GSMフレーム構造

GSM（モバイル通信用のグローバルシステム）では、時間は「バースト期間」と呼ばれるユニットに分けられ、それぞれが約0.577ミリ秒続きます。GSMフレームは、合計4.615ミリ秒の8つのバースト期間で構成され、音声、データ、ネットワーク制御を処理するさまざまなタイプのチャネルを整理します。各バースト期間は、音声、データ、または信号情報を運ぶ物理チャネルに対応します。これらのチャネルは、ネットワークが電話とネットワーク間の通信を効率的に管理するのに役立ちます。その複雑なフレーム構造は、電話とネットワークタワー間で送信される信号とデータを管理するのに適しています。この記事では、GSMフレーム構造の詳細を説明し、マルチフェーム、スーパーフレーム、ハイパーフレーム、および使用する周波数帯域などの部分を分解します。これらのコンポーネントを説明することにより、GSMがコミュニケーションをスムーズで安全で信頼性を高める方法を示すことを目指しています。

カタログ

図1：GSMフレーム階層

GSMマルチフラーム

GSMシステムでは、フレームはMultiFramesと呼ばれる構造にグループ化されます。これらのマルチフレームは、タイミングをスムーズに保ち、リソースを適切に割り当て、すべてがネットワーク全体で同期し続けることを確認するのに役立ちます。マルチファームにより、システムはユーザーのトラフィックを処理し、信号を制御し、限られたネットワーク帯域幅を管理しながら優れたサービス品質を確保できます。GSMには、トラフィックマルチフレームとマルチフェームを制御するという2つの主要なタイプがあります。

図2：GSMマルチフラーム

トラフィックマルチフレーム

トラフィックマルチフェームには、120ミリ秒間で26のバースト期間があります。これらのバーストは、音声とデータを送信するために使用される時間単位です。26のバーストのほとんどは、ユーザートラフィック（音声とデータ）に使用され、システムが中断なく通信を続けることができます。ただし、すべてのバーストがユーザーデータ用ではありません。

26のバーストのうち2つは、ネットワークタスク用に予約されています。1つのバーストは次のとおりです 遅い関連するコントロールチャネル（サッチ）、信号強度、タイミング調整、電源制御などの重要な制御情報を電話からネットワークに送信します。サッチは、接続を安定させ、うまく機能するために重要です。

2番目の予約済みバーストは次のとおりです アイドル期間、データが送信されません。このアイドル時間は、ネットワークが同期し続けるのに役立ち、混雑を防ぎます。また、信号の衝突や異なる送信間の干渉の可能性を減らすためのバッファーとしても機能します。

これらの予約された制御バーストは、GSMネットワークを効率的かつ信頼できるものに保つのに役立ちます。それらがなければ、ネットワークは信号強度やその他の要因の絶え間ない変化を処理するのに苦労します。

図3：MultiFrame

マルチフレームを制御します

トラフィックマルチフレームとは異なり、コントロールマルチフェームは、ユーザートラフィックではなくネットワーク管理に主に使用されます。235.4ミリ秒間で51のバースト期間があり、トラフィックマルチフレームよりも長くなります。この構造は、ネットワークがスムーズに実行され、デバイスがシステムと適切に通信できるようにするのに役立ちます。

Control MultiFrameは、重要なネットワーク情報を送信するために使用される特別な周波数であるビーコン周波数で動作します。周波数補正バースト（FCB）やブロードキャスト制御チャネル（BCH）などのチャネルが含まれています。

FCB ネットワークのタイミングと頻度とモバイルデバイスが同期し続けるのを支援します。これは、干渉や呼び出しの削除を避けるために重要です。 BCH システム情報をロケーションコードやネットワークパラメーターなどのデバイスに送信し、電話がネットワーク領域間を接続して移動するのを支援します。

一緒に、制御マルチフェーム内のこれらのチャネルは、すべてのデバイスがネットワークと同期し続けることを確認し、条件が変化しても、強力な接続を維持するために必要な情報を持っています。これにより、ユーザーは接続を維持しながら異なるネットワーク領域を移動できます。

図4：マルチフレームを制御します

GSMスーパーフレーム

GSM（モバイルコミュニケーション用のグローバルシステム）ネットワークでは、スーパーフレームが通信を整理および同期するのに役立ちます。これは、複数のフレームをグループ化するユニットであり、ネットワークの実行方法を改善します。スーパーフレームには、6.12秒続く51のトラフィックマルチフェームまたは26のコントロールマルチフレームが含まれます。この構造により、情報がスムーズかつ順番に流れることが保証されます。

