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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（GSM ）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規格群です。[ 2 ] GSMはGSMアソシエーション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 ) のアナログ セルラー ネットワークの代替として開発されました。欧州電気通信標準化機構(ETSI) によって開発されたオリジナルの GSM 規格は、当初は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ており、ステーション間で時分割多重アクセス(TDMA) を採用していました。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、最初は回線交換伝送、次にアップグレードされた規格であるGPRSおよびEDGEによるパケットデータ伝送が行われました。GSM には、使用される周波数帯域に基づいてさまざま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 ]モバイルセルラー通信の世界標準となり、2006年には世界中で20億人以上のGSM加入者がおり、競合規格であるCDMAをはるかに上回っていました。[ 6 ] 2010年代半ばまでに市場シェアは90%を超え、219以上の国と地域で運用されています。[ 2 ] GSMの仕様と保守は2000年に3GPP団体に移管され、[ 7 ]当時、第3世代（3G）UMTS規格を開発し、続いて第4世代（4G）LTE Advancedと第5世代5G規格を開発しましたが、これらはGSM規格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ネットワークを停止し始めました。しかしながら、このネットワークが広く普及した結果、「GSM」という略語は、そこから発展した多数のG携帯電話技術、あるいは携帯電話そのものを指す総称として今でも使われている。
1983年、欧州郵便電気通信会議（CEPT）がGroupe Spécial Mobile（GSM）委員会を設立し、後にパリに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始まった。5年後の1987年、13の欧州諸国から15人の代表者がコペンハーゲンで覚書に署名し、欧州全体で共通の携帯電話システムを開発および展開することになり、GSMを必須標準とするEU規則が可決された。[ 8 ]大陸標準を開発するという決定は、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った。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
1987年2月、ヨーロッパは初の合意されたGSM技術仕様書を作成した。EU主要4カ国（フランス、西ドイツ、イギリス、イタリア）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への政治的支持を固め、9月にはGSM覚書が署名のために提出された。この覚書は、ヨーロッパ中の携帯電話事業者を巻き込み、野心的な共通期日までに新たなGSMネットワークへの投資を約束させた。
このわずか 38 週間の期間で、4 人の公務員、すなわち Armin Silberhorn (ドイツ)、Stephen Temple (英国)、Philippe Dupuis (フランス)、および Renzo Failli (イタリア) の指導の下、ヨーロッパ全体 (国と産業) が GSM に追随しました。[ 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) に移管されました。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] IEEE/RSE は、Thomas HaugとPhilippe Dupuisに「最初の国際モバイル通信標準の開発におけるリーダーシップと、その後の世界的スマートフォンデータ通信への進化」に対して2018 年のJames Clerk Maxwell メダルを授与しました。 [ 14 ] GSM (2G) は 3G、4G、5G に進化しました。
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年にはイタリアとイギリスが加わった。1986年、欧州委員会は900MHzのスペクトル帯域をGSM用に確保することを提案した。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通話を行い、ノキアとシーメンスが構築し、ラジオリンヤが運営するネットワークを使用してカーリナ・スオニオ（タンペレ市の副市長）に電話をかけたと長らく信じられていた。[ 15 ] 2021年、ノキアの元エンジニア、ペッカ・ロンカはヘルシンギン・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らかにした。「世界初のGSM通話は実際には私が行った。サロのマルヨ・ヨウシネンに電話をかけたんだ」とロンカは語った。[ 16 ]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、ボーダフォンUKとテレコムフィンランドが最初の国際ローミング協定を締結した。
1991年、GSM規格を1800MHz 帯に拡張する作業が開始され、1993年には英国で最初の1800MHz ネットワーク（Mercury One2One）がDCS 1800として運用開始された。同年、テルストラはヨーロッパ以外で初めてGSMネットワークを展開したネットワーク事業者となり、実用的な初の携帯型GSM携帯電話も発売された。
1995年には、ファックス、データ、SMSメッセージングサービスが商用化され、米国で最初の1900MHz GSMネットワークが稼働し、世界中のGSM加入者が1000万人を超えました。同年、 GSMアソシエーションが設立されました。1996年にはプリペイドGSM SIMカードが発売され、1998年には世界中のGSM加入者が1億人を超えました。[ 11 ]
2000年に、初の商用GPRS（ General Packet Radio Service）サービスが開始され、初のGPRS対応ハンドセットが販売開始されました。2001年には、GSMの一部ではない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。世界のGSM加入者数は5億人を超えました。2002年には、初のMMS（ Multimedia Messaging Service）が導入され、800MHz 周波数帯で初のGSMネットワークが運用開始されました。 2003年には、EDGE（ Enhanced Data rates for GSM Evolution）サービスがネットワークで初めて運用開始され、2004年には世界のGSM加入者数が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ていました。2005年には、高速ダウンリンクパケットアクセス（HSDPA）を利用できる最初のネットワークも運用を開始しました。補完的な高速アップリンクパケットアクセス（HSUPA）技術の最初のネットワークは2007年に立ち上げられました。HSDPAとHSUPAの融合は高速パケットアクセス（HSPA）として知られています。HSPAは、アップリンクとダウンリンクのバージョンを含めて3G技術であり、GSMではありませんが、2008年には世界のGSM加入者が30億人を超えました。[ 11 ]
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%をカバーし、212以上の国と地域で50億人以上の人々を網羅しており、GSMはセルラーネットワークの多くの規格の中で最も普及していると推定した。[ 17 ]
