2G/3G共存时期终端与智能卡的兼容性分析

[摘要]文章首先从2G与3G的认证鉴权的不同入手，分析了2G、3G智能卡对认证鉴权方式的支持，接下来分析了2G和3G终端各个版本与智能卡的兼容性，并对运营商提出建议。

[关键词]2G　3G　SIM卡　USIM卡　手机终端　兼容性

1　引言

3G牌照的发放，标志着我国正式进入3G时代。从宏观角度看，中国电信市场二元结构非常明显：一方面，3G网络建设初期，3G网络可能只限于城区的连续覆盖；另一方面，2G网络资源及完善的覆盖标志着中国2G和3G网络将在很长时期内共同发展，互为补充，以满足不同的市场需求、用户质量要求，以及不同的业务能力要求。

智能卡的主要功能是用户的认证鉴权。存储用于认证鉴权的相关信息。并进行与认证鉴权相关的计算。在2G的GSM网络中使用的叫做SIM(Subscriber Identity Module，用户识别模块)卡。在3G的UMTS中使用的叫做USIM(Universal Subscriber Identity Module，通用用户识别模块)卡。SIM卡和USIM卡是网络认证鉴权的重要实体，用户侧的认证鉴权计算都在SIM卡和USIM卡中进行。而终端不参与鉴权的计算，智能卡生成的密钥交给终端，终端在通信过程中使用密钥对信号进行加密。此外，终端与智能卡之间有通信接口，智能卡与网络之间的交互要通过终端来完成。

从用户侧来看，3G用户将使用3G终端来体验3G的便利，而2G用户将继续使用2G终端；同样，用户可以选择2G的SIM卡，也可以使用3G的USIM卡。在2G与3G共存阶段，终端与智能卡多种多样，它们之间的搭配也多种多样。因而两者的兼容问题尤显重要。

2　2G与3G的认证鉴权

智能卡的重要作用是实现网络的认证鉴权，为了分析2G与3G的智能卡终端的兼容问题。我们首先从SIM卡对认证鉴权的支持出发，来比较2G与3G网络认证鉴权的方法。

认证鉴权的前提是智能卡与网络之间共享相同的密钥。其中GSM中此密钥为Ki，UMTS中此密钥为K。

GSM网络认证鉴权的方法如图1所示：用户开机准备接入网络，网络产生一个随机数RAND。并使用A3算法，A3(RAND,Ki)=SRES，计算出SRES，用于认证鉴权，同时采用A8算法，A8(RAND，Kj)=Kc，用于数据加密。这里的A3和A8算法可以理解成一个单向函数，即知道输入可以得到输出，但知道输出无法反推出输入。

网络将RAND发送给终端，终端将RAND转交给SIM卡，SIM卡中也同样采取A3算法，算出SRES，再传回网络，如果与网络得到的SRES相同，网络则接受终端的认证，否则网络拒绝用户接入；同时在SIM卡中用A8算法得到Kc用于数据加密。通过上述描述可见，2G的认证仅仅是单向认证，即仅仅网络认证S1M卡。SIM卡不能认证网络。如图1所示。

UMTS使用AKA(认证与密钥协商)机制进行网络与用户之间的双向认证。如图2所示，网络产生五元组，并将RAND和AUTH发送给用户，USIM卡认证网络，并产生RES发送给网络。从而完成双向认证。AKA详细过程参见3GPP TS 33.102。

由上可知。2G使用认证三元组(RAND、SRES和Kc)，而3G使用认证五元组(RAND、AUTH、RES、CK和IK)。2G的SIM卡和USIM卡的SIM应用只能识别和使用认证三元组；3G的USIM应用只能识别和使用认证五元组。如果要让2G的SIM接入3G网络，或者让3G的USIM接入2G网络，就需要进行三元组和五元组之间的转换：一般由KcCK、IK，SRESRES。转换是通过特殊的算法完成，细节参见3GPP TS 33.102。