スーパーフレームは、ユーザーデータ（呼び出し、メッセージ、インターネットなど）とコントロール信号（コールセットアップやネットワーク管理など）の両方の調整に役立ちます。これらをスーパーフレームに整理することにより、GSMシステムはすべてを同期させ、効率的なデータと制御信号伝送を可能にします。

それがなければ、コミュニケーションが混乱し、コールの落下や遅延を引き起こす可能性があります。スーパーフレームは、すべてのネットワーク機能が安定したリズムに従い、混乱を防ぐことを保証します。固定された6.12秒の期間は、ネットワークオペレーターがリソースを効果的に計画し、スムーズなサービスを維持するのにも役立ちます。

図5：GSMスーパーフレーム

GSMハイパーフレーム

GSM（モバイル通信用のグローバルシステム）の構造では、ハイパーフレームが最大の時間単位です。2,048スーパーフレームで構成されており、約3時間、28分、53.76秒続きます。ハイパーフレームは、GSMネットワークがすべてをスムーズに動作させる方法の主要な部分であり、コミュニケーションを安全で信頼性を維持するための周波数ホッピングや暗号化などの重要なタスクを支援します。

周波数ホッピング

ハイパーフレームは、信号の品質を向上させ、干渉を減らすために使用される方法である周波数ホッピングに役立ちます。この手法では、通信頻度を定期的に変更して、信号が1つの周波数に長く留まらないようにすることが含まれます。これにより、干渉の可能性が減り、コミュニケーションがより信頼性を高めます。ハイパーフレームによって提供されるタイミングにより、周波数が通常のパターンで変化することが保証され、盗聴を防ぐのにも役立ちます。

暗号化とセキュリティ

ハイパーフレームは、GSMの暗号化において重要な役割を果たしており、コミュニケーションデータが不正な人々がアクセスするのを防ぎます。ハイパーフレームは、暗号化されたデータのタイミングを同期させるのに役立ちます。そのため、暗号化は長い会話やデータセッションで適切に機能します。タイミングが降りると、セキュリティが弱まる可能性があるため、ハイパーフレームの安定したタイミングはプライバシーを維持するのに最適です。

図6：GSMハイパーフレーム

図7：GSMインターフェイスサイクル

GSM周波数帯域

システム	バンド	アップリンク（MHz）	ダウンリンク（MHz）	チャネル番号範囲
GSM-850	バンド5	824-849	869-894	128-251
GSM-900	バンド8	890-915	935-960	1-124
DCS-1800	バンド3	1710-1785	1805-1880	512-885
PCS-1900	バンド2	1850-1910	1930-1990	512-810
GSM-400	バンド14/15	450-480	450-480	259-293/306-340
GSM-480	バンド14	479-492	504-517	306-340
GSM-700	バンド12/13/14	703-748	758-803	512-810
GSM-850（内線）	バンド26	814-849	859-894	128-251
GSM-R	バンド900	876-915	921-960	955-1023
ER-GSM	Band 900 Ext。	880-915	925-960	0-124

GSMフレーム構造のアプリケーション

処理を呼び出します

GSMは、各ユーザーに異なる時間スロットと周波数を割り当てることにより、複数の音声通話を同時に管理するためにフレームを整理します。通話ごとに、特定の時間スロットがフレーム内に割り当てられ、複数のユーザーが干渉なしに同じ周波数スペクトルを共有できるようにします。この方法は、時間帯の多重化として知られており、クリアで中断のない接続を維持しながら、ネットワークが大量の呼び出しを処理するのに役立ちます。

SMS伝送

テキストメッセージ、またはSMSは、Control Multiframesを使用してGSMネットワークを介して送信されます。これらのフレームは、SMSの特定のタイムスロットを脇に置き、音声トラフィックが高い場合でもメッセージが迅速に配信されるようにします。コントロールチャネルでSMSのスロットを予約することにより、ネットワークは、進行中の呼び出しを中断することなく、信頼性の高い効率的なメッセージ伝達を保証します。

モビリティ管理

GSMの機能は、人々が異なるセルタワーを移動するときにユーザーの動きを管理する能力です。ユーザーが移動すると、ネットワークはコントロールフレームを使用して、進行中の通話またはデータセッションの新しい基地局への移行を処理します。ハンドオーバーとして知られるこのプロセスは、コールの削除を防ぐために正確にタイミングが合っており、ユーザーはサービスを中断することなくカバレッジエリアを移動できるようにします。

