Wenn man untersucht, wie sich ein Smartphone mit einem 5G-Netz verbindet, richtet sich die Aufmerksamkeit normalerweise auf Netzelemente wie gNB, AMF, SMF und UPF. Die viel kleinere USIM wird dabei leicht übersehen. In der Praxis benötigt die USIM jedoch ebenfalls dedizierte Datenstrukturen, um Funktionen zu unterstützen, die von der 5G-Registrierung und der Speicherung des Mobilitätszustands über den Schutz der Teilnehmeridentität bis hin zu NAS-Sicherheitskontexten und Zugriffskontrolle reichen.

Mit der Einführung von 5G wurde das USIM-Dateisystem entsprechend erweitert. Es handelte sich nicht einfach darum, einige zusätzliche Parameter in der bestehenden SIM-Struktur zu speichern. Innerhalb der USIM-Anwendung wurden neue 5GS-spezifische Verzeichnisse, Dienstindikatoren und EF-Dateien eingeführt, damit das Mobilgerät feststellen kann, welche 5G-Fähigkeiten von der Karte unterstützt werden, welche Daten gespeichert werden müssen und wo die entsprechende Konfiguration gelesen werden soll.

Das isolierte Auswendiglernen von Namen wie EF5GS3GPPLOCI, EF5GAUTHKEYS und EFSUCI_Calc_Info kann schnell verwirrend werden. Ein praktischerer Ansatz besteht darin, diese Dateien nach den Problemen zu gruppieren, die sie behandeln: Mobilität, Sicherheit, Schutz der Teilnehmeridentität, Zugriffskontrolle und Betreiberinformationen.

Warum UICC und Dateisystem wichtig sind, bevor man sich die 5G-USIM-Dateien ansieht

Die SIM entstand in der 2G-Ära und kann als Teilnehmeridentitätsmodul verstanden werden, bei dem Hardware und Anwendung eng integriert waren. Die Hardwarekomponente ist der integrierte Schaltkreischip, während die Softwareseite das COS-Betriebssystem, das Dateisystem und die Anwendungen oder Dienste der oberen Schicht umfasst.

Mit der Einführung von 3G trennte die USIM (Universal Subscriber Identity Module) die Anwendung deutlicher von der Kartenplattform, auf der sie ausgeführt wird. Die UICC ist die zugrunde liegende Plattform für universelle integrierte Schaltkreiskarten, während die USIM als Anwendung auf dieser Plattform arbeitet. Mit anderen Worten: Was üblicherweise als „USIM-Karte“ bezeichnet wird, lässt sich aus logischer Architektursicht genauer als eine auf einer UICC laufende USIM-Anwendung beschreiben.

Diese Unterscheidung ist wichtig, weil 5G kein völlig separates Datensystem außerhalb der USIM eingeführt hat. Stattdessen nutzen die 5G-Fähigkeiten weiterhin das bestehende Dienst- und Dateiverwaltungsmodell der USIM.

Ein großer Teil der Smartcard-Daten wird in Form von Dateien gespeichert. Die logische Struktur umfasst hauptsächlich:

• MF (Master File): die oberste Datei im Dateisystem der Karte.

• DF (Dedicated File): ein dediziertes Verzeichnis zur Organisation einer bestimmten Anwendung oder Datengruppe.

• EF (Elementary File): die grundlegenden Dateien, die tatsächlich Dienstdaten, Statusinformationen und Konfigurationsparameter speichern.

Für 5G wurde unter der USIM-Anwendung ein dediziertes Verzeichnis DF5GS hinzugefügt, um die 5GS-bezogenen EF-Dateien zu organisieren. Die entsprechende USIM-Anwendungsspezifikation definiert neun 5G-bezogene Dienste und zehn entsprechende EF-Dateien für diese Gruppe von Fähigkeiten.

Welche 5G-Fähigkeiten werden unter DF5GS hinzugefügt?

Das Vorhandensein einer EF-Datei allein bedeutet nicht automatisch, dass eine Funktion verwendet werden sollte. Eine weitere wichtige Datei ist EFUST (USIM Service Table).

EFUST gibt an, welche Dienste von der USIM unterstützt werden. Die Servicetabelle enthält insgesamt 131 Dienste, während die hier behandelten 5G-bezogenen Dienste die Nummern 122 bis 130 haben. Wenn ein Dienst als nicht verfügbar markiert ist, wählt das Mobilgerät diesen Dienst nicht aus. Die tatsächliche Dienstkonfiguration wird vom Betreiber festgelegt.

Diese Tabelle ist nützlicher als das isolierte Auswendiglernen einzelner Dateinamen, da sie das grundlegende USIM-Designmodell zeigt: Dienstfähigkeitsanzeige plus die entsprechenden EF-Daten.

