GSM-RGSM-R網(wǎng)絡(luò)中SIMSIM卡新技術(shù)的研究

石 杰（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

石杰，女，碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，助理工程師。主要研究方向?yàn)闊o線通信，曾參與哈大客運(yùn)專線GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及多項(xiàng)GSM-R系統(tǒng)相關(guān)科研、設(shè)計(jì)工作。

GSM-R SIM卡是一種專門應(yīng)用于鐵路數(shù)字移動通信的SIM卡。它基于普通的GSM SIM卡技術(shù)，在此基礎(chǔ)上增加了符合鐵路業(yè)務(wù)需求的語音呼叫業(yè)務(wù)，包括增強(qiáng)多優(yōu)先級與強(qiáng)拆業(yè)務(wù)（eM LPP）、語音組呼業(yè)務(wù)（VGCS）和語音廣播業(yè)務(wù)（VBS）。并提供了鐵路特有的業(yè)務(wù)，如功能尋址、AC確認(rèn)和用戶號碼分析等，共同構(gòu)成了具有符合中國鐵路需求的GSM-R SIM卡的解決方案。

基于SIM卡應(yīng)用開發(fā)工具箱（STK）技術(shù)的SIM卡結(jié)合空中下載技術(shù)在公共網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用業(yè)務(wù)已經(jīng)發(fā)展的很成熟，目前主要應(yīng)用于為運(yùn)營商提供增值業(yè)務(wù)，手機(jī)銀行、股票交易、外匯買賣和理財(cái)秘書等，很大程度上改善了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。由于鐵路業(yè)務(wù)的特殊性，要提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，利用SIM卡平臺開展鐵路特色增值業(yè)務(wù)以及加強(qiáng)SIM卡和用戶數(shù)據(jù)管理對于保障鐵路安全運(yùn)行和提高生產(chǎn)效率非常重要，而通過新技術(shù)的開發(fā)和相關(guān)信息系統(tǒng)的建設(shè)來提高SIM卡應(yīng)用技術(shù)和管理水平是一項(xiàng)重要的手段。

1 SIM卡應(yīng)用開發(fā)工具箱（STK）

傳統(tǒng)的SIM卡中，M S與SIM卡之間的通信方式為由M S給SIM卡發(fā)送命令，SIM卡在執(zhí)行完命令后，向M S返回確認(rèn)信息。M S與SIM卡之間的這種關(guān)系不利于開發(fā)由SIM卡提供的業(yè)務(wù)與應(yīng)用。傳統(tǒng)的SIM卡的軟件特性遵循《3GPP TS 11.11，用戶身份模塊—移動設(shè)備(SIM-ME)接口規(guī)范》、鐵道部頒布的《GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)設(shè)備技術(shù)規(guī)范 第四部分：SIM卡》、《GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)設(shè)備測試規(guī)范 第五部分：SIM卡》和《鐵路GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)編號計(jì)劃》。

STK是在原SIM卡被動式的操作系統(tǒng)上，衍生出SIM卡主動交互式的操作系統(tǒng)。它提供的機(jī)制，允許SIM卡中的應(yīng)用與支持該應(yīng)用的M E進(jìn)行交互操作，即支持SIM卡與M E之間的主動式對話，從而使移動用戶擁有個人化附加業(yè)務(wù)。應(yīng)用工具箱是在智能卡和移動終端之間定義了1套命令和過程，借助于這些命令和過程可以使一些不依賴于移動終端的應(yīng)用在智能卡上獨(dú)立的運(yùn)行。支持STK的SIM卡遵循《3GPP TS 11.14，基于STK的用戶身份模塊—移動設(shè)備(SIM-M E)接口規(guī)范》，鐵道部針對該功能還沒有頒布相關(guān)的規(guī)范。

與傳統(tǒng)的SIM卡相比，STK卡首先具有較大的存儲量，傳統(tǒng)SIM卡的存儲容量通常為8 K或16 KBy te，STK卡的容量則為32 KBy te以上。另外，STK卡具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，安全性更高。

從軟件特性和功能上比較，傳統(tǒng)的SIM卡有18條基礎(chǔ)的指令，STK卡在SIM卡的基礎(chǔ)上增加了4條新的指令。而新增加最重要的主動式命令的交互主要由SIM卡和ME間的4個基本命令和一個狀態(tài)字信息完成的。

1）Term inal Profile

由移動設(shè)備向SIM卡傳送移動設(shè)備所支持的SIM卡應(yīng)用工具箱的功能列表。

作為SIM卡初始化的一部分，概要信息下載命令由ME發(fā)給SIM卡。在此過程中，M E讀取SIM卡中的文件EFPHASE，若其中SIM Phase的值為‘03’或更高時，則表示SIM卡要求M E執(zhí)行概要信息下載過程，那么ME在選擇EFIMSI和EFLOCI之前向SIM卡發(fā)送Term inal Profile命令。ME發(fā)送的概要信息應(yīng)該說明ME支持的SIM卡應(yīng)用工具箱相關(guān)設(shè)施。通過這個過程SIM卡知道M E的能力并根據(jù)情況限制它的命令范圍。如果ME沒有發(fā)出命令，SIM卡認(rèn)為ME不支持SIM卡應(yīng)用工具箱。

