GSM-RGSM-R網絡中SIMSIM卡新技術的研究

石 杰（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

石杰，女，碩士畢業于北京交通大學，助理工程師。主要研究方向為無線通信，曾參與哈大客運專線GSM-R無線網絡優化及多項GSM-R系統相關科研、設計工作。

GSM-R SIM卡是一種專門應用于鐵路數字移動通信的SIM卡。它基于普通的GSM SIM卡技術，在此基礎上增加了符合鐵路業務需求的語音呼叫業務，包括增強多優先級與強拆業務（eM LPP）、語音組呼業務（VGCS）和語音廣播業務（VBS）。并提供了鐵路特有的業務，如功能尋址、AC確認和用戶號碼分析等，共同構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卡應用開發工具箱（STK）技術的SIM卡結合空中下載技術在公共網絡中的應用業務已經發展的很成熟，目前主要應用于為運營商提供增值業務，手機銀行、股票交易、外匯買賣和理財秘書等，很大程度上改善了網絡的服務質量。由于鐵路業務的特殊性，要提升網絡質量，利用SIM卡平臺開展鐵路特色增值業務以及加強SIM卡和用戶數據管理對于保障鐵路安全運行和提高生產效率非常重要，而通過新技術的開發和相關信息系統的建設來提高SIM卡應用技術和管理水平是一項重要的手段。

1 SIM卡應用開發工具箱（STK）

傳統的SIM卡中，M S與SIM卡之間的通信方式為由M S給SIM卡發送命令，SIM卡在執行完命令后，向M S返回確認信息。M S與SIM卡之間的這種關系不利于開發由SIM卡提供的業務與應用。傳統的SIM卡的軟件特性遵循《3GPP TS 11.11，用戶身份模塊—移動設備(SIM-ME)接口規范》、鐵道部頒布的《GSM-R數字移動通信網設備技術規范 第四部分：SIM卡》、《GSM-R數字移動通信網設備測試規范 第五部分：SIM卡》和《鐵路GSM-R數字移動通信網絡編號計劃》。

STK是在原SIM卡被動式的操作系統上，衍生出SIM卡主動交互式的操作系統。它提供的機制，允許SIM卡中的應用與支持該應用的M E進行交互操作，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務。應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用在智能卡上獨立的運行。支持STK的SIM卡遵循《3GPP TS 11.14，基于STK的用戶身份模塊—移動設備(SIM-M E)接口規范》，鐵道部針對該功能還沒有頒布相關的規范。

與傳統的SIM卡相比，STK卡首先具有較大的存儲量，傳統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卡具有更強的數據處理和運算能力，安全性更高。

從軟件特性和功能上比較，傳統的SIM卡有18條基礎的指令，STK卡在SIM卡的基礎上增加了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字信息完成的。

1）Term inal Profile

由移動設備向SIM卡傳送移動設備所支持的SIM卡應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執行概要信息下載過程，那么ME在選擇EFIMSI和EFLOCI之前向SIM卡發送Term inal Profile命令。ME發送的概要信息應該說明ME支持的SIM卡應用工具箱相關設施。通過這個過程SIM卡知道M E的能力并根據情況限制它的命令范圍。如果ME沒有發出命令，SIM卡認為ME不支持SIM卡應用工具箱。

2）Envelop

該命令的功能是向SIM卡的應用工具箱傳遞數據。

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備好，由M E通過Fetch命令獲取。M E接受到命令后將執行這些命令，如顯示文本信息、列出項目、發送端信息、要求用戶輸入等。

4）Term inal Response

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

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

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

SIM卡根據該結果進行后續的操作；

5）命令狀態字SW 1、SW 2

SIM卡使用該狀態字通知M E命令執行的結果，相應參數/數據如表1所示。

表1 命令狀態字

2 基于STK的SIM卡遠程管理技術的實現

為了使SIM卡中的菜單可以靈活地增加刪除，目前在公共網絡中運營商均采用了空中下載（OTA）技術。空中下載技術（Over－The－A ir Tech no logy）是一種SIM卡數據及應用的遠程管理技術。國際電信標準化組織（ETSI）已經頒布了GSM系統空中下載功能的相關標準。這種遠程管理使SIM卡端信息具有動態改變的能力，數據遠程下載的實現借助于STK功能和短消息傳輸通道，OTA應用下載服務器根據用戶請求，以數據短消息的形式將相應的服務下載內容發給ME；ME將下載數據透明地傳遞給用戶STK卡，STK卡對下載內容進行組織并實現相應的STK卡菜單管理。

從整個空中下載應用的流程來看，對于M E和SIM卡端的業務流程，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種命令和狀態字進行分析。