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）規格です。GSM規格には、3GPPが発行した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）、符号分割多重アクセス（CDMA）技術、および4G LTE直交周波数分割多重アクセス（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わずかな変更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 ]
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、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 オペレーターとなった。[ 20 ] 2 番目に GSM ネットワークを停止したモバイル プロバイダーは、米国のAT&T Mobilityであった (2017 年 1 月 1 日) 。[ 21 ]オーストラリアのOptus 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 Optus GSM ネットワークの一部は、その年の初めの 2017 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 ]
ネットワークはいくつかの独立したセクションに分かれている。
GSMはセルラーネットワークを利用しており、携帯電話は周囲のセルを検索することでネットワークに接続します。GSMネットワークには5種類のセルサイズがあります。
各セルのカバー範囲は、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高い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、通常は都市部に設置されます。ピコセルは、カバー範囲の直径が数十メートルの小型セルで、主に屋内で使用されます。フェムトセルは、住宅地や小規模オフィス環境での使用を想定して設計されたセルで、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のネットワークに接続します。アンブレラセルは、小型セルの影になった領域をカバーしたり、セル間のカバー範囲のギャップを埋めたりす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、数百メートルから数十キロメートルまで変化します。GSM 仕様で実際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、拡張セルの概念を実装した例もいくつかあり、[ 24 ]アンテナ システム、地形の種類、タイミングの進み具合によっては、セル半径が 2 倍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おり、これは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実現できます。これにより、屋外アンテナからの無線信号を、独立した屋内分散型アンテナシステムに伝送できます。ピコセルは、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よく使用されます。ただし、これは必須条件ではありません。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、屋内カバレッジは提供されるからです。
GSMネットワークは、複数の異なる搬送波周波数帯域（2G用のGSM周波数帯域と3G用のUMTS周波数帯域に分けられる）で動作し、ほとんどの2G GSMネットワークは900MHz帯 または1800MHz 帯で動作します。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 帯と1900MHz 帯が使用されます（例えば、カナダと米国）。まれに、400MHz帯と450MHz 帯は、以前の第1世代システムで使用されていたため、一部の国で割り当てられています。
参考までに、ヨーロッパのほとんどの3G ネットワークは2100MHz帯の周波数で動作しています。世界各国のGSM周波数帯の使用状況については、「GSM周波数帯」を参照してください。
オペレーターが選択した周波数に関係なく、それ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、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内の交互のフレームを使用します。すべての8 つのチャネルのチャネルデータレートは270.833 kbit/sで、フレームの持続時間は4.615 ms です。[ 25 ] 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。[ 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ワットに制限されています。
GSM はさまざまな音声コーデック を使用して 3.1 kHz の音声を 7 ～ 13 kbit/s の間に圧縮しました 。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ハーフ レート(6.5 kbit/s) とフル レート(13 kbit/s) と呼ばれる 2 つのコーデックが使用されました。これらは線形予測符号化 (LPC)に基づくシステムを使用しました。これらのコーデックはビットレートの効率性に加えて、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 レイヤーが信号のこれらの部分を優先してより良く保護できるようにしました。GSM は 1997 年にさらに強化され[ 27 ] 、フル レート チャネルを使用する 12.2 kbit/s のコーデック である拡張フル レート(EFR) コーデックが使用されました。最後に、 UMTSの開発に伴い、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した場合、高品質で干渉に強く、ハーフレートチャネルで良好な無線環境下で使用した場合、干渉への耐性は劣るものの、比較的高品質を維持します。
GSMの重要な機能の一つは、加入者識別モジュール（ SIMカード）です。SIMは、ユーザーの契約情報と電話帳を含む取り外し可能なスマートカードです[ 3 ]。これにより、ユーザーは端末を切り替えた後も情報を保持できます。また、端末を切り替えずに、SIMを交換するだけで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。
携帯電話事業者は、自社ネットワーク内でのみ使用できるよう、販売する端末を制限することがあります。これはSIMロックと呼ばれ、端末のソフトウェア機能によって実現されます。加入者は通常、有料で通信事業者に連絡してロックを解除してもらうか、民間のロック解除サービスを利用するか、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することができます。通信事業者によってロックされた端末をハッキングして解除することも可能です。
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豊富にあるため、すべての携帯電話がSIMロック解除された状態で販売されています。[ 28 ]
GSMは安全な無線システムとなることを意図して開発されました。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、および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標的とする様々な種類の攻撃に対して脆弱です。[ 29 ]
