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SMS Short Message Service

SMS 簡訊是目前最受歡迎的無線資料傳輸的方式之一, SMS 使用的是 GSM signal channel 來傳輸少量的資料. 這個部份將伸入說明 SMS 的架構, message 運作模式, protocol stack 等議題.

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Reference

[1] Wireless and Mobile Network Architectures，Y-Bing Lin and ImrichChlamtac，Wiley Computer Publishing。

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Outlines

IntroductionShort Message Service ArchitectureSMS Protocol HierarchyMobile-Originated MessagingMobile-Terminated MessagingThe DTE-DCE InterfaceSummary

• 今天要報告的主題共分為四大部份:• 短訊服務的架構

• 介紹短訊如何傳送至對方手機上 , 並將整個系統的架構作一個概述.

• SMS 協定的階層

• 說明 SMS 的協定內容 , 且協定為階層式架構 , 並把每一層的功能作個介紹

• 手機主呼短訊程序

• 手機將一簡訊送至SM-SC的程序動作 , 利用流程圖來說明各個傳送簡訊的步驟.

• 手機接收短訊程序

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Reference[1] Wireless and Mobile Network

Architectures，Y-Bing Lin and ImrichChlamtac，Wiley Computer Publishing。

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Introduction

•介紹 SMS 的規格和一些傳送的架構等等…

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Introduction (1/2)

The GSM SMS provides • A connectionless transfer of messages • Low-capacity • Low-time performance

In Dec. 1992, the first short message, sent from PC to MS, was delivered in Vodafone GSM in UK.Up to 140 octets, 160 characters per short message

•GSM SMS提供一個簡訊無線傳輸服務

•其特性是無建立連結 (connectionless), 低容量(low-capacity), 低時間的效能 (low-time performance, not real-time)

•SMS的容量純數字英文可寫入160個 若使用中文最多可寫入70個 (事實上占140 bytes)

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Introduction (2/2)

To accommodate longer than 160 characters: • SMS concatenation• SMS compression

SMS are sent on the GSM SDCCH signaling channel.Two types of GSM short message services have been defined:• Cell Broadcast Service: periodically deliver short

messages to all subscribers in some cells• Point-to-point Service: send short messages to a

user

• 若要傳送超過 160 char., 有以下兩種方式:1. SMS concatenation: 以連續數個 SMS 傳送, 再組合在一起

2. SMS compression: 利用壓縮技術

• SMS 利用 signal bandwidth 來傳 data.• 只會傳少量的 page #, 且 low-capacity• not real time, low priority

• GSM SMS 有兩種 services:1. Cell Broadcast Service: 如廣告, database failure 要求 portable

registration 做 restoration2. Point-to-point service: 如兩支手機之間的互傳

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Types of Short Messages

Three types of short messages:• User-specific messages are displayed to the users.• ME-specific messages are processed by the ME

instead of showing to the users.• SIM-specific messages are processed at the SIM

card.

• 由簡訊是甚麼地方接收處理, 可將簡訊分成下面三種型式:1. User-specific: 由 user 接收觀看的簡訊.2. ME-specific: 由手機製造商所發展的簡訊, 可以觸發手機做一些特別功能.

• 例如 Nokia smart message 便是一種 ME-specific 簡訊.• ex: 修改 ring tone 鈴聲, display a business card, 修改 default

icon,SIM-specific:3. SIM-specific: 由 SIM 接收到 SIM-specific 簡訊, 就可以觸法由 operator 內

建於 SIM 內的 特殊功能.

