GSMの究極ガイド：知っておくべきことすべて

携帯電話が何マイルも離れた人々と魔法のように繋がる仕組みについて疑問に思ったことはありませんか？今日私たちが使う超高速インターネットが普及するずっと前、すべての始まりとなった画期的な技術がありました。この技術は、何十億もの人々が世界中で通話やテキストメッセージを送受信するのを助けました。それがGSMです。しかし、GSMとは一体何なのか、そしてなぜそれがそれほど重要だったのでしょうか？

今日私たちが知っているモバイル世界の基盤を築いた技術のシンプルな物語を発見する準備をしましょう！このガイドでは、GSMについて簡単に理解するために必要なすべてを説明します。

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GSMとは？

GSMは、Global System for Mobile Communications（グローバル移動通信システム）の略です。基本的にはデジタル規格であり、携帯電話とネットワークが通信するために使用する一連のルールと技術です。その主な特徴は以下の通りです。

• \tデジタル: 古いアナログシステム（ノイズの多いラジオのようなもの）とは異なり、GSMはデジタル信号を使用します。これにより、通話がクリアになり、ノイズが少なくなります。

• \t通話とテキスト: GSMは主に音声通話とシンプルなテキストメッセージ（SMS - Short Message Service）のために設計されました。

• \tSIMカード: GSMの最も特徴的な機能の一つに、SIM（Subscriber Identity Module）カードがあります。この小さなチップにアカウント情報が保存されます。SIMカードを別のGSM電話に挿入すると、番号とサービスプランがそれに伴って移動します。

• \tグローバル規格: ヨーロッパ、アジア、アフリカ、その他多くの地域で採用され、世界で最も広く普及したモバイル規格となりました。

賑やかな高速道路を想像してください。多くの車を衝突させずにどうやって収容するでしょうか？GSMはTDMA（Time Division Multiple Access）と呼ばれるシステムを使用します。ネットワークが利用できる無線周波数（高速道路）を考えてください。TDMAはこの周波数を小さな時間スロットに分割します。各電話通話は、その周波数で「話す」ための独自の小さな時間の断片を得ます。これは非常に速く行われるため、連続した会話のように聞こえます。まるで多くの人が同じラジオチャンネルで素早く順番に話しているようなものです。

GSMはまた、特定の周波数帯域でも動作します。これは、モバイル用途のために政府によって割り当てられた専用のラジオチャンネルのようなものです。世界中の多くの地域では900 MHzと1800 MHz、主にアメリカ大陸では850 MHzと1900 MHzが一般的なGSM帯域です。お使いの電話は、お住まいの地域または旅行先の地域で使用されている帯域をサポートしている必要があります。

 

GSMの進化

携帯電話は常に今日のようにスマートで接続されていたわけではありません。GSMはここまで来るのに大きな役割を果たしました。その道のりを見てみましょう。

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初期モバイルネットワーク

GSM以前、1980年代には、ヨーロッパには様々なアナログ携帯電話システム（しばしば1G、または第一世代と呼ばれた）が混在していました。ある国の電話は別の国では機能しませんでした。通話はあまりクリアではなく、セキュリティも弱かったのです。すべてが混乱していて限定的でした。

ヨーロッパ諸国は、モバイル通信を改善し、人々が国境を越えて電話を使用できるようにするため、単一の統一規格が必要だと気づきました。それがGSMが生まれた理由です。誰もが使えるグローバルシステムを作成するためです。最初からデジタルとして設計され、より良い品質とセキュリティを提供しました。

主なマイルストーン（2G、GPRS、EDGE、UMTS）

• \tGSM（2G - 第二世代）： これが私たちが議論してきた元の規格です。1990年代初頭に開始され、デジタル音声通話とSMSテキストメッセージに焦点を当てました。1Gからの大きな改善でした。

• \tGPRS（General Packet Radio Service）： しばしば「2.5G」と呼ばれ、GPRSはGSMネットワークのアップグレードでした。これにより、「常時接続」のデータ接続が可能になりましたが、速度はかなり遅かった（非常に基本的なモバイルウェブ閲覧や電子メールを想像してください）。

• \tEDGE（Enhanced Data rates for GSM Evolution）： もう一つのアップグレードで、時には「2.75G」と呼ばれます。EDGEはGPRSよりも高速なデータ速度を提供し、モバイルインターネットを少し使いやすくしましたが、今持っているものよりはるかに遅かったです。

