GSM

GSMロゴは、互換性のあるデバイスや機器を識別するために使用されます。ドットは、ホームネットワーク内の3つのクライアントと1つのローミングクライアントを表しています。[ 1 ]

GSM（Global System for Mobile Communications ）は、携帯電話やモバイルブロードバンドモデムなどのモバイル機器で使用される第2世代（ 2G）デジタルセルラーネットワークのプロトコルを記述する標準規格群です。[ 2 ] GSMはGSM協会が所有する商標でもあります。[ 3 ]「GSM」は、GSMで最初に使用された音声コーデックを指す場合もあります。[ 4 ]

2Gネットワ​​ークは、第1世代（ 1G）アナログ携帯電話ネットワークの代替として開発されました。欧州電気通信標準化機構（ETSI）によって開発された最初のGSM規格は、当初、全二重音声電話に最適化されたデジタル回線交換ネットワークを規定し、ステーション間で時分割多元接続（TDMA）を採用していました。これは時とともにデータ通信も含まれるようになり、最初は回線交換トランスポートによるものでしたが、その後、アップグレードされた規格であるGPRS 、そしてEDGEによるパケットデータトランスポートへと発展しました。GSMには、使用される周波数帯域に基づいて様々なバージョンが存在します。

GSMは1991年12月にフィンランドで初めて導入されました。[ 5 ] GSMは2006年に世界で20億人を超えるGSM加入者を抱え、競合規格のCDMAを大きく上回り、携帯電話通信の国際標準となりました。[ 6 ] 2010年代半ばには市場シェアが90%を超え、219以上の国と地域で事業を展開しています。[ 2 ] GSMの仕様と保守は2000年に3GPP機関に引き継がれました。 [ 7 ]当時、3GPPは第3世代( 3G ) UMTS規格を策定し、その後、第4世代( 4G ) LTE Advanced、そしてGSM規格には含まれない第5世代5G規格を策定しました。2010年代後半から、世界中の様々な通信事業者がGSMネットワークの閉鎖を始めました。それにもかかわらず、ネットワークが広く使用されているため、「GSM」という頭字語は、そこから進化した多数のG携帯電話技術、または携帯電話自体の総称として今でも使用されています。

歴史

初期のヨーロッパの開発

1992年4月、ベルギーでのGSM会議中のトーマス・ハウグ（初代GSM会長）とフィリップ・デュプイ（第2代GSM会長）
Bosch CarTel Tは、初期のGSM 900携帯電話機です。Motorola International 1000のブランド変更版です。

1983年、欧州郵政電気通信主管庁会議（CEPT）がGroupe Spécial Mobile（GSM）委員会を設立し、後にパリを拠点とする常設の技術サポートグループを設置したことをきっかけに、デジタル携帯電話音声通信の欧州標準規格の策定作業が開始されました。5年後の1987年、ヨーロッパ13カ国15名の代表がコペンハーゲンで、ヨーロッパ全域で共通の携帯電話システムを開発・展開するための覚書に署名し、GSMを強制規格とするEU規則が可決されました。[ 8 ]大陸標準規格を策定するという決定は、最終的に米国よりも規模の大きい、統一されたオープンな標準ベースのネットワークにつながりました。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

1987年2月、欧州は初めて合意されたGSM技術仕様を作成しました。EU4大国（フランス、西ドイツ、イギリス、イタリア）の閣僚は、5月に世界情報ネットワークに関するボン宣言を採択し、GSMへの政治的支持を固めました。そして9月にはGSMに関する覚書（MOU）が署名のために提出されました。この覚書は、欧州全域の携帯電話事業者を結集し、野心的な共通期限までに新たなGSMネットワークへの投資を約束しました。

このわずか38週間の期間に、ヨーロッパ全体（国と業界）は、4人の公務員、アーミン・シルバーホーン（ドイツ）、スティーブン・テンプル（イギリス）、フィリップ・デュプイ（フランス）、レンツォ・フェイリ（イタリア）の指導の下、まれに見る団結とスピードでGSMの支持を獲得した。[ 13 ] 1989年に、Groupe Spécial Mobile委員会はCEPTから欧州電気通信標準化機構（ETSI）に移管された。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] IEEE/RSEは、トーマス・ハウグとフィリップ・デュプイに「世界的なスマートフォンのデータ通信へのその後の発展をもたらした初の国際モバイル通信規格の開発におけるリーダーシップ」を称え、 2018年のジェームズ・クラーク・マクスウェル・メダルを授与した。 [ 14 ] GSM（2G）は、3G、4G、5Gへと進化した。

