２Ｇ／３Ｇ共存時(shí)期終端與智能卡的兼容性分析

郭　達(dá)　張　尼　顧旻霞　張智江

[摘要]文章首先從2G與3G的認(rèn)證鑒權(quán)的不同入手，分析了2G、3G智能卡對(duì)認(rèn)證鑒權(quán)方式的支持，接下來分析了2G和3G終端各個(gè)版本與智能卡的兼容性，并對(duì)運(yùn)營商提出建議。

[關(guān)鍵詞]2G3GSIM卡USIM卡手機(jī)終端兼容性

1引言

3G牌照的發(fā)放，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入3G時(shí)代。從宏觀角度看，中國電信市場二元結(jié)構(gòu)非常明顯：一方面，3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，3G網(wǎng)絡(luò)可能只限于城區(qū)的連續(xù)覆蓋；另一方面，2G網(wǎng)絡(luò)資源及完善的覆蓋標(biāo)志著中國2G和3G網(wǎng)絡(luò)將在很長時(shí)期內(nèi)共同發(fā)展，互為補(bǔ)充，以滿足不同的市場需求、用戶質(zhì)量要求，以及不同的業(yè)務(wù)能力要求。

智能卡的主要功能是用戶的認(rèn)證鑒權(quán)。存儲(chǔ)用于認(rèn)證鑒權(quán)的相關(guān)信息。并進(jìn)行與認(rèn)證鑒權(quán)相關(guān)的計(jì)算。在2G的GSM網(wǎng)絡(luò)中使用的叫做SIM(Subscriber Identity Module，用戶識(shí)別模塊)卡。在3G的UMTS中使用的叫做USIM(Universal Subscriber Identity Module，通用用戶識(shí)別模塊)卡。SIM卡和USIM卡是網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證鑒權(quán)的重要實(shí)體，用戶側(cè)的認(rèn)證鑒權(quán)計(jì)算都在SIM卡和USIM卡中進(jìn)行。而終端不參與鑒權(quán)的計(jì)算，智能卡生成的密鑰交給終端，終端在通信過程中使用密鑰對(duì)信號(hào)進(jìn)行加密。此外，終端與智能卡之間有通信接口，智能卡與網(wǎng)絡(luò)之間的交互要通過終端來完成。

從用戶側(cè)來看，3G用戶將使用3G終端來體驗(yàn)3G的便利，而2G用戶將繼續(xù)使用2G終端；同樣，用戶可以選擇2G的SIM卡，也可以使用3G的USIM卡。在2G與3G共存階段，終端與智能卡多種多樣，它們之間的搭配也多種多樣。因而兩者的兼容問題尤顯重要。

22G與3G的認(rèn)證鑒權(quán)

智能卡的重要作用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證鑒權(quán)，為了分析2G與3G的智能卡終端的兼容問題。我們首先從SIM卡對(duì)認(rèn)證鑒權(quán)的支持出發(fā)，來比較2G與3G網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證鑒權(quán)的方法。

認(rèn)證鑒權(quán)的前提是智能卡與網(wǎng)絡(luò)之間共享相同的密鑰。其中GSM中此密鑰為Ki，UMTS中此密鑰為K。

GSM網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證鑒權(quán)的方法如圖1所示：用戶開機(jī)準(zhǔn)備接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)RAND。并使用A3算法，A3(RAND,Ki)=SRES，計(jì)算出SRES，用于認(rèn)證鑒權(quán)，同時(shí)采用A8算法，A8(RAND，Kj)=Kc，用于數(shù)據(jù)加密。這里的A3和A8算法可以理解成一個(gè)單向函數(shù)，即知道輸入可以得到輸出，但知道輸出無法反推出輸入。

網(wǎng)絡(luò)將RAND發(fā)送給終端，終端將RAND轉(zhuǎn)交給SIM卡，SIM卡中也同樣采取A3算法，算出SRES，再傳回網(wǎng)絡(luò)，如果與網(wǎng)絡(luò)得到的SRES相同，網(wǎng)絡(luò)則接受終端的認(rèn)證，否則網(wǎng)絡(luò)拒絕用戶接入；同時(shí)在SIM卡中用A8算法得到Kc用于數(shù)據(jù)加密。通過上述描述可見，2G的認(rèn)證僅僅是單向認(rèn)證，即僅僅網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證S1M卡。SIM卡不能認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示。

