Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Contribution à l’évaluation et à l’amélioration de la robustesse des communications FRMCS en environnement ferroviaire et face aux risques de cyber attaques

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - LEOST  -  DENIAU Virginie      tél. : +33 320438991

Directeur du laboratoire principal COCHERIL Yann  -

Spécialité de la thèse Télécommunication, électromagnétisme, cybersécurité

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Lille-Villeneuve d'Ascq

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale ENGSYS

Directeur de thèse prévu DENIAU Virginie  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - LEOST

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Depuis les années 2000, les communications sol-train en Europe, sont principalement assurées par la technologie de communication GSM-R. Cette technologie qui repose sur une infrastructure au sol et des terminaux équipant les trains et les agents, permet les échanges vocaux, la transmission d’information de signalisation et la transmission des ordres de mouvements.

Le GSM-R est une technologie cellulaire de 2ème génération. Son déploiement et son usage dans l’environnement ferroviaire ont été progressivement optimisés pour assurer la robustesse des échanges attendus. Néanmoins, ces performances en matière de débit atteignable ne permettent pas d’envisager des applications plus poussées, notamment des applications qui nécessiteraient du transfert de vidéo. On pense notamment à des applications qui pourraient permettre d’envisager de la conduite à distance ou de la conduite en mode autonome.
Ainsi, la solution de remplacement étudiée depuis plusieurs années par les acteurs du transport ferroviaire est nommée le « Futur Railway Mobile Communication System » ou « FRMCS ». Il s’agit d’une technologie de communication basées sur la 5ème génération cellulaire. Elle permet d’employer des canaux de communication de largeur variable et différentes modulations permettant d’atteindre différents débits. Dans la mesure où beaucoup de paramètres sont modulables, des applications très différentes peuvent être assurées par cette technologie. Il peut par exemple avoir des applications qui nécessitent peu de débit mais une forte densité de terminaux (ce qui peut être le cas des objets connectés) ou des applications qui nécessitent de très hauts débits et avec des latences faibles telles que les besoins de transmissions vidéo.

Cependant, les multiples configurations que peut prendre le FRMCS, la diversité des applications et les scénarios de migrations (du GSM-R vers le FRMCS) envisagés complexifient l’évaluation de sa robustesse. D’une part, selon les paramètres de la communication (canal, modulation, redondance, …) la robustesse et la sensibilité aux contraintes environnementales (couverture, interférences, masquage, partage de la ressource…) varient et d’autre part, selon les applications envisagées les performances minimales à garantir (latence, sensibilité, stabilité du débit, …) diffèrent fortement.

Le travail de thèse portera donc à la fois sur la recherche de méthodes d’évaluation rigoureuses et pertinentes au regard des applications et des spécificités de l’environnement ferroviaire et sur l’optimisation de son usage. Le candidat devra aborder l’analyse de la qualité de la communication d’une manière globale. Il s’agira de mettre en place des méthodes d’évaluation qui permettre d’étudier l’impact des paramètres de configuration de la 5G, des conditions environnementales, des perturbations et des caractéristiques et configurations des systèmes d’antennes. Il devra également rechercher la compréhension et l’interprétation des résultats. La méthodologie permettra également d’étudier et d’évaluer l’effet de certaines attaques de types brouillage intentionnelle sur la solution FRMCS.

Pour permettre à la fois cette approche en globalité et l’interprétation fine des résultats, le candidat devra développer des analyses par simulation et également des travaux expérimentaux. Sur le plan expérimental, il devra prendre en main des équipements de mesure permettant de produire des communications 5G en environnement variables mais contrôlés. La modélisation numérique à envisager sera de nature hybride afin de rendre compte de l’environnement de manière réaliste mais aussi de modéliser de manière plus fine les phénomènes prépondérants (rayonnement, couplage, isolation).

