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通信流程word

课程说明

课程介绍

GSM通信流程包括两方面的内容:

呼叫基本流程,信令基本流程。

其中,呼叫流程主要包含:

移动主叫流程,移动被叫流程,汇接呼叫流程。

信令基本流程主要包含:

鉴权流程,位置登记流程,呼叫重建流程,BSC内部切换流程,BSC间切换流程,MSC间切换流程,移动始发短消息流程,移动终结短消息流程,定向重试流程。

这些流程从系统的角度描述了移动用户经常发生的行为,描述了GSM的几个组成部分在呼叫流程、信令流程中的相互关系,对移动性特征做重点说明。

课程目标

本课程的重点是介绍GSM系统的协同工作过程,涉及内容包含:

呼叫、位置更新、切换、短消息。

对流程的介绍突出了移动特征,具体的信令细节本课程不做描述,可以参考ETSI的GSM规范获得更加详细的内容。

通过学习本课程,可以基本掌握:

Ÿ移动用户做位置登记的信令过程;

Ÿ移动用户做主叫的信令过程;

Ÿ移动用户做被叫的信令过程;

ŸMSC做汇接呼叫的信令过程;

ŸBSC内切换信令过程;

ŸBSC间切换的信令过程;

ŸMSC间切换的信令过程;

Ÿ呼叫重建的信令过程;

Ÿ定向重试的信令过程。

对这些信令流程学习之后,对GSM系统的原理会有更加深刻的了解,对每个功能实体(MS,BTS,BSC,MSC,VLR,HLR)的功能有更加深刻的体会。

相关资料

ETSI关于GSM的规范,主要是:

GSM0408,GSM0808,GSM0902。

第一节呼叫过程的信令分析

对一次发生在移动用户间的呼叫来说,信令流程可以分为三个相对独立的部分:

Ÿ主叫移动用户部分

Ÿ被叫移动用户部分

Ÿ拆线部分

1.1主叫信令流程

移动用户做主叫时的信令过程从MS向BTS请求信道开始,到主叫用户TCH指配完成为止。

一般来说,主叫经过几个大的阶段:

接入阶段,鉴权加密阶段,TCH指配阶段,取被叫用户路由信息阶段。

Ÿ接入阶段主要包括:

信道请求,信道激活,信道激活响应,立即指配,业务请求等几个步骤。

经过这个阶段,手机和BTS(BSC)建立了暂时固定的关系。

Ÿ鉴权加密阶段主要包括:

鉴权请求,鉴权响应,加密模式命令,加密模式完成,呼叫建立等几个步骤。

经过这个阶段,主叫用户的身份已经得到了确认,网络认为主叫用户是一个合法用户,允许继续处理该呼叫。

ŸTCH指配阶段主要包括:

指配命令,指配完成。

经过这个阶段,主叫用户的话音信道已经确定,如果在后面被叫接续的过程中不能接通,主叫用户可以通过话音信道听到MSC的语音提示。

Ÿ取被叫用户路由信息阶段主要包括:

向HLR请求路由信息;HLR向VLR请求漫游号码;VLR回送被叫用户的漫游号码;HLR向MSC回送被叫用户的路由信息(MSRN)。

MSC收到路由信息后,对被叫用户的路由信息进行分析,可以得到被叫用户的局向。

然后进行话路接续。

主叫过程的信令流程如后面的图所示。

注意:

应该注意的是:

从VLR到HLR/AUC取鉴权集的过程不是必须的。

VLR到HLR/AUC取鉴权集时,HLR每次送5组,本次使用一组,另外4组保存在VLR中供后续的鉴权过程使用。

只有当VLR中的鉴权集使用完毕,VLR才发起向HLR/AUC取鉴权集的过程。

另外,如果MSC通过对被叫用户的MSRN的分析得知被叫用户是本局用户,那么就不会向其它MSC发送初始地址消息(IAI/IAM),而是根据被叫用户的位置区直接通知本局BSC对被叫用户发起寻呼。

如果被叫用户非本局用户,则通过信令路由分析,通过适当的链路向目的MSC发IAI消息,以建立话路。

主叫接入阶段、鉴权阶段主要信令:

