摘要：现阶段，我国的网络发展迅速，蜂窝移动通信中的用户卡是网络与用户个性化信息的载体，协助用户享用运营商网络业务，而新一代5G网络对终端及用户卡提出了新的需求。如何使原4GLTE用户不换卡不换号顺利升级使用5G网络业务是运营商进行5G部署时需考虑并解决的关键问题之一。针对此问题，结合国内外运营商在5G初期采用的主流组网架构，从选网接入、鉴权与密钥协商、移动性管理、用户隐私保护、机卡接口电压等方面，重点分析了4G用户卡使用5G终端接入5G网络所面临的问题，同时从终端、网络等角度提出了解决问题的具体方案建议。
关键词：无线通信；终端；用户卡；独立组网
引言
自上世纪80年代移动通信系统诞生以来，技术的改进、标准的更新以及推广应用面临的难题等一直是相关领域的研究重点。从社会对移动通信技术的需求来看，数据速率的提升、无缝隙漫游的实现以及通信系统的高机动性是其发展的重要方向。而在新的社会需求下，4G移动通信系统已经难以与时代“共同进步”，对4G进行补充与升级，成为必然趋势。作为面向2020年以后的新一代移动通信系统，5G拥有更高的能效、频谱利用率、资源利用率以及数据传输速率。
1 5G总体规划策略
由于5G初期网络覆盖不连续，根据业务需求，5G主要面向垂直行业应用和超高速率业务应用场景。因此基于网络定位，5G网络无需进行大范围全覆盖，应充分考虑匹配业务需求因素，精确定位目标，按需建设。
2不换卡不换号升级5G关键问题分析
2.1NSA组网下的关键问题分析
NSAOption3a/3x仍只采用EPC（EvolvedPacketCore，演进分组核心网）作为核心网，且控制面仍锚定在原4GLTE网络。5G终端先接入4GLTE网络，与EPC通信完成鉴权后，通过EN-DC（EUTRA-NRDualConnectivity，EUTRA-NR双连接）协议采用双连接技术添加5GNR小区接入5G网络，因而在此类组网下，原4G用户卡基本可提供5G终端接入和移动性管理所需的接口功能（如选网、鉴权、移动性管理等），用户升级无需换卡或改卡，可享受5G无线网络带来的基本业务（如高速率数据业务）。然而相比SAOption2，此组网类型未建立新的5GC（5GCore，5G核心网），部分5G新功能（如用户隐私保护、网络切片等）将难以实现。
2.2 5G驱动
一方面,更多的来源于需求,来源于业务。如果市场需求不确定的话,运营商找不到理由,说服一般消费者支付更高的费用从4G升级成5G,那自然没有动力大规模投资5G相关设备。毕竟,无线通讯系统最主要的价值来源仍是一般大众,一项技术空有性能但找不到需求,是很难形成市场的。此外,5G是非常高昂且高风险的投资,除了设备、人才以及技术投资之外,价格日益飙涨的频谱竞标也是一大负担。在仍不清楚过去的4G投资是否已经回收的情况下,要运营商们贸然投入高风险的5G市场似乎也不太可能,初期进行小规模试验或许是一种可行的方式。
2.3鉴权认证与密钥协商
3GPPR15标准中为5G用户身份认证定义了两种鉴权机制（即EAP-AKA和5G-AKA），并要求5G终端与5GC需同时支持这两种认证方法。其中，5G-AKA主要用于满足3GPP网络（如LTE、WCDMA、TD-SCDMA、GSM）接入需求，相比4GLTE网络采用的鉴权机制（EPS-AKA），5G-AKA除继承了原EPS-AKA双向鉴权特性外，还增加了由归属网络对来自访问网络的终端鉴权响应的验证功能。从5G-AKA鉴权流程可以看出，新鉴权机制的实现只需在网络侧进行功能新增，用户卡USIM计算鉴权响应所采用的鉴权算法、鉴权计算指令及输入参数类型（RAND、AUTN）与EPS-AKA相同，故原4G用户在鉴权认证问题上无需更换用户卡，亦可在新的5G-AKA鉴权机制下正常合理地完成身份认证。然而，用户卡USIM在计算鉴权响应结果的同时将为5G终端提供密钥IK和CK，终端进而用其计算得到与5GC系列新网元进行通信的加密与完成性保护密钥（KAUSF、KSEAF和KAMF），由于4GLTE用户卡的USIM不具备对新密钥的计算与存储功能，因此建议运营商在派生密钥问题上对5G终端制造商提出需支持上述派生密钥的计算与存储。
2.4运用D2D通信提升系统性能
D2D通信技术主要在LTE设备使用的功能基础上，将接入技术作为其基本内容，逐渐形成大众化移动通信工具。通过对D2D通信技术构成角度分析，如若传递终端用户的数据出现相应的变化，并且变为整体传输内容的情况下，此时可发挥直接对等D2D通信的优势，实现对常规设施覆盖范围的不断拓展。根据相关实践研究表明，结合D2D通信的基本分类，使其与未授权频谱的额外接口进行连接，以此来形成蜂窝系统。如图一。
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图一 5g设备与设备通信d2d典型组网图
2.5用户隐私保护
针对4GLTE网络中IMSI被捕获造成的用户隐私泄露问题，3GPP的5G标准工作组在制定5G安全标准过程中引入了对用户SUPI（SubscriptionPermanentIdentifier，用户永久标识符，即IMSI或NAI）信息的非对称加解密机制，即当终端准备发送“RegistrationRequest”消息给网络时或者终端接收到网络的身份核验请求“IdentityRequest”消息后，终端把SUPI加密后生成SUCI（SubscriptionConcealedIdentifier，签约用户隐藏标识）并发送至5GC，从而避免因SUPI被捕获造成用户隐私泄露或被伪基站利用SUPI进行攻击。然而对SUPI加密所需的信息（例如标识位、加密算法、指令、加密公钥等），需由归属网络运营商预置在用户卡USIM应用中。4G用户卡不具备SUPI加密功能，若不换卡或改卡，则需通过终端适配的方案为网络提供SUCI，具体包括无效加密和有效加密两种方案。
结语
综上所述，若可实现4G用户不换卡不换号顺利升级5G，运营商将节约为存量用户更换用户卡的额外成本支出，并能提升用户升级体验。然而用户卡作为运营商网络与用户的个性化信息载体，需承载选网、认证、安全等新的5G网络相关信息，因而5G终端与网络如何最大程度地兼容4G用户卡，降低因4G用户卡中缺少参数、文件、指令等因素造成对用户使用5G业务的影响，是本文探讨的重点。
参考文献
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论文作者:姚家甫
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：用户论文; 终端论文; 网络论文; 密钥论文; 运营商论文; 需求论文; 业务论文; 《基层建设》2019年第28期论文;