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に対して脆弱であることが示されています。スクリプトキディとは、容易に入手可能なハードウェアとソフトウェアを利用する経験の浅い個人を指す用語です。この脆弱性は、DVB-T TVチューナーなどのツールが容易に入手できることに起因し、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します。「スクリプトキディ」という用語は高度なスキルがないことを示唆していますが、GSMに対する彼らの攻撃の結果は深刻で、セルラーネットワークの機能に影響を与える可能性があります。GSMは多くの国でセルラー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に対処する必要があります。[ 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（逆は行いません）。したがって、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、認可機能は限定的で、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アルゴリズムを使用しています。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を確保するために使用されます。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より強力なアルゴリズムです。A5/2 はより弱く、他の国で使用されています。両方のアルゴリズムに深刻な脆弱性が発見されています。A5/2 は暗号文のみの攻撃でリアルタイムに解読することが可能であり、2007 年 1 月に The Hacker's Choice は A5/1 をレインボー テーブル攻撃で解読できるFPGA を使用する計画を立てて A5/1 クラッキング プロジェクトを開始しました。[ 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、オペレーターは暗号をより強力なものに置き換えることができます。
2000 年以降、A5 暗号アルゴリズムを解読するためにさまざまな試みが行われてきました。A5/1 と A5/2 アルゴリズムの両方が解読され、その暗号解読法が文献で明らかにされています。たとえば、Karsten Nohl は、レインボー テーブル(攻撃を実行するのに必要な時間を短縮する静的な値)をいくつか開発し、既知の平文攻撃の新しいソースを発見しました。[ 32 ]彼は、「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、法的懸念のためにそうしなかったと述べています。[ 33 ] Nohl は、7 年前のMotorola 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ています。[ 34 ]
GSMは、ウェブ閲覧などのデータ伝送に汎用パケット無線サービス（GPRS）を使用します。最も一般的に使用されているGPRS暗号は2011年に公に解読されました。 [ 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暗号化アルゴリズム1および2の略）暗号の欠陥を明らかにし、 GPRSネットワークを傍受するためのオープンソースソフトウェア「gprsdecode」を公開した。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しない（つまりGEA/0を使用する）ため、顧客が保護されない状態になっていることも指摘した。GEA/3は比較的解読が難しく、より新しいネットワークで使用されていると言われている。USIMと併用して偽の基地局への接続やダウングレード攻撃を防ぐことで、中期的にはユーザーは保護されるが、128ビットGEA/4への移行が依然として推奨されている。
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読は 2021 年に行われました。この解読では、64 ビットの鍵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していないと結論付けられました。研究者らは、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。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]
GSMシステムとサービスはETSIによって管理される一連の標準で記述されており、完全なリストはそこで維持されています。[ 39 ]
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し、[ 40 ] OpenBTSによる基地局や、さまざまな部分を提供するOsmocomスタックなどがある。[ 41 ]
特許は、オープンソースのGSM実装にとって依然として大きな問題です。なぜなら、GNUやその他のフリーソフトウェア配布者が、特許権者によるユーザーへのあらゆる訴訟から完全に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おり、それらの機能は長期間にわたって特許で保護されています。
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可能性があります。現時点では、 OpenBTSがその初期仕様の機能を制限なく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れば、それらの機能をオープンソース版に追加することができます。2011年現在OpenBTSのユーザーに対して、GSMの使用に関して訴訟が起こされた事例はない。
[...] 1989年にMoU（覚書グループ、後にGSM協会（GSMA）となる）のマーケティングおよび計画（MP）グループの報告者であったイングヴェ・ゼッターストロム氏が、この謎を解くために次のように述べました。「[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象徴しています。」ほら、一次情報源からの答えです！
では電話とテレビに各国のアナログ規格が混在しており、国内産業を保護するために設計されたものの、結果として海外の大企業に脆弱な断片化された市場を生み出していました。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)は主に音声電話用に設計されましたが、最大9600ビット/秒の回線交換データ接続を可能にするさまざまなベアラサービスが定義されました。
1982年、欧州郵便電気通信連合（CEPT）により、汎ヨーロッパのモバイル技術を設計するためにGroupe Speciale Mobile（GSM）が設立されました。
この任務は、パリに拠点を置く技術サポート担当者の「常駐中核」の支援を受けた Groupe Spécial Mobile (GSMTM) として知られる委員会に委ねられました。
以前、ヨーロッパでは電話やテレビに各国のアナログ規格が混在しており、国内産業を保護するために設計されたものの、結果として海外の大企業に脆弱な断片化された市場を生み出していた。
Holkeriは、1991年1月7日にヘルシンキで行われた開局式で、Radiolinja（Elisaの子会社）ネットワークで最初の通話を行った。
Tasan 30 vuotta sitten Esplanadin puistossa tehtiin historiaa。クリセイッサ ヴァイクッティ ノキアン ニーキネン トイミトゥスヨタヤ ペッカ ルンドマルク。 Hän uskoo、että seuraava murros kestää ainakin 10 vuotta。
Nohl氏は、他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、音声やテキストの会話を傍受できたと述べた。さらに厄介なのは、7年前のMotorola製携帯電話とインターネットから無料で入手できる復号ソフトウェアを使ってこれを実行できたことだ。