当用户输入被叫号码完毕按下发射按纽后,手机(以下以MS代替)将进行一系列动作,首先MS将在随机接入信道(RACH)向BSS发送信道请求消息,以便申请一个专用信道(SDCCH),BSC为其分配相应的信道成功后,在接入允许信道(AGCH)中通过立即分配消息通知MS为其分配的专用信道,随后MS将在为其分配的SDCCH上发送一个层三消息---CM业务请求消息,在该消息中CM业务类型为移动发起呼叫,该消息被BSS透明的传送至MSC,MSC收到CM业务请求消息后,通过处理接入请求消息通知VLR处理此次MS的接入业务请求,(同时,由于在BSC和MSC之间用到了SCCP有连接服务,为建立SCCP连接,MSC还将向BSC回连接确认消息),收到业务接入请求后,VLR将首先查看在数据库中该MS是否有鉴权三参组,如果有,将直接向MSC下发鉴权命令,否则,向相应的HLR/AUC请求鉴权参数,从HLR/AUC得到三参组,然后再向MSC下发鉴权命令。

MSC收到VLR发送的鉴权命令后,通过BSS向MS下发鉴权请求,在该命令中含有鉴权参数,MS收到鉴权请求后,利用SIM卡中的IMSI和鉴权算法,得出鉴权结果,通过鉴权响应消息送达MSC,MSC将鉴权结果回送VLR,由VLR核对MS上报的鉴权结果和从HLR取得的鉴权参数中的结果,如果二者不一致,拒绝此次接入请求,此次呼叫失败;如果二者一致则鉴权通过,鉴权通过后,VLR将首先向MSC下发加密命令,然后通知MSC该MS此次接入请求已获通过,MSC通过BSS通知MS业务请求获得通过,然后MSC向MS下发加密命令,该命令内含加密模式,MS收到此命令并完成加密后,回送加密完成消息,到此MS完成了整个接入阶段的工作。

TCH指配阶段、取被叫漫游号码阶段主要信令:

经过接入阶段和鉴权加密过程后,主叫用户的合法身份已经得到确认,已经接入了网络,为继续进行呼叫,需要更为详细的信息,按照规范,此时MS将发送一个setup消息,在此消息中,携带有被叫号码和主叫标识等更为详细的信息,MSC收到此消息后,首先通过S.I.F.O消息向VLR查询该用户的相关业务信息,VLR根据此次业务类别和开户时MS已经申请的业务信息,决定此次呼叫是否可以继续,如果可以继续,通过完成呼叫消息向MSC回送该用户数据,MSC收到该信息后,通过呼叫继续消息,经BSS通知MS呼叫在继续处理之中,然后,根据A接口电路情况,向BSC发送指配请求消息,在该消息中选定某条A接口电路,BSC收到该指令后,向BTS、MS指定无线资源,MS收到该指令后,占用成功回送分配完成消息,到此TCH指配阶段完成,本局的无线资源和A接口电路均已成功分配。

MSC收到MS上报的指配完成消息后,进行被叫分析,根据被叫号码,寻址到HLR,发送路由信息请求消息,HLR收到该消息后,根据被叫IMSI查询得到被叫所在的VLR,向被叫所在的VLR请求漫游号码,被叫所在的VLR在受到请求漫游号码消息后,为对应的MS分配MSRN,然后在请求漫游号码响应消息中回送给HLR,HLR得到该MSRN后,想主叫所在MSC发送路由信息响应消息,MSC从该消息中得到被叫的MSRN,根据MSRN进行局间中继选路,并向被叫所在的MSC发送IAI消息。

至此主叫信令流程基本结束。

1.2被叫信令流程

对移动用户来说,被叫的过程从MSC向BSC发起对被叫用户的寻呼开始,到主叫和被叫通话为止。

一般来说,被叫流程经过几个大的阶段:

接入阶段,鉴权加密阶段,TCH指配阶段,通话阶段。

Ÿ接入阶段主要包括:

手机收到BTS的寻呼命令后,信道请求,信道激活,信道激活响应,立即指配,寻呼响应。

经过这个阶段,手机和BTS(BSC)建立了暂时固定的关系。

Ÿ鉴权加密阶段主要包括:

鉴权请求,鉴权响应,加密模式命令,加密模式完成,呼叫建立。

经过这个阶段,被叫用户的身份已经得到了确认,网络认为被叫用户是一个合法用户。

ŸTCH指配阶段主要包括:

指配命令,指配完成。

经过这个阶段,被叫用户的话音信道已经确定,被叫振铃,主叫听回铃音。

如果这时被叫用户摘机,主被叫用户进入通话状态。

Ÿ通话阶段主要包括:

计费命令等。

被叫接入阶段、鉴权阶段主要信令流程

当一个端局MSC收到它局发送的IAI消息后,为了确定被叫用户是否能够接受此次呼叫,MSC会首先通过S.F.I.C消息向相应的VLR查询有关该被叫用户的用户信息,如果VLR通过查询用户信息,发现该用户可以接受此次呼叫(未关机且允许接受呼叫),会向MSC发送寻呼命令消息,在该消息中,含有用户的位置信息(LAI),MSC收到此信息后,查询数据,得到控制此位置区的BSC的信令点编码,向相应的BSC下发寻呼命令,BSC通知所控制的BTS在寻呼信道(PCH)下发寻呼消息。

手机一直在侦听该信道,当收到寻呼自身的消息后,在随机接入信道(RACH)上报寻呼响应消息,(由于在A接口用到了SCCP的有连接服务,所以寻呼响应同时被视为SCCP的连接建立请求消息,MSC的SCCP层对应的应该回一个连接证实消息),同时MSC向VLR发送处理接入请求消息,VLR首先启动鉴权流程,查看该用户的鉴权参数组,如果VLR中没有该用户的鉴权三参组,VLR会发起向HLR取鉴权参数的过程(详细过程可以参见主叫用户的接入过程中的鉴权过程),否则VLR会直接向MSC发送启动鉴权消息,在启动鉴权消息中含有该用户的一个鉴权三参组(RAND,KC,SERS),MSC收到该消息后,会继续通知对应的BSC、BTS下发鉴权命令,MS收到鉴权请求后,根据SIM卡中的KI,计算出对应的SERS,之后,将SERS在鉴权响应消息中上报MSC,MSC回送至VLR,VLR收到鉴权响应消息后,核对上报的SERS和从HLR得到的三参组中的SERS是否一致,如果一致,向MSC发送接入请求接受消息,通知MSC该用户的此次接入请求被接受。

并通过完成呼叫消息向MSC回送被叫的用户信息;如果不一致,此次呼叫将被拒绝。

被叫TCH指配阶段、通话阶段主要信令流程:

MSC收到完成呼叫消息后,向BSS侧发送SETUP消息,提示将建立呼叫,MS收到该消息后,回送呼叫证实消息,之后,MSC选择相应的A接口电路,向对应的BSC发送指配请求消息,BSC根据资源情况分配相应的无线资源,并通知MS,MS占用成功后回送指配完成消息,同时被叫MS开始震铃,向其所在MSC回震铃消息,该MSC向主叫所在MSC回地址全消息,主叫所在MSC向MS发送被叫震铃消息,此时主机用户可以听到回铃音;被叫用户如果决定接受此次呼叫,按应答按纽,此动作被手机翻译成为CONNECT消息,向MSC发送,MSC收到该消息后,向主叫MSC发送应答消息(ANC),主叫MSC收到此消息后,向主叫MS发送连接建立请求消息,主叫MS相应的向主叫所在MSC回连接证实消息,此消息经被叫MSC传送至被叫MS,于是,本此呼叫开始通话,双方进行通话。

1.3拆线部分

拆线部分相对而言是个很独立的过程,不管是主叫先发起还是被叫先发起,流程基本是类似的:

拆线、释放、释放完成、清除、清除完成,不同之处仅在于交换局之间的TUP消息略有不同。

主叫先拆线:

在拆线阶段,手机用户的挂机动作被手机转换为拆线消息(Disconnect),经BTS、BSC向MSC传送,MSC收到拆线请求之后,有两个动作:

向BSC下发释放命令(Release);同时MSC需要向被叫所在的MSC发送前向拆线TUP消息请求。

此后,主叫方和被叫方的拆线过程将分别进行:

主叫所在MSC在收到拆线消息后,首先向MS发送DTAP消息REALSE命令,MS去活本次呼叫占用的所有信道,并发送释放完成消息确认,网络侧则会在本端释放所占信道以便可以分配给其它呼叫连接使用;之后,MSC向BSS发送BSSMAP消息CLEARCOMMAND,指示应该释放无线资源,BSS收到CLEARCOMMAND消息后,开始清除无线接口,同时将分配给此次呼叫的地面资源均标示为空闲,向MSC发送CLEARCOMPLETE,MSC收到CLEARCOMPLETE消息后,释放地面资源。

