黃耀軍，聶永霞，湯娟娟（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司深圳分公司，深圳 518048）

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嵌入式SIM卡技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題分析

黃耀軍，聶永霞，湯娟娟
（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司深圳分公司，深圳 518048）

摘 要首先分析了物聯(lián)網(wǎng)對(duì)SIM卡的需求，介紹了嵌入式SIM的原理及特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了“機(jī)卡合一、卡業(yè)分離”的工作模式，討論了物聯(lián)網(wǎng)號(hào)碼分配的方案。

關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式SIM卡；簽約數(shù)據(jù)；IPv6；國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼

物聯(lián)網(wǎng)是信息時(shí)代的重要發(fā)展階段，也是關(guān)系民生的重要內(nèi)容。在“機(jī)器到機(jī)器”（簡(jiǎn)稱M2M）的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，作為終端標(biāo)示的SIM卡，扮演重要的角色。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，也對(duì)SIM卡技術(shù)提出了更高的要求。

1　物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對(duì)SIM卡的需求

和現(xiàn)有普通終端一樣，物聯(lián)網(wǎng)終端也是需要接入現(xiàn)有的GSM/UMTS/LTE網(wǎng)絡(luò)中，但在物聯(lián)網(wǎng)中，其對(duì)終端的SIM卡有特別的要求，主要在于如下方面。

1.1 工藝要求

在物聯(lián)網(wǎng)中，要求SIM卡和終端的結(jié)合度更高、工藝更加緊湊和小型化，而且在汽車(chē)、電梯等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，要具備抗震等要求。另外，其使用年限一般遠(yuǎn)大于現(xiàn)有普通SIM卡。

1.2 數(shù)量要求

根據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，在未來(lái)10年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)將呈現(xiàn)爆炸性發(fā)展，其連接數(shù)的規(guī)模將達(dá)到6億。如此眾多數(shù)量的終端，對(duì)號(hào)碼資源等提出更高的要求。

1.3 遷移便捷

對(duì)于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)終端而言，其設(shè)備安裝的地方比較隱蔽，普通用戶難以接觸，或者需要較高的專業(yè)技能才能拆卸。另外物聯(lián)網(wǎng)終端因?yàn)槁?、業(yè)務(wù)變更等，需要更換簽約業(yè)務(wù)甚至運(yùn)營(yíng)商。此時(shí)如何便捷提供業(yè)務(wù)遷移，就成為一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

2　嵌入式SIM卡技術(shù)的特點(diǎn)及原理

為了促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，提高產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化和互通，全球GSM協(xié)會(huì)（GSMA）聯(lián)合AT＆T、Verizon、沃達(dá)豐等多家大型通信運(yùn)營(yíng)商，以及金雅拓、捷德等SIM制造商，提出“嵌入式SIM卡”（簡(jiǎn)稱eSIM卡）的技術(shù)體系，旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。其特點(diǎn)及原理如下。

2.1 工藝特點(diǎn)

從物理尺寸上講，嵌入式SIM卡也具有8個(gè)觸點(diǎn)，但不同的是，這8個(gè)觸點(diǎn)是需要和物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備進(jìn)行一體化成型的（如焊接），這樣具備抗震、容易生產(chǎn)等功能。此外，嵌入式SIM卡比傳統(tǒng)SIM更為小型化，容易集成。

由于多媒體的出現(xiàn)，傳統(tǒng)教學(xué)方法得到了改革，由“填鴨式”教學(xué)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱l(fā)式和探索式教學(xué)。為此，教師應(yīng)該利用多媒體，將課堂還給學(xué)生，突出學(xué)生的主體性，利用計(jì)算機(jī)的個(gè)別輔導(dǎo)、小組輔導(dǎo)、分組輔導(dǎo)等功能可以將個(gè)別輔導(dǎo)和整體教學(xué)相結(jié)合，做到因材施教，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，多媒體教學(xué)可以了解和掌握小學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程，依此進(jìn)行合理的教學(xué)任務(wù)安排，為學(xué)生留有足夠的自我學(xué)習(xí)時(shí)間。