UMTS使用AKA(認(rèn)證與密鑰協(xié)商)機(jī)制進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)與用戶之間的雙向認(rèn)證。如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生五元組，并將RAND和AUTH發(fā)送給用戶，USIM卡認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)，并產(chǎn)生RES發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)。從而完成雙向認(rèn)證。AKA詳細(xì)過程參見3GPP TS 33.102。

由上可知。2G使用認(rèn)證三元組(RAND、SRES和Kc)，而3G使用認(rèn)證五元組(RAND、AUTH、RES、CK和IK)。2G的SIM卡和USIM卡的SIM應(yīng)用只能識(shí)別和使用認(rèn)證三元組；3G的USIM應(yīng)用只能識(shí)別和使用認(rèn)證五元組。如果要讓2G的SIM接入3G網(wǎng)絡(luò)，或者讓3G的USIM接入2G網(wǎng)絡(luò)，就需要進(jìn)行三元組和五元組之間的轉(zhuǎn)換：一般由Kc←→CK、IK，SRES←→RES。轉(zhuǎn)換是通過特殊的算法完成，細(xì)節(jié)參見3GPP TS 33.102。

32G的SIM卡與3G的USIM卡

終端中插入的用戶卡統(tǒng)稱為智能卡，GSM中使用的智能卡稱為SIM卡，其中只能裝載SIM應(yīng)用，以支持GSM網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)接入，因此SIM既是平臺(tái)又是應(yīng)用。3G的WCDMA和TD-SCDMA中使用的智能卡稱為USIM卡。USIM卡一般基于UICC架構(gòu)(UICC是一個(gè)物理和邏輯平臺(tái)，上面可以裝載很多應(yīng)用)，至少要裝載USIM應(yīng)用，以支持3G網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)接入，SIM也可以作為UICC支持的一個(gè)應(yīng)用，裝載到USIM卡中(SIM應(yīng)用的處理流程見圖1的左邊，USIM應(yīng)用的處理流程見圖2)。

這里需要特別指出的是，WCDMA和TD-SCDMA中使用的USIM卡都遵循同樣的國際標(biāo)準(zhǔn)，3GPP TS 31.101和31.102。只是在某些參數(shù)上有所不同，其鑒權(quán)機(jī)制相同。UICC上除了裝載SIM和USIM應(yīng)用之外，還可以裝載其他應(yīng)用，比如與IMS認(rèn)證鑒權(quán)相關(guān)的應(yīng)用ISIM，或者和移動(dòng)銀行和移動(dòng)電子商務(wù)相關(guān)的業(yè)務(wù)。

此外，智能卡還有存儲(chǔ)用戶電話簿，存儲(chǔ)用戶短消息的功能，一般來說SIM卡的容量較小，可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量較小，而USIM卡容量較大，可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量也更大。

4終端對(duì)智能卡的支持情況

顯而易見，GSM和WCDMA/TD-SCDMA的空中接口技術(shù)完全不同，2G的GSM終端不可以接入3G網(wǎng)絡(luò)。但是。目前所有主流廠商的WCDMA終端都是支持GSM的雙模終端，同樣，所有的TD-SCDMA上市的終端也都是支持GSM的雙模終端，這是2G和3G共存時(shí)期的一個(gè)特征，在3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限的或沒有3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方。有，必要讓3G終端使用2G網(wǎng)絡(luò)。