被叫所在MSC收到CLF消息后,向主叫所在MSC会释放保护消息,同时启动本局资源释放流程:

MSC向MS发送DTAP消息REALSE命令,MS去活本次呼叫占用的所有信道,并发送释放完成消息确认,网络侧则会在本端释放所占信道以便可以分配给其它呼叫连接使用;之后,MSC向BSS发送BSSMAP消息CLEARCOMMAND,指示应该释放无线资源,BSS收到CLEARCOMMAND消息后,开始清除无线接口,同时将分配给此次呼叫的地面资源均标示为空闲,向MSC发送CLEARCOMPLETE,MSC收到CLEARCOMPLETE消息后,释放地面资源。

被叫先挂机:

1.4移动呼叫移动(主叫、被叫在同一个MSC内)

1.5移动呼叫移动(主叫、被叫在不同的MSC内,拆线过程略)

1.6移动呼叫固定用户

1.7固定用户呼叫移动用户(经GMSC到VMSC)

1.8固定用户呼叫移动用户(PSTN直接与VMSC相连,VMSC兼做GMSC)

1.9呼叫过程的异常流程:

VLR返回一个否定的“访问请求消息”

1.10呼叫过程的异常流程:

移动用户不允许呼出

1.11呼叫过程的异常流程:

移动用户话音信道分配失败

1.12呼叫过程的异常流程:

对被叫移动用户选路失败

1.13呼叫过程的异常流程:

从被叫用户所在局收到TUP失败信号

1.14呼叫过程的异常流程:

被叫用户关机

被叫用户MS-B已关机,则在VLR中设置了IMSI分离标志,那么HLR请求MSRN时,VLR因该MS已有分离标志而作MSRN分配失败。

HLR则返回一个“MSRN请求”否定的结果.

1.15呼叫过程的异常流程:

VLR指示被叫用户不可能接入

如果VLR收到的来话用户不可能接入,如该用户呼叫被禁止或VLR收到非期望值时,则本次呼叫释放。

1.16呼叫过程的异常流程:

无寻呼响应

1.17呼叫过程的异常流程:

被叫用户忙

1.18呼叫过程的异常流程,被叫侧无线话务信道指配失败

1.19呼叫过程的异常流程,MS-B久叫不应

如果被叫久叫不应,则网络对主叫和被叫启动清除过程。

1.20呼叫过程的异常流程:

释放异常

1.21用户早释

移动用户无拨号早释。

在呼叫接续处理过程中用户可能早释,早释发生时,MS发出“断连”信号(discconect)发向网络,网络在呼叫处理的不同阶段接收到该“断连”消息即进入释放处理,释放呼叫。

释放过程的信号流程参见正常的释放情况。

小结

本节课主要描述了移动用户的呼叫过程的信令流程,包括移动主叫,移动被叫,汇接呼叫。

应该能够掌握各种呼叫过程的信令流程,如移动呼叫固定用户,固定用户呼叫移动用户,TMSC的汇接呼叫过程的信令流程。

对各种异常流程应该有一定认识,特别是资源的释放过程。

第二节鉴权

2.1鉴权原理和操作机制

鉴权是通过比较MS提供的鉴权响应和AUC提供的鉴权三参数组之间是否一致进行判断的,通过鉴权,可以防止非法用户(比如盗用IMSI和KI复制而成的卡)使用网络提供的服务。

首先明确MS中SIM卡和AUC中存贮的信息:

ŸSIM卡中:

固化数据:

IMSI,Ki,A3、A8安全算法。

这些内容不会更改。

临时的网络数据TMSI,LAI,Kc,被禁止的PLMN

业务相关数据

ŸAUC中:

用于生成随机数(RAND)的随机数发生器

鉴权键Ki

各种安全算法,这些安全算法和SIM卡中的算法相一致。

AUC的基本功能是产生三参数组(RAND、SRES、Kc),其中:

ŸRAND由随机数发生器产生;

ŸSRES由RAND和Ki由A3算法得出;

