嵌入式SIM卡标准化进程与远程管理技术研究

2014-08-08周代卫周宇孙向前

移动通信 2014年9期

周代卫+周宇+孙向前

【摘要】嵌入式SIM卡作为移动通信系统中用户身份识别的最新应用形式，对安全保障和远程配置管理等机制提出了更高的要求，现已广泛应用于物联网等领域。针对嵌入式SIM卡，首先介绍了其实现机制和技术分类；接着分析了国内、国际标准制订现状；随后讨论了eSIM应用场景分类；最后重点研究了其远程配置管理系统的架构与各逻辑实体的功能，并提出了一种部署实施参考方案。

【关键词】嵌入式SIM标准化应用场景远程配置管理

中图分类号：TN929.53文献标识码：A文章编号：1006-1010(2014)-09-0042-06

1 引言

目前在移动通信系统中普遍使用2FF、3FF和4FF类型的SIM、USIM卡，这几种卡除了在尺寸上的不同外其实并没有显著的技术变革，因为它们在电气特性、文件结构和业务功能上都是兼容和互通的。为进一步拓展智能卡应用领域，减小终端设备体积，适应更复杂更苛刻的外部环境，维持更长使用寿命和数据保存周期，嵌入式SIM/UICC卡（eSIM/eUICC，Embedded SIM/UICC）应运而生。

嵌入式SIM有别于软SIM或虚拟SIM这种通过纯软件方式实现的可动态加载SIM功能的模块，嵌式SIM卡是在传统SIM卡基础上通过对智能卡软硬件以及相关支撑平台的升级而实现的固定在终端设备内部的用户身份识别模块。这种eSIM卡可适应更为恶劣的使用环境、更严格的物理电气特性要求、更频繁的读写操作，具备更小的体积、更长的数据保存周期、更耐磨损的物理连接、更低的功耗、更安全的远程管理机制和更灵活的升级技术。

作为eSIM卡应用的典型代表，在物联网M2M领域使用的MFF1、MFF2卡在智能卡芯片、封装形态、电气特性、环境适应性、内存管理、安全机制等方面都作了相应的改进和升级，在号码分配、生产发行、入网管理等方面也有别于现有管理模式，同时在卡接口和通信协议流程等方面也分别作了优化与改进以适应物联网业务应用的特点。

eSIM不仅仅局限于物联网业务领域，随着相关技术的发展和标准的逐步完善，其应用范围可拓展至更广阔的通信领域，甚至可以拓展到个人通信中。而原有的SIM卡发行模式、号码资源分配机制、用户合约管理系统等都将被颠覆，卡商、运营商、芯片厂商和终端厂商之间的产业关系与业务支撑体系也将发生重大变革，相应的监管手段和策略也需要做出适当调整。本文就eSIM技术实现方式、标准制定现状、应用场景及远程配置管理等方面作了相应的分析和研究。

2 技术实现方式

纵观eSIM技术的发展历程，其实现方式大致可分为如下三个阶段：

（1）纯物理硬件上实现的嵌入式SIM而不改变现有的SIM卡业务体系；

（2）硬件上实现嵌入式，软件上可实现基本远程管理（包括远程激活、去激活、业务变更、业务迁移等）的eSIM；

（3）可实现运营商切换和配置（Profile）动态加载等功能的eSIM。

目前，物联网终端中广泛使用的嵌入式SIM仍处于第一阶段，其通过码号预置的方式批量下发给终端厂商，再由终端厂商交付给最终客户使用，在使用过程中用户签约信息和运营商信息等不可变更，如通用汽车安吉星（OnStar）、丰田汽车G-Book、智能电表等典型应用案例。

为了避免号码资源的浪费和SIM被改作它用，以及从用户资费变更等现实需求的角度考虑，第二阶段的实现方式基本能涵盖eSIM的一般使用场景。而相关技术标准也在逐步制订和完善中，各大运营商和卡商也正在研究和开发远程配置管理方案，目前尚处于产业探索阶段，并有小规模的试用，如无线税控机、金雅拓订购管理平台等。

