GSMネットワーク設計とインフラストラクチャの基本
急速な技術の進歩に支配された時代において、GSM（モバイルコミュニケーションのためのグローバルシステム）は、グローバルモバイルコミュニケーションの基礎となっています。デジタルセルラーネットワークの標準として発信されたGSMは、音声通話からデータ送信までの多数のサービスをサポートする包括的で堅牢なフレームワークに進化しました。この記事では、GSMテクノロジーの複雑さを掘り下げ、ネットワークアーキテクチャ、運用上のダイナミクス、およびそれが現代の通信において果たす究極の役割を調査します。ネットワークやスイッチングサブシステム（NSS）、ベースステーションサブシステム（BSS）、モバイルステーション（MS）などの要素を分析することにより、GSMがリソースを効率的に管理して膨大な地域全体で信頼できるコミュニケーションを提供する方法を照らします。さらに、この記事では、CDMAやLTEなどの他のテクノロジーとの比較を通じてGSMの継続的な関連性を強調し、現在のデジタル時代に独自の利点と固有の制限を示しています。
カタログ
図1：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）
GSMを分類します
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）は、世界中の携帯電話で使用される第2世代（2G）デジタルセルラーネットワークを定義する国際標準です。850 MHz、900 MHz、1800 MHz、および1900 MHzを含むいくつかの周波数帯域で動作します。限られた周波数スペクトルを効率的に使用するために、GSMは周波数除算マルチアクセス（FDMA）と時分割多重アクセス（TDMA）の組み合わせを使用します。FDMAは利用可能な周波数帯を小さなチャネルに分割し、TDMAはこれらのチャネルをさらに時間スロットに分割します。このアプローチにより、複数のユーザーが干渉なしに同じ周波数チャネルを共有し、ネットワーク容量を最大化し、全体的な接続を改善することができます。
図2：さまざまな種類のセル
GSMネットワークアーキテクチャは、さまざまな地理的領域と信号強度の要件に応えるために、さまざまな種類のセルで設計されています。これらには、マクロ、マイクロ、ピコ、傘の細胞が含まれます。各細胞型には特定の役割があります。
•マクロ細胞は、農村地域などの広い領域をカバーし、幅広いカバレッジを提供します。
•マイクロセルは、より高い容量が望まれる密集した都市部で使用されます。
•ピコ細胞は、内部の建物など、需要が高い非常に小さく、混雑したスペースを提供します。
•傘細胞は、他のセルが十分ではない可能性のある地域で追加のカバレッジを提供し、継続的なサービスを確保します。
GSMネットワークは、包括的な機能セットで知られています。シームレスな国際ローミングを可能にします。これにより、ユーザーは最小限の混乱で世界中のどこでも電話をかけて受信できます。GSMネットワークの音声品質は一般的に明確であり、テクノロジーは電力効率の高いように設計されており、モバイルデバイスのバッテリー寿命を延ばすのに役立ちます。GSMは、SMSなどのデータサービスやインターネットブラウジングまで、幅広いサービスもサポートしています。そのスケーラビリティと費用対効果により、GSMはモバイルコミュニケーションの支配的な技術になり、さまざまなネットワークオペレーターの互換性をグローバルに維持しながら、幅広いユーザーがアクセスできるようになりました。この設計は、ネットワークの信頼性を向上させるだけでなく、より接続されたアクセス可能なグローバル通信システムを促進します。
図3：GSMネットワークアーキテクチャコンポーネント
GSMネットワークアーキテクチャコンポーネント
GSMネットワークアーキテクチャは、信頼できる継続的なモバイル通信を確保するために設計された複雑なシステムです。ネットワークおよびスイッチングサブシステム（NSS）、ベースステーションサブシステム（BSS）、モバイルステーション（MS）、およびサポートサブシステム（OSS）の4つの主要コンポーネントで構成されています。これらの各要素は、ネットワークの機能と効率を維持する上で影響力のある役割を果たします。