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SMS Architecture

•將SMS 架構作一個介紹 , 並說明傳送及接收的動作

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GSM SMS Network Architecture

BS

BSC

BST

BSC MSC

BST

SM-SC

SMSGMSC

IWMSC

GSM network

GSM network

Short Message Sender

Original MS

Terminating MS

BST: Base Station TransiverBSC: Base Station Controller MSC: Mobile Switch Center GMSC: Gateway MSC IWMSC: Interworking MSC SM-SC: SMS center

•IWMSC 是接收 MS 送來的 short message, 並轉送給 SM-SC•GMSC 是接收 SM-SC 的要求, 對 MS 定位, 找出所在的 MSC, 再轉給 MSC 要發送的 short message.•SM-SC: store and forward 簡訊.•MSC: broadcast the SMS to all its BSSs.•BST: page the MS.

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The Role of SM-SC

Store-and-forwarded serviceRequirements of a SM-SC• Scalable• High availability• Reliability.

The SM-SCs are typically implemented on high-speed server platforms.• Support TCP/IP access• Other new data protocols, e.g., WAP.

•所有的簡訊都一定要經過 SM-MC, 做 store-and-forward 的動作.•意味所有的簡訊不可能直接由 sender 送到 receipt 手中, 而不經過SM-SC

•SM-SC 必須 scalable, available, reliable.•A SM-SC 可以接到很多個 GSM networks. •A SM-SC可以接到很多個 SMS GMSC in a GSM network.•通常 SM-SC 就是一台很強大的電腦:

•Ex: Sema SM-SC is Compaq Alpha Server.Ericsson SM-SC is Sun SPARC.Nokia SM-SC is HP 9000.

•SM-SC 通常會提供 TCP/IP 的介面 (如此就可由 Internet 送簡訊), 有些也有如 WAP 等其他的功能.

•WAP: Wireless Application Protocol

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Mobile-Terminated SMS

BS

BSC

BST

BSC MSC

BST

SM-SC

SMSGMSC

IWMSC

GSM network

GSM network

Short Message Sender

Original MS

Terminating MS

•考慮 SM-SC 送 short message 到 MS 這一段的 steps. •可能是 MS 送出的簡訊, 或由 Internet 上的 PC 做 page

•Step 1: short message 都會被傳送到 SM-SC (Short Message Service Center) 儲存.•Step 2: SM-SC 與一個特殊的 MSC 相連, 稱為 SMS GMSC, 不會直接接到一般的 MSC.•Step 3: 如同 GSM roaming protocol 的規範, GMSC 要找出 MS 所在的 MSC, 並將此 short message 轉送到 MSC.•Step 4: MSC 要求 BSS 下所有 BTS 將 short message 以 broadcast 方式傳送 .•Step 5: MS 必須有特殊的 software 才能解碼儲存簡訊.•Note: Short message 可存在 SIM 或其他 ME 上的 memory.

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Mobile-Originated SMS

BS

BSC

BST

BSC MSC

BST

SM-SC

SMSGMSC

IWMSC

GSM network

GSM network

Short Message Sender

Original MS

Terminating MS

•考慮 MS 送 short message 給其他 MS 這一段的 steps. •Step 1: MS 送出的 short message 會先被送到 IWMSC (Inter-working MSC).•Step 2: 再被送到 SM-SC 儲存.•Step 3: 檢查 short message 的目的地, 再分別送出.•然而由手機發送簡訊, 會受限於手機按鍵介面不佳的因素, 因此有一些技術為此發展出來:

•Predictive Text Input Algorithm: 設定一些 hot key (ex: 注音輸入法), 存於 MS 中, 減少 key in 次數.•QWERTY keyboard: MS 附有 QWERTY keyboards

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SMS Protocol Hierarchy

•這一部分說明 SMS協定架構 , 並將 SMS 所用到的 Protocol 的流程加以介紹.