第三阶段的运营商切换和配置动态加载平台的构建是各标准组织制定eSIM技术标准的主要研究内容和难点之一，由于涉及到各运营商的切实利益，特别是在标准组织中话语权较大的国际电信运营商，因此在标准的制订过程中阻力较大。在ETSI、GSMA制定eSIM技术标准过程中促使运营商切换功能得以实现的主要为欧洲运营商，其主要原因是欧洲国家较多，一些运营商网络覆盖范围有限，从而导致用户切换运营商的需求较为强烈。而国内三家运营商均已形成覆盖全国的移动网络，且网络制式上各不相同，用户切换运营商的需求相对较弱。

3 标准化进程

围绕着eSIM/eUICC技术的标准化，欧洲通信标准化协会ETSI、GSMA、3GPP、3GPP2、全球平台（GlobalPlatform）等国际标准组织自2010年起就对这一技术有所探讨或研究。其中GSMA主要从业务应用场景和系统架构的角度提出指导性需求规范，ETSI则从详细的技术需求和具体实现方式等方面做进一步的研究和规范，而3GPP、3GPP2则对eSIM技术讨论较少，主要还是局限在M2M或MTC等领域。

由运营商主导的GSMA在2011年成立了GSMA Embedded SIM Task Force工作组，主要成员包括AT&T、中国移动、中国联通、德国电信、法国电信、日本都可摩、意大利电信、西班牙电信、挪威电信、沃达丰、金雅拓、捷德、欧贝特和法国赛峰。该工作组于同年2月起草了eSIM需求白皮书《Embedded SIM Task Force Requirements and Use Cases 1.0》，并将其提交给ETSI SCP（智能卡平台技术委员会），请求ETSI SCP评估GSMA对嵌入式UICC的需求和相应实现机制，并开展技术性研究工作。ETSI SCP随后正式批准此工作立项并制定了一篇新的需求规范TS 103.383《Smart Cards; Embedded UICC; Requirements Specification》，它从通用智能卡的角度分析了嵌入式UICC的使用场景和技术需求，这篇技术规范也是目前业内普遍引用和参考的eSIM基础规范之一。

在GSMA和ETSI将相关需求以联络函的形式提交给3GPP和3GPP2后，3GPP SA1、SA3和3GPP2 TSG-SX等工作组仍主要从M2M或MTC的角度来制定相关的安全要素、可信环境、远程管理框架等宏观体系，而CT6等工作组并未正式开展eSIM相关技术的立项和具体研究。

国内中国通信标准化协会CCSA物联网（TC10）和网络与信息安全（TC8）工作组在2013年也就eSIM及远程管理系统的研究完成立项。TC10的主要研究内容分为两部分：物联网领域支持远程管理的嵌入式通用集成电路卡（eUICC）技术要求和物联网领域远程管理整体技术要求；TC8主要研究内容为嵌入式通用集成电路卡（eUICC）及远程管理安全技术要求。

为进一步研究eSIM技术实现方法，在2013年4月17日ETSI SCP第59次会议上，由西班牙Valid Solutions Technologies提出了新的立项申请《WID: Smart Cards; Embedded UICC; Physical, Logical and Electrical Characteristics》，该立项将从如下方面制定具体的可实施性的指导规范：

