Proximity Services is a new feature in the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard for mobile communication. This features gives the opportunity to provide services locally if the targets are sufficiently close. However, in the current version of the proposed specification, there is no protection against a malicious user tunneling messages to a remote location to give the impression of proximity. This thesis proposes solutions to protect against such a spatial replay attack and evaluates these solutions based on how the user’s integrity is preserved, their complexity, and the added overhead. It is not obvious today what the consequences of a spatial replay attack are and how serious such an attack could be. However, once the feature is deployed and people start using it, it could prove to be a major vulnerability. The methods presented in this thesis could be used to prevent spatial replay in 3GPP or similar standards proximity services. The chosen method is a geographical packet leash based on a poly-cylindrical grid for which only a certain amount of Least Significant Bits of the grid cell identifier is included in the initial Discovery Message and the rest could be used in the calculation of the Message Authentication Code. / Proximity Services är en ny funktion inom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standard för mobil kommunikation. Den möjliggör att erbjuda tjänster lokalt om de tänkta användarna är tillräckligt nära. I den nuvarande versionen av specifikationen så finns det dock inget som hindrar en tredje part med onda avsikter från att tunnla meddelanden från den ursprungliga platsen till en annan som inte är i närheten för att ge intrycket till mottagaren att sändaren finns nära. Det här examensarbetet föreslår lösningar för att begränsa nämnda attack och utvärderar dem efter hur de påverkar användarnas platssekretess, lösningens komplexitet och den overhead de innebär. Det är idag inte uppenbart på vilket sätt den nämnda attacken skulle kunna påverka användarna och hur allvarliga konsekvenserna kan bli, men när standarden är implementerad och eventuella användare tillkommer så skulle det kunna visa sig innebära en stor risk. Lösningarna som presenteras i det här examensarbetet skulle kunna användas för att begränsa den här typen av attacker inom 3GPPs standard eller liknande baserade på närhet. Den metoden som har valts är ett ’geographical packet leash’ baserat på ett polycylindriskt rutnät för vilket endast en bestämd mängd minst signifikanta bitar är inkluderade i ett inledande Discovery Message medans resten kan användas i beräkningen av Message Authentication Code.

L'explosion du trafic dans les réseaux mobiles d'aujourd'hui est l'une des préoccupations majeures des opérateurs mobiles. En effet, entre investir dans le développement de l’infrastructure pour supporter l’évolution des besoins des utilisateurs et faire face à la concurrence accrue des nouveaux acteurs du marché, l’enjeu est considérable. Dans ce contexte, les communications Device-to-Device (D2D) offrent aux opérateurs mobiles de nouvelles opportunités aussi bien financières que techniques, à travers les communications directes entre les appareils mobiles permettant de délester le réseau d'une partie du trafic. L'organisme de standardisation 3GPP a défini des évolutions de son architecture LTE/4G fonctionnelle pour supporter les communications D2D dans le cadre de Services de Proximité (ProSe). Cependant, les modèles économiques autour de ces nouveaux services sont encore flous et les solutions actuellement proposées par le 3GPP visent un déploiement à court terme d’un ensemble limité de services (ex : les services de sécurité publique). La première contribution proposée dans le cadre de cette thèse est une évolution de l'architecture ProSe vers une architecture cible distribuée dans laquelle les fonctions liées à ProSe sont mutualisées avec d'autres fonctions réseaux. La deuxième contribution porte sur l’intégration des services véhiculaires dans les réseaux mobiles en tant que services ProSe particuliers reposant sur les communications D2D. L'architecture CVS (Cellular Vehicular Services) est alors proposée comme solution pour un déploiement à grande échelle des services véhiculaires en s'appuyant sur une nouvelle évolution de l’architecture ProSe distribuée. Un algorithme de « clustering » ainsi que des procédures de communication en mode relais D2D sont utilisés dans la conception de la solution afin d’optimiser l'usage des ressources du réseau. Enfin, les performances de ces contributions sont évaluées à l'aide de modèles analytiques et de simulations afin de valider les approches et solutions proposées / The traffic explosion in today’s mobile networks is one of the major concerns of mobile operators. This explosion is mostly widening the gap between networks’ capacities and users’ growing needs in terms of bandwidth and QoS (Quality of Service), which directly impacts operators’ business profitability. In this context, Device-to-Device (D2D) communications offer mobile operators business and technical opportunities by allowing the network traffic offload with D2D direct communications between mobile devices. The recent standardization of D2D-based services as Proximity Services (ProSe) by the 3GPP provides already a set of enhancements to the current LTE/4G architecture to support these services. However, still in its infancy, the proposed solutions are envisioned for short-term market deployments and for a limited set of service categories (i.e public safety services). As a first contribution of this thesis, the proposed Distributed ProSe Architecture enhances the current ProSe architecture for a longer term deployment perspective of D2D-based services. On the basis of this enhanced architecture, vehicular communications and related services are further investigated as a specific implementation of ProSe as well as a new market opportunity for mobile operators. The CVS (Cellular Vehicular Services) solution is then introduced as an architecture framework that enables the integration of vehicular networks into mobile operators’ network infrastructure. A mobile network clustering algorithm and D2D relay-based communication mechanisms are used in the solution design in order to optimize the use of both core and radio network resources. Performance evaluation through analytical modeling and simulations are also carried out to validate the proposed contributions

