嵌入式SIM卡技术在物联网应用中的关键问题分析

黄耀军，聂永霞，汤娟娟（中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司，深圳 518048）



嵌入式SIM卡技术在物联网应用中的关键问题分析

黄耀军，聂永霞，汤娟娟
（中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司，深圳 518048）

摘 要首先分析了物联网对SIM卡的需求，介绍了嵌入式SIM的原理及特点，重点分析了“机卡合一、卡业分离”的工作模式，讨论了物联网号码分配的方案。

关键词物联网；嵌入式SIM卡；签约数据；IPv6；国际移动用户识别码

物联网是信息时代的重要发展阶段，也是关系民生的重要内容。在“机器到机器”（简称M2M）的物联网系统中，作为终端标示的SIM卡，扮演重要的角色。同时，物联网的迅猛发展，也对SIM卡技术提出了更高的要求。

1　物联网发展对SIM卡的需求

和现有普通终端一样，物联网终端也是需要接入现有的GSM/UMTS/LTE网络中，但在物联网中，其对终端的SIM卡有特别的要求，主要在于如下方面。

1.1 工艺要求

在物联网中，要求SIM卡和终端的结合度更高、工艺更加紧凑和小型化，而且在汽车、电梯等物联网设备中，要具备抗震等要求。另外，其使用年限一般远大于现有普通SIM卡。

1.2 数量要求

根据专业机构预测，在未来10年内，物联网将呈现爆炸性发展，其连接数的规模将达到6亿。如此众多数量的终端，对号码资源等提出更高的要求。

1.3 迁移便捷

对于大多数物联网终端而言，其设备安装的地方比较隐蔽，普通用户难以接触，或者需要较高的专业技能才能拆卸。另外物联网终端因为漫游、业务变更等，需要更换签约业务甚至运营商。此时如何便捷提供业务迁移，就成为一个需要解决的问题。

2　嵌入式SIM卡技术的特点及原理

为了促进物联网的发展，提高产业的标准化和互通，全球GSM协会（GSMA）联合AT＆T、Verizon、沃达丰等多家大型通信运营商，以及金雅拓、捷德等SIM制造商，提出“嵌入式SIM卡”（简称eSIM卡）的技术体系，旨在满足物联网的发展需求。其特点及原理如下。

2.1 工艺特点

从物理尺寸上讲，嵌入式SIM卡也具有8个触点，但不同的是，这8个触点是需要和物联网终端设备进行一体化成型的（如焊接），这样具备抗震、容易生产等功能。此外，嵌入式SIM卡比传统SIM更为小型化，容易集成。

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2.2 嵌入式SIM的工作原理

嵌入式SIM卡内存容量较大，包括多套业务数据存储区，可以存储多个业务数据（但在某一时刻，只有一套业务数据是处于激活状态，其它为去激活态），物联网用户可以通过签约管理平台，进行业务数据的下载、激活、去激活、转移等操作。所有业务的变更均通过网络完成，终端用户无需去运营商的营业厅办理，增大了业务的灵活性。

2.3 签约管理引入的新功能模块

嵌入式SIM卡灵活的业务数据变更，需要相应的平台或功能去支撑，在GSMA的协议中，引入2个功能实体：SM-DP、SM-SR，其中SM-DP(Subscription ManagerData Preparation），生成并保存用户的业务数据（包括如IMSI、鉴权Ki、鉴权算法等）。SM-SR（Subscription Manager-Secure Routing），负责在用户业务数据平台和eSIM卡之间建立安全传送的通道。

图1　普通SIM卡和eSIM的结构对比

3　关键问题及实现方案

嵌入式SIM卡适合于M2M的物联网通信环境，在其应用过程中，从终端、网络、业务等3个角度出发，其存在的关键问题及对应方案如下。

3.1 业务数据管理

从终端的角度出发，嵌入式SIM卡实现了“机卡合一、卡业分离”的全新运营模式。其重点在于将SIM的物理实体，和其存储的业务数据进行分离，并且和物联网终端进行一起合并生产。因此，从终端制造的角度出发，终端和SIM卡模块可以更有效地结合和生产，从而给终端的生产带来更大的灵活性；从业务数据的角度，可以利用目前主流的“云技术”，用户的业务数据存储在“云端”，更有效实施管理。