2.2 嵌入式SIM的工作原理

嵌入式SIM卡內(nèi)存容量較大，包括多套業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，可以存儲(chǔ)多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（但在某一時(shí)刻，只有一套業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是處于激活狀態(tài)，其它為去激活態(tài)），物聯(lián)網(wǎng)用戶可以通過(guò)簽約管理平臺(tái)，進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的下載、激活、去激活、轉(zhuǎn)移等操作。所有業(yè)務(wù)的變更均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成，終端用戶無(wú)需去運(yùn)營(yíng)商的營(yíng)業(yè)廳辦理，增大了業(yè)務(wù)的靈活性。

2.3 簽約管理引入的新功能模塊

嵌入式SIM卡靈活的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)變更，需要相應(yīng)的平臺(tái)或功能去支撐，在GSMA的協(xié)議中，引入2個(gè)功能實(shí)體：SM-DP、SM-SR，其中SM-DP(Subscription ManagerData Preparation），生成并保存用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（包括如IMSI、鑒權(quán)Ki、鑒權(quán)算法等）。SM-SR（Subscription Manager-Secure Routing），負(fù)責(zé)在用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)平臺(tái)和eSIM卡之間建立安全傳送的通道。

圖1　普通SIM卡和eSIM的結(jié)構(gòu)對(duì)比

3　關(guān)鍵問(wèn)題及實(shí)現(xiàn)方案

嵌入式SIM卡適合于M2M的物聯(lián)網(wǎng)通信環(huán)境，在其應(yīng)用過(guò)程中，從終端、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)等3個(gè)角度出發(fā)，其存在的關(guān)鍵問(wèn)題及對(duì)應(yīng)方案如下。

3.1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理

從終端的角度出發(fā)，嵌入式SIM卡實(shí)現(xiàn)了“機(jī)卡合一、卡業(yè)分離”的全新運(yùn)營(yíng)模式。其重點(diǎn)在于將SIM的物理實(shí)體，和其存儲(chǔ)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，并且和物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行一起合并生產(chǎn)。因此，從終端制造的角度出發(fā)，終端和SIM卡模塊可以更有效地結(jié)合和生產(chǎn)，從而給終端的生產(chǎn)帶來(lái)更大的靈活性；從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的角度，可以利用目前主流的“云技術(shù)”，用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在“云端”，更有效實(shí)施管理。

如圖1（左）所示，普通SIM只有一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，只能有一套業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并且不能更改，當(dāng)終端用戶需要變更業(yè)務(wù)，如更換運(yùn)營(yíng)商時(shí)，該SIM失效，而且后續(xù)無(wú)法重新利用，成為“電子垃圾”。

對(duì)于嵌入式SIM而言，其存儲(chǔ)容量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如圖1（右）所示，可以有多套業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)變更其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。這種eSIM卡可以循環(huán)利用。這種方案也體現(xiàn)了“綠色網(wǎng)絡(luò)”的理念和發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 業(yè)務(wù)流程管理

從業(yè)務(wù)角度出發(fā)，嵌入式SIM實(shí)現(xiàn)一種靈活的業(yè)務(wù)管理過(guò)程，包括初始化、業(yè)務(wù)遷移、業(yè)務(wù)變更、業(yè)務(wù)終止等。而這些流程則是通過(guò)SM-DP、SM-SR完成的。

圖2　eSIM卡的數(shù)據(jù)簽約邏輯

如圖2所示，用戶的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存放于SM-DP平臺(tái)中，這些數(shù)據(jù)是運(yùn)營(yíng)商（MNO）傳送到SM-DP平臺(tái)生成，這個(gè)過(guò)程稱簽約數(shù)據(jù)排序（Profile Ordering）；此后，用戶根據(jù)需要從SM-DP平臺(tái)，經(jīng)過(guò)SM-SR進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的下載、變更，這個(gè)過(guò)程稱為簽約數(shù)據(jù)下載及安裝（Profile Download and Installation）。

此外，在SM-DP、SM-SR的具體部署方案上，GSMA尚未明確規(guī)定或建議，由于SM-DP存放用戶數(shù)據(jù)，并且SM-DP和運(yùn)營(yíng)商的接口為私有化，因此SM-DP建議由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)；而SM-SR由于負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的安全傳輸，且在制卡環(huán)節(jié)就需要初始化對(duì)接，因此可以由卡商，或者卡商聯(lián)合運(yùn)營(yíng)商共同負(fù)責(zé)。

