纵观移动通信中SIM卡实用技术的演进

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纵观移动通信中SIM卡实用技术的演进

中国电信股份有限公司云南分公司 李晶 谈黎

发布时间:2013-05-16

摘要：分析了SIM卡的技术特性，通过对近二十年SIM卡技术演进的研究，发现随着移动通信技术向着个性化、多应用、智能化方向发展，SIM卡也在向着双面应用、非预置个人化信息、更小更薄和存储容量更大等方向发展，移动终端和通信业务也在不断丰富。 　　关键词：SIM卡，UIM卡，OTA卡，空中写卡，Nano－SIM卡 　　1　前言 　　随着中国电信、中国联通开始推广iPhone 5，越来越多的果粉发现，iPhone 5首次使用了比上一代更小、更薄的Nano－SIM卡，而不支持普通SIM卡和Micro－SIM卡，即使剪出来的卡也无法使用，这让众多果粉头痛不已。为何苹果公司这次极力推崇Nano－SIM卡？除了其体积小、便于为其他手机零件腾出空间等原因外，增加iPhone特色、提升技术含量、增加模仿难度、防止水货手机进入也是重要原因。 　　随着移动通信技术的快速发展，为了拓展手机渠道、便于用户入网，手机从以往的烧号机（烧号机，顾名思义是把号码烧到手机上，其显著特点是机卡合一——编注）发展为机卡分离机，经历近二十年的发展，在标准SIM卡基础上形成了PIM卡、UIM卡、OTA卡、国际双模卡、Micro SIM卡、RFID－SIM卡、远程写卡和空中写卡等多种技术。如今一张小小的SIM卡，既可以作为终端鉴权用，也可以担任银行卡、门禁卡、公交IC卡等各种角色，它已经不再只是为了解决用户入网鉴权和加密问题，而成为各大运营商丰富终端应用、拓展营销渠道的利器，同时也成为各手机厂商展示自己实力的舞台。 　　2　SIM卡技术特性 　　SIM卡属于IC卡的一种，IC卡（Integrated Circuit Card，集成电路卡）是镶嵌集成电路芯片的塑料卡片，其外形和尺寸都遵循国际标准。IC卡分为：非加密存储器卡、逻辑加密存储器卡、智能卡。目前，智能卡应用最多的是GSM移动通讯中的SIM卡和CDMA移动通讯中的UIM卡，未来将要开展的3G移动通讯中的USIM卡也属于智能卡。 　　2.1　SIM卡定义 　　       SIM卡（Subscriber Identity Module）是带微处理机的芯片卡，它由CPU、工作存储器RAM、程序存储器ROM、数据存储器EEPROM和串行通信单元5个模块组成，这5个模块集成在一块集成电路中。       2.2　SIM卡的结构和软件特性 　　       由于SIM卡带有智能功能，所以它有以下软件特性： 　　 （1）植入了COS（Card Operating System，芯片操作系统）； 　　 （2）以文件模型进行信息管理； 　　 （3）文件标志符作为唯一标志信息； 　　（4）存储着IMSI、KI、CCH、PIN、UCHV、SID和NID等网络参数及鉴权信息等内容。　　 　　在实际使用中最常见嵌入式SIM卡，其大小只有25mm×15mm，是半永久性地装入到移动台设备中的卡。 　　3 PIM卡和UIM卡 　　3.1　PIM卡 　　1999年，中国电信开始在全国范围内推广小灵通。由于小灵通手机是烧号机，手机只能在电信营业厅烧号入网，极大地限制了小灵通手机销售渠道，严重阻碍了小灵通业务发展。2005年，中国电信开始推广机卡分离的小灵通手机和PIM卡（PHS Subscriber Identity Module）。PIM卡和SIM卡的物理结构一样，不过PIM卡内存储的个人数据是PSNM、KI、运营商代码等参数。 　　      电信机卡分离的小灵通手机一经推出，立刻在市场上取得了立竿见影的效果，极大地促进了小灵通业务的发展。 　　      3.2　UIM卡 　　 UIM卡（User Identity Module）是移动通信终端用户识别及加密技术，它支持专用的鉴权加密算法和OTA技术（Over The Air），可以通过无线空中接口方式对卡上的数据进行更新和管理。 　　在CDMA系统的原始设计中，用户识别信息是直接存储在移动终端中的，并没有一个可以与移动终端分离的存储用户信息的功能实体。