Yes / As 5th Generation research reaches the twilight, the research community must go beyond 5G and look towards the 2030 connectivity landscape, namely 6G. In this context, this work takes a step towards the 6G vision by proposing a next generation communication platform, which aims to extend the rigid coverage area of fixed deployment networks by considering virtual mobile small cells (MSC) that are created on demand. Relying on emerging computing paradigms such as NFV (Network Function Virtualization) and SDN (Software Defined Networking), these cells can harness radio and networking capability locally reducing protocol signalling latency and overhead. These MSCs constitute an intelligent pool of networking resources that can collaborate to form a wireless network of MSCs providing a communication platform for localized, ubiquitous and reliable connectivity. The technology enablers for implementing the MSC concept are also addressed in terms of virtualization, lightweight wireless security, and energy efficient RF. The benefits of the MSC architecture towards reliable and efficient cell-offloading are demonstrated as a use-case. / This project has received funding from the European Union's H2020 research and innovation program under grant agreement H2020-MCSAITN- 2016-SECRET 722424 [2].

La recherche dans les réseaux de communication cherche à améliorer la capacité et les performances des technologies de réseaux tout en satisfaisant à la fois la demande croissante d’instantanéité des accès et des échanges d’information. Par exemple, les travaux sur les systèmes sans-fil de cinquième génération (5G) visent à augmenter le débit de données et l’efficacité spectrale mais aussi à réduire la latence et la consommation d’énergie. Dans ce contexte, la mise en réseau basée sur la proximité est envisagée afin d’améliorer l’échange d’information entre périphériques proches, même dans le cas où aucune infrastructure n’est disponible. Une composante essentielle de ces solutions est la capacité de rapidement détecter (ou découvrir) les autres systèmes à proximité. Bien que l’utilisation de la découverte des systèmes et de services ne soit pas à proprement parler une nouveauté dans les réseaux, son adoption dans les réseaux sans-fil a augmenté l’importance et la pertinence de ce type de mécanismes. Par conséquence, l’objectif de cette thèse est d’optimiser les performances du processus de découverte en utilisant des mécanismes contextuels. Dans un premier temps, nous commençons par une description préliminaire des défis auxquels sont confrontés les utilisateurs du réseau et comment les solutions actuelles (c’est-à-dire Long Term Evolution (LTE)) ne peuvent pas couvrir leurs besoins. Dans un deuxième temps, nous présentons l’architecture utilisée pour évaluer nos propositions: l’architecture appareil-à-appareil (D2D) qui est définie par le programme de partenariat de troisième génération (3GPP) pour être utilisée dans les réseaux LTE. Nous mettrons tout particulièrement l’accent sur la description du processus de découverte tel qu’il est défini dans les spécifications. Finalement, nous présentons une étude analytique, avec un modèle de mise en oeuvre pour tester et valider les performances de la découverte directe. En utilisant cette analyse, nous proposons un algorithme de transmission adaptatif qui optimise le processus de découverte pour les topologies statiques. Cette contribution sert de base à des algorithmes étendus et améliorés ciblant premièrement des scénarios où la disponibilité de données historiques permet de prédire les fluctuations de la densité des utilisateurs, et deuxièmement des situations entièrement dynamiques sans infrastructure ou support externe, montrant comment les mécanismes contextuels peuvent fournir des performances presque optimales. Toutes ces contributions et ces analyses sont supportées et validées par des modèles de simulation et des expériences qui montrent l’importance et l’exactitude de nos propositions dans l’optimisation de la performance et de la fiabilité dans le cadre de la découverte directe / Research in communication networks aims to improve the capabilities and performance of network technologies, and to satisfy the ever increasing demand for instant information access and exchange. For example, work on Fifth Generation (5G) Wireless Systems aims to increase data rates and spectral efficiency while lowering latency and energy consumption. Within this context, proximity-based networking is being considered in order to improve the data sharing between nearby devices, regardless of the availability of additional infrastructure. An integral component of these solutions is the ability to quickly detect (or discover) other systems in the vicinity. While system and service discovery has been a concept used in networks for some time, its adoption by wireless networks has increased the importance and relevance of this type of mechanisms. Therefore, the goal of this thesis is to optimize the performance of the discovery process by using context-aware mechanisms. First, we start by an introductory description of the challenges faced by network users and how current solutions (i.e. Long Term Evolution (LTE)) are unable to cover their needs. Second, we present the architecture we will use to evaluate our proposals, namely the device-to-device (D2D) architecture defined by the Third-Generation Partnership Program (3GPP) for use in LTE networks, with an emphasis on the description of the discovery process as defined in the standard specifications. Then, we present an analytical study, along with an implementation model to test and validate the performance of direct discovery. Building upon that analysis, we propose an adaptive transmission algorithm that optimizes the discovery process for static topologies. This contribution is used as the foundation for extended and enhanced algorithms targeting scenarios where the availability of historic data allows for predicting user density fluctuations, and fully dynamic situations without external infrastructure or support, showing how context-aware mechanisms can provide almost optimal performance. All these contributions and analysis are supported and validated by simulation models and experiments that showcase the importance and correctness of our proposals in the optimization of the performance and reliability in D2D direct discovery