グローバル

グローバル

GSMの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]
業界	通信
設立	1991年12月; 32年前 （1991年12月）
後継	3G
製品	デジタルセルラーネットワーク
Webサイト	ホームページ

GSM（ グローバルシステムフォーモバイルコミュニケーションズ）は、携帯電話やタブレットなどのモバイルデバイスで使用される第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ために、欧州電気通信標準化機構（ETSI）によって開発された標準です。GSMは、 GSM協会が所有する商標でもあります。^{[2] GSMは、}フルレート音声コーデックを指す場合もあります。^[3]

1991年12月にフィンランドで初めて導入されました。^[4] 2010年代半ばまでに、モバイル通信の世界標準となり、90％以上の市場シェアを獲得し、193以上の国と地域で運用されています。^[5]

2G ネットワークは、第 1 世代 ( 1G ) アナログ セルラー ネットワークの代替として開発されました。GSM 標準は、当初、全二重音声電話用に最適化されたデジタル回線交換ネットワークについて説明していました。これは、時間の経過とともにデータ通信を含むように拡張され、最初は回線交換トランスポートによって、次にGeneral Packet Radio Service (GPRS) 経由のパケットデータ トランスポートとEnhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) によって拡張されました。

その後、3GPP は第 3 世代 ( 3G ) UMTS標準を開発し、続いて第 4 世代 ( 4G ) LTE Advanced および第 5 世代5G標準を開発しましたが、これらは ETSI GSM 標準の一部ではありません。

2010 年代後半から、世界中のさまざまな通信事業者が GSM ネットワークの閉鎖を開始しました。しかし、このネットワークは広く使用されていたため、頭字語「GSM」は、そこから進化した多数のG携帯電話技術の総称として今でも使用されています。

1983年、欧州郵政電気通信局会議（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で、デジタル携帯電話音声通信の欧州標準の開発作業が開始されました。5年後の1987年、13のヨーロッパ諸国の15人の代表がコペンハーゲンで、ヨーロッパ全土で共通の携帯電話システムを開発および展開するための覚書に署名し、GSMを必須標準とするEU規則が可決されました。^[6]大陸標準を開発するという決定は、最終的に米国よりも大規模な、統一されたオープンな標準ベースのネットワークをもたらしました。^{[7] [8] [9] [10]}

1987 年 2 月、ヨーロッパは初めて合意された GSM 技術仕様を作成しました。EU の 4 大国の大臣は 5 月にグローバル情報ネットワークに関するボン宣言で GSM に対する政治的支持を固め、9 月には GSM覚書が署名のために提出されました。この覚書はヨーロッパ全土のモバイル オペレーターを巻き込み、野心的な共通期日までに新しい GSM ネットワークに投資することを約束しました。

この38週間という短い期間に、ヨーロッパ全体（国と業界）は、4人の公務員、アルミン・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）、レンゾ・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。^[11] 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。^{[8] [9] [10]} 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データ通信への進化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・マクスウェル賞を授与した。^[12] GSM（2G）は、3G、4G、5Gへと進化した。

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年にはイタリアと英国が加わった。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、ノキアとシーメンスが構築しRadiolinjaが運営する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、世界初のGSM通話を行ったと信じられてきた。^[13] 2021年、ノキアの元エンジニアであるペッカ・ロンカはヘルシンキ・サノマット紙に、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、実は私が行ったものです。サロのマルヨ・ヨウシネンに電話したのです」とロンカは語った。^[14]翌年には、最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は最初の国際ローミング契約を締結しました。

1991 年に GSM 標準を 1800 MHz 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 1800 MHz ネットワークが運用され、DCS 1800 と呼ばれました。また、その年、テルストラはヨーロッパ以外で 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年にファックス、データ、SMSメッセージングサービスが商業的に開始され、米国で最初の1900MHz GSMネットワークが運用され、世界中のGSM加入者が1000万人を超えました。同年、GSM協会が設立されました。プリペイドGSM SIMカードは1996年に発売され、1998年には世界中のGSM加入者が1億人を突破しました。^[9]

2000年に最初の商用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技術である最初のUMTS（W-CDMA）ネットワークが開始されました。世界中のGSM加入者は5億人を超えました。2002年には、最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周波数帯の最初のGSMネットワークが運用されました。 2003年には、 GSM Evolutionの拡張データレート（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加入者数が10億を超えました。^[9]

2005 年までに、GSM ネットワークは世界中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、初のHSDPA対応ネットワークも運用を開始しました。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 テクノロジであり、GSM の一部ではありません。) 2008 年には、世界中の GSM 加入者数が 30 億を超えました。^[9]

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％に利用されており、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。^[15]