4.1 2G終端

2G的終端與智能卡的兼容性符合規(guī)范3GPP TS51.011，版本不同，對(duì)認(rèn)證鑒權(quán)以及智能卡的支持也不同。R98以及之前版本的終端，可以與SIM一起工作，也可以與UICC上的SIM應(yīng)用工作；R99和R4版本的終端，除了可以與SIM、UICC上的SIM應(yīng)用一起工作之外，還可選支持3G認(rèn)證鑒權(quán)：R5以及之后版本的終端，可以執(zhí)行2G認(rèn)證鑒權(quán)和3G認(rèn)證鑒權(quán)，可選支持SIM，即可選支持SIM卡接入，可以支持UICC上的SIM和USIM應(yīng)用。

由上可知，大部分的GSM終端除了支持SIM卡之外。也支持3G的USIM卡，使用其中的SIM應(yīng)用，通過2G的認(rèn)證鑒權(quán)方式接入GSM網(wǎng)絡(luò)，有些版本較新的GSM終端甚至能支持USIM應(yīng)用，通過3G的認(rèn)證鑒權(quán)方式接入2G網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)這些分析對(duì)比我們可以看出，未來2G和3G共存的情況下，運(yùn)營商應(yīng)考慮發(fā)行支持UICC的USIM卡，且其中至少應(yīng)裝載SIM和USIM應(yīng)用。

4.23G終端

3G終端可以在以下三種模式下工作：

◆普通3G模式，USIM接收RAND和AUTH計(jì)算出RES，CK和IK，使用標(biāo)準(zhǔn)的3G算法。

◆3G+Kc模式，USIM接收RAND和AUTH計(jì)算出

RES，CK，IK和Kc。其中Kc由CK和IK計(jì)算出，這需要USIM支持轉(zhuǎn)換功能c3來支持。

◆虛擬2G模式，USIM接收2G認(rèn)證請(qǐng)求。接收到的參數(shù)為RAND，返回2G認(rèn)證響應(yīng)SRES(從RES推出)和加密密鑰Kc(由CK和IK計(jì)算出)。要實(shí)現(xiàn)這種模式。USIM除了要支持c2和c3轉(zhuǎn)換方法之外還要支持額外的算法。

從3G終端的工作模式來看，3G終端的設(shè)計(jì)是考慮了2G的認(rèn)證鑒權(quán)方法的。根據(jù)規(guī)范3G TS 22.100[6]，3G的終端中，R99和R4版本支持2G的SIM卡?？梢越尤?G和2G網(wǎng)絡(luò)；R5版本對(duì)2G SIM的支持是可選的，對(duì)于USIM的SIM應(yīng)用和USIM應(yīng)用都是支持的。

2G與3G終端對(duì)智能卡的支持情況見表1。

5各種終端與卡搭配情況的分析

第一種情況，在2G終端中插入SIM卡，這種情況就是2G時(shí)代的情況，使用2G鑒權(quán)接入2G網(wǎng)絡(luò)，本文不作分析。

第二種情況，在2G終端中插入U(xiǎn)SIM卡，2G終端一般使用USIM卡中的SIM應(yīng)用來進(jìn)行2G認(rèn)證鑒權(quán)。接2入2G網(wǎng)絡(luò)。此外，2G終端還可以使用USIM應(yīng)用，即使用3G的認(rèn)證鑒權(quán)來進(jìn)行，這時(shí)候需要進(jìn)行三元組與五元組的轉(zhuǎn)換。

第三種情況，3G終端中插入SIM卡，一般來說優(yōu)選3G網(wǎng)絡(luò)，3G終端也可使用2G認(rèn)證鑒權(quán)方法接入3G網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)候必須三元組轉(zhuǎn)五元組；此外3G終端可以使用SIM認(rèn)證鑒權(quán)接入2G網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)3G終端當(dāng)作2G終端來用。因此運(yùn)營商提出使用3G“三不”原則(不換卡。不換號(hào)，不注冊(cè))是可以實(shí)現(xiàn)的。依靠3G終端對(duì)SIM卡的支持，實(shí)現(xiàn)不換卡不換號(hào)，使用2G鑒權(quán)接入3G網(wǎng)絡(luò)。而“不注冊(cè)”，是通過后臺(tái)中負(fù)責(zé)認(rèn)證鑒權(quán)的AuC的改造來辦到的，網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)一樣，使用轉(zhuǎn)換方法來進(jìn)行三元組和五元組之間的轉(zhuǎn)換，來實(shí)現(xiàn)使用2G認(rèn)證鑒權(quán)接入3G網(wǎng)絡(luò)。