2）Envelop

該命令的功能是向SIM卡的應(yīng)用工具箱傳遞數(shù)據(jù)。

3）Fetch

SIM卡使用該命令向M E傳遞主動式命令，所有的主動命令都是由卡片事先準(zhǔn)備好，由M E通過Fetch命令獲取。M E接受到命令后將執(zhí)行這些命令，如顯示文本信息、列出項(xiàng)目、發(fā)送端信息、要求用戶輸入等。

4）Term inal Response

當(dāng)M E決定執(zhí)行來自SIM卡的主動式命令時，ME即用Term inal Response通知SIM卡命令的執(zhí)行情況。

* 如命令執(zhí)行成功，M E就用Term in a l Response命令通知SIM卡；

* 如命令未執(zhí)行成功，M E就用帶有錯誤條件的Term inal Response命令通知SIM卡。

SIM卡根據(jù)該結(jié)果進(jìn)行后續(xù)的操作；

5）命令狀態(tài)字SW 1、SW 2

SIM卡使用該狀態(tài)字通知M E命令執(zhí)行的結(jié)果，相應(yīng)參數(shù)/數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 命令狀態(tài)字

2 基于STK的SIM卡遠(yuǎn)程管理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

為了使SIM卡中的菜單可以靈活地增加刪除，目前在公共網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)營商均采用了空中下載（OTA）技術(shù)。空中下載技術(shù)（Over－The－A ir Tech no logy）是一種SIM卡數(shù)據(jù)及應(yīng)用的遠(yuǎn)程管理技術(shù)。國際電信標(biāo)準(zhǔn)化組織（ETSI）已經(jīng)頒布了GSM系統(tǒng)空中下載功能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這種遠(yuǎn)程管理使SIM卡端信息具有動態(tài)改變的能力，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程下載的實(shí)現(xiàn)借助于STK功能和短消息傳輸通道，OTA應(yīng)用下載服務(wù)器根據(jù)用戶請求，以數(shù)據(jù)短消息的形式將相應(yīng)的服務(wù)下載內(nèi)容發(fā)給ME；ME將下載數(shù)據(jù)透明地傳遞給用戶STK卡，STK卡對下載內(nèi)容進(jìn)行組織并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的STK卡菜單管理。

從整個空中下載應(yīng)用的流程來看，對于M E和SIM卡端的業(yè)務(wù)流程，從SIM卡初始化流程、上行短信流程、下行短信流程分別用STK支持的4種命令和狀態(tài)字進(jìn)行分析。

1）SIM卡初始化業(yè)務(wù)流程

在M E開機(jī)時，要進(jìn)行SIM卡的初始化，M E向SIM卡發(fā)送“Term inal Profile”命令，SIM卡返回響應(yīng)狀態(tài)字“91 XX”，通知ME有命令需要執(zhí)行，手機(jī)Fetch主動式命令Setup Menu，建立菜單，手機(jī)顯示菜單給用戶，具體的業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

2）下行短信流程

當(dāng)M E收到一條來自網(wǎng)絡(luò)的下行短消息時，ME就用Envelope（SMS-PP DOWNLOAD）命令，把消息透明地傳遞給SIM卡，SIM卡接收消息并對數(shù)據(jù)作處理。

若SIM卡返回狀態(tài)字“90 00”，則是通知M E命令執(zhí)行結(jié)束，手機(jī)將回到一級目錄的狀態(tài)，并且ME應(yīng)該向網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)收到短消息。

若SIM卡響應(yīng)‘93 00’，M E應(yīng)重試命令并且向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息指出“SIM卡應(yīng)用工具箱忙”。

若SIM卡返回響應(yīng)狀態(tài)字“91 XX”，則通知M E，SIM卡已經(jīng)成功執(zhí)行前一命令，同時，提醒M E有一個待執(zhí)行的主動式命令，M E用Fetch命令將“Send Short Message”命令取回，ME向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息后，用Term inal Response命令通知SIM卡發(fā)送回應(yīng)短信是否成功，若發(fā)送成功且SIM卡沒有附加信息，則返回狀態(tài)字“90 00”，通知ME命令執(zhí)行結(jié)束。

在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，若SIM卡中的信息發(fā)生改變，需要通知用戶其變化的情況，以保證用戶數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性。所以，在SIM卡處理完下行短信后需要提醒用戶，此時，SIM卡返回響應(yīng)狀態(tài)字“91 XX”，ME通過Fetch獲取主動式命令“Disp lay Tex t”，以顯示信息的變化內(nèi)容，之后，M E向SIM卡發(fā)送“Term inal Response”命令指示顯示文本是否成功，若發(fā)送成功且SIM卡沒有附加信息，則SIM卡返回響應(yīng)狀態(tài)字“90 00”，通知ME命令執(zhí)行結(jié)束，否則繼續(xù)交互，具體的業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