• \tUMTS（Universal Mobile Telecommunications System）： これが3G（第三世代）の始まりを示しました。技術的には異なる技術システムですが、UMTSはGSMからの進化経路として設計されました。これははるかに高速なデータ速度を提供し、ビデオ通話やより良いモバイルインターネットを可能にしました。多くの3Gネットワークは、GSMによって確立されたコアインフラストラクチャの上に構築されました。

GSMが何であるかを理解することは、これらの後の技術がその成功の上にどのように構築されたかを理解するのに役立ちます。

 

GSMから現代ネットワークへの移行（4G LTEと5G）

ストリーミング、アプリ、ソーシャルメディアなどのデータのニーズが増大するにつれて、3Gでさえ十分な速度ではありませんでした。これが、4G LTE（Long-Term Evolution）および現在の5G（第五世代）ネットワークの開発につながりました。これらの技術はGSMとは大きく異なり、より高度な技術（後述するOFDMAなど）を使用して、信じられないほど高速な速度を提供し、より多くの接続デバイスを同時にサポートします。

モバイルネットワークがGSMから強力な4G LTEおよび5G技術へと進化するにつれて、接続方法も進化しました。eSIM（組み込みSIM）は、この進化における次のマイルストーンを表しており、物理的なSIMカードの必要性をなくし、よりスムーズで高速、柔軟な接続方法を提供します。GSMがモバイル通信の基盤を築いたように、eSIMが未来を形作っています。

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GSMネットワークの構造

GSMネットワークは、お使いの電話と基地局だけではありません。これは、連携して動作するいくつかの主要な部分からなる複雑なシステムです。これを簡単に分解してみましょう。

• モバイルデバイス（Mobile Station - MS）： これはお使いの電話、タブレット、またはネットワークに接続するあらゆるデバイスです。ここで重要なのはSIMカードであり、ユーザー（加入者）をネットワークに識別します。有効なSIMがなければ、電話は通常緊急通話しかできません。

• 基地局サブシステム（Base Station Subsystem - BSS）： この部分は、電話をワイヤレスでメインネットワークに接続します。これには2つの主要なコンポーネントがあります。

  • \t基地局送受信機（Base Transceiver Station - BTS）： これらはいたるところで見かける基地局です。これには、電話と直接信号を送受信する無線機とアンテナが含まれています。各基地局は、「セル」と呼ばれる特定のエリアをカバーしています。
  • \t基地局コントローラー（Base Station Controller - BSC）： これはいくつかの基地局（BTS）のマネージャーだと考えてください。チャネル割り当て（周波数と時間スロットの割り当て）や「ハンドオーバー」（移動中に電話が通話中に別の基地局にシームレスに切り替わること）などを制御します。

• ネットワーク交換サブシステム（Network Switching Subsystem - NSS）： これはGSMネットワークの「頭脳」またはコアです。通話、メッセージを管理し、ユーザーを追跡します。主要な部分には以下が含まれます。

  • \t移動体交換局（Mobile Switching Center - MSC）： 中央の調整要素です。通話を適切な場所（別の携帯電話または通常の固定電話ネットワークへのいずれか）にルーティングし、メッセージサービス（SMS）を処理し、データベースと通信して加入者情報を確認します。
  • \tホームロケーションレジスター（Home Location Register - HLR）： そのネットワークオペレーターのすべての加入者に関する情報（サービス、権限、おおよその位置など）を永続的に保存する大規模なデータベースです。
  • \tビジターロケーションレジスター（Visitor Location Register - VLR）： MSCに関連付けられた一時的なデータベースです。特定のMSCによって提供されるエリアに旅行すると、VLRはHLRからの一時的な情報のコピーを保存します。これにより、MSCはメインのHLRを常に確認することなく、通話をローカルで処理できます。

• 運用およびサポートサブシステム（Operation and Support Subsystem - OSS）： これは、ネットワーク全体を管理する舞台裏の部分です。ネットワーク監視（すべてが正常に機能しているかを確認）、メンテナンス、ソフトウェア更新、ネットワーク設定、障害検出、セキュリティ管理などを処理します。ネットワークがスムーズかつ信頼性高く実行されることを保証します。

したがって、電話をかけるとき、お使いの電話（MS）は最も近い基地局（BTS）と通信し、それはBSCによって管理されます。BSCはNSSのMSCに接続します。MSCはVLR/HLRをチェックして加入を確認し、通話を宛先にルーティングします。それは別のモバイルユーザー（そのネットワーク部分を経由）であるか、固定電話の相手であるかにかかわらずです。

 

