latency, massive machine-type communications, and enhanced mobile broadband. To address these demands, it has become necessary to modernize infrastructures while fostering collaboration between operators, service providers, and end users. Such cooperation enables better resource sharing, reduced costs, and more environmentally sustainable management. This collaboration, however, faces challenges. Cellular networks were designed decades ago to operate independently, relying on centralized control. The introduction of collaborative functions may increase system complexity, raise operational costs, and create new vulnerabilities, especially the dependence on single points of failure and issues of security and trust. To overcome these limitations, research is actively exploring decentralized approaches. Blockchain emerges as a promising solution, as it provides transparency, immutability, and traceability. By eliminating centralized control, it strengthens trust among stakeholders. The use of smart contracts adds automated mechanisms for service management and agreement enforcement, reducing latency, complexity, and costs. This work proposes a blockchain-based collaborative framework tailored for multi-actor cellular networks in the Beyond 5G and 6G era. The objective is to address four critical challenges: building trust, ensuring security, improving efficiency, and reducing single points of failure. The first contribution introduces a new authentication and key agreement procedure integrated with blockchain. Operating as an overlay, it decentralizes authentication, reduces dependence on central authorities, and enhances scalability without disrupting existing systems. The second contribution focuses on the dynamic management of service-level agreements between operators and service providers. The terms are negotiated and deployed on the blockchain as smart contracts. These contracts automatically enforce and monitor commitments, ensure transparency, and reduce the need for manual supervision, while also enabling detection and resolution of violations. The third contribution addresses secure data sharing. Two complementary solutions are proposed. The first relies on self-sovereign identity, which provides each entity with a unique identity and allows secure service access without disclosing personal information. The second is based on attribute-based encryption, enabling users to define access policies and retain control over their personal data. To validate the feasibility of these contributions, a hybrid testbed combining Go Ethereum, OpenAirInterface, and Magma was developed. The results demonstrate that the system can scale to support a large number of actors while maintaining performance and security across diverse scenarios. Finally, this work identifies several challenges to be addressed before real-world deployment, including blockchain-related latency, compliance with evolving standards, increased storage requirements, and the need for incentive mechanisms to encourage stakeholder participation. These findings provide a foundation for future research on designing collaborative architectures for next-generation cellular networks.