NSS（ネットワークおよびスイッチングサブシステム） GSMネットワークの中央ハブとして機能します。通話のルーティングとサブスクライバーデータの管理を処理します。NSSの中心にあるのは、モバイルユーザー間のコールを接続し、それらを公衆電話システムやインターネットなどの外部ネットワークにリンクする責任があるモバイルサービススイッチングセンター（MSC）です。MSCは、ユーザーがどこにいるかに関係なく、通話が迅速かつ確実に接続されることを保証します。
BSS（ベースステーションサブシステム） モバイルデバイスとネットワーク間の基本的なリンクを提供します。このサブシステムには、モバイルハンドセットとネットワーク間の無線通信を管理するベーストランシーバーステーション（BTS）が含まれます。BSSは、ユーザーのデバイスをより広いネットワークに接続するブリッジとして効果的に機能し、明確で安定した通信を確保します。
MS（モバイルステーション） サブスクライバーIDモジュール（SIM）カードを含むユーザーのモバイルデバイスです。SIMカードは、ユーザーの身元、場所、ネットワーク認証、セキュリティキーなどの重要な情報を保存するため、解決しています。このデータは、ネットワークへの安全なアクセスを可能にし、ユーザーの接続が適切に認証および維持されるようにします。
OSS（操作およびサポートサブシステム）は、ネットワークの継続的な管理とメンテナンスを担当します。技術的な運用を監督し、ネットワークがスムーズかつ効率的に実行されるようにします。OSSは、ネットワークのスケーラビリティにとって動的であり、サービスを中断することなくアップグレードと拡張を可能にします。このサブシステムにより、技術的な問題が迅速に対処され、ネットワークが堅牢性を維持し、ますます需要を処理できることが保証されます。
図4：ネットワークスイッチングサブシステム（NSS）
GSMネットワーク内のネットワークスイッチングサブシステム（NSS）の探索
ネットワークスイッチングサブシステム（NSS）は、GSMネットワークのコアを形成し、ネットワークの操作を集合的に管理および最適化するさまざまなコンポーネントを統合します。NSSの中心には、公開された電話ネットワーク（PSTN）など、ルーティングコールとGSMネットワークを外部ネットワークに接続するためのメインハブとして機能するモバイルサービススイッチングセンター（MSC）があります。MSCは、サブスクライバーの登録、それらの認証、場所の更新、適切な目的地への通話の指示など、必要なモバイル通信タスクを担当します。
NSS内の2つの影響力のあるデータベースは、Home Location Register（HLR）とVisitor Location Register（VLR）です。HLRは、ネットワーク内の各サブスクライバーの詳細なプロファイルの支配的なリポジトリとして機能します。ユーザーのサービスと現在の場所に関する情報を保存し、ユーザーがセルから別のセルに移動するときに、ネットワークが通話とメッセージを正確にルーティングできるようにします。一方、VLRは、現在カバレッジエリア内にいる加入者に関するデータを一時的に保持しており、通話を設定してサービスを提供するために必要な情報に迅速にアクセスできるようにします。
機器IDレジスター（EIR）は、ネットワークのセキュリティを維持する上で活気に満ちた役割を果たします。このデータベースは、一意の国際モバイル機器ID（IMEI）番号を保存することにより、ネットワーク内で動作するすべてのモバイルデバイスを追跡します。EIRは、盗難または不正なデバイスを特定してブロックすることで注目に値し、ネットワークにアクセスするのを妨げます。セキュリティは、ネットワークに接続しようとするSIMカードのIDを検証する責任があるAuthentication Center（AUC）によってさらに強化されています。これらの接続を認証することにより、AUCは詐欺と不正アクセスの防止に役立ち、有効なユーザーのみがネットワークを介して通信できるようにします。さらに、SMSゲートウェイ（SMS-G）は、ネットワーク全体のSMSメッセージの送信と受信を処理します。テキストメッセージがスムーズかつ確実に配信され、大量のメッセージングトラフィックの処理におけるネットワークの効率を維持することが保証されます。