（1）eSIM架构以及与远程配置管理系统的关系；

（2）eSIM与终端设备的物理、逻辑接口和电气特性；

（3）配置文件的结构；

（4）数据传输协议；

endprint

（5）eSIM和配置文件的标示；

（6）配置的创建、加载、安装、激活、去激活和文件删除的鲁棒处理流程；

（7）涵盖认证、鉴权、加密和完整性保护的管理与操作，以及防欺骗、重放攻击和配置克隆处理等方面的完整安全机制；

（8）加载、安装和管理配置文件所用的数字证书；

（9）数字证书的管理流程；

（10）政策执行实体的功能。

为明确eSIM远程配置管理的需求和系统架构，2013年7月GSMA撰写了《Embedded SIM Remote Provisioning Architecture》V1.0和《Remote Provisioning Architecture for Embedded UICC》V1.43，并于2013年12月将前者更新至V1.1版，同时制定了详细的技术规范《Remote Provisioning Architecture for Embedded UICC Technical Specification》V1.0。这几篇文档从系统架构、安全模型、传输协议、消息构成、接口要求等方面作了详细的定义和规范，成为eSIM最为核心的远程配置管理系统实施指导规范，而相应的认证测试规范预期将在2014年到2015年发布。

4 应用场景

eSIM卡技术能广泛应用在移动终端、智能家居、智能电网、车联网、远程计量监测、健康医疗、交通物流、移动支付、远程教育和位置跟踪等方面。从技术标准的角度分析，虽然这些应用种类繁多且形态各异，然而它们都有着相似的技术基础和业务要求。为逐步理清这些业务应用的共性需求，从而制订完备的系统架构和技术要求，ETSI将eSIM技术的各种应用场景（Use Case）分为如下几类：

（1）物联网领域批量eSIM卡发行：服务提供商同时为大量的终端设备选择指定的电信运营商，终端设备提供的业务应用和业务模式可能各不相同，如：

1）公用计量（Utility Meters）：通过eSIM可实现对水、电、气等业务的计量和计费；

2）安全监控（Security Camera）：业务提供商可实现自动记录和保存监控视频，并随时随地为用户提供监控资料，使用户在覆盖区域变化时或者业务供应商变更时仍能无缝衔接；

3）车联网（Telematics）：终端设备可集成多家服务提供商的技术和服务，借助移动通信网将多种数据收集并反馈给供应商，如语音通信、地理位置信息、路况信息、车辆诊断状况、驾乘人员状态等多种资讯，可实现跨国跨地区的服务，而不再局限于一国之内，或者仅提供单一的服务。

（2）新设备业务合约的提供：对用户新购含eSIM的终端设备，用户可通过多种零售渠道或在线选择移动运营商并激活业务。

1）单个用户的业务提供：单个用户可自行选择移动运营商；

2）集团用户的业务提供：集团选择移动运营商并为集团内用户提供服务。

（3）业务合约的变更：对已激活的用户终端设备无需换卡即可变更移动运营商。

1）单个用户的业务变更：单个用户可自行切换移动运营商；

2）集团用户的业务变更：集团更换移动运营商并重新为集团内用户提供服务。

（4）签约管理-安全路径（SM-SR，Subscription Manager-Secure Routing）的变更：终端设备商向卡商订购eSIM卡时已预置了与SM-SR Y相关联的业务管理安全证书，提供通信服务的移动运营商需要使用另外的SM-SR Z，而SM-SR Z需要必要的数据来管理eSIM，如安全证书、eSIM卡特性、旧的SM-SR等，此时SM-SR Z和SM-SR Y需要通过切换来变更当前的安全路径。

虽然以上分类与GSMA《Embedded SIM Remote Provisioning Architecture》中定义的应用场景略有不同，但都完整涵盖了eSIM技术的基本业务范畴，GSMA偏重于业务与应用的角度，而ETSI更多地从技术分析和实现的角度来分类。

5 远程配置管理

eSIM卡不只是一种新的通用集成电路卡形态，它与以往其他类型的SIM卡最大的不同在于其对现行SIM卡使用周期的变革，以及与之相匹配的远程配置管理系统架构上的创新。图1展示了传统SIM卡与嵌入式SIM卡在使用方式和生命周期上的对比：

图1传统SIM卡与eSIM卡生命周期对比

而对于eSIM的远程配置管理系统，在业务体系方面，其SIM发行模式、系统架构、安全保障、业务支撑等机制均需做出相应的变革和调整；在管理功能方面，其终端管理、号码分配管理、用户签约管理、专属定制管理、安全管理等功能都有新的要求。其远程配置管理系统架构如图2所示：