GSMの特徴と利点

GSMがこれほど人気になったのにはいくつかの良い理由があります。主な利点をいくつかご紹介します。

• \t国際ローミング： これはおそらくGSMの最大のセールスポイントでした。非常に多くの国がGSM規格を採用したため、ネットワークオペレーターは、顧客が海外旅行中に他のGSMネットワークで電話を使用できる契約を結ぶことができました。これにより、モバイルユーザーにとって国際旅行がはるかに容易になりました。

• \tSIMカードの柔軟性： 小さくて取り外し可能なSIMカードは素晴らしいアイデアでした。これに固有の加入者情報が保存されます。これにより、SIMカードを移動するだけで、電話番号とサービスプランを簡単に新しいGSM電話に切り替えることができます。特定のデバイスに縛られることがありませんでした。

• \tセキュアな通信（当時にしては）： 古いアナログシステムと比較して、GSMはセキュリティが向上していました。デジタル暗号化を使用して通話をスクランブルし、カジュアルな盗聴者が聞き取りにくくしました。今日の基準では完璧ではありませんが、大きな進歩でした。

• \t広範な採用： GSMは世界中で大規模な普及を達成しました。ヨーロッパ、アジア、アフリカ、オセアニアで支配的な規格となり、アメリカ大陸でも広く使用されました。この巨大なユーザーベースは規模の経済を生み出し、電話とネットワーク機器をより安価で入手しやすくしました。

• \t初期IoTデバイスとの互換性： GSMのシンプルさと広範なカバレッジ（特に基本的なデータのGPRSを使用）は、初期のM2M（Machine-to-Machine）通信およびIoT（Internet of Things）デバイスに適していました。スマートメーターが読み取り値を送信したり、自動販売機が在庫を報告したり、基本的な車両追跡システムなどを考えてみてください。

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GSM vs. CDMA vs. LTE：主な違い

GSMだけが唯一のモバイル技術ではありませんでした。世界のいくつかの地域、特に北米とアジアの一部では、CDMAと呼ばれる別の2G/3G技術も人気がありました。そして今日では、LTE（4G）と5Gが支配的な規格です。簡単な比較は以下の通りです。

 

GSMのセキュリティ

GSMが1980年代後半に設計された際、特に簡単にスキャンできるアナログネットワークと比較して、セキュリティは考慮事項でした。

GSMは音声通話を保護するために暗号化を導入しました。使用された主なアルゴリズムはA5/1で、後にA5/2でした。これらのアルゴリズムは、電話と基地局間の会話をスクランブルし、シンプルな無線スキャナーを持つ人が聞き取るのを難しくしました。認証プロセスも、SIMカードをネットワークで検証するために使用され、クローニングを防ぐのに役立ちました（ただし完璧ではありません）。

脆弱性とセキュリティの懸念

改善ではありましたが、GSMのセキュリティは、特に現代の基準では完全ではありませんでした。

• \t弱い暗号化： A5/1アルゴリズムは、後に十分なコンピューティングパワーがあれば破られる可能性のある弱点があることが判明しました。A5/2はさらに弱く、政府によって簡単に破られるように意図的に設計されました。

• \t基地局からネットワークへのリンク： 多くの場合、暗号化は電話と基地局（BTS）の間のみに適用されました。基地局からコアネットワークへのリンクは常に暗号化されておらず、潜在的な弱点となっていました。

• \tIMSIキャッチャー： 「IMSIキャッチャー」または「スティングレー」として知られるデバイスは、正規の基地局を装い、電話をそれらに接続させるように欺くことができます。これにより、攻撃者は通話/テキストを傍受したり、ユーザーの位置を追跡したりすることができます。

• \t相互認証の欠如（元の仕様）： 最初は、ネットワークのみが電話/SIMを認証しました。電話は常にネットワークを認証しなかったため、偽の基地局攻撃に対して脆弱でした。

現代のGSMネットワークは保護されていますか？

GSM自体が古い技術であることを覚えておくことが重要です。一部の基本的なGSMサービスはまだ動作しているかもしれませんが、今日のほとんどの音声およびデータトラフィックは3G、4G（LTE）、および5Gネットワークで実行されています。これらの新しい規格は、はるかに強力なセキュリティ機能を備えています。

• \tより強力な暗号化： 4G/5GではAESのようなアルゴリズムが使用されており、これははるかに堅牢です。

• \t相互認証： デバイスとネットワークの両方が互いを認証するため、偽の基地局攻撃がより困難になります。

• \tエンドツーエンドセキュリティ： ネットワークコアへの通信をさらに保護するための取り組みが行われています。

• \t定期的な更新： セキュリティプロトコルは継続的に見直され、更新されています。

したがって、GSMには既知のセキュリティの欠陥がありましたが、ほとんどの人が日常的に使用するネットワーク（4G/5G）は、はるかに優れた保護を提供します。

 

