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释说芯语9:小SIM卡的大乾坤

院士
2018-09-18 13:36:41    评分
释说芯语:小SIM卡的大乾坤



SIM卡(Subscriber Identity Module)即用户识别卡,作为信息传输媒介工具载体,承载着信息的无线连通。在国内,无线终端接入三大运营商,到现在为止,还是需要借助该载体。

各位接触网络通信,特别是接触移动通信的朋友,对SIM卡的使用有着深刻的体会,手机SIM卡经历了mini卡(25mm×15mm×0.8mm,图一最下面) Micro Sim(12x15mm×0.8mm图一左上)和Nano SIM(12.3mm×8.8mm×0.7mm图一右上)。

释说芯语:小SIM卡的大乾坤

图一:SIM卡尺寸

今天我们就聊聊这个看起来“简单”的小卡片。

1、SIM卡的构成

对于我们常见的SIM卡,通常由CPU、ROM、RAM、EEPROM和I/O电路组成,从构成上来看,SIM卡简直就是一个微机系统。用户使用SIM时,实际上是手机向SIM卡发出命令(其实可以理解为两个mcu通过IIC进行通信,接口详细描述见第二部分),SIM卡应该根据GSM规范来执行或者拒绝,由此可见SIM卡并不是单纯的信息存储器,而是进行了数据的认证和加密等操作。

2、SIM卡的硬件管脚

Sim卡的接触点通常有8个,分别是VCC,GND,RST,VPP ,CLK ,IO,CC4和CC8。

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图二:SIM卡管脚

而卡座则分为6pin的和8pin的,主要用来做SIM卡的检测使用。对于SIM卡的7和8,内部是短接的,通常我们将一个管脚接地,另外一个上拉到VCC,并连接到MCU的一个普通IO口,当IO口检测到高电平,说明SIM卡没有插入,当MCU检测到低电平,则表明SIM卡插入,这时可进行SIM卡的识别流程。

3、如何使用SIM卡

通常的SIM卡硬件电路设计如下,在设计中,特别需要注意ESD保护,高频干扰的过滤。

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图三:SIM卡硬件设计原理图

在PCB设计中,需要将ESD保护器件,旁路电容和串联电阻靠近SIM卡座放置,这样可以预防ESD和高频干扰,同时要做好各个信号线的保护。

4、SIM卡的7码

我们比较熟悉的SIM卡编号有背面有20位数字组成的IC唯一标识号ICCID,这个ID号如同该SIM卡的身份证,是全球唯一的号码,除此之外,SIM卡还有一个SIM卡对应的电话号码是比较常用的号码。但是,SIM卡有一个典型的“7码”,具体如下: MSISDN、Ki、PIN、PUK、IMSI、TMSI、ICCID。由于这些号码被运营商牢牢把控,普通用户如果更换运营商只能更换实体的SIM卡,现在流行的逐渐推广的携号转网因为涉及到各家运营商的市场机密,所以到现在为止还是雷声大,雨点小。

5、不利用SIM卡能否连接运营商网络

这个问题是可以负责任的告诉大家,是可以的。前几天苹果新版手机已经接纳了eSIM,这使得国内外的卡商为止一震。苹果一向都引领潮流,虽然最近几年闲的皮软,但是,这个eSIM技术被苹果玩起来,也会对圈内引起不小的震动。

6、什么是eSIM

现在说的eSIM(Embedded-SIM)卡有两个概念,要向大家阐述清楚,一种是实体的SIM卡,也就是我们说的贴片SIM卡,这比卡片式样的SIM卡小了很多,如下图所示。

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图四:实体esim

另外一种eSIM叫软SIM,也就是我们说的真正意义上的eSIM,是将传统SIM卡直接嵌入到设备芯片上,而不是作为独立的可移除零部件加入设备中,用户无需插入物理SIM卡,即可实现对应运营商网络的接入。使用这种类型的eSIM一方面可以节约硬件成本,另一方面可以节约PCB空间,据笔者了解,他的安全性和实体SIM卡一致。比较有代表意义的是2018年9月5日,中国移动天津公司物联网esim卡在津正式商用。

如今伴随着物联网技术的发展,各家运营商都在暗地里推广这项业务,已经有不少设备供应商完成了运营商对接,据笔者了解,这种eSIM技术对于普通用户,暂时看是不会开放的。

上文说到SIM卡是一个微型控制器系统,那么,是否有被复制的风险呢?答案是肯定的,任何一个事物,只要有接口就一定能够被复制,现在比较有技术含量的复制SIM卡做法是那就是暴力算法,利用原卡的用户识别码IMSI、SIM卡序列号以及鉴权密钥Ki进行复制。

这种eSIM技术通过使用SIM卡的“7码”,并调用运营商公布的函数接口通过高安全性的加密算法和经过运营商认证的空口接口和数据管理机制,完成eSIM信息和运营商数据库信息的交互和确认,此时的“SIM卡”为一段程序代码,嵌入到设备中。现在我们出国经常使用的随身wifi就是利用了这种技术,以后有机会在啰嗦下这方面的技术。

从现在看,eSIM可以通过空口下发对应的数据实现运营商的切换,但是也不是随随便便都能烧写号码,一方面运营商不好收取通信费用,另一方面涉及到所谓的市场机密,国内推广起来还有很长的路要走。

任何事物都要面临着退出历史舞台的时刻,SIM卡也不例外,国内短时间内SIM卡是不会停止使用(涉及到SIM卡生态链,运营商市场资源和国家层面管控),eSIM技术在国内的推广还需要一段时间。


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关键词: 释说芯语     SIM     eSIM    

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