直到2008年，中国电信收购联通CDMA网络，声明希望在CDMA手机上实现SIM卡的功能，这才极大地加快了在CDMA系统中实施UIM卡的进程。 　　UIM卡采用与SIM卡系统相同的物理结构、电气性能和逻辑接口，并在SIM卡的基础上，根据CDMA系统的要求，增加相关的参数和命令，以实现CDMA系统的功能。UIM卡可以理解为SIM卡针对CDMA系统的功能扩展。 　　4　OTA卡 　　空中下载OTA（Over The Air）业务是基于SIM卡STK技术实现的增值业务之一，该业务为终端用户和运营商提供了通过无线网络传输方式对SIM卡上的内容（包括菜单、文件等）进行管理的途径。终端用户可以通过OTA应用进行卡片业务菜单的个性化定制。运营商也可利用OTA业务下载、删除、更新用户卡片业务菜单，同时还可以进行业务的启用/禁用、文件内容更新等操作。 　　OTA卡是指支持通过OTA方式进行动态业务应用和菜单下载、更新的STK卡。OTA卡上预置有独特的卡片引擎（即OTA业务数据的解释器），用户或者运营商可通过STK功能和无线承载将数据下载到SIM卡上完成菜单或者文件的管理与更新。OTA业务实现借助于STK应用中的短消息SMS PP Download功能，支持空中下载的OTA卡提供可行的人机接口界面供用户发起下载申请，OTA应用下载服务器根据用户请求，以数据短消息（SMS PP Download模式）将相应的服务下载内容发给用户手机，并将下载数据透明地传递给用户OTA卡，OTA卡对下载内容进行组织存贮，实现相应的OTA卡应用管理。 　　SIM OTA卡总体架构如图2所示：　　 　　5　RFID－SIM卡 　　RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。与传统的条码、磁卡、IC卡等相比，RFID具有非接触操作、长距离识别、无机械磨损、可识别高速运动物体和安全性高等优点。 　　RFID－SIM卡是集成了RFID功能的SIM卡。双界面RFID－SIM卡，是一种多功能的SIM卡，具有接触式和非接触式两个工作界面：其接触界面可实现CDMA（或者GSM）通信功能；非接触界面实现非通信应用，如MIFARE应用、银行电子钱包/存折应用、ID识别等。其中，MIFARE应用指采用MIFARE芯片实现的IC卡应用，如城市公交、地铁等。RFID－SIM卡主要由SIM卡和RF天线两部分组成。中国移动曾经试图推广2.45GHz频率的RFID－SIM卡，不过目前市场上的银联POS机基本都工作在13.56MHz频点。 　　RFID－SIM卡按照应用场景分为两种： 　　（1）金融应用：以银联认证的RFID－SIM卡内支付应用为主体，与银联或银行POS机具配合实现金融支付功能。主要包括借贷记应用、电子钱包/存折应用、电子现金应用等。 　　（2）非金融应用：非银联认证或兼容的RFID－SIM卡内应用，与非银联POS机具配合实现电子货币支付、积分、ID识别、安全管控等功能。主要包括公共交通应用、行业应用、小区域应用、门禁卡等。 　　RFID－SIM卡应用框架如图3所示：　　 　　6　远程写卡和空中写卡 　　6.1　远程写卡 　　远程写卡业务是一种通过营业厅或代理渠道使用写卡设备或专用终端，通过有线或无线网络方式远程申请写卡数据，完成写卡并实时开通的业务。该方式可以减少代理商备卡成本，降低营业厅备卡成本，提高IMSI等码号资源利用率，便于移动客户异地补卡。 　　SIM卡商在制作远程写卡空白卡时，只写入部分个人信息（如空卡序列号、AKEY、基本STK菜单等）并分配到运营商营业厅，运营商将这部分个人信息先在核心网HLR和运营支撑系统CRM上做预开通，当用户在营业厅完成选号后，营业员使用写卡设备在空白卡内写入完整的个人信息（如ICCID、IMSI等），然后将ICCID、IMSI与空卡序列号进行关联，并通过运营支撑系统CRM在核心网HLR上做正式开通，这样就可以实时地完成用户号码与SIM卡的绑定及开户工作。远程写卡业务主要在运营商的营业厅开展。 　　6.2　空中写卡 　　空中写卡是指通过无线接入方式完成远程写卡业务，即通过短信或BIP等无线方式实时申请个人数据，并完成数据下载、写入及实时开通。它主要应用于营业条件受限的代理渠道，使用支持STK功能的普通GSM/CDMA移动终端（手机），通过短信方式实时申请SIM卡的个人化数据，并完成数据在SIM卡中的下载、写入及实时开通等操作。