GSMは、欧州電気通信標準化機構（ETSI）が発行した、時分割多重アクセス（TDMA）スペクトル共有を採用した第2世代（2G）標準です。GSM標準には、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）、コード分割多重アクセス（CDMA）技術、および3GPPが発行した4G LTE直交周波数分割多重アクセス（OFDMA）技術標準は含まれていません。^[16]

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ました。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。共通規格により、ハードウェアとソフトウェアを現地市場向けに少し変更す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。^[17]

オーストラリアのテルストラは2016年12月1日に2G GSMネットワークを閉鎖し、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。^{[18] GSMネットワークを閉鎖した2番目のモバイルプロバイダーは、}米国のAT&Tモビリティだった（2017年1月1日）。^[19]オーストラリアのオプタスは2017年8月1日に2G GSMネットワークの閉鎖を完了したが、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、その年の初めの2017年4月に閉鎖されていた。^[20]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。^[21]

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– 基地局とそのコントローラ
• ネットワークおよびスイッチング サブシステム– 固定ネットワークに最も類似したネットワークの部分。単に「コア ネットワーク」と呼ばれることもあります。
• GPRSコアネットワーク– パケットベースのインターネット接続を可能にするオプション部分
• 運用サポートシステム（OSS） - ネットワークメンテナンス

GSM はセルラー ネットワークを利用します。つまり、携帯電話はすぐ近くのセルを検索して接続します。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。

• マクロ
• マイクロ
• ピコ
• フェムト、そして
• アンブレラセル

各セルのカバーエリアは、実装環境によって異なります。マクロセルは、基地局の 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見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、通常は都市部に配備されます。ピコセルは、カバー直径が数十メートルの小さなセルで、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の環境での使用向けに設計されたセルで、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ている領域をカバーし、それらのセル間のカバー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、アンテナの利得、伝搬条件によって異なり、数百メートルから数十キロメートルまであります。GSM仕様で実際にサポートされている最長距離は35キロメートル（22マイル）です。拡張セルの概念の実装もいくつかあり、^{[22]アンテナシステム、地形の種類、}タイミングアドバンスに応じてセル半径が2倍以上にもなります。

GSM は屋内カバレッジをサポートします。屋内ピコセル ベース ステーション、またはパワー スプリッターを介して供給される分散屋内アンテナを備えた屋内リピーターを使用して、屋外のアンテナから別の屋内分散アンテナ システムに無線信号を送信することで実現できます。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、これは前提条件ではありません。近くのセルからの無線信号が建物内に浸透することによっても屋内カバレッジが提供されるためです。

GSM ネットワークは、さまざまなキャリア周波数範囲 ( 2G 用のGSM 周波数範囲と3G 用のUMTS 周波数帯域に分かれています) で動作しており、ほとんどの2G GSM ネットワークは 900 MHz または 1800 MHz 帯域で動作しています。これらの帯域がすでに割り当てられている場所では、代わりに 850 MHz および 1900 MHz 帯域が使用されました (カナダや米国など)。まれに、一部の国では 400 MHz および 450 MHz の周波数帯域が割り当てられていますが、これは以前に第 1 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 2100 MHz の周波数帯域で動作します。世界中の GSM 周波数の使用に関する詳細については、「GSM 周波数帯域」を参照してください。

オペレータが選択した周波数に関係なく、周波数は個々の電話機のタイムスロットに分割されます。これにより、無線周波数ごとに8つのフルレートまたは16のハーフレートの音声チャネルが可能になります。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で交互の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。^[23] TDMAノイズは、TDMAを使用するGSM電話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。^[24]

携帯電話の送信電力は、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。

GSM は、3.1 kHz のオーディオを 7 ～ 13 kbit/s に圧縮するために、さまざまな音声コーデックを使用しています。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(6.5 kbit/s) とフル レート(13 kbit/s) という 2 つのコーデックが使用されていました。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ました。これらのコーデックは、ビットレートが効率的であることに加えて、オーディオのより重要な部分を識別しやすくし、エア インターフェイス層で信号のこれらの部分に優先順位を付けて保護しやすくしました。GSM は、1997 年にさらに強化され^[25] 、フル レート チャネルを使用する 12.2 kbit/s 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ました。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条件で使用すると堅牢性は劣るものの、それでも比較的高品質です。

GSMの主な機能の1つは、加入者識別モジュール（一般にSIMカードと呼ばれる）です。SIMは、ユーザーの加入情報と電話帳を含む取り外し可能なスマートカード^[2]です。これにより、ユーザーは携帯電話を切り替えても情報を保持できます。あるいは、ユーザーは携帯電話を切り替えることなく、SIMを変更するだけでネットワークやネットワークIDを変更できます。

モバイル ネットワーク オペレーターは、販売する携帯電話を自社のネットワーク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行されます。加入者は通常、プロバイダーに連絡して料金を支払ってロックを解除するか、プライベート サービスを利用してロックを解除するか、ソフトウェアや Web サイトを使用して自分で携帯電話のロックを解除します。ネットワーク オペレーターによってロックされた携帯電話をハッキングすることは可能です。