3　2G的SIM卡与3G的USIM卡

终端中插入的用户卡统称为智能卡，GSM中使用的智能卡称为SIM卡，其中只能装载SIM应用，以支持GSM网络的鉴权接入，因此SIM既是平台又是应用。3G的WCDMA和TD-SCDMA中使用的智能卡称为USIM卡。USIM卡一般基于UICC架构(UICC是一个物理和逻辑平台，上面可以装载很多应用)，至少要装载USIM应用，以支持3G网络的鉴权接入，SIM也可以作为UICC支持的一个应用，装载到USIM卡中(SIM应用的处理流程见图1的左边，USIM应用的处理流程见图2)。

这里需要特别指出的是，WCDMA和TD-SCDMA中使用的USIM卡都遵循同样的国际标准，3GPP TS 31.101和31.102。只是在某些参数上有所不同，其鉴权机制相同。UICC上除了装载SIM和USIM应用之外，还可以装载其他应用，比如与IMS认证鉴权相关的应用ISIM，或者和移动银行和移动电子商务相关的业务。

此外，智能卡还有存储用户电话簿，存储用户短消息的功能，一般来说SIM卡的容量较小，可存储的数据量较小，而USIM卡容量较大，可存储的数据量也更大。

4　终端对智能卡的支持情况

显而易见，GSM和WCDMA/TD-SCDMA的空中接口技术完全不同，2G的GSM终端不可以接入3G网络。但是。目前所有主流厂商的WCDMA终端都是支持GSM的双模终端，同样，所有的TD-SCDMA上市的终端也都是支持GSM的双模终端，这是2G和3G共存时期的一个特征，在3G网络覆盖范围有限的或没有3G网络覆盖的地方。有，必要让3G终端使用2G网络。

4.1 2G终端

2G的终端与智能卡的兼容性符合规范3GPP TS51.011，版本不同，对认证鉴权以及智能卡的支持也不同。R98以及之前版本的终端，可以与SIM一起工作，也可以与UICC上的SIM应用工作；R99和R4版本的终端，除了可以与SIM、UICC上的SIM应用一起工作之外，还可选支持3G认证鉴权：R5以及之后版本的终端，可以执行2G认证鉴权和3G认证鉴权，可选支持SIM，即可选支持SIM卡接入，可以支持UICC上的SIM和USIM应用。

由上可知，大部分的GSM终端除了支持SIM卡之外。也支持3G的USIM卡，使用其中的SIM应用，通过2G的认证鉴权方式接入GSM网络，有些版本较新的GSM终端甚至能支持USIM应用，通过3G的认证鉴权方式接入2G网络。根据这些分析对比我们可以看出，未来2G和3G共存的情况下，运营商应考虑发行支持UICC的USIM卡，且其中至少应装载SIM和USIM应用。

4.23G终端

3G终端可以在以下三种模式下工作：

普通3G模式，USIM接收RAND和AUTH计算出RES，CK和IK，使用标准的3G算法。

3G+Kc模式，USIM接收RAND和AUTH计算出 RES，CK，IK和Kc。其中Kc由CK和IK计算出，这需要USIM支持转换功能c3来支持。

虚拟2G模式，USIM接收2G认证请求。接收到的参数为RAND，返回2G认证响应SRES(从RES推出)和加密密钥Kc(由CK和IK计算出)。要实现这种模式。USIM除了要支持c2和c3转换方法之外还要支持额外的算法。

从3G终端的工作模式来看，3G终端的设计是考虑了2G的认证鉴权方法的。根据规范3G TS 22.100[6]，3G的终端中，R99和R4版本支持2G的SIM卡。可以接入3G和2G网络；R5版本对2G SIM的支持是可选的，对于USIM的SIM应用和USIM应用都是支持的。

