NREL explore la configuration et la sécurité de la 5G pour les micro-réseaux avec un bac à sable 5G

Qu’il s’agisse d’une coïncidence ou d’une planification minutieuse, les infrastructures des systèmes électriques et des télécommunications vont dans une direction similaire : vers la périphérie. Les panneaux solaires sur un toit sont comme des tours 5G dans un quartier : dans les deux cas, des actifs distribués soutiennent de plus en plus ces systèmes importants.

Pour étudier la nouvelle génération de communications sans fil et ce qu'elle offre aux systèmes électriques, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a construit une plate-forme de recherche 5G à l'intérieur d'un micro-réseau militaire répliqué et l'a soumise à des scénarios de résilience et de cyberattaques, publiant ses résultats dans un rapport intitulé «La 5G, énergiquement et résiliente en toute sécurité.» Ils ont découvert que les fonctionnalités de la 5G peuvent prendre en charge des contrôles distribués ainsi qu’une sécurité et une résilience configurables pour les systèmes électriques.

Le projet a été financé par le bureau du sous-secrétaire à la défense chargé de la recherche et de l'ingénierie du ministère américain de la Défense (DOD) dans le cadre du Programme FutureG, qui vise à préparer le pays aux plates-formes de télécommunications de nouvelle génération, notamment pour les aspects de sécurité, d’automatisation et de résilience. Mais les résultats vont bien au-delà de la défense : NREL a montré comment les services publics pourraient utiliser la 5G au profit de la sécurité, de la récupération et des coûts du réseau. Et désormais, grâce à un terrain d'essai de communications réaliste au NREL, les partenaires peuvent garantir que les services publics fonctionneront au moment le plus nécessaire dans des environnements contestés.

Pas de fils, pas de problème

Un petit décalage est ennuyeux lors d'un flux, mais il peut être débilitant lors d'opérations énergétiques critiques. La vitesse cible pour la restauration autonome de l’alimentation est de huit millisecondes, ce qui est extrêmement rapide. Les fibres optiques câblées constituent l'alternative incontournable, mais avec une telle croissance des dispositifs à énergie distribuée, la pose de fibres sur l'ensemble d'un micro-réseau devient rapidement prohibitive. Au lieu de cela, l’équipe du projet a exploré comment la latence ultrafaible de la 5G pourrait combler cette lacune.

« Du point de vue de l'intégration au réseau, de nombreux appareils auront besoin d'une faible latence et d'une grande fiabilité pour réussir leur coordination », a déclaré Tony Markel, chercheur principal du NREL et chef de projet. « Une différence fondamentale entre la 4G et la 5G réside dans la manière dont les données circulent ; les ressources de données peuvent être plus proches de la périphérie. Et si nous exploitions la puissance du calcul de pointe et la réduction de la latence pour faire des composants de la grille un système plus efficace ? »

Les chercheurs du NREL ont atteint une partie de l'efficacité de la 5G en concevant le micro-réseau pour maintenir l'alimentation électrique des communications et des charges critiques. Cela comprenait une couche de résilience qui a été ajoutée en utilisant des contrôleurs de périphérie pour maintenir le fonctionnement des composants du micro-réseau, même si certaines communications n'étaient pas disponibles.

La résilience et la gestion de l’énergie étant toutes deux essentielles aux missions du NREL et du DOD, ces travaux ont révélé que la combinaison de la 5G, des contrôles distribués et d’un micro-réseau basé sur les énergies renouvelables constituait une combinaison puissante.

Résilience du réseau, trafic prioritaire et découpage privé : quelques avantages de la 5G

Pour évaluer la 5G dans des conditions d’exploitation crédibles, NREL a modélisé son micro-réseau pour refléter une base militaire en Californie. Des panneaux solaires, des systèmes de batteries, des chargeurs de véhicules et des équipements de protection identiques ont été modélisés avec des interfaces via le réseau 5G. De nombreux scénarios ont été testés, notamment des pannes de réseau et diverses cyber-intrusions.