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SMS MS-MSC Protocol Hierarchy (Mobile Origination)

Short MessageRelay Entity

(SMR)

Short MessageControl Entity

(SMC)

Short MessageApplication Layer

(SM-AL)

Short MessageTransfer Layer

(SM-TL)

Short MessageRelay Layer

(SM-RL)

ConnectionManagement

Sublayer(SM-RL)

Lower layers

Mobile Station(MS)

Short MessageRelay Entity

(SMR)

Short MessageControl Entity

(SMC)

Short MessageRelay Protocol

(SM-RP)

Short MessageControl Protocol

(SM-CP)

Short Message Service Center (SM-SC)

Interworking MSC(IWMSC)

Mobile Switching Center(MSC)

Short Message Transfer Protocol (SM-TP)

•由於 SMS 這項 service 有時會跨許多 network, 此時必須有基本的 gateway function 來幫助 SM-SC.

•GSM specifications 為了 SMS 的 gateway functions 特別提供兩個entity 名詞: SMS-GMSC 與 SMS-IWMSC.

•主要是 MS 與 SM-SC 在控制簡訊, 而中間的 MSC, IWMSC, GMSC 都只負責 relay 的動作.•上圖中使用 IWMSC, 是處理 mobile-terminated SMS. 是為了Mobile Originating Short Messages (SMS-MO), 負責與其他網路的 SM-SC 溝通.•把 IWMSC 換成 GMSC 就可處理 mobile-originated SMS. 是為了 Mobile Terminating Short Messages (SMS-MT), 類似 GMSC, 處理 incoming data calls.

•各個 entity 間的 protocol:•MSC 與 MS 間的 interface 是 SM-RP 與 SM-CP.•MSC 與 IWMSC (or GMSC) 間的 interface 是 MAP.•IWMSC (or GMSC) 與 SM-SC 間的 interface 是在 spec 中並未 well-defined (見 GMM 03.47).

•可以用 Telecator Alphanumeric Input Protocol 和 Telecator Data Protocol. (見 [1] Chapter 22.2)

•SMS 本身分成 4 layers.•SM-AL, SM-TL, SM-RL, CM-sub 以下會分別介紹.

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SMS Protocol

SMS in CM (Communication Management)At the RR layer, SMS is supported by control channels.• E.g., SDCCH or

SACCH Radio Resource (RR) Management

Mobility Management(MM)

CommunicationManagement (CM)

SMS

•在 GSM 的 functional plane 中, SMS 是屬於 CM (communication management) 的一部份, 因此 SMS 的下面是 MM 與 RR.

•i.e., SMS 四個 layer 的最底層, 是執行 CM 類似的工作.•SMS 是透過 signal channel (主要是 SDCCH, 偶而搶 SACCH) 傳送 (RR 的部分).

•Standalone Dedicated Control Channel (SDCCH) (down/uplink) used only for signaling and for short message.•Slow Associated Control Channel (SACCH) (down/uplink) is associated with either a TCH or an SDCCH for non-urgent procedures.

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Short Message Transfer Layer

SM-TL: MS SM-TP SM-SC• Transfers SM-AL short messages• The Short message Transfer Protocol (SM-TP) is

defined in SM-TL between MS and SM-SC. Short Message Identifier (SMI) for every short message• A short message may have different SMIs at MS

and SM-SC.

•SM-TL 提供上層 SM-AL 的簡訊的傳送.•SM-TL 這一層中, 在 MS 與 SM-SC 之間所使用的傳輸協定稱為 SM-TP.•在 SM-TL 這一層中, 每個簡訊在各個 device, 都會有一個 identity, 稱為 SMI (short message identifier), 但要注意, 既然 MS 與 SM-SC 並不是對等的 entity, 所以同一個簡訊在 MS 與在 SM-SC 的 SMI 並不相同, 各自編號.

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Four Types of Transfer Protocol Data Units (TPDUs)

Four types of transfer protocol data units (TPDUs) in SM-TP:• SMS-SUBMIT (MS → SM-SC)

Validity period• SMS-DELIVER (SM-SC → MS)

service center timestampMore-To-Send

• SMS-STATUS-REPORT (SM-SC → MS).• SMS-Command (MS → SM-SC).