ŸKc由RAND和Ki用A8算出。

三参数组产生后存于HLR中。

当需要鉴权时,由MS所在服务区的MSC/VLR从HLR中装载至少一套三参数组为此MS服务。

具体到某次鉴权时,如果此时VLR中还有该MS的三参组(或者允许重复使用三参组),则HLR不参与鉴权过程,VLR直接向MS下发鉴权命令;如果VLR中已经没有该MS的三参组,则需首先向HLR取三参组。

2.2鉴权执行控制过程

2.3VLR鉴权时的异常情况

小结

本节课主要描述了鉴权的过程。

鉴权是数字网络区别与模拟网络的重要特性之一。

通过鉴权,系统可以为合法的用户提供服务,对不合法的用户拒绝服务。

通过本课学习,主要了解鉴权的原理、鉴权中心的作用、系统判断非法用户的依据。

第三节位置更新

3.1位置更新类型

Ÿ正常位置更新

Ÿ周期位置更新

ŸIMSI附着/分离

Ÿ当HLR被置于故障指示时,VLR收到MS发出的业务操作

3.2成功操作

3.2.1位置更新仅涉及VLR

MS进入新位置区,新旧位置区在同一MSC覆盖区域内,即VLR并未改变

3.2.2位置更新涉及VLR和HLR

包括下列情况:

ŸMS处于新的VLR的位置区域,所以该位置区必须更新到HLR

ŸMS首次登记到网络

Ÿ位置在VLR登记后相关网络数据已经丢失,此时MS必须使用IMSI标识自己。

文中:

LAIO=旧LAI号,LAIN=新LAI号

3.2.3位置更新时使用前一个VLR分配的TMSI来标识

当MS进入新的VLR(VLR2)位置区,请求位置更新时使用的是前一个VLR(PVLR)分配的TMSI来标识自己

为得到该MS的鉴权三参组,VLR2需要知道该MS的归属HLR地址信息,VLR2可以从IMSI分析得到该信息,为了得到该MS的“IMSI”,VLR2需要同PVLR通信,故此时位置更新将涉及VLR2,PVLR和HLR

3.2.4IMSI分离(或关机)

3.2.5IMSI接入:

IMSI重新进入活动状态,而位置自从IMSI分离后已改变,则如6.2.那样通过位置更新过程来完成;如位置自从IMSI分离后未改变,则IMSI接入过程通过如下描述完成:

(本过程仅在VLR中已设置了“IMSI分离”标志之后使用)

3.3异常情况

3.3.1位置更新时,VLR不认识TMSI

当MS以TMSI标识自己,但VLR不认识该TMSI,则VLR首先要求MS进行鉴权,此鉴权过程可参见“鉴权异常情况”,鉴权成功后,接着的位置更新如“位置更新的成功操作”那样来完成

3.3.2位置更新不接受(以仅在VLR完成位置更新为例)

小结

本课介绍了位置更新的相关内容。

学习本课后,应掌握位置更新的原因、分类,主要流程。

明确位置更新和切换的区别。

第四节切换

4.1切换的起因:

1)无线标准

Ÿ信号质量

Ÿ场强MS和/BTS接收电平

ŸMS-BTS距离

Ÿ改善干扰与功率控制(选择在确保正常通信质量的情况下切换的小区以尽量减少MS传输功率从而改善干扰)

2)网络标准

Ÿ话务负荷(防止小区拥塞,均化话务;但扰乱了小区规划并增加了对周围区域的干扰强度),只在出现特殊事件,局部地区产生峰值时暂时使用,如举行运动会,交易会,发生了自然灾害时等。

ŸO&M原因,应操作维护方面的需要

4.2切换启动方式

1)BSC根据管理标准而检测到无线传输原因而执行切换判决

ŸMS测量周围邻近小区下行信号电平和质量,以搜寻可供选择的BTS,并将结果报告正在服务的BTS

Ÿ正在服务的BTS对MS上行信号电平,质量和距离进行测量

ŸMS测量结果与BTS测量结果送往BSC进行处理,BSC根据传输质量标准作出切换判决

2)MSC询问切换候选人

由于MSC业务的原因,MSC希望确定是否能够切换到MS所指定的小区,则MSC发“切换候选者询问”消息到BSS,希望BSS识别在某一特定小区可以切换到另一些小区的切换候选者数目,消息中包含最大候选者的数目。