最初のネットワーク

1991年のGSM携帯電話のプロトタイプ
GSM携帯電話のプロトタイプ

並行してフランスとドイツは1984年に共同開発協定に署名し、 1986年にはイタリアとイギリスが加わった。1986年、欧州委員会は900MHzの周波数帯域をGSM用に予約することを提案した。長い間、フィンランドの元首相ハリ・ホルケリが1991年7月1日に世界初のGSM通話を行ったと思われていた。ノキアとシーメンスが構築し、ラジオリニャが運用していたネットワークを使用して、カーリナ・スオニオ（タンペレ市副市長）に電話をかけたのだ。[ 15 ] 2021年、ノキアの元エンジニアであるペッカ・ロンカがヘルシンギン・サノマートに対し、ほんの数時間前にテスト通話を行ったことを明かした。「世界初のGSM通話は、実は私が行ったんです。サロのマルヨ・ヨウシネンに電話したんです」とロンカは語った。[ 16 ]翌年には初のショートメッセージサービス（SMSまたは「テキストメッセージ」）メッセージが送信され、Vodafone UKとTelecom Finlandは初の国際ローミング契約を締結した。

機能強化

1991年にGSM規格を1800MHz周波数帯域に拡張する作業が開始され、1993年までに英国で最初の1800MHzネットワーク（ Mercury One2One ）が運用され、DCS 1800と呼ばれました。また、同年、テルストラはヨーロッパ外でGSMネットワークを展開した最初のネットワークオペレータとなり、最初の実用的なハンドヘルドGSM携帯電話が利用可能になりました。

1995年には、ファックス、データ、SMSメッセージサービスが商用化され、米国で最初の1900MHz帯GSMネットワークが運用開始され、世界中のGSM加入者数は1,000万人を超えました。同年、GSM協会が設立されました。1996年にはプリペイド式のGSM SIMカードが発売され、1998年には世界中のGSM加入者数が1億人を突破しました。[ 11 ]

2000年には、初の商用GPRS（ General Packet Radio Service）サービスが開始され、GPRS対応の携帯電話が初めて販売されました。2001年には、GSMに属さない3G技術であるUMTS（W-CDMA）ネットワークが初めて開始されました。世界中のGSM加入者数は5億人を超えました。2002年には、初のマルチメディアメッセージングサービス（MMS）が導入され、800MHz周波数帯域で初のGSMネットワークが運用を開始しました。 2003年には、 GSM Evolution向け拡張データレート（EDGE）サービスが初めてネットワークで運用され、2004年には世界中のGSM加入者数は10億人を超えました。[ 11 ]

2005年までに、GSMネットワークは世界の携帯電話ネットワーク市場の75%以上を占め、15億人の加入者にサービスを提供しました。2005年には、HSDPA対応ネットワークも初めて運用を開始しました。最初のHSUPAネットワークは2007年に開始されました。（高速パケットアクセス（HSPA）とそのアップリンクおよびダウンリンクバージョンは3G技術であり、GSMの一部ではありません。）2008年には、世界のGSM加入者数は30億を超えました。[ 11 ]

採択

1996年のシーメンスGSM携帯電話の画面に表示されたGSMロゴアイコン

GSM協会は2011年に、GSM規格で定義された技術がモバイル市場の80%に利用され、212以上の国と地域の50億人以上の人々をカバーしていると推定しており、GSMは携帯電話ネットワークの多くの規格の中で最も普及している。[ 17 ]

GSMは、欧州電気通信標準化機構（ETSI）が策定した、時分割多元接続（TDMA）方式のスペクトル共有を採用した第2世代（2G）規格です。GSM規格には、3Gユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム（UMTS）、符号分割多元接続（CDMA）技術、そして3GPPが策定した4G LTE直交周波数分割多元接続（OFDMA）技術規格は含まれていません。[ 18 ]

GSMは、ヨーロッパで初めて無線ネットワークの共通規格を確立しました。ヨーロッパ以外の多くの国でも採用され、これにより加入者は相互にローミング協定を結んでいる他のGSMネットワークを利用できるようになりました。共通規格によって、ハードウェアとソフトウェアを現地市場向けに若干の調整を加えるだけで販売できるため、研究開発コストが削減されました。[ 19 ]

中止

オーストラリアのテルストラは2016年12月1日に2G GSMネットワークを停止した。これはGSMネットワークを廃止した最初のモバイルネットワーク事業者となった。[ 20 ] GSMネットワークを2番目に停止したモバイルプロバイダーは、米国のAT&Tモビリティであった（2017年1月1日） 。[ 21 ]オーストラリアのオプタスは2017年8月1日に2G GSMネットワークの停止を完了した。西オーストラリア州とノーザンテリトリーをカバーするオプタスGSMネットワークの一部は、同年4月に停止されていた。[ 22 ]シンガポールは2017年4月に2Gサービスを完全に停止した。[ 23 ]