•在這一層產生的訊號稱為 TPUD (transfer protocol data unit) •SM-TP 包括四種 TPDU 格式:•SMS-SUBMIT (MS -> SM-SC): 載送 MS 發送的 short message 給 SM-SC.

•SMS-SUBMIT 其中可包含 validity period 以設定簡訊若無法馬上傳送時, 可在 SM-SC 中存放的時間.• 關於 SMS-SUBMIT, 可以包含下面這些參數: Message Type Indicator (MTI), Reject Duplicates (RD), Validity Period Format (VPF), Status Report Request (SRR), User Data Header Indicator (UDHI), Reply Path (RP)

•SMS-DELIVER(SM-SC -> MS): 載送 SM-SC 發送到 MS 的 short message.•關於 SMS-DELIVER, 與 SMS-SUBMIT 很類似, 除了多出 More-To-Send, Status Report Indication(SRI) 等參數.

•More-To-Send, 指出是否還有簡訊留在 SM-SC 等待發送.•SRI 是用於指定 MS 是否應傳回 status report 給 SM-SC.•還有 service center timestamp 代表 SM-SC 收到簡訊的時間.

•SMS-STATUS-REPORT (SM-SC -> MS): SM-SC 傳回給 MS, 報告 MS 所發送的簡訊是否成功.

•若不成功, 此 TPDU 可能會回報參數錯誤, validity period 過期(Validity Period Expiration), 簡訊目的地使用的通訊協定不相容(Incompatible Destination), 或像traffic壅塞這樣的暫時性錯誤(Temporary Errors, e.g., Congestion).•如果一時找不到 MS, 會在 HLR/VLR 中加上 messages waiting 的訊息, 等待 MS wake up.

•SMS-COMMAND (MS -> SM-SC): MS 提出要求尋問之前傳送簡訊的狀況. 或是 MS 要刪除傳送狀況報告, 刪除已送出的簡訊.

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Short Message Relay Layer

SM-RL: MS SM-RP MSC• Transfer SM-TL TPDUs and the corresponding

delivery reports• Short Message Relay (SMR) Entity at MS and

the peer MSC• The Short message Relay Protocol (SM-RP) is

defined in SM-RL between MS and MSC. • SM-RP provides interworks with TCAP/MAP in the

MSC.SM-RL SMI• SM-RL SMI is mapped to and from the SM-TL SMI.

•SM-RL 提供上層 SM-TL 的 TPDU 的傳送.•MS 或 MSC 在 SM-RL 這一層中稱為 SMR (short message relay) entity.•在 SM-RL 這一層中, 在 MS 與 MSC 之間所使用的傳輸協定稱為 SM-RP. •MSC 與 IWMSC 之間所使用的傳輸協定稱為 TCAP/MAP.

•SM-RP 要提供關於網路相關功能, 在 MSC 轉換成TCAP/MAP.

•在 SM-RL 這一層中, 每個簡訊都會有一個 identity, 稱為 SM-RL SMI (short message identifier)

•SM-RL 的 SMI 會與 SM-TL 的 SMI 有一對一的對應關係.

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Four Types of Relay Protocol Data Units (RPDUs)

Four types of transfer protocol data units (RPDUs) in SM-RL:• RP-DATA (MS ↔ SM-SC)• RP-SM-MEMORY-AVAILABLE (MS → Network)• RP-ACK (MS ↔ SM-SC)• RP-ERROR (MS ↔ SM-SC)

•SM-RP 包括四種資料格式:•RP-DATA (MS ↔ SM-SC): 載送 MS (or SM-SC) 發送的 TPDU 給 SM-SC (or MS).

•RP-DATA 是由 SM-RL-DATA service primitive 所呼叫產生的.•RP-DATA 會包含雙方的 addresses, 以及 TPDU.•若是送給 MS 的 RP-DATA 會含有是否仍有簡訊仍在 SM-SC 的message-waiting 的訊息.

