提升5G USIM 卡文件更新次数的方法实现

黄健，黄健文，李俊磊

（中国电信股份有限公司广东电信研究院，广州510630）

0 引言

在5G 移动通信系统中，根据TS131.102 5G 规范要求，当用户终端在5G 系统中出现位置变化时，要求终端更新5G 通信智能卡内的位置信息等选网文件[1]。由于5G 系统采用微型基站方式进行覆盖，基站覆盖范围距离较短，大约为200-1000 米，导致位置信息文件更新频率相对于4G 来说更高，因此5G 系统对通信智能卡中位置信息等高频次更新文件有更高的更新次数要求。

5G 系统中目前应用在手机端的通信智能卡芯片存储介质主要为Flash。手机终端使用的通信智能卡Flash 擦写次数寿命为10 万次，在工业级、车规级物联网卡使用的Flash 擦写次数为50 万次。

提升5G 系统中普通手机终端USIM 卡高频次更新文件更新次数寿命的方法有两种。第一种方法，可采用工业级、车规级芯片的Flash 存储介质，在物理电气特性方面提升存储介质更新次数。第二种方法，在现有芯片存储介质10 万次更新次数现状下，将位置信息等高频次更新文件的更新次数要求，分散到更多的存储区域进行更新，从而提升高频次更新文件的更新次数寿命。两种方法均可大幅度提高通信卡的文件擦写次数；第一种方法将大幅提升5G 通信智能卡采购成本；对于5G 通信卡来说，不是所有文件都需要进行高频次更新，因此采用第二种方法可在不提高运营成本的情况下，解决擦写次数寿命问题。

1 文件系统架构

在USIM 卡文件系统中包括MF、DF/ADF、EF 等3种类型文件。MF 是整个文件系统的入口，是文件系统的根文件[2]。DF/ADF 是MF 下的目录文件，DF/ADF 下可创建下一级子目录文件。EF 文件是卡文件系统的基本文件，在目录文件MF/DF/ADF 下，用于存储具体的文件内容；EF 文件主要分为透明文件和记录文件两种结构类型。MF、DF/ADF、EF 文件由文件头和文件体两部分构成，文件头根据ISO-7816-4 规范要求采用TLV 结构的FCP 文件控制模板记录文件头，通常包括文件类型、大小、权限等。

2 高频次更新文件更新寿命优化设计

在现有智能卡Flash 更新次数寿命有限，传统文件设计方式，文件的更新次数寿命完全依赖于Flash 的擦写次数。本文通过优化文件头模板设计、备份文件映射关联分散更新方式实现对文件更新次数寿命的提升。主要包括EF 文件头FCP 模板设计、备份文件关联链表设计、文件映射过程、文件更新过程等。

2.1 EF文件头FCP模板

优化设计方法通过在EF 文件头中增加新的文件更新次数TLV 结构，标签为F0，长度为2 个字节，用于标识该文件为高频次更新文件，并记录该文件当前更新次数，标记为EN。EF 文件控制模板FCP 表1 所示。

表1 EF 文件FCP 控制模板

2.2 文件系统创建

假设EFA 文件为需要高频次更新的文件，要求支持的更新次数为50 万次，卡芯片存储介质擦写次数为10 万次，则至少应为EFA 文件创建4 个备份文件EFA1-EFA4。备份文件与EFA 文件使用相同的大小、读写权限、更新次数记录等相同的文件结构。

2.3 备份文件映射关联链表创建

EFA 与备份文件映射关联链表，记录EFA 与备份文件的关联关系。通过映射关联链表可检索EFA 的所有备份文件，并可从备份文件的文件控制模板FCP中的F0 标签获取当前备份文件的更新次数。映射关联链表如表2 所示。

表2 映射关联链表

2.4 文件映射过程

在外部触发的文件系统写过程中，当文件的写入次数超过预设文件写入次数上限EM 值时触发文件映射关联过程，包括：在映射关联列表中查询基本文件EFA 的所有备份文件；通过备份文件FCP 模板找到最小写入次数的备份文件，标记为EFmin；将EFA 的当前文件值内容备份至EFmin 中，交换EFA 与EFmin 的文件ID，将EFmin 的文件存储区域映射为EFA。文件映射过程如图1 所示。文件映射过程主要步骤如下：①在卡文件系统中找到EFA 文件的关联映射链表，标记为EFA_List；②在EFA_List 中通过各备份文件文件FCP 模板F0 标签找到写入次数最小的EFmin 文件；③如果EFmin 文件写入次数已经达到预设EM，则卡EFA 文件映射失败；④将EFA 文件内容拷贝至EFmin备份文件；⑤在文件系统中的，将EFA、EFmin 文件ID交换。当完成映射后的新EFA 后续写入次数达到EM更新次数上限值时，继续按照本流程进行下一个EFmin 文件查找映射，直至所有EFA1…EFAn 的更新次数均达到EM 值。

图1 映射关联链流程

2.5 文件更新过程

EFA 文件更新过程，依赖于卡外实体发送文件选择指令0X A4、更新二进制文件指令0X D6 或更新记录文件0X DC 等指令组合实现对卡所有EF 文件内容进行更新[3]。更新流程如图2 所示。更新过程步骤如下：①卡外实体通过0X A4 指令选择卡文件系统内EFA 文件；②卡外实体通过0X DC 或0X D6 指令触发更新EFA 文件；③卡文件系统通过EFA 文件FCP F0标签判断文件是否为高频次更新文件；④如果EFA 文件不是高频次更新文件，则卡文件系统直接对文件内容进行更新；⑤如果EFA 文件为高频次更新文件，并且文件当前更新次数EN 值未超过文件EM 上限，则直接更新文件内容，文件当前更新次数EN+1；⑥如果EFA 文件当前更新参数EN>=EM，则触发文件映射过程进行文件映射；⑦卡文件系统对完成文件映射后的EFA 文件进行更新，映射后的EFA 更新次数EN+1。

2.6 小结

在4G、5G 移动通信系统中使用的USIM 卡内，按照国际标准要求不是所有的文件都需要进行高频次的更新，只有位置信息等文件才需进行高频次更新，其余文件只有在生产制卡时进行一次更新。本文优化设计方法，通过FCP 控制模板、文件映射链表的设计创新，将一个更新次数较高要求的文件，分散映射到多个文件存储区进行更新，从而在保证文件内容正确的前提下，成倍提升小部分文件的更新寿命。

3 结语

文件映射方式提升卡文件更新次数方法，可在文件逻辑上提升文件的更新次数，在高频次更新文件较少的情况，使用较小的芯片资源开销，即可成倍提升文件更新寿命。使用此方法在文件系统创建时，需要明确哪些文件是高频次更新文件及根据该文件的读写次数预期，创建相应的备份文件。当卡内文件大多数为高频次更新文件时，使用此方法的资源开销较大，不适合使用此方法。

图2 文件更新过程图