第四種情況，3G終端中插入U(xiǎn)SIM卡，此時(shí)擁有最大的自由度。終端可以通過SIM應(yīng)用接入2G網(wǎng)絡(luò)，還可以通過USIM應(yīng)用接入3G網(wǎng)絡(luò)，但在優(yōu)選3G網(wǎng)絡(luò)的情況下，會(huì)首先選擇通過USIM應(yīng)用接入3G網(wǎng)絡(luò)。

6換號(hào)的問題

我們通常所撥打的手機(jī)號(hào)碼，術(shù)語稱為MSISDN(MS International ISDN Number)，在SIM和USIM卡中都有專門的文件用來存儲(chǔ)MSISDN，SIM卡在電信目錄下的EFMSISDN文件用來存儲(chǔ)這個(gè)號(hào)碼；USIM卡在USIM ADF目錄下EFMSISDN文件用來存儲(chǔ)這個(gè)號(hào)碼。此外，在認(rèn)證鑒權(quán)中心，有MSISDN、IMSI等認(rèn)證鑒權(quán)信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

因此，要做到換卡不換號(hào)，相對(duì)比較簡單。一般來說，當(dāng)用戶的SIM卡不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，需要更換USIM卡的時(shí)候，用戶來到營業(yè)廳，SIM卡回收作廢之后，將其中的MSISDN號(hào)寫入新的USIM卡，并在后臺(tái)的認(rèn)證鑒權(quán)中心將相應(yīng)的數(shù)據(jù)(如IMSI、各個(gè)密鑰之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系)進(jìn)行修改之后，新的USIM卡就可以啟用了，而用戶還可以保留原先的號(hào)碼。

7對(duì)運(yùn)營商策略的建議

在3G中使用2G的SIM卡，能夠正常接入2G網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，智能卡的功能僅僅是網(wǎng)絡(luò)接入等基本功能的階段，尚看不到使用2G卡的弊端。但隨著業(yè)務(wù)的進(jìn)一步部署，運(yùn)營商可能會(huì)在USIM卡上裝載其他基于UICC的應(yīng)用(如基于UICC的手機(jī)銀行業(yè)務(wù)、近場通信業(yè)務(wù))的時(shí)候，SIM卡無法支持這些業(yè)務(wù)，其劣勢就凸顯出來了。此外USIM卡的其他功能也比SIM卡先進(jìn)，如存儲(chǔ)量更大，電話號(hào)碼簿支持的項(xiàng)目更多(如EMAIL地址、分組)，可以通過空中下載(OTA)來更新其中的程序。因此隨著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步部署，業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，運(yùn)營商有必要引導(dǎo)用戶，將SIM卡漸漸替換成USIM卡，以適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。

根據(jù)以上分析，針對(duì)機(jī)卡兼容的問題，對(duì)運(yùn)營商提出一些建議。首先，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期應(yīng)該多選擇能支持SIM卡的2G和3G手機(jī)，R5以后的2G和3G終端對(duì)SIM卡的支持為可選，運(yùn)營商定制手機(jī)中應(yīng)選中該選項(xiàng)為支持；其次，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營之后，利用用戶到營業(yè)廳的機(jī)會(huì)將用戶手中的SIM卡替換為USIM卡，以更好支持業(yè)務(wù)的發(fā)展。

8結(jié)束語

綜上所述，2G和3G的終端和卡之間有較強(qiáng)的兼容性，各種組合都能很好的接入網(wǎng)絡(luò)，這在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)充分進(jìn)行了考慮的。在2G和3G共存的時(shí)候，終端和卡都能很好的兼容。而USIM卡比SIM卡更具優(yōu)勢，它可以裝載多個(gè)應(yīng)用，USIM卡替代SIM卡是必然的趨勢。將更好的支持業(yè)務(wù)的發(fā)展與網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。