•RP-SM-MEMORY-AVAILABLE (MS -> Network): 由 MS 送出的控制訊息, 通知網路端 MS 已經有 memory 可以接收新的簡訊.

•是由 SM-RL-MEMORY-AVAILABLE service primitive 所呼叫產生的.•PR-ACK (MS-SM-SC): 用於回應 RP-DATA 或 RP-MEMORY-AVAILABLE 的 RPDU.

•是由 SM-RL-REPORT service primitive 所呼叫產生的.•RP-ERROR (MS <-> SM-SC) : 若收到的 PR-DATA 有錯誤, 則回應此訊息

•是由 SM-RL-MEMORY-REPORT 此 service primitive 所呼叫產生的.•錯誤可能是因為收到的簡訊太短, 短於必要的訊息資訊, 所以被忽略. 或是簡訊的目的地, 型態不清楚,或簡訊內容有語意上的錯誤.

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Connection Management Sublayer(CM-Sub)

CM-Sub: MS SM-CP MSC• Transfer RPDUs from SM-RL.• Short Message Control (SMC) Entity at MS and

the peer MSC• The Short message Control Protocol (SM-CP) is

defined in SM-RL between MS and MSC. The MS has two SMC entities.• For MS-Originated (MO) and MS-Terminated (MT) • MS cannot simultaneously perform messaging in

both directions.Before any SM-CP message is delivered, an MM-connection must be established.

•CM-Sub 提供上層 SM-RL 的簡訊的傳送.•MS 或 MSC 在 CM-Sub 這一層中稱為 SMC (short message control) entity.•SM-TL 這一層中, 在 MS 與 SM-SC 的 SMC 之間所使用的傳輸協定稱為SM-CP.•每個 MS 都有兩個 SMC, 一個處理送出簡訊, 一個接收簡訊.

•即使如此, 手機無法同時收送簡訊.•SMS 是屬於 CM (communication management) 的一部份, 因此 SMS 的下面是 MM.•因此當任何 SM-CP 的資料 CPDU 要送出, 一定要先建立一條 MM-connection 來傳送.

•SMC 呼叫 MNSMS-ESTablish, 產生 MM-connection. 並在此 MM-connection 上傳送訊息

•在 SMC, SMR 間的訊息都以 MNSMS 做為開頭.•當簡訊傳送完畢, MNSMS-RELease service primitive 會釋放 MM-connection.

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The Protocol Elements for SM-CP

Three types of transfer protocol data units (CPDUs) in SM-CP:• CP-DATA (MS ↔ SM-SC)• CP-ACK (MS ↔ SM-SC)• CP-ERROR (MS ↔ SM-SC)

•SM-CP 包括四種資料格式:•CP-DATA (MS <-> SM-SC): 載送 MS (or SM-SC) 發送的 TPDU 給 SM-SC (or MS).

•RP-DATA 是由 MNSMS-DATA 或 MNSMS-ESTablish 此 service primitive 所呼叫產生的.•RP-DATA 會傳送 RPDU.

•CR-ACK (MS ↔ SM-SC):用於回應 CP-DATA 的 CPDU.•CP-ACK 中不帶任何的資料.

•CP-ERROR (MS <-> SM-SC) : 若收到的 PR-DATA 有錯誤, 則回應此訊息

•是由 MNSMS-ABORT 或 MNSMS-ERROR service primitive 所呼叫產生的.

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Mobile-Originated Messaging

•手機主呼短訊的程序 , 手機將一簡訊送至SM-SC的程序動作

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Mobile-Originated (MO) Messaging

MS sends a short message to the SM-SC.The logical message path is• MS → originating MSC → IWMSC → SM-SC

Note that the IWMSC can be the originating MSC.

•下圖是一個從手機發送簡訊的範例:•從 MS 送出一個簡訊, 經過的路徑為 MS -> originating MSC -> IWMSC -> SM-SC•IWMSC 也可以是 originating MSC.