Wenn beispielsweise Dienst 122 verfügbar ist, muss die USIM die relevanten Dateien für das 5GS-Mobilitätsmanagement bereitstellen. Wenn Dienst 123 verfügbar ist, ist die 5G-Authentifizierungsschlüsseldatei erforderlich. Wenn Dienst 129 verfügbar ist, stellt die USIM die 5GS-Betreiber-PLMN-Liste bereit.

Aus technischer Sicht beantwortet EFUST die Frage „Was unterstützt diese Karte?“ und die einzelnen EF-Dateien beantworten die nächste Frage „Welche Daten erfordert diese Fähigkeit?“. Das Mobilgerät verwendet beide Informationen, um zu bestimmen, wie die entsprechende 5G-Funktion behandelt werden soll.

Warum werden 5G-Standort- und Sicherheitszustände getrennt für 3GPP- und Nicht-3GPP-Zugang gespeichert?

Eine der einfachsten Dateigruppen unter DF5GS betrifft das Mobilitätsmanagement.

EF5GS3GPPLOCI speichert 5GS-Standortinformationen für den 3GPP-Zugang, einschließlich:

• 5G-GUTI;

• das zuletzt besuchte 5G-TAI;

• 5GS-Aktualisierungsstatus.

Die entsprechende Datei EF5GSN3GPPLOCI speichert dieselbe Art von Informationen für den Nicht-3GPP-Zugang. Die beiden Dateien dienen einem ähnlichen Zweck, gelten jedoch für unterschiedliche Zugangsarten.

Dies zeigt, dass die USIM mehr tut, als in einem 5GS-Mobilitätskontext nur eine Teilnehmernummer zu speichern. Sie bewahrt auch temporäre Identitätsinformationen, aktuelle Standortdaten und den Aktualisierungsstatus auf, die in späteren Verfahren verwendet werden können.

Dieselbe Trennung gilt für NAS-Sicherheitskontexte. EF5GS3GPPNSC speichert den NAS-Sicherheitskontext für den 3GPP-Zugang, während EF5GSN3GPPNSC den entsprechenden NAS-Sicherheitskontext für den Nicht-3GPP-Zugang speichert.

Eine weitere dedizierte Sicherheitsdatei ist EF5GAUTHKEYS. Wenn Dienst 123 in EFUST verfügbar ist, ist diese Datei erforderlich und speichert 5G-authentifizierungsbezogene Schlüssel, einschließlich KAUSF und KSEAF, die vom Mobilgerät erzeugt werden.

Die gemeinsame Betrachtung dieser Dateien zeigt die Designlogik der 5G-USIM. Die Daten sind nicht einfach nach Protokollnamen gruppiert. Sie sind um den tatsächlichen Betriebszustand des UE herum organisiert: wo es registriert ist, wie es auf das Netz zugreift, welcher Sicherheitskontext derzeit gültig ist und welche Authentifizierungsinformationen später benötigt werden könnten.

Wie werden SUCI, Zugriffskontrolle und Betreiberinformationen bestimmten EF-Dateien zugeordnet?

Zusätzlich zu Mobilitäts- und Sicherheitskontexten führt 5G zusätzliche USIM-seitige Datenanforderungen für den Schutz der Teilnehmeridentität und die Zugriffskontrolle ein. Die SUCI-bezogenen Fähigkeiten sind eines der klarsten Beispiele.

EFSUCI_Calc_Info speichert die für die SUCI-Berechnung und den Schutz erforderlichen Informationen. Ob diese Datei für das Mobilgerät verfügbar ist, hängt von der Kombination der Dienste 124 und 125 in EFUST ab.

Wenn Dienst 124 verfügbar ist und Dienst 125 nicht verfügbar ist, wird die SUCI-Berechnung vom Mobilgerät durchgeführt. In diesem Fall muss EFSUCI_Calc_Info vorhanden und für das Mobilgerät verfügbar sein.

Wenn beide Dienste 124 und 125 verfügbar sind, wird die SUCI-Berechnung von der USIM durchgeführt. In diesem Fall sollte EFSUCI_Calc_Info für das Mobilgerät nicht verfügbar sein. Wenn Dienst 124 selbst nicht verfügbar ist, sollte die Datei dem Mobilgerät ebenfalls nicht zugänglich gemacht werden.

Zu den wichtigsten Datenobjekten in der Datei gehören:

• Liste der Schutzschema-Identifikatoren: enthält Schutzschema-Prioritäten und den Schlüsselindex.