図5：ベースステーションサブシステム（BSS）
GSMネットワークのベースステーションサブシステム（BSS）
ベースステーションサブシステム（BSS）は、GSMネットワークの危険な部分であり、ユーザーのモバイルデバイスとネットワーク間のすべての直接的な通信を管理する責任があります。ベーストランシーバーステーション（BTS）とベースステーションコントローラー（BSC）の2つの主要なコンポーネントで構成されています。
BTS（ベーストランシーバーステーション）： モバイルデバイスとの無線通信を処理します。ラジオトランスミッターとアンテナを装備したBTSは、無線信号の送信と受信を管理し、ネットワークとモバイルデバイス間の通信が明確で中断のないままであることを保証します。各BTSは、セルと呼ばれる特定の地理的領域をカバーし、この領域内の無線リンクを維持する責任があります。
BSC（ベースステーションコントローラー）： 複数のBTSを監督し、リソースと運用を管理します。無線周波数を割り当て、セル全体の負荷のバランスを取り、ユーザーがネットワークを移動するにつれて、アクティブコールが1つのセルから別のセルにシームレスに引き渡されるようにします。このプロセスは、継続的な接続性を維持するために必要であり、モバイルユーザーが異なるエリア間を移動する場合でも、モバイルユーザーにスムーズなエクスペリエンスを提供します。
ベースステーションの戦略的展開は、ネットワークカバレッジを最適化し、信号の重複によって引き起こされる干渉を最小限に抑えるための基本です。ネットワークトラフィックが増加するにつれて、音声の効率的な管理とデータ送信がより重要になります。BSSをコアネットワークに接続するテクノロジーも、時間とともに進歩しています。従来のネットワークはこれらの接続にE1/T1ラインを使用していますが、最新のネットワークは、キャリアグレードのイーサネットやマイクロ波リンクなどの大容量リンクを使用することがよくあります。これらの新しいテクノロジーは、速度や品質を犠牲にすることなく、リモートエリアにネットワークリーチを拡張するのに特に役立ちます。
図6：モバイルステーション
GSMのモバイルステーションの役割と機能
モバイルステーション（MS）は、ユーザーのモバイルデバイスとサブスクライバーIDモジュール（SIM）カードで構成されるGSMネットワークのかなりの部分です。モバイルデバイスには、エネルギー効率を最大化しながら、さまざまな機能をサポートするように設計された高度なハードウェアが装備されています。これにより、バッテリー寿命が長くなり、持ち運びが簡単な洗練されたコンパクトなデザインが可能になります。一方、SIMカードは、しつこいサブスクライバー情報を保存し、ユーザーが異なるデバイスを切り替えた場合でもIDとアクセスサービスを保持できるようにします。
セキュリティおよびネットワーク運用は、国際的なモバイル機器ID（IMEI）や国際モバイル加入者ID（IMSI）などの主要な識別子に大きく依存しています。IMEIは、ネットワーク上のデバイスを識別する一意の番号です。紛失または盗まれたデバイスがネットワークにアクセスするのを防ぐなど、セキュリティ対策において重要な役割を果たします。SIMカードに保存されているIMSIは、サブスクライバーをネットワークに識別し、ユーザーが異なる場所やデバイスを移動するときにシームレスなサービスのアクティブ化とモビリティ管理を可能にします。
モバイルステーションの進化により、ユーザーエクスペリエンスが大幅に向上し、音声通話やSMSだけを超えて幅広いデータサービスを含めることができました。これらのサービスは、基本的なインターネットブラウジングから、ビデオストリーミング、オンラインゲーム、リアルタイム通信アプリなどのより厳しいアプリケーションにまで及びます。この技術の進歩により、モバイル通信の範囲が広がり、洗練されたサービスがより多くの視聴者がアクセスできるようにしました。その結果、モバイルステーションは、ユーザーがテクノロジーとの対話方法を大幅に改善し、より豊かで多様なコミュニケーションエクスペリエンスにつながりました。
図7：操作とサポートサブシステム（OSS）
GSMの操作とサポートサブシステム（OSS）をナビゲートする