图2eSIM卡远程配置管理系统架构图

该配置管理系统架构中各实体的功能如表1所示：

表1eSIM配置管理系统各实体功能分类

功能 MNO SM-DP SM-SR eSIM

数据准备通用配置的创建 √

配置的预订 √

定制化数据的生成 √ √

配置的定制化 √

配置管理

平台管理 eSIM的适用性验证 √ √ √

配置的下载和安装 √

配置参数的更新 √

策略的更新 √

ISD-P的创建 √

ISD-P的删除 √

主文件的删除 √

配置的启用 √

配置的关闭 √

回退参数的设置 √

数据传输 √

策略的执行 √ √

eSIM管理 eSIM的注册 √

SM-SR的变更 √

eSIM功能回退功能 √

注：ISD-P即Issuer Security Domain Profile，证书发行方安全域配置。

在这种新的远程配置管理模式下，用户签约管理（Subscription Management）将是最基本、最核心的功能之一，其将直接影响到eSIM的远程激活与配置切换等基本功能的实现，也在一定程度上决定着其他管理功能的运行。而签约管理则由两个逻辑实体（Entity）组成：SM-DP（Subscription Manager-Data Preparation）和SM-SR（Subscription Manager Secure Routing）。其中，SM-DP主要负责嵌入式SIM卡远程配置数据的安全生成和管理，SM-SR主要负责嵌入式SIM卡远程配置数据的安全路由和传输。

在该系统架构下，为实现对eSIM的远程激活与配置切换等机制，同时借助上述各逻辑实体的功能，可以构建如图3所示的部署架构，在该实现方案中可以实现用户远程激活过程中的配置创建和运营商切换中的配置定制、下载和安装，以及业务预订等功能。

图3eSIM配置管理系统实施部署图

在该图中，配置文件创建时，MNO以当前广泛使用的word、excel、pdf或者xml等格式发送给SM-DP生成通用基本配置；而在专属定制化时，MNO则结合用户IMSI、TMSI等标示信息输出定制数据，最终均通过SM-SR来下发至eSIM上安装和激活。

endprint

6 结束语

不同于软SIM或虚拟SIM卡等纯软件的实现方式，eSIM在个人数据的安全防护和业务灵活性等方面提出了更高要求。借助于创新的硬件架构和升级的软件系统，eSIM更能适应和满足用户提出的远程激活和运营商变更等弹性化配置需求，未来也将广泛应用于物联网、车联网、可穿戴设备、智能家居、健康医疗、智能计量和移动支付等行业。

而随着GSMA、ETSI、CCSA、3GPP和GlobalPlatform等国际标准化组织对eSIM技术的深入探索与研究，eSIM的业务体系架构和安全可信环境等宏观要素已逐步清晰和明确，而具体技术细节和标准规范也在逐步制订与完善中。同时国内各大运营商和科研结构也都在积极参与标准的讨论与制订，密切关注相关技术发展趋势和标准制订进程，确保技术标准的同步制订和业务应用的稳步推进。

伴随着eSIM技术的前瞻性试验和探索性应用，目前技术实施的第二阶段已基本实现，远程激活、去激活与业务变更等基本配置管理功能得以验证与实施。而第三阶段的技术方案将对一些运营商的现实利益带来负面影响，灵活的运营商切换和变更可能导致用户的分流、运营收入的降低和系统建设成本的提高，因此这一阶段的实施难免面临着一些挑战与阻力。然而，该技术需求作为eSIM卡技术的最大优势与特点，相信在经过运营商、卡商、终端厂商、芯片商和政府监管机构的多方探讨与沟通后，最终必将以合理可行的方案得以实现，同时切实满足终端用户的客观需求。

参考文献：

[1] ETSI TS 102 671 V9.1.0 Smart Cards; Machine to Machine UICC; Physical and logical characteristics[S]. 2011.