技術的な詳細

GSMネットワークの構造

ネットワーク構造

ネットワークはいくつかの個別のセクションに構造化されています。

基地局サブシステム

ドイツ、ミュンヘンのドイツ博物館にあるGSM基地局アンテナ

GSMはセルラーネットワークを利用します。つまり、携帯電話は近隣のセルを検索してGSMに接続します。GSMネットワークには5つの異なるセルサイズがあります。

各セルのカバレッジエリアは、実装環境によって異なります。マクロセルは、基地局アンテナが平均的な屋上レベルより上のマストまたは建物に設置されているセルとみなすことができます。マイクロセルは、アンテナの高さが平均的な屋上レベルより低いセルであり、通常は都市部に配置されます。ピコセルは、カバレッジ直径が数十メートルの小さなセルであり、主に屋内で使用されます。フェムトセルは、住宅または中小企業環境での使用向けに設計されたセルであり、ブロードバンドインターネット接続を介して通信サービスプロバイダーのネットワークに接続します。アンブレラセルは、小さなセルの影になった領域をカバーし、それらのセル間のカバレッジのギャップを埋めるために使用されます。

セルの水平半径は、アンテナの高さ、アンテナ利得、伝搬条件などによって、数百メートルから数十キロメートルまで変化します。GSM仕様で実用的にサポートされる最長距離は35キロメートル（22マイル）です。また、拡張セルの概念に基づく実装もいくつかあり、[ 24 ]アンテナシステム、地形の種類、タイミングアドバンスなどに応じて、セル半径が2倍、あるいはそれ以上になることもあります。

GSMは屋内カバレッジをサポートしています。屋内ピコセル基地局、または電力分配器を介して給電される分散型屋内アンテナを備えた屋内リピーターを使用することで、屋外アンテナからの無線信号を別の屋内分散アンテナシステムに伝送できます。ピコセルは通常、ショッピングセンターや空港など、屋内で大きな通話容量が必要な場合に導入されます。ただし、屋内カバレッジは近隣のセルからの無線信号が建物内に浸透することでも提供されるため、これは必須条件ではありません。

GSMキャリア周波数

GSMネットワークは、複数の異なるキャリア周波数帯域（ 2G用のGSM周波数帯域と3G用のUMTS周波数帯域に分かれています）で運用されており、ほとんどの2G GSMネットワークは900MHzまたは1800MHz帯域で運用されています。これらの帯域が既に割り当てられている場合は、代わりに850MHzおよび1900MHz帯域が使用されています（カナダや米国など）。まれに、一部の国では400MHzおよび450MHzの周波数帯域が割り当てられていますが、これはこれらの帯域が以前に第一世代のシステムで使用されていたためです。

比較すると、ヨーロッパのほとんどの3Gネットワ​​ークは2100MHzの周波数帯域で運用されています。世界各地のGSM周波数帯域の使用状況の詳細については、GSM周波数帯域をご覧ください。

事業者が選択した周波数に関わらず、周波数は個々の電話機用のタイムスロットに分割されます。これにより、1つの無線周波数につき、8つのフルレート音声チャネルまたは16のハーフレート音声チャネルが使用可能になります。これらの8つの無線タイムスロット（またはバースト期間）は、 TDMAフレームにグループ化されます。ハーフレートチャネルは、同じタイムスロット内で交互にフレームを使用します。8つのチャネルすべてのチャネルデータレートは270.833 kbit/sで、フレーム期間は4.615 msです。[ 25 ] TDMAノイズは、TDMAを使用するGSM電話機の近くのスピーカーで聞こえる干渉で、ブザー音として聞こえます。[ 26 ]

端末の送信電力は、 GSM 850/900では最大 2 ワット、GSM 1800/1900では最大 1 ワットに制限されます。

音声コーデック

GSMでは、3.1kHzの音声を7～13kbit/sに圧縮するために、さまざまな音声コーデックが使用されてきた。当初は、割り当てられたデータチャネルの種類にちなんで名付けられた、ハーフレート（6.5kbit/s）とフルレート（13kbit/s）という2つのコーデックが使用されていた。これらは線形予測符号化（LPC）に基づくシステムを使用していた。これらのコーデックはビットレート効率に優れているだけでなく、音声のより重要な部分を識別しやすくし、エアインターフェース層で信号のこれらの部分を優先して保護できるようにした。GSMは1997年にさらに強化され、フルレートチャネルを使用する12.2kbit/sのコーデック である拡張フルレート（EFR）コーデックが導入された[ 27 ] 。最後に、 UMTSの開発により、EFR はAMR-Narrowbandと呼ばれる可変レート コーデックにリファクタリングされました。これは、フル レート チャネルで使用すると高品質で干渉に対して堅牢であり、ハーフ レート チャネルで良好な無線状況で使用すると堅牢性は低くなりますが、それでも比較的高品質です。