2G与3G终端对智能卡的支持情况见表1。

5　各种终端与卡搭配情况的分析

第一种情况，在2G终端中插入SIM卡，这种情况就是2G时代的情况，使用2G鉴权接入2G网络，本文不作分析。

第二种情况，在2G终端中插入USIM卡，2G终端一般使用USIM卡中的SIM应用来进行2G认证鉴权。接2入2G网络。此外，2G终端还可以使用USIM应用，即使用3G的认证鉴权来进行，这时候需要进行三元组与五元组的转换。

第三种情况，3G终端中插入SIM卡，一般来说优选3G网络，3G终端也可使用2G认证鉴权方法接入3G网络，这时候必须三元组转五元组；此外3G终端可以使用SIM认证鉴权接入2G网络，此时3G终端当作2G终端来用。因此运营商提出使用3G“三不”原则(不换卡。不换号，不注册)是可以实现的。依靠3G终端对SIM卡的支持，实现不换卡不换号，使用2G鉴权接入3G网络。而“不注册”，是通过后台中负责认证鉴权的AuC的改造来办到的，网络侧和终端侧一样，使用转换方法来进行三元组和五元组之间的转换，来实现使用2G认证鉴权接入3G网络。

第四种情况，3G终端中插入USIM卡，此时拥有最大的自由度。终端可以通过SIM应用接入2G网络，还可以通过USIM应用接入3G网络，但在优选3G网络的情况下，会首先选择通过USIM应用接入3G网络。

6　换号的问题

我们通常所拨打的手机号码，术语称为MSISDN(MS International ISDN Number)，在SIM和USIM卡中都有专门的文件用来存储MSISDN，SIM卡在电信目录下的EFMSISDN文件用来存储这个号码；USIM卡在USIM ADF目录下EFMSISDN文件用来存储这个号码。此外，在认证鉴权中心，有MSISDN、IMSI等认证鉴权信息的对应关系。

因此，要做到换卡不换号，相对比较简单。一般来说，当用户的SIM卡不能满足业务发展的需求，需要更换USIM卡的时候，用户来到营业厅，SIM卡回收作废之后，将其中的MSISDN号写入新的USIM卡，并在后台的认证鉴权中心将相应的数据(如IMSI、各个密钥之间的对应关系)进行修改之后，新的USIM卡就可以启用了，而用户还可以保留原先的号码。

7　对运营商策略的建议

在3G中使用2G的SIM卡，能够正常接入2G网络和3G网络，在网络建设初期，智能卡的功能仅仅是网络接入等基本功能的阶段，尚看不到使用2G卡的弊端。但随着业务的进一步部署，运营商可能会在USIM卡上装载其他基于UICC的应用(如基于UICC的手机银行业务、近场通信业务)的时候，SIM卡无法支持这些业务，其劣势就凸显出来了。此外USIM卡的其他功能也比SIM卡先进，如存储量更大，电话号码簿支持的项目更多(如EMAIL地址、分组)，可以通过空中下载(OTA)来更新其中的程序。因此随着网络的进一步部署，业务的进一步发展，运营商有必要引导用户，将SIM卡渐渐替换成USIM卡，以适应业务发展的需要。

根据以上分析，针对机卡兼容的问题，对运营商提出一些建议。首先，网络建设初期应该多选择能支持SIM卡的2G和3G手机，R5以后的2G和3G终端对SIM卡的支持为可选，运营商定制手机中应选中该选项为支持；其次，在网络运营之后，利用用户到营业厅的机会将用户手中的SIM卡替换为USIM卡，以更好支持业务的发展。

8　结束语

综上所述，2G和3G的终端和卡之间有较强的兼容性，各种组合都能很好的接入网络，这在设计之初就已经充分进行了考虑的。在2G和3G共存的时候，终端和卡都能很好的兼容。而USIM卡比SIM卡更具优势，它可以装载多个应用，USIM卡替代SIM卡是必然的趋势。将更好的支持业务的发展与网络的演进。