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。^[26]

GSMは安全な無線システムを目指して設計され、事前共有キーとチャレンジ・レスポンスを使用したユーザー認証と無線暗号化を採用している。しかし、GSMはネットワークの異なる部分を狙ったさまざまな種類の攻撃に対して脆弱である。^[27]

研究結果によると、GSM はスクリプト キディによるハッキングの影響を受けやすいことが示されています。スクリプト キディとは、簡単に入手できる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を指します。この脆弱性は、DVB-T TV チューナーなどのツールが簡単に利用できることから生じ、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します。「スクリプト キディ」という用語は高度なスキルが不足していることを意味しますが、GSM に対する攻撃の結果は深刻で、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ります。GSM は多くの国で携帯電話技術の主なソース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問題です。^[28]

UMTSの開発により、オプションのユニバーサル サブスクライバー アイデンティティ 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してセキュリティを強化し、ネットワークとユーザーを相互に認証します。一方、GSM は、ユーザーをネットワークに対してのみ認証します (その逆は行いません)。したがって、セキュリティ モデルは機密性と認証を提供しますが、承認機能は制限されており、否認防止機能はありません。

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、ヨーロッパ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弱点が見つかっており、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を使用する計画である。^[29]この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暗号化アルゴリズムを解読するためのさまざまな取り組みがなされてきた。A5/1とA5/2の両方のアルゴリズムが解読され、その暗号解読法が文献で明らかにされている。例えば、カーステン・ノールは多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ソースを発見した。^[30]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、法的な懸念からそうしなかったと述べた。^{[31]ノールは、7年前のモトローラの携帯電話とオンラインで無料で入手できる復号}化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聞いたり、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、音声とテキストの会話を傍受できたと主張した。^[32]

GSMは、ウェブ閲覧などのデータ伝送にGP​​RS（General Packet Radio Service ）を使用します。最も一般的に使用されているGPRS暗号は、2011年に公開されました。 ^[33]

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) 暗号の欠陥を明らかにし、 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せず (つまり、GEA/0 を使用) 、顧客を保護できない状態にしていると指摘しました。GEA/3 は比較的解読が困難なままのようで、一部の最新の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 と GEA/2 (GEA-1 と GEA-2 とも表記) の最初の公開暗号解読は 2021 年に行われました。その結果、64 ビットのキーを使用しているにもかかわらず、GEA-1 アルゴリズムは、アルゴリズムの 2 つの部分の関係により、実際には 40 ビットのセキュリティしか提供しないという結論が出ました。研究者は、この関係が意図的でなければ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、暗号化プログラムの輸出に関する欧州の規制を満たすために行われた可能性があります。^{[34] [35] [36]}

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。^[37]

GSMの特定の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する: ^[38]

• Openmokoによるgsmdデーモン^[39]
• OpenBTSは基地局を開発
• GSMソフトウェアプロジェクトは、 1,000ドル未満でGSMアナライザーを構築することを目指しています^[40]
• OsmocomBBの開発者は、独自のベースバンドGSMスタックをフリーソフトウェア実装に置き換える予定です^[41]
• YateBTSは基地局を開発しました^[42]

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。なぜなら、GNU やその他のフリー ソフトウェア配布者が、特許所有者によるユーザーに対するすべての訴訟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って有効です。^{[引用が必要]}

1991 年のオリジナルの GSM 実装は、現在では特許の制約から完全に解放されているかもしれませんが、2012 年まで実施されていた米国の「先発明主義」システムにより、特許の自由は確実ではありません。「先発明主義」システムは、「特許期間調整」と相まって、米国特許の有効期間を優先日から 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 がその初期仕様の機能を無制限に実装できるかどうかは不明です。ただし、その後特許が期限切れになると、それらの機能はオープンソース バージョンに追加される可能性があります。2011 年現在^{[アップデート]}、GSM の使用に関して OpenBTS ユーザーに対する訴訟は起こされていません。^{[引用が必要]}

• 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 の概要。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。
• Hillebrand, Friedhelm 編 (2001 年 12 月)。GSMと UMTS 、グローバル モバイル通信の誕生。John Wiley & Sons。ISBN 978-0-470-84322-2。
• Mouly, Michel; Pautet, Marie-Bernardette (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。

ウィキメディア・コモンズには、 GSM 標準に関連するメディアがあります。

• GSM 協会 - 世界中の GSM ネットワーク事業者を代表する公式業界団体
• 3GPP—3G GSM 標準開発グループ
• LTE-3GPP.info: 初期の GSM から最新の 5G まで、すべての 3GPP リリースを完全にサポートするオンライン GSM メッセージ デコーダー