• Liste der öffentlichen Schlüssel des Heimatnetzes: enthält die öffentlichen Schlüssel des Heimatnetzes und zugehörige Identifikatoren, die zum Schutz des SUPI verwendet werden.

Eine weitere mit SUCI verwendete Datei ist EFRouting_Indicator. Sie speichert den Routing-Indikator, der Teil des SUCI ist und für das Routing zum AUSF und UDM des Heimatnetzes verwendet werden kann.

Über den Schutz der Teilnehmeridentität hinaus kann die USIM auch an der Unified Access Control teilnehmen. EFUAC_AIC speichert die Zugriffsverwaltungskonfiguration, einschließlich Zugriffsidentitäten, die definierten Diensten mit hoher Priorität zugeordnet sind. Diese Werte können zusammen mit der Zugriffskategorie verwendet werden, um die Zugriffskontrolle für bestimmte Dienste zu unterstützen.

Für Anzeigeinformationen des Betreibers speichert EFOPL5G Zuordnungen zwischen 5G-TAIs und PLMN-Netznamens-Datensatzidentifikatoren. Wenn sich das UE bei einem PLMN registriert, kann das Mobilgerät diese Zuordnungen verwenden und anschließend die entsprechenden Betreibernameninformationen lesen, um den Namen oder das Symbol des Dienstanbieters anzuzeigen.

EFNSI hingegen speichert ein SUPI vom Typ netzwerkspezifischer Identifikator. In diesem Fall verwendet das SUPI das NAI-Format und sollte kein IMSI sein.

Welche Rolle spielt die USIM tatsächlich in einem 5G-Netz?

Wenn die USIM lediglich als Teilnehmeridentitätskarte betrachtet wird, lässt sich schwer erklären, warum 5G so viele zusätzliche Dienste und EF-Dateien erfordert.

Zusammengenommen zeigen diese Dateien, dass die USIM eine Reihe von diensttabellengesteuerten Speicherfunktionen für Teilnehmerdaten, UE-Zustand, Sicherheitsinformationen und Betreiberrichtlinien bereitstellt.

Sie speichert weit mehr als nur feste Identitätsinformationen. Das 5G-GUTI und das zuletzt besuchte TAI repräsentieren den Mobilitätszustand. NAS-Sicherheitskontext und 5G-Authentifizierungsschlüssel repräsentieren den Sicherheitszustand. SUCI-bezogene Dateien wirken am Schutz der Teilnehmeridentität mit, während UAC, PLMN und PDU-Sitzungs-Anrufsteuerung zeigen, wie die Betreiberrichtlinie auch das UE-Verhalten über die USIM beeinflussen kann.

Dienst 127 bietet eine Steuerung des UE im VPLMN auf Basis der Steuerungsebene und kann bei der roamingbezogenen PLMN-Auswahl verwendet werden. Dienst 128 bietet eine Anrufsteuerung bei PDU-Sitzungen durch die USIM. Vor dem entsprechenden Vorgang kann das Endgerät der USIM Informationen wie den PDU-Sitzungstyp, den SSC-Modus, die 5GSM-Fähigkeiten und die Informationen der versorgenden Zelle bereitstellen und dann entsprechend der von der Karte zurückgegebenen Anweisung fortfahren.

Dies hat auch praktische Auswirkungen auf die Fehlerbehebung. Bei der Untersuchung von Kompatibilitätsproblemen von 5G-Endgeräten, Registrierungsfehlern, Problemen beim Schutz der Teilnehmeridentität oder bestimmten Zugriffskontrollverhalten reicht es möglicherweise nicht aus, nur das Funknetz und den 5G-Kern zu prüfen. Ingenieure müssen möglicherweise auch überprüfen, ob die USIM den entsprechenden Dienst korrekt deklariert, ob das erforderliche EF vorhanden ist und ob der Dateiinhalt mit der Betreiberkonfiguration übereinstimmt.

Eine praktische Reihenfolge zur Fehlerbehebung lautet: Zuerst EFUST prüfen, um die unterstützte Fähigkeit zu bestätigen, dann überprüfen, ob das entsprechende EF vorhanden ist, und anschließend den EF-Inhalt untersuchen. Dies ist oft effizienter, als jede 5G-bezogene Datei einzeln zu lesen.

Für Ingenieure im Bereich 5G-Endgeräte und Kernnetz ist dies der eigentliche Wert des Verständnisses des USIM-Dateisystems. Viele scheinbar getrennte 5G-Funktionen laufen letztlich auf eine sehr konkrete Frage hinaus: Welche Fähigkeit hat die USIM deklariert und welche Daten hat sie für diese Funktion gespeichert, bevor das UE einen Netzwerkvorgang ausführt?

Häufig gestellte Fragen