加入者識別モジュール（SIM）

携帯電話で使用されるナノSIM

GSMの主要機能の一つは、加入者識別モジュール（Subscriber Identity Module）、通称SIMカードです。SIMは着脱可能なスマートカード[ 3 ]で、ユーザーの加入情報と電話帳が保存されています。これにより、ユーザーは端末を変更しても情報を保持できます。また、SIMカードを交換するだけで、端末を変更することなくネットワークやネットワークIDを変更することも可能です。

電話のロック

携帯電話事業者は、販売する端末を自社ネットワーク内でのみ使用できるように制限することがあります。これはSIMロックと呼ばれ、携帯電話のソフトウェア機能によって実装されています。加入者は通常、SIMロック解除をプロバイダに依頼して料金を支払ったり、民間のサービスを利用したり、ソフトウェアやウェブサイトを使って自分でロックを解除したりすることができます。ネットワーク事業者によってロックされた携帯電話は、ハッキングによって突破される可能性があります。

一部の国や地域（ブラジルやドイツなど）では、デュアルSIM端末や通信事業者が多数存在するため、すべての携帯電話がSIMロックフリーで販売されている。[ 28 ]

GSMセキュリティ

GSMは安全な無線システムを目指して設計されました。事前共有鍵とチャレンジ・レスポンスを用いたユーザー認証、そして無線暗号化が考慮されています。しかし、GSMはネットワークの異なる部分を狙った様々な種類の攻撃に対して脆弱です。[ 29 ]

調査結果によると、GSMはスクリプトキディ（入手しやすいハードウェアやソフトウェアを利用する経験の浅い個人）によるハッキングの脆弱性に直面している。この脆弱性は、DVB-T TVチューナーなどのツールへのアクセス性に起因し、モバイルユーザーとネットワークユーザーの両方に脅威をもたらす。「スクリプトキディ」という用語は高度なスキルの欠如を示唆しているが、GSMへの攻撃は深刻な結果をもたらし、携帯電話ネットワークの機能に影響を及ぼす可能性がある。GSMは依然として多くの国で携帯電話技術の主要な供給源であり続けているため、悪意のある攻撃による潜在的な脅威に対する脆弱性は対処が必要な課題である。[ 30 ]

UMTSの開発により、オプションのユニバーサル加入者識別モジュール（USIM）が導入されました。USIMはより長い認証キーを使用することでセキュリティを強化し、ネットワークとユーザーの相互認証も行います。一方、GSMはユーザーとネットワークの認証のみを行い（逆は行いません）、ネットワークとユーザーの認証は行いません。そのため、このセキュリティモデルは機密性と認証を提供しますが、認証機能は限定的であり、否認防止機能も備えていません。

GSMはセキュリティのために複数の暗号化アルゴリズムを使用している。A5 /1、A5/2、A5/3ストリーム暗号は無線音声のプライバシー確保に使用されている。A5/1は最初に開発され、欧州と米国で使用されている強力なアルゴリズムである。A5/2はより弱いアルゴリズムであり、他の国で使用されている。両方のアルゴリズムに重大な脆弱性が見つかっており、暗号文のみの攻撃でA5/2をリアルタイムで破ることが可能であり、2007年1月にはThe Hacker's ChoiceがA5/1クラッキングプロジェクトを開始し、レインボーテーブル攻撃でA5/1を破れるようにするFPGAを使用する計画を立てている。[ 31 ]システムは複数のアルゴリズムをサポートしているため、通信事業者は暗号をより強力なものに置き換えることができる。

2000年以降、A5暗号アルゴリズムを解読するための様々な試みがなされてきました。A5/1とA5/2の両方のアルゴリズムが解読され、その暗号解読法は文献で明らかにされています。例えば、カーステン・ノールは、複数のレインボーテーブル（攻撃に必要な時間を短縮する静的な値）を開発し、既知の平文攻撃の新たな攻撃源を発見しました。[ 32 ]ノールは、「オープンソースのコンポーネントから…完全なGSMインターセプターを構築する」ことは可能だ が、法的懸念からそうしなかったと述べています。[ 33 ]ノールは、7年前のモトローラ製携帯電話とオンラインで無料で入手できる復号ソフトウェアを使用して、別のユーザーになりすましてボイスメールを聴いたり、電話をかけたり、テキストメッセージを送信したりすることで、音声通話とテキストメッセージの会話を傍受できたと主張しました。[ 34 ]