GSMの限界

その成功にもかかわらず、特に技術が進歩するにつれて、GSMには欠点がありました。

• \t干渉の問題： 電波に基づいているため、GSM信号は建物、丘、あるいは悪天候などの物理的な障害物の影響を受ける可能性があります。これにより、特定のエリアで通話が途切れたり、信号品質が悪くなったりすることがありました。他のデバイスからの電気的干渉も問題を引き起こすことがありました。

• \t限られたデータ速度： これは今日の基準から見たGSMの最大の限界です。GPRSとEDGEのアップグレードによりデータ機能が追加されましたが、速度は3Gはもちろん、4Gや5Gと比較すると非常に遅かったのです。純粋な2G GSM接続でビデオをストリーミングしたり、複雑なアプリを使用したりすることは単に実現不可能でした。GSMが本来何を意味するかを理解し、それが音声優先、データ二番目で構築されたことを認識することが重要です。

• \t信号が弱いエリアでのリピーターの必要性： （大きな建物の中や遠隔地の農村部など）自然なカバレッジが不十分なエリアでは、GSM信号を増幅してサービスを使用可能にするために、信号ブースターやリピーターがしばしば必要でした。これは、どこでもカバレッジを確保するための複雑さとコストを増加させました。

• \t容量の制限： TDMA構造は clever でしたが、特定のエリアで周波数を共有できるユーザー数には限界がありました。非常に人口密度の高い場所では、ピーク時にネットワークが混雑することがありました。

これらの限界が、特にデータ速度と容量に関して、これらの問題を克服するために設計された3G、4G、5Gへの進化の必要性を促しました。

 

米国におけるGSMとグローバルな使用状況

歴史的に米国では、AT&TとT-Mobileが主要なGSMキャリアでした。しかし、これは急速に変化しています。これらのキャリアは、世界の他のキャリアと同様に、古い2G（GSM）および3Gネットワークをシャットダウンする過程にあります。彼らは、これらの古い技術で使用されている無線周波数スペース（スペクトル）を、より高速で効率的な4G LTEおよび5Gネットワークを構築するために必要としています。一時的に特定のM2M/IoT用途やローミング契約のために最小限のGSM機能が残るかもしれませんが、アクティブな消費者による使用は消滅しつつあります。消費者向けのGSMネットワークは、米国では事実上なくなっている、または非常に近い将来になくなるものと考えるのが最善です。

米国の状況は世界的な傾向を反映しています。ヨーロッパ、アジア、オーストラリアの国々も、積極的に2Gおよび3Gネットワークをシャットダウンしています。タイムラインは国やキャリアによって異なり、すでにシャットダウンを完了した国もあれば、今後数年間で計画している国もあります。

理由は一貫しています。価値のあるスペクトルを4G/5Gのために再利用し、古いネットワークの維持コストを削減し、ユーザーをよりモダンで効率的な技術に移行させることです。

過去5〜7年間に製造されたスマートフォンを使用しているほとんどの人にとって、このシャットダウンは直接的な影響を与えないでしょう。現代の電話は主に4G LTEと5Gを使用しています。ただし、GSMネットワークがシャットダウンした場合にやるべきことは以下の通りです。

• \tお使いの電話を確認する： （おそらく10年以上前の）非常に古いフィーチャーフォンを使用している場合、それは2G/3Gしかサポートしていない可能性があります。お住まいの地域でそれらのネットワークがシャットダウンされると、その電話はサービスを失います（緊急通話はできる可能性があります）。4G LTE（できればVoLTE – Voice over LTE）または5Gをサポートする電話にアップグレードする必要があります。

• \tIoTデバイスを確認する： 一部の古いスマートホームデバイス、アラームシステム、または車両追跡装置は、2G/3Gネットワークに依存している可能性があります。これらのデバイスのユーザーは、サービスプロバイダーまたは製造元にアップグレードオプションやサービス損失の可能性について確認する必要がある場合があります。

• \t旅行者： 国際ローミングはGSMの強みでしたが、ネットワークが世界中でシャットダウンされるにつれて、ローミングで2G/3Gだけに依存するのは実行可能性が低くなります。信頼性の高い国際接続には、複数の4G/5G帯域をサポートする現代の電話が不可欠です。

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