« Nos scénarios de test ne visaient pas seulement à contrôler la résilience du réseau électrique et des micro-réseaux, mais également à alimenter le réseau 5G lui-même. Si nous pouvons maintenir le réseau en fonctionnement pour fournir une énergie résiliente, cela maintiendra le réseau de communication opérationnel », a déclaré Brian Miller, responsable de l'ingénierie des systèmes d'énergie électrique.

Les scénarios comprenaient la panne d'une tour de téléphonie cellulaire, le crash et la récupération d'un contrôleur de micro-réseau, un trafic réseau non sécurisé exploité à l'étranger et la congestion provenant d'autres périphériques réseau.

« L'informatique de pointe, la priorisation du trafic réseau et le découpage privé ont tous fonctionné », a déclaré Miller, discutant des fonctionnalités 5G qu'ils ont mises en œuvre dans le micro-réseau de test. « Nous pourrions fonctionner parfaitement avec ce réseau ; par exemple, la priorisation nous a permis d'anticiper même lorsque le trafic de communication était au maximum, de sorte que c'était comme avoir un accès dédié aux systèmes critiques.

La latence était en revanche moins impressionnante. Peut-être qu'avec les bandes 5G à ondes millimétriques, les chercheurs parviendraient à des échanges de données beaucoup plus rapides, mais le micro-réseau géographiquement dispersé nécessitait une portée plus longue de bandes inférieures à 6 GHz. La latence était faible, mais pas suffisamment pour coordonner en douceur la restauration de l'alimentation sans même une interruption de puissance, comme le ferait généralement une unité de batterie de secours.

En ce qui concerne la sécurité, les chercheurs se sont concentrés sur chaque composant de la 5G et ont trouvé de nombreuses façons de rendre le réseau plus sécurisé contre les attaquants présents. Étant donné que la 5G repose sur du matériel de serveur standard et des outils et fonctions virtualisés, chaque composant nécessite une cyber-évaluation et un réglage approfondis pour empêcher les acteurs malveillants de modifier les données ou de lire les paramètres des systèmes énergétiques. Savoir que les composants du réseau et les flux de données sont sécurisés est la première étape pour pouvoir faire confiance à la 5G pour des utilisations futures avec des actifs distribués.

Une nouvelle capacité de laboratoire

Cette capacité de laboratoire 5G illustre la collaboration entre les agences gouvernementales pour une technologie qui atteint une résilience mutuelle. La 5G revêt une importance particulière pour le DOD avec sa possibilité de prendre en charge de nombreux scénarios de déploiement rapide tels que les opérations de base aérienne expéditionnaire, l'emploi de combat agile, etc. Avec des tests plus approfondis, ces résultats serviront de base aux services militaires pour améliorer leurs infrastructures. Dans une perspective plus large, la recherche sur la 5G contribue à la résilience des réseaux électriques nationaux et à l’innovation aux États-Unis.

« Nous prévoyons d'utiliser ce projet comme plate-forme de développement de capacités de recherche qui peuvent être reproduites dans la cybergamme de recherche avancée sur les systèmes énergétiques intégrés (ARIES) », a déclaré Markel. « Le noyau 5G, le calcul de périphérie multi-accès et les tranches privées constituent la base des plans de recherche sur l'intégration sécurisée à grande échelle des énergies renouvelables. »

ARIES est l'environnement de recherche idéal pour les services publics, les développeurs d'appareils, les fournisseurs de services énergétiques et tout chercheur en réseau pour mettre en place leurs propres systèmes et valider les solutions 5G sans les limitations liées à la réalisation de tests directement sur le réseau public.

« L'industrie a dirigé ces efforts en planifiant une architecture 5G modulaire et ouverte, et nous recherchons de nouvelles façons d'utiliser ses fonctionnalités dans le réseau électrique », a déclaré Markel. « Des millions d’appareils énergétiques deviendront interconnectés, et nos recherches montrent la voie à suivre vers des opérations distribuées, résilientes, sécurisées et économes en énergie, fondées sur la base de la 5G. »

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