GSMは、ウェブ閲覧などのデータ通信にGPRS（General Packet Radio Service ）を使用します。最も広く使用されているGPRS暗号は、2011年に公開解読されました。 [ 35 ]

研究者らは、一般的に使用されているGEA/1およびGEA/2（GPRS Encryption Algorithms 1および2の略）暗号に欠陥があることを明らかにし、GPRSネットワークをスニッフィングするためのオープンソースソフトウェア「gprsdecode」を公開しました。また、一部の通信事業者は、好ましくないトラフィックやプロトコル（Skypeなど）の使用を検出するためにデータを暗号化（GEA/0を使用）しておらず、顧客が保護されていない状況にあると指摘しました。GEA/3は依然として比較的解読が困難と見られており、一部の比較的新しいネットワークで使用されていると言われています。偽の基地局への接続やダウングレード攻撃を防ぐためにUSIMと併用すれば、中期的にはユーザーは保護されますが、128ビットのGEA/4への移行が依然として推奨されています。

GEA/1およびGEA/2（GEA-1およびGEA-2とも表記）の最初の公開暗号解析は2021年に行われました。その結果、GEA-1アルゴリズムは64ビットの鍵を使用しているにもかかわらず、アルゴリズムの2つの部分間の関係により、実際には40ビットのセキュリティしか提供できないという結論が出ました。研究者たちは、この関係が意図的でない限り、発生する可能性は非常に低いことを発見しました。これは、暗号プログラムの輸出に関する欧州規制を満たすために行われた可能性があります。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]

標準情報

GSMシステムとサービスは、 ETSIが管理する一連の標準規格で説明されており、完全なリストが維持されています。[ 39 ]

特許とオープンソース実装

OpenBTSによるベーストランシーバーステーションや様々な部品を提供するOsmocomスタックなど、特定のGSM機能を提供するオープンソースソフトウェアプロジェクトがいくつか存在します。 [ 40 ]

特許は、オープンソースのGSM実装にとって依然として問題です。GNUやその他のフリーソフトウェア配布者が、特許保有者によるユーザーへの訴訟すべてから免責されることを保証することは不可能だからです。さらに、標準規格には常に新しい機能が追加されているため、特許保護は数年にわたります。

1991年に実装されたオリジナルのGSMは、現在では特許権の制約から完全に解放されている可能性がありますが、2012年まで施行されていた米国の「先発明主義」制度のため、特許の自由は確実ではありません。「先発明主義」制度と「特許期間調整」を組み合わせることで、米国特許の存続期間は優先日から20年をはるかに超えて延長することができます。現時点では、OpenBTSが当初の仕様の機能を無制限に実装できるかどうかは不明です。しかし、その後特許が失効すると、それらの機能はオープンソース版に追加される可能性があります。2011年現在、GSMの使用を理由にOpenBTSユーザーに対して訴訟が提起されたことはありません。

参照

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  40. ^ドナルド・エネ、フェイヴァー・オサギ・ノサ（2016年10月）「GSMの不安定性の分析」国際研究・科学イノベーション誌。3 （ 10）：10。ISSN 2321-2705。S2CID 212468467。  
  41. ^ "OsmocomBB" . Bb.osmocom.org. 2011年2月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年4月22日閲覧。

さらに読む

  • レドル, ジークムント・M.; ウェーバー, マティアス・K.; オリファント, マルコム・W. (1995年2月). 『GSM入門』 アーテック・ハウス. ISBN 978-0-89006-785-7。
  • Redl, Siegmund M.; Weber, Matthias K.; Oliphant, Malcolm W (1998年4月). GSMおよびパーソナル通信ハンドブック. Artech Houseモバイル通信ライブラリ. Artech House. ISBN 978-0-89006-957-8。
  • ヒルブランド、フリードヘルム編（2001年12月）『GSMとUMTS：グローバルモバイル通信の創造』John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-84322-2。
  • ムーリー、ミシェル、ポーテ、マリー＝ベルナルデット（2002年6月）『モバイル通信のためのGSMシステム』Telecom Publishing. ISBN 978-0-945592-15-0。
  • サルグス、サルグス B. (1997 年 4 月)。テレコム携帯電話 GSM DCS。ヘルメス（第2版）。ヘルメス科学出版物。ISBN 978-2866016067。
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