4.3切换类型

1)内部切换

由BSS控制进行,MSC不参与介入切换控制过程;BSS仅在切换完成后发送“切换完成消息”到MSC。

内部切换有几种类型:

Ÿ小区内切换

同一个无线频道的话务信道之间

不同的无线频道之间

Ÿ同基站内小区间切换

2)外部切换(MSC参与控制切换过程)

Ÿ同MSC内不同基站间切换

Ÿ同PLMN不同MSC之间基站间切换

Ÿ不同PLMN的基站间切换,GSM未定义

4.4控制流程(以BSS启动“切换请求指示”为例)

4.4.1同MSC基站间切换

4.4.2PLMN内不同MSC之间的基站间切换

Ÿ局间切换GSM定义为两种切换

基本切换--最初的MSC(MSCA)的移动用户MS需要切换到另一个MSC(MSCB)的基站去,MSCA主控这个切换

后续切换--同一个接续在基本切换之后,已在MSCB的MS又需切换到另一个MSC(MSCB)或重新返回到MSCA,这类切换处理谓之“后续切换”

Ÿ不论是基本切换”还是“后续切换”,“MSCA始终处于主控位置,基本切换原理如下:

4.4.3局间切换处理

小结

本课介绍了切换的相关内容。

学习本课后,应掌握切换的起因,切换的分类,对于各种切换所涉及到的实体、每个实体在切换中的作用有一定的认识。

第五节短消息流程

短消息相关的网络实体:

ŸSMS-GMSC:

GatewayMSCforShortMessageService短消息关口MSC,能够直接从短消息中心接收短消息,能够从HLR获取路由信息和短消息信息,并将短消息传递给VMSC。

ŸSMS-IWMSC:

InterworkingMSCforShortMessageService,在PLMN内部能够接收短消息并提交给短消息中心。

详细信息可查阅规范:

GSM0340

5.1移动始发短消息的基本流程

对于手机来说,移动始发短消息和移动终结短消息是完全独立的两个过程,移动始发的短消息从手机接入系统开始,到收到短消息中心发来的发送成功为止。

手机将短信发送给VMSC,VMSC根据短信中携带的短消息中心的标识号,将短信提交给IWMSC,由IWMSC提交短信中心。

移动始发短消息可以分为以下几个过程:

Ÿ接入和鉴权加密

Ÿ发送短消息到短消息中心

Ÿ短消息中心向手机报告发送结果。

其中接入和鉴权加密的过程和移动用户主叫对应的过程一致。

下图是移动始发短消息的流程图。

5.2移动终结短消息的基本流程

移动终结短消息的过程与移动用户被叫的过程类似,短消息中心将收到的短消息发送给SMS-GMSC,SMS-GMSC向HLR取得为发送短消息所必需的路由信息,然后将短信传送给短信接收者所在的MSC,由MSC将短消息发送给手机。

整个过程包括取路由信息,寻呼,接入和寻呼响应,鉴权加密,短消息传送,最后向短消息中心报告接受结果,这个结果经SMS_GMSC分别送HLR和短消息中心,由短消息中心回送始发短消息用户。

下图为移动终结短消息的流程图。

5.3短消息案例

现象描述:

A地新建MSC,用户反映短消息收发有以下几种不成功情况:

(所有手机均为A地本地手机,A地手机使用B地的短信中心)

1、本MSC内两个手机互相收发短消息,发方显示发送失败,接收方无法收到短消息;

2、本MSC内手机向其他MSC内手机发送短消息,发方显示发送失败,但接收方能正常收到短消息;

3、其他MSC内手机向我MSC内手机发送短消息,发方显示发送成功,但接收方实际上收不到短消息。

处理过程

通过跟踪链路上的与短消息有关的消息,发现本MSC能够收到从短消息中心发过来的forwardshortmessage消息,但发出此消息的OPC并不是MTP目的信令点表中所配置的短消息中心的SPC,经过询问,该OPC是B地MSC1的SPC,由于我们MSC与该MSC没有任何关连,所以MTP目的信令点表中并未配置该DPC,将该DPC添加后,所有短消息收发均正常。

原因分析:

其中:

A地华为MSC2对B地短消息中心使用DPC+SSN方式寻址,DPC为B地短信的DPC,该消息

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