Le travail de thèse se déroulera en plusieurs étapes :

La première étape sera dédiée à l’étude bibliographiques du sujet couvrant la technologie FRMCS, les applications ferroviaires, l’environnement EM ferroviaire, la conception d’antenne ferroviaire et les interférences et risques d’attaque.

La suite des travaux portera sur la conception d’un système d’antenne pour la communication FRMCS. Ces systèmes d’antennes sont complexifiés par le fait que la FRMCS peut supporter plusieurs porteuses, voire protocole de communication en proximité. Les solutions innovantes d’isolation, de filtrage seront nécessaires. A titre d’exemple, lors des étapes de migration, la coexistence de la FRMCS et du GSM-R est envisagée par de nombreux opérateurs ferroviaires Européen. Cette première solution d’antenne devrait permettre de mettre en place le banc de test en laboratoire.
Il s’agira ensuite de concevoir un banc de test incorporant les éléments permettant d’émuler les liens montant et descendant de la communication FRMCS, d’accéder à des indicateurs de qualité de la communication et d’introduire des composants permettant d’émuler des interférences, attaques ou dégradations de conditions.

La seconde étape sera dédiée aux tests et simulations qui permettront d’évaluer les impacts des différents paramètres de la communication sur sa robustesse. Des essais selon ds configurations de référence seront préliminairement définis pour s’assurer de la répétabilité et stabilité des essais et pour affiner le processus. Ensuite, les configurations de la communication à tester seront paramétrées en fonction des applications envisagées et des performances attendues. Les dégradations de performances associées aux conditions d’environnement, aux interférences et aux attaques seront évaluées et interprétées. Pour converger vers les interprétations, il pourra être nécessaire de mener des simulations de certains éléments de la chaîne de communication. A ce jour, peu de travaux couvrent la prise en compte de systèmes d’antennes au regard des métriques de la robustesse de communications sans fil.

La troisième année sera dédiée à la recherche des configurations optimales en fonction des applications envisagées, et à la rédaction du manuscrit.

Mots-clefs: communications sol-trains, FRMCS, antenne, interférences électromagnétiques, cyber attaques, banc de test