操作およびサポートサブシステム（OSS）は、GSMネットワークのアクティブな部分であり、ネットワークスイッチングサブシステム（NSS）やベースステーションサブシステム（BSS）など、他のネットワークコンポーネントの機能の管理と調整を担当しています。これらのセグメントを監督し、それらのアクティビティを統合することにより、スムーズで効率的なネットワーク操作を保証します。
OSSの主な役割は、サブスクライバーベースが拡大するにつれてネットワークの成長とパフォーマンスを管理することです。トラフィック分析、能力計画、パフォーマンスの最適化に高度なツールを使用しています。これらの機能は、ネットワークの信頼性を維持し、輻輳を防ぎ、需要が増加してもサービスの品質が高いことを保証するために使用されます。
ネットワークが進化するにつれて、OSSは、リソースの割り当て方法を最適化し、繰り返しタスクを自動化することにより、運用コストを制御するのに役立ちます。データ分析を活用することにより、将来のネットワークの要求を予測し、積極的な調整を行うことができます。この将来の考えのアプローチにより、ネットワークは運用効率を維持しながら持続可能に拡大することができます。
GSMネットワークはどのように動作しますか？
GSMネットワークの動作は、大規模な領域でコミュニケーションを効率的に管理する能力によって定義され、信頼性と精度の両方を確保します。ネットワークのコア機能は、タイムディビジョンマルチアクセス（TDMA）に基づいており、最大16人のユーザーが同じラジオチャネルを同時に共有できるようにします。これは、各スロットを別のユーザーに割り当てて、無線スペクトルを特定のタイムスロットに分割することによって達成されます。このアプローチは帯域幅の使用を最適化し、干渉を減らし、ユーザー密度が高い地域やモノのインターネット（IoT）などのアプリケーションでGSMを特に効果的にします。
GSMの進化は、グローバルコミュニケーションの変化するニーズを満たすために、継続的な改善によって顕著になっています。当初、音声通信用に設計されたGSMは、強化されたデータサービスを含め、新しいテクノロジーと統合するように適合しています。この適応性により、GSMは今日のペースの速い通信環境に関連することを保証し、音声通話の標準としてだけでなく、最新のモバイル通信サービスのバックボーンとしても機能します。
GSMテクノロジーのアプリケーション
GSMテクノロジーは、幅広いアプリケーションをサポートするグローバルモバイルコミュニケーションの多目的で堅牢な基盤として機能します。
図8：テキストメッセージング（SMS）
GSMは、モバイルネットワークを介してテキストメッセージを簡単に送信および受信できるようにするShort Message Service（SMS）を導入することにより、通信を変換しました。SMSは、個人的および専門的なコミュニケーションの両方の基本的なツールとなり、情報を即座に交換するための迅速で信頼できる方法を提供します。
図9：データセキュリティの強化
GSMは、強力な暗号化プロトコルを統合して音声とデータの送信を保護し、通信チャネルが不正アクセスと盗聴から保護されるようにします。これらのセキュリティ機能により、GSMは機密情報を送信し、ユーザーのプライバシーとデータの整合性を保護するための信頼できるプラットフォームになります。
図10：シームレスなシステムハンドオーバー
GSMは、ネットワークセル間の滑らかな握手を可能にし、ユーザーが接続を失うことなく異なる地理的領域を移動できるようにします。この機能は、途切れないモバイル音声とデータサービスを維持するために使用され、ユーザーがどこにいるかに関係なく、安定した一貫した通信を確保します。
図11：医療サービス
GSMテクノロジーは、遠隔医療で動的な役割を果たし、遠隔診断と患者の監視をサポートします。このアプリケーションは、医療サービスを遠隔地やサービスを提供していない地域に提供する上で特に重要であり、タイムリーで効果的な医療を提供する医療システムの能力を高めています。
図12：GSM、CDMA、およびLTE
比較分析：GSM、CDMA、およびLTEテクノロジー
GSM（モバイル通信用のグローバルシステム）、CDMA（コード分割多重アクセス）、およびLTE（長期進化）は、3つの異なるモバイル通信技術であり、それぞれが独自の運用特性と利点を持つ異なる開発段階を表しています。