1）SIM卡初始化業務流程

在M E開機時，要進行SIM卡的初始化，M E向SIM卡發送“Term inal Profile”命令，SIM卡返回響應狀態字“91 XX”，通知ME有命令需要執行，手機Fetch主動式命令Setup Menu，建立菜單，手機顯示菜單給用戶，具體的業務流程如圖1所示。

2）下行短信流程

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

若SIM卡返回狀態字“90 00”，則是通知M E命令執行結束，手機將回到一級目錄的狀態，并且ME應該向網絡確認收到短消息。

若SIM卡響應‘93 00’，M E應重試命令并且向網絡發送消息指出“SIM卡應用工具箱忙”。

若SIM卡返回響應狀態字“91 XX”，則通知M E，SIM卡已經成功執行前一命令，同時，提醒M E有一個待執行的主動式命令，M E用Fetch命令將“Send Short Message”命令取回，ME向網絡發送短消息后，用Term inal Response命令通知SIM卡發送回應短信是否成功，若發送成功且SIM卡沒有附加信息，則返回狀態字“90 00”，通知ME命令執行結束。

在GSM-R網絡中，若SIM卡中的信息發生改變，需要通知用戶其變化的情況，以保證用戶數據和網絡運行的安全性。所以，在SIM卡處理完下行短信后需要提醒用戶，此時，SIM卡返回響應狀態字“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容，之后，M E向SIM卡發送“Term inal Response”命令指示顯示文本是否成功，若發送成功且SIM卡沒有附加信息，則SIM卡返回響應狀態字“90 00”，通知ME命令執行結束，否則繼續交互，具體的業務流程如圖2所示。

3）上行短信流程

用戶選擇進入一個一級菜單，手機通過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卡返回響應狀態字“91 X X”，則通知ME有一個待執行的主動式命令，ME用Fetch命令將“Send Short Message”命令取回，流程與下行短信流程類似，只是觸發的原因不同，具體業務流程如圖3所示。

3 基于STK遠程管理技術在鐵路中的應用

3.1 GSM-R網絡中SIM卡遠程管理業務需求

根據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：機車綜合無線通信設備、作業手持臺、調車手持臺、通用手持臺、列車控制系統車載通信設備、機車同步操控系統車載通信設備等。不同類別用戶有不同的業務需求。例如：作業手持臺和通用手持臺用戶的SIM卡需要支持語音業務和GPRS數據業務，但是要禁用CSD業務；列車控制系統車載通信設備用戶的SIM卡必須支持CSD業務，但是要禁用語音業務和GPRS業務。而目前SIM卡管理系統只能實現對SIM卡的靜態管理，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系統建設不斷推進，GSM-R網絡規模越來越大，對SIM卡文件的管理都需要用卡單位回收卡片返回發卡地點重新制卡或下載，既浪費了人力、物力、財力、時間，而且存在人工收回及寫入的誤操作風險，而基于STK技術的SIM卡為實現SIM卡的遠程管理提供了途徑。

3.2 基于STK遠程管理技術在鐵路中的應用

1）遠程文件的更新/業務升級

在鐵路日常運營管理中，可以通過SIM卡遠程管理技術對SIM卡中的參數進行遠程更新，例如可以對用戶支持的組呼ID、廣播ID、用戶優先級等參數動態更新，通過短消息指令就可以完成對一批卡片的更新，在很大程度上節約了維護成本，縮短了維護時間，也可以通過移動終端的菜單申請業務。并且遠程文件的管理有相應的安全保護機制，可以保證傳輸信息的安全性、保密性和可靠性。

2）設備管理服務

SIM卡遠程管理技術中，卡片與OTA應用下載服務器之間的通信可以通過短消息和無線網絡的方式。采用無線網絡的方式，可以進行大數據量的傳輸。

在鐵路系統中，利用該技術，可以進行列車控制系統車載通信設備的故障檢測、遠程診斷、軟件升級，如果模塊發生故障時，由模塊自動啟動將某些可能包括故障原因的數據上載至骨干業務網內的服務器內儲存或進一步自動啟動A la rm。遠程診斷將從模塊上載的數據進行個別的或統計性的分析，以實時或非實時地找出個別模塊或無線通信區域問題的原因。但是這種規則的系統發現和輸入都很難，推論出來的結果也難以穩定和具有一般性，該應用仍需進一步探討。軟件升級即為遠程進行模塊軟件的更新，蘋果公司的新系統iOS 5及以上的升級都采用該技術，具有可實時性，且技術較為成熟，在鐵路上應用有可實現性。

[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技術研究[D].北京：北京郵電大學,2008.