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - LEOST - DENIAU Virginie tél. : +33 320438991
Directeur du laboratoire principal	COCHERIL Yann -
Spécialité de la thèse	Télécommunication, électromagnétisme, cybersécurité
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Lille-Villeneuve d'Ascq
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	ENGSYS
Directeur de thèse prévu	DENIAU Virginie - Université Gustave Eiffel - COSYS - LEOST
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Depuis les années 2000, les communications sol-train en Europe, sont principalement assurées par la technologie de communication GSM-R. Cette technologie qui repose sur une infrastructure au sol et des terminaux équipant les trains et les agents, permet les échanges vocaux, la transmission d’information de signalisation et la transmission des ordres de mouvements. Le GSM-R est une technologie cellulaire de 2ème génération. Son déploiement et son usage dans l’environnement ferroviaire ont été progressivement optimisés pour assurer la robustesse des échanges attendus. Néanmoins, ces performances en matière de débit atteignable ne permettent pas d’envisager des applications plus poussées, notamment des applications qui nécessiteraient du transfert de vidéo. On pense notamment à des applications qui pourraient permettre d’envisager de la conduite à distance ou de la conduite en mode autonome. Ainsi, la solution de remplacement étudiée depuis plusieurs années par les acteurs du transport ferroviaire est nommée le « Futur Railway Mobile Communication System » ou « FRMCS ». Il s’agit d’une technologie de communication basées sur la 5ème génération cellulaire. Elle permet d’employer des canaux de communication de largeur variable et différentes modulations permettant d’atteindre différents débits. Dans la mesure où beaucoup de paramètres sont modulables, des applications très différentes peuvent être assurées par cette technologie. Il peut par exemple avoir des applications qui nécessitent peu de débit mais une forte densité de terminaux (ce qui peut être le cas des objets connectés) ou des applications qui nécessitent de très hauts débits et avec des latences faibles telles que les besoins de transmissions vidéo. Cependant, les multiples configurations que peut prendre le FRMCS, la diversité des applications et les scénarios de migrations (du GSM-R vers le FRMCS) envisagés complexifient l’évaluation de sa robustesse. D’une part, selon les paramètres de la communication (canal, modulation, redondance, …) la robustesse et la sensibilité aux contraintes environnementales (couverture, interférences, masquage, partage de la ressource…) varient et d’autre part, selon les applications envisagées les performances minimales à garantir (latence, sensibilité, stabilité du débit, …) diffèrent fortement. Le travail de thèse portera donc à la fois sur la recherche de méthodes d’évaluation rigoureuses et pertinentes au regard des applications et des spécificités de l’environnement ferroviaire et sur l’optimisation de son usage. Le candidat devra aborder l’analyse de la qualité de la communication d’une manière globale. Il s’agira de mettre en place des méthodes d’évaluation qui permettre d’étudier l’impact des paramètres de configuration de la 5G, des conditions environnementales, des perturbations et des caractéristiques et configurations des systèmes d’antennes. Il devra également rechercher la compréhension et l’interprétation des résultats. La méthodologie permettra également d’étudier et d’évaluer l’effet de certaines attaques de types brouillage intentionnelle sur la solution FRMCS. Pour permettre à la fois cette approche en globalité et l’interprétation fine des résultats, le candidat devra développer des analyses par simulation et également des travaux expérimentaux. Sur le plan expérimental, il devra prendre en main des équipements de mesure permettant de produire des communications 5G en environnement variables mais contrôlés. La modélisation numérique à envisager sera de nature hybride afin de rendre compte de l’environnement de manière réaliste mais aussi de modéliser de manière plus fine les phénomènes prépondérants (rayonnement, couplage, isolation). Le travail de thèse se déroulera en plusieurs étapes : La première étape sera dédiée à l’étude bibliographiques du sujet couvrant la technologie FRMCS, les applications ferroviaires, l’environnement EM ferroviaire, la conception d’antenne ferroviaire et les interférences et risques d’attaque. La suite des travaux portera sur la conception d’un système d’antenne pour la communication FRMCS. Ces systèmes d’antennes sont complexifiés par le fait que la FRMCS peut supporter plusieurs porteuses, voire protocole de communication en proximité. Les solutions innovantes d’isolation, de filtrage seront nécessaires. A titre d’exemple, lors des étapes de migration, la coexistence de la FRMCS et du GSM-R est envisagée par de nombreux opérateurs ferroviaires Européen. Cette première solution d’antenne devrait permettre de mettre en place le banc de test en laboratoire. Il s’agira ensuite de concevoir un banc de test incorporant les éléments permettant d’émuler les liens montant et descendant de la communication FRMCS, d’accéder à des indicateurs de qualité de la communication et d’introduire des composants permettant d’émuler des interférences, attaques ou dégradations de conditions. La seconde étape sera dédiée aux tests et simulations qui permettront d’évaluer les impacts des différents paramètres de la communication sur sa robustesse. Des essais selon ds configurations de référence seront préliminairement définis pour s’assurer de la répétabilité et stabilité des essais et pour affiner le processus. Ensuite, les configurations de la communication à tester seront paramétrées en fonction des applications envisagées et des performances attendues. Les dégradations de performances associées aux conditions d’environnement, aux interférences et aux attaques seront évaluées et interprétées. Pour converger vers les interprétations, il pourra être nécessaire de mener des simulations de certains éléments de la chaîne de communication. A ce jour, peu de travaux couvrent la prise en compte de systèmes d’antennes au regard des métriques de la robustesse de communications sans fil. La troisième année sera dédiée à la recherche des configurations optimales en fonction des applications envisagées, et à la rédaction du manuscrit.
Mots-clefs:	communications sol-trains, FRMCS, antenne, interférences électromagnétiques, cyber attaques, banc de test

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