如图1（左）所示，普通SIM只有一个数据存储区，只能有一套业务数据并且不能更改，当终端用户需要变更业务，如更换运营商时，该SIM失效，而且后续无法重新利用，成为“电子垃圾”。

对于嵌入式SIM而言，其存储容量和结构发生变化，如图1（右）所示，可以有多套业务数据存储区，用户可以通过网络随时变更其业务数据。这种eSIM卡可以循环利用。这种方案也体现了“绿色网络”的理念和发展趋势。

3.2 业务流程管理

从业务角度出发，嵌入式SIM实现一种灵活的业务管理过程，包括初始化、业务迁移、业务变更、业务终止等。而这些流程则是通过SM-DP、SM-SR完成的。

图2　eSIM卡的数据签约逻辑

如图2所示，用户的业务数据存放于SM-DP平台中，这些数据是运营商（MNO）传送到SM-DP平台生成，这个过程称签约数据排序（Profile Ordering）；此后，用户根据需要从SM-DP平台，经过SM-SR进行业务数据的下载、变更，这个过程称为签约数据下载及安装（Profile Download and Installation）。

此外，在SM-DP、SM-SR的具体部署方案上，GSMA尚未明确规定或建议，由于SM-DP存放用户数据，并且SM-DP和运营商的接口为私有化，因此SM-DP建议由运营商负责；而SM-SR由于负责数据的安全传输，且在制卡环节就需要初始化对接，因此可以由卡商，或者卡商联合运营商共同负责。

3.3 业务号码管理

从网络角度出发，当eSIM卡在移动通信网络中使用时，不可避免涉及号码的分配问题。考虑到物联网终端发展迅猛，除了传统意义的汽车、公共交通等，甚至每人随身携带的消费电子产品都有接入物联网的需求。这样对号码资源有很高的需求。如表1所示，是目前通信网常用的用户标示方法。

如表1所示，结合通信网的特点，及物联网的发展，建议以IMSI和IPv6为首选用户标示。对于MSISDN、IPv4则不建议考虑。但是另一方面，考虑到运营商的业务支撑系统大多都是依据MSISDN进行索引，因此建议分成两个步骤。

物联网发展初期，物联网用户的号码和普通移动终端用户一样，分配IMSI、MSISDN。目前电信的物联号码段为10649、移动为10648、联通为10646，这些号码和现有通信网络保持兼容，网络无需升级改造即可支持。

在物联网发展的高峰期，MSISDN容量紧张，此时有两个方案：方案1是号码扩容，根据ITU和CCITT国际化组织的规定，MSISDN遵从E.164的编号计划，最长为15 bit（含国家码86，目前我国MSISDN总长度为13 bit），因此可以扩展到15 bit，号码容量可以扩容10～100倍（存在预留、不均衡分配等损耗情况）。但是缺点是全网的电信设备需要升级。同时因为升位，会对用户的生活习惯产生一定影响，因此该方案并非最佳选择。方案2是考虑用IPv6代替MSISDN，真正实现每个终端都一个网络识别号。在核心网侧，用IPv6进行路由，在无线空口侧，仍然采用IMSI对物联网终端的寻呼。这种IPv6+IMSI的号码分配方案，对网络、用户的影响最小，同时也能解决号码资源问题，是一种优化的解决方案。

表1　通信网常见的用户标示方法及容量分析

4　结论

物联网是未来信息社会发展的重要方向，其中SIM卡模块是物联网终端的重要组成部分，采用嵌入式SIM卡，灵活进行相应数据和业务管理，并且针对终端号码的分配，采用以IPv6+IMSI的主导模式，满足物联网中长期的发展需求，确保物联网的蓬勃发展。

参考文献

[1] Embedded SIM Remote Provisioning Architecture: Version 1.1[S/OL]. [2013-12-7]. http://www.gsma.com/connectedliving/wp-content/ uploads/2014/01/1.-GSMA-Embedded-SIM-Remote-Provisioning-Architecture-Version-1.1.pdf.

[2] SAS Methodology for Subscription Manager Roles: Version 1.0[S/ OL]. [2014-10-13]. http://www.gsma.com/connectedliving/wpcontent/uploads/2014/10/SGP-07-GSMA-SAS-Standard-for-Subscription-Manager-Roles1.pdf.

[3] 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(05).

[4] 张冰, 刘骞. 嵌入式SIM卡技术及物联网应用探讨[J]. 邮电设计技术，2011(07).

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

中图分类号TN915

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）02-0031-04