GSMは、タイムディビジョンマルチアクセス（TDMA）に依存する第2世代（2G）テクノロジーであり、ユーザーに無線周波数を割り当てます。 これは、各周波数をタイムスロットに分割し、複数のユーザーが同じ周波数帯域を共有できるようにすることを意味します。GSMは、その単純さと国際的な使用の容易さで広く認識されており、多くの国で標準となっています。SMSや限られたインターネットアクセスなどの音声通話と基本的なデータサービスをサポートしています。このテクノロジーの広範な採用は、主にその信頼性の高いパフォーマンスとグローバルなローミング機能によるものです。
ユーザーを時間単位で区切るGSMとは異なり、 CDMAは、複数のユーザーが同じ時間と周波数帯域を同時に共有できるようにするスプレッドスペクトル技術を使用します。 この方法は、利用可能なスペクトルを使用するのにより効率的であり、干渉に対するプライバシーと抵抗が大きくなります。CDMAはGSMの強力な競争相手でしたが、特に米国では、同じレベルのグローバルな採用を達成することはありませんでした。ほとんどのCDMAネットワークは現在、LTEに移行しています。
LTE、または長期的な進化は、GSMとCDMAの両方からの大幅な前進を表す4Gテクノロジーです。 前任者とは異なり、LTEは、音声通信だけでなく、高速データ送信専用に設計されています。直交周波数除算の多重化（OFDM）や複数の入力マルチ出力（MIMO）などの高度な技術を使用して、帯域幅を最大化し、遅延を最小限に抑えます。LTEは、HDビデオストリーミング、高速ダウンロード、リアルタイムオンラインゲームなど、幅広い高需要サービスをサポートしており、最新のモバイルインターネットアクセスの基盤となっています。
GSMテクノロジーの長所と短所
長所
広範な互換性：GSMの主な強みの1つは、世界中のネットワークとデバイス全体の互換性を保証する普遍的な標準化です。これにより、ユーザーは国際的にシームレスに回転し、問題なく異なるネットワークオペレーターを切り替えることができます。国を旅するか、さまざまなデバイスを使用するかにかかわらず、GSMの標準化により、スムーズな接続性が保証されます。
堅牢な機能セット：GSMは、音声通話、SMS、基本的なデータ機能など、信頼できるコアサービスセットを提供します。その簡単で信頼できる技術は、特に新しいテクノロジーがまだ完全に採用されていない地域で、一般的な選択となっています。ユーザーは、インフラストラクチャが限られている領域であっても、一貫したアクセス可能なコミュニケーションのためにGSMを頼りにすることができます。
成熟したインフラストラクチャ：1990年代初頭に設立されたGSMは、ネットワークインフラストラクチャを構築および改良するために数十年を迎えてきました。この長年の存在は、GSMサービスが遠隔地や農村部であっても広く利用できることを意味します。GSMネットワークが提供する広範なカバレッジにより、これらの地域のユーザーが接続を維持できるようになります。
短所
限られたデータ速度：基本的なデータ機能を使用した音声通信用に設計されたGSMのデータ送信速度は、3G、4G LTE、5Gなどの最新のテクノロジーと比較してはるかに遅くなります。これにより、GSMは、ビデオストリーミングや複雑なWebアプリケーションの実行など、今日のデータ集約型アプリケーションには適していません。
容量の問題：GSMは、周波数ごとに固定された時間スロットを割り当てます。これにより、同時にサポートできるユーザー数が制限されます。特に人口密度の高い地域では、モバイルの使用が増加し続けるにつれて、これはネットワークの混雑とサービスの質の低下につながる可能性があります。
干渉に対する感受性：その古い技術により、GSMはさまざまなソースから干渉する傾向があります。この脆弱性は、特に大きな信号干渉を伴う環境で、劣化した通話品質と信頼性の低いデータサービスをもたらす可能性があります。
結論