[2] ETSI TS 103 383 V12.2.0 Smart Cards; Embedded UICC; Requirements Specification[S]. 2013.

[3] ETSI Tdoc SCP(11)0146r1 Use cases and requirements related to Embedded UICCs[S]. 2011.

[4] ETSI Tdoc SCP(13)0000100r1 Smart Cards; Embedded UICC; Physical, Logical, and Electrical Characteristics[S]. 2013.

[5] 3GPP TR 33.812 V9.2.0 Technical Specification Group Services and System Aspects; Feasibility study on the security aspects of remote provisioning and change of subscription for Machine to Machine(M2M) equipment[S]. 2010.

[6] GSMA White Paper: Embedded SIM Task Force Requirements and Use Cases 1.0[R]. 2011.

[7] GSMA White Paper: Embedded SIM Remote Provisioning Architecture Version 1.1[R]. 2013.

[8] GSMA White Paper: Remote Provisioning Architecture for Embedded UICC Version 1.43[R]. 2013.

[9] GSMA White Paper: Remote Provisioning Architecture for Embedded UICC Technical Specification Version 1.0[R]. 2013.

[10] 姚海鹏,张智江,刘韵洁. 物联网嵌入式SIM卡技术初探[J]. 信息通信技术, 2012(5): 52-55.

[11] 杜志敏. 嵌入式UICC及其远程管理技术[J]. 信息通信技术, 2012(4): 48-51.★

作者简介

周代卫：学士毕业于北京邮电大学通信工程专业，现就职于工业和信息化部电信研究院泰尔终端实验室，主要从事2G/3G/LTE和UICC测试技术和标准的研究工作。

周宇：硕士毕业于北京邮电大学电信工程学院，现就职于工业和信息化部电信研究院，主要从事电信领域前沿技术研究工作。

孙向前：硕士毕业于北京邮电大学通信工程专业，现任工业和信息化部电信研究院泰尔终端实验室国际认证部主任，主要从事2G/3G/LTE/UICC认证测试管理与研究工作。

中国移动TD-LTE二期招标落幕：份额加速向中兴华为集中

据业内人士透露，备受关注的中国移动TD-LTE二期无线主设备招标已于日前结束，九家参与投标的企业都有所斩获，但却是苦乐不均。

从初步确定的份额比例来看，中兴和华为继续稳居第一阵营，份额较TD-LTE一期有着明显的增长，两家的份额都超过30%；以爱立信、诺基亚网络、上海贝尔和大唐移动为代表的第二阵营份额都较一期出现了明显下滑，都不足10%；而由新邮通、烽火和普天组成的第三梯队，份额也有所下滑，高者也不超过2%。

在今年2月份，中国移动正式启动了TD-LTE二期招标，计划将在31个省、市、自治区进行TD-LTE无线设备勘察、设计采购，数量约为26.6万个基站，其中新建16.5万站，升级10.1万站，升级约占38%。

按照中国移动的整体规划，将利用三年时间在全国建设50万个TD-LTE基站。在去年，中国移动进行了TD-LTE一期共计20.7万个基站的集采与部署，再加上之前的16城市TD-LTE扩大规模试验集采部署，最终50万个基站的保有量将基本完成城市以及重点乡镇的全面覆盖。

从目前的情况来看，华为和中兴已经牢牢占据了国内4G设备第一阵营，开始逐渐形成双寡头的格局。但有业内人士指出，这种格局对于行业后续发展却是有利有弊。

首先，经过两期招标，外资企业的占比在逐渐下降，开始挫伤其在TD-LTE上的信心和投入。其次，对于TD-LTE二期这样的“大标”而言，已经超出了纯粹商业活动的范畴，上升到了政治高度。而对于国内的中型设备厂商，他们在TD-LTE上投入的力度并不小，也进行了很多技术和产品方面的创新，但现在却没有得到合理的回报。对于中国移动而言，这的确是个艰难的选择，但也是一个更需谨慎的选择。（C114中国通信网）