セキュリティプロトコル

GSMのセキュリティは、そのフレーム構造と密接に結びついています。ハイパーフレームは、暗号化と復号化キーを定期的にリセットすることにより、安全な通信を維持する上で重要な役割を果たします。これらのキーをハイパーフレームサイクルと同期して更新することにより、ネットワークは音声通話とデータが不正アクセスから保護されたままであることを保証し、傍受のリスクを最小限に抑えます。

結論

GSMフレーム構造は、グローバルモバイル通信の背後にある高度なエンジニアリングを示しています。フレーム、マルチフェーム、スーパーフレーム、およびハイパーフレームを整理することにより、GSMは、ネットワーク全体でデータと音声の両方を効率的に処理および同期させます。この構造は、スムーズな通信を保証するだけでなく、周波数ホッピングや暗号化などの方法でセキュリティを強化します。GSMがさまざまな周波数帯域を管理する方法は、世界中のさまざまな環境で作業する柔軟性を示しています。これらのコンポーネントがどのように機能するかを理解することは、モバイルテクノロジーの複雑さを説明し、GSMの現代の通信における重要性を強調するのに役立ちます。テクノロジーが成長し、ネットワークの需要が増加するにつれて、GSMフレーム構造の基本的なアイデアは将来のモバイル通信システムを形成し続けます。

よくある質問[FAQ]

1. GSMのチャネル構造は何ですか？

モバイルコミュニケーション用のグローバルシステム（GSM）は、チャネル構造に周波数分割多重アクセス（FDMA）と時分割多重アクセス（TDMA）の組み合わせを採用しています。FDMAでは、GSMで利用可能な周波数スペクトル全体が、200 kHz間隔の124のキャリア周波数に分割されます。これらの各周波数は、TDMAを使用してさらに分割され、各周波数チャネルは8つのタイムスロットに分割されます。毎回スロットが異なるユーザーが使用する異なるチャネルを表します。この構造により、複数のユーザーが信号に特定の時間スロットを割り当てることにより、干渉なしに同じ周波数を共有できます。

2. GSMとLTEの違いとは何ですか？

GSM（2G）およびLTE（4Gと呼ばれる長期進化）は、技術、速度、および機能が異なります。

テクノロジー：GSMは、FDMAとTDMAの組み合わせを使用します。LTEは、ダウンリンクに直交周波数分割マルチアクセス（OFDMA）を使用し、アップリンクに単一キャリア周波数除算マルチアクセス（SC-FDMA）を使用します。

速度：LTEは、約114 kbpsのGSMの最大データ速度と比較して、最大300 Mbpsのピークダウンロードレートと75 Mbpsのアップロードレートで、より高いデータレートを提供します。

ネットワークアーキテクチャ：GSMは、音声とデータを個別に処理する回路で切り替えるシステムです。LTEは完全にパケットスイッチされており、同じインターネットプロトコル（IP）ベースのネットワークで音声とデータを処理できるため、効率が向上します。

レイテンシ：LTEネットワークはGSMに比べて遅延が低く、オンラインゲームやビデオ会議など、リアルタイムのデータ送信が必要なアプリケーションのエクスペリエンスが向上しています。

3. GSMの形式は何ですか？

GSMは、デジタル信号を介して送信するために、Voiceをデータパケットにカプセル化するデータ形式を使用します。各GSMフレームは8つのタイムスロットで構成され、各スロットにはデータのバーストが含まれています。GSMメッセージの標準データ形式には、同期情報、エンコードデータ、ユーザーデータが含まれ、ネットワークとモバイルデバイス間の通信が促進されます。この形式は、マルチユーザーアクセスのスペクトルと同期を効率的に使用します。

4. 5GはGSMを使用していますか？

いいえ、5GテクノロジーはGSMを使用しません。5Gは、新しい無線周波数と、以前の細胞世代の速度、容量、およびレイテンシを改善するために設計された新しいネットワークアーキテクチャの上に構築されています。GSMのFDMA/TDMAベースのシステムとは異なる、大規模なMIMO、ビームフォーミング、より高度なアクセステクノロジーなどのテクノロジーを使用しています。

5. GSMアナログまたはデジタルですか？

GSMはデジタルセルラーテクノロジーです。データをデジタル化して圧縮し、それぞれ2つのユーザーデータのストリームを備えたチャネルを送信します。GSMは、古いアナログの第一世代（1G）ネットワークを置き換えるように設計されているため、より良いデータセキュリティ、高品質の音声送信、テキストメッセージとデータサービスのサポートを提供します。