3.3 業(yè)務(wù)號(hào)碼管理

從網(wǎng)絡(luò)角度出發(fā)，當(dāng)eSIM卡在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中使用時(shí)，不可避免涉及號(hào)碼的分配問(wèn)題?？紤]到物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)展迅猛，除了傳統(tǒng)意義的汽車(chē)、公共交通等，甚至每人隨身攜帶的消費(fèi)電子產(chǎn)品都有接入物聯(lián)網(wǎng)的需求。這樣對(duì)號(hào)碼資源有很高的需求。如表1所示，是目前通信網(wǎng)常用的用戶標(biāo)示方法。

如表1所示，結(jié)合通信網(wǎng)的特點(diǎn)，及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，建議以IMSI和IPv6為首選用戶標(biāo)示。對(duì)于MSISDN、IPv4則不建議考慮。但是另一方面，考慮到運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)大多都是依據(jù)MSISDN進(jìn)行索引，因此建議分成兩個(gè)步驟。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期，物聯(lián)網(wǎng)用戶的號(hào)碼和普通移動(dòng)終端用戶一樣，分配IMSI、MSISDN。目前電信的物聯(lián)號(hào)碼段為10649、移動(dòng)為10648、聯(lián)通為10646，這些號(hào)碼和現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)保持兼容，網(wǎng)絡(luò)無(wú)需升級(jí)改造即可支持。

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的高峰期，MSISDN容量緊張，此時(shí)有兩個(gè)方案：方案1是號(hào)碼擴(kuò)容，根據(jù)ITU和CCITT國(guó)際化組織的規(guī)定，MSISDN遵從E.164的編號(hào)計(jì)劃，最長(zhǎng)為15 bit（含國(guó)家碼86，目前我國(guó)MSISDN總長(zhǎng)度為13 bit），因此可以擴(kuò)展到15 bit，號(hào)碼容量可以擴(kuò)容10～100倍（存在預(yù)留、不均衡分配等損耗情況）。但是缺點(diǎn)是全網(wǎng)的電信設(shè)備需要升級(jí)。同時(shí)因?yàn)樯唬瑫?huì)對(duì)用戶的生活習(xí)慣產(chǎn)生一定影響，因此該方案并非最佳選擇。方案2是考慮用IPv6代替MSISDN，真正實(shí)現(xiàn)每個(gè)終端都一個(gè)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別號(hào)。在核心網(wǎng)側(cè)，用IPv6進(jìn)行路由，在無(wú)線空口側(cè)，仍然采用IMSI對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端的尋呼。這種IPv6+IMSI的號(hào)碼分配方案，對(duì)網(wǎng)絡(luò)、用戶的影響最小，同時(shí)也能解決號(hào)碼資源問(wèn)題，是一種優(yōu)化的解決方案。

表1　通信網(wǎng)常見(jiàn)的用戶標(biāo)示方法及容量分析

4　結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)信息社會(huì)發(fā)展的重要方向，其中SIM卡模塊是物聯(lián)網(wǎng)終端的重要組成部分，采用嵌入式SIM卡，靈活進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理，并且針對(duì)終端號(hào)碼的分配，采用以IPv6+IMSI的主導(dǎo)模式，滿足物聯(lián)網(wǎng)中長(zhǎng)期的發(fā)展需求，確保物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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The embedded SIM and key issue of applying in Internet of things

HUANG Yao-Jun, NIE Yong-xia, TANG Juan-juan
(China Mobile Group Guangdong Co., Ltd. Shenzhen Branch, Shenzhen 518048, China)

AbstractThe demand for SIM in Internet of things is analysed fi rstly. Then the theory and character of embedded SIM technology is described. The emphasis is put on the working mode of combining of terminal device and SIM hardware, separating of SIM hardware and its date. The scheme of numbering in Internet of things is also discussed.

KeywordsInternet of things; embedded SIM; subscription data; IPv6; IMSI

收稿日期：2015-11-18

中圖分類號(hào)TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1008-5599（2016）02-0031-04