空中写卡业务可以有效降低代理商的进入门槛，减少代理商备卡成本，避免出现代理商“囤号”现象，并加强对代理渠道的管控和支撑力度。 　　空中写卡采用未预置IMSI及UIMID等个人数据的空白卡，在空白卡中建立特定文件，用以标识该空卡的供应商、卡类和出厂时间等信息；并在空白卡中写入空卡序列号，作为空白卡的唯一管理标志。远程写卡业务使用的是非预置Akey方案，卡内未预置个人参数。而空中写卡业务为减少短信参数的数量，因此采用预置Akey方案，卡内需要预置部分个人参数。 　　SIM卡商在制作空中写卡空白卡时，只写入部分个人信息并分配到运营商，运营商再分配到社会代理渠道。运营商将这部分个人信息先在核心网HLR和运营支撑系统CRM上做预开通，代理商将已经预开通的空白卡装入手机中，开机后根据提示输入密码，密码验证通过后发起写卡请求数据短信，经过短信网关通道转发给空中写卡服务器，然后由空中写卡服务器从数据库中获取合适的写卡数据发送到卡端进行写卡，写卡成功后通过CRM进行实时开通，用户即可正常使用卡片。空中写卡业务主要在代理渠道的网点开展。 　　空中写卡应用框架如图4所示。　　 　　7　Micro SIM卡和Nano－SIM卡 　　7.1　Micro SIM卡 　　       Micro SIM卡其实就是3G移动通讯中的USIM卡。USIM卡不但能实现单纯的鉴权认证功能，而且能够支持多应用（如在手机上实现电子钱包、电子信用卡、电子票据等）；它还在安全性方面对算法进行了升级（支持RSA等算法），并增加了卡对网络的认证功能；同时，其电话簿功能更为强大，最多可存入500个电话号码，并且针对每个电话，用户还可以选择是否录入其它信息，如电子邮件、别名、其它号码等。 　　仅从技术角度而言，Micro SIM卡与SIM卡并没有本质上的区别，唯一的区别只是表面积更小，而且还是毫无意义的塑封表面积。所以说，Micro SIM卡不算是一种技术革新，而更像是一种标新立异的手段；如果不是苹果在业内的巨大号召力，Micro SIM卡不会成为现在大家关注的对象。 　　7.2　Nano－SIM卡 　　2012年6月，欧洲电信标准协会（ETSI）确定了苹果公司提出的Nano－SIM卡标准是（4FF）UICC标准，Nano－SIM卡较现今采用的Micro SIM卡更小，并提供额外存储（如用户电话信息）和蜂窝网身份信息等功能。Nano－SIM卡体尺寸为12mm×9mm，厚度也减少了15%，比目前使用的SIM卡尺寸小了40%。Nano－SIM卡与目前SIM卡的金属芯片触点大致相同，只是原先触点外围的圆边变成了直角。更小的尺寸将会为增加的内存和更大的电池释放空间，有助于手机厂商生产更薄的产品。目前只有苹果支持Nano－SIM卡标准，iPhone 5是首款使用Nano－SIM卡的智能手机。不过由于Nano－SIM卡已经成为新的SIM卡标准，随着智能手机的不断推广，相信会有更多智能手机使用Nano－SIM卡。 　　8　总结 　　从以上各种SIM卡技术的对比中，不难发现，SIM卡已经不再只是为了解决用户入网鉴权和加密问题，而已朝着双面应用、非预置个人化信息、更小更薄、存储容量更大等方面发展。随着智能手机的普及，手机终端已不仅具备通信功能，还具有银行卡、门禁卡、公交卡等各种实现个人化应用的功能。相信随着SIM卡技术和智能手机的技术演进，移动通信的各种应用一定会不断丰富。 　　参考文献： 　　[1]中国电信股份有限公司.中国电信CDMA卡需求规范——UIM卡分册[Z].2008. 　　[2]中国电信股份有限公司.中国电信CDMA卡需求规范——OTA分册[Z].2008. 　　[3]中国电信股份有限公司.中国电信远程写卡业务规范（V1.0）[Z].2010. 　　[4]3GPP TS 11.11 V8.12.0[S].2004. 　　[5]ETSI TS 102 190[S].2003. 　　[6]ETSI TS 102.221 UICC[S].2012. 　　作者简介：李晶：高级工程师，硕士毕业于重庆邮电学院，现就职于中国电信股份有限公司云南分公司网络建设发展部，任高级业务网主管，研究方向：移动通信技术、计算机软硬件技术。谈黎：高级工程师，学士毕业于上海理工大学，现就职于中国电信股份有限公司云南分公司网络建设发展部，任业务网主管，研究方向：移动通信技术、计算机软硬件技术。

《移动通信》2013年第01期