構造化されたスケーラブルなアーキテクチャを備えたGSMテクノロジーは、引き続き電気通信の状況の不可欠な部分であり、世界中で信頼できるアクセス可能なコミュニケーションを確保しています。LTEや5Gなどのより高度なテクノロジーの出現にもかかわらず、さまざまなドメインにわたるGSMの戦略的展開（シームレスな国際的なローミングからテレメディシンの危険なアプリケーションまで）は、その永続的な関連性を実証しています。このテクノロジーの設計により、さまざまな地域やデバイスにわたる幅広いカバレッジと互換性だけでなく、時期のテストに耐えた堅牢な機能セットも促進されます。
それにもかかわらず、デジタル景観が進化するにつれて、GSMは、限られたデータ速度や容量の問題などの課題に直面し、新しいテクノロジーとの継続的な適応と統合の必要性を強調しています。プログレッシブエンハンスメントを備えたGSMの基礎強度のこの統合は、モバイル通信の動的な性質をカプセル化し、接続性がこれまで以上にシームレスで包括的である未来に向かって推進します。
よくある質問[FAQ]
1. GSMネットワークのシステムアーキテクチャは何ですか？
モバイルコミュニケーション（GSM）ネットワーク向けのグローバルシステムは、モバイルステーション（MS）、ベースステーションサブシステム（BSS）、ネットワークおよびスイッチングサブシステム（NSS）の3つの主要なシステムに構成されています。モバイルステーションは、モバイルデバイスとそのSIMカードで構成されています。ベースステーションサブシステムには、モバイルとの無線通信を処理するベーストランシーバーステーション（BTS）と、複数のBTSユニットのリソースと接続を管理するベースステーションコントローラー（BSC）が含まれます。ネットワークとスイッチングサブシステムには、モバイルサービスを接続および管理するモバイルスイッチングセンター（MSC）と、モビリティ管理用のホームロケーションレジスタ（HLR）やビジターロケーションレジスタ（VLR）などのデータベースが含まれています。
2. GSMはネットワーキングで何を意味しますか？
GSMは、モバイル通信用のグローバルシステムの略です。これは、携帯電話で使用される第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開発された標準です。これは、世界中のモバイル通信技術に均一な基準を提供するように設計されており、互換性とグローバルローミングを促進します。
3. GSMネットワークアーキテクチャインターフェイスは何ですか？
GSMネットワークには、異なるコンポーネント間の通信を促進するいくつかの重要なインターフェイスが含まれています。
モバイルステーションとネットワークの間のUMインターフェイス（エアインターフェイス）。
BTSとBSCの間のA-BISインターフェイスは、管理と制御シグナルに使用されます。
BSCとMSCの間のインターフェイスを使用して、コールセットアップ情報とサブスクライバーデータを渡すために使用されます。
4. GSMとLTEアーキテクチャの違いは何ですか？
GSMは、主にサーキットスイッチのデータを使用した音声通信および基本データサービスに焦点を当てた2Gテクノロジーです。一方、LTE（長期進化）は、パケットスイッチネットワークを使用した高速データ送信用に設計された4Gテクノロジーです。LTEは、GSMと比較して、データ速度が大幅に高く、遅延が低下します。LTEは、より優れたマルチメディアサービスとスペクトル効率の向上もサポートしています。異なるチャネルの音声とデータを分離するGSMとは異なり、LTEはAll-IPネットワークを使用します。つまり、音声とデータの両方が同じラジオチャネルに送信されます。
5. GSMと通信する方法は？
GSMネットワークを介した通信には、次の手順が含まれます。
モバイルデバイスは、近くのBTSを介してネットワークへの接続を確立します。
音声またはデータ信号は、モバイルデバイスによって無線波に変換され、UMインターフェイスを介して送信されます。
BTSは信号を受け取り、BSCに渡します。BSCはそれをMSCに転送します。
MSCは、コールまたはデータセッションを適切な目的地にルーティングします。これは、別のモバイルユーザー、PSTN（公開電話ネットワーク）、またはインターネットサービスである可能性があります。
着信通信の場合、プロセスは逆に機能します。MSCは、受信者のモバイルを識別し、HLRとVLRを介してそれを見つけ、コールまたはデータを適切なBSCとBTSにルーティングし、モバイルデバイスに送信します。