3）上行短信流程

用戶選擇進(jìn)入一個一級菜單，手機(jī)通過En velop命令告知SIM卡所選擇的是哪個一級目錄，并在程序中保存該信息。

若SIM卡返回響應(yīng)狀態(tài)字“91 X X”，則通知ME有一個待執(zhí)行的主動式命令，ME用Fetch命令將“Send Short Message”命令取回，流程與下行短信流程類似，只是觸發(fā)的原因不同，具體業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

3 基于STK遠(yuǎn)程管理技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用

3.1 GSM-R網(wǎng)絡(luò)中SIM卡遠(yuǎn)程管理業(yè)務(wù)需求

根據(jù)鐵路工作人員的職能劃分，鐵路上存在不同類型的用戶，主要包含：機(jī)車綜合無線通信設(shè)備、作業(yè)手持臺、調(diào)車手持臺、通用手持臺、列車控制系統(tǒng)車載通信設(shè)備、機(jī)車同步操控系統(tǒng)車載通信設(shè)備等。不同類別用戶有不同的業(yè)務(wù)需求。例如：作業(yè)手持臺和通用手持臺用戶的SIM卡需要支持語音業(yè)務(wù)和GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是要禁用CSD業(yè)務(wù)；列車控制系統(tǒng)車載通信設(shè)備用戶的SIM卡必須支持CSD業(yè)務(wù)，但是要禁用語音業(yè)務(wù)和GPRS業(yè)務(wù)。而目前SIM卡管理系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對SIM卡的靜態(tài)管理，對SIM卡信息的任何修改都需要在管理中心完成。隨著我國鐵路GSM-R系統(tǒng)建設(shè)不斷推進(jìn)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越大，對SIM卡文件的管理都需要用卡單位回收卡片返回發(fā)卡地點(diǎn)重新制卡或下載，既浪費(fèi)了人力、物力、財(cái)力、時間，而且存在人工收回及寫入的誤操作風(fēng)險(xiǎn)，而基于STK技術(shù)的SIM卡為實(shí)現(xiàn)SIM卡的遠(yuǎn)程管理提供了途徑。

3.2 基于STK遠(yuǎn)程管理技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用

1）遠(yuǎn)程文件的更新/業(yè)務(wù)升級

在鐵路日常運(yùn)營管理中，可以通過SIM卡遠(yuǎn)程管理技術(shù)對SIM卡中的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程更新，例如可以對用戶支持的組呼ID、廣播ID、用戶優(yōu)先級等參數(shù)動態(tài)更新，通過短消息指令就可以完成對一批卡片的更新，在很大程度上節(jié)約了維護(hù)成本，縮短了維護(hù)時間，也可以通過移動終端的菜單申請業(yè)務(wù)。并且遠(yuǎn)程文件的管理有相應(yīng)的安全保護(hù)機(jī)制，可以保證傳輸信息的安全性、保密性和可靠性。

2）設(shè)備管理服務(wù)

SIM卡遠(yuǎn)程管理技術(shù)中，卡片與OTA應(yīng)用下載服務(wù)器之間的通信可以通過短消息和無線網(wǎng)絡(luò)的方式。采用無線網(wǎng)絡(luò)的方式，可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸。

在鐵路系統(tǒng)中，利用該技術(shù)，可以進(jìn)行列車控制系統(tǒng)車載通信設(shè)備的故障檢測、遠(yuǎn)程診斷、軟件升級，如果模塊發(fā)生故障時，由模塊自動啟動將某些可能包括故障原因的數(shù)據(jù)上載至骨干業(yè)務(wù)網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器內(nèi)儲存或進(jìn)一步自動啟動A la rm。遠(yuǎn)程診斷將從模塊上載的數(shù)據(jù)進(jìn)行個別的或統(tǒng)計(jì)性的分析，以實(shí)時或非實(shí)時地找出個別模塊或無線通信區(qū)域問題的原因。但是這種規(guī)則的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和輸入都很難，推論出來的結(jié)果也難以穩(wěn)定和具有一般性，該應(yīng)用仍需進(jìn)一步探討。軟件升級即為遠(yuǎn)程進(jìn)行模塊軟件的更新，蘋果公司的新系統(tǒng)iOS 5及以上的升級都采用該技術(shù)，具有可實(shí)時性，且技術(shù)較為成熟，在鐵路上應(yīng)用有可實(shí)現(xiàn)性。

[1] ETSI GSM 11.14: Specification of the SIM Application Toolkit (SAT) for the Subscriber Identity Module-Mobile Equipment (SIM-ME)interface,V8.18.0,2007.

[2] 張喜蕊，基于SIM/USIM卡的OTA技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2008.