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Mobile-Originated Short Messaging Part 1

SM-TL SM-RL CM-sub CM-sub SM-RL SM-TL

2. MNSMS-EST-Req (RP-DATA(MO))

3. MM-Connection_PDP_Context Respone

4. CP-DATA

1. SM-RL_DATA-Req (SMS-SUBMIT)

MS MSC

(SMR) (SMC) (SMC) (SMR)SM-SC

5. MNSMS=EST-Ind (RP-DATA)

5. CP-ACK6. SM-RL_EST_Ind (SMS-SUBMIT)

Step 1:手機的SM-TL實體產生 SMS-SUBMIT 這樣的 TPDU, 呼叫 SM-RL-DATA(request) 送給 SM-RLStep 2: SM-RL SMR 產生 RP-DATA(MO) 這樣的 RPDU, 內含上層的 RPDU, 呼叫 MNSMS-ESTablish(request) 要求 SMC 建立 MM-connection.

•SMR 會設定 timer TR1M, 希望在 expire 前收到 RP-ACK.•如果 timeout, 則建立的 CM-connection, MM-connection 都會中止, 會回報上層 SM-TL error.

Stpe3. SMC 要求下層的 MM 建立一個MM連線,下頁有內部細節流程.Step 4:當 MS 與 MSC 的 MM connection 建好, SMC 產生 CP-DATA, 內含上層的 RPDU, 送給 MSC.

•SMR 會設定 timer TC1, 希望在 expire 前收到 CP-ACK. 如果 timeout, 則 CP-DATA 最多可重傳 3 次.

•TC1 的長度與 CP-DATA 的長度, 傳送 CP-DATA 的 radio channel (SDCCH or SACCH) 有關.

•如果仍未能收到 CP-ACK, 建立的 CM-connection, MM-connection 都會中止, 會回報上層 SM-RL error.

Step 5: 當MSC收到CP-DATA 後, MSC 回應 CP-ACK. 同時 MSC 的 SMC 往上層 SMR 送, 是以 MNSMS-ESTablish (Indication) 形式表示.Step 6: SMR 決定將 SMS-SUMBIT 轉送給 SM-SC. 在 SM-SC 的 SM-RL 以SM-RL-DATA (Indication) primitive 送給 SM-TL

•MSC 的 SMR 會設定 timer TR2N, 希望在 expire 前收到 SMS-STATUS-REPORT.•如果 timeout, 則 SMR 要求 SMC 中止 CM-connection, MM-connection會回報 MS 的 SM-TL error.•MSC 與 SM-SC 間的 protocol 必須轉成 TCAP/MAP.

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MM-Connection Establishment for Mobile-Originated Short Messaging

MS VLR

3a. CM_SERV_REQ

(Co_SMS_MSC)

MSC

3b. MAP_PROCESS_ACESS_REQUEST

3c. MAP_PROCESS_ACESS_REQUEST_ack

3d. CM_ACCEPT

Step 3: (CP-Sub layer 的) SMC entity 首先要建立起 MM-connection, 才能傳送

Step 3.a: MS 送給 MSC 一個 CM-SERVICE_REQUEST 的訊息. 訊息中指出這是一個簡訊而非一般的 voice call.Step 3.b: MSC 呼叫短訊協調程序 (SMS coordinating process), 送給 VLR 一個SS7訊息 MAP_PROCESS_ACCESS_REQUEST(INVOKE) 的訊息.Step 3.c: VLR 檢查 MS 是否有權限可傳送簡訊, 如果是的話, 回覆 MSC MAP_PROCESS_ACCESS_REQUEST_ack.Step 3.d: MSC 送 CM_SERVICE_ACCEPT 給 MS, 表示可建立起 MM-connection, 可以開始傳送簡訊.

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Mobile-Originated Short Messaging Part 2

MSC VLR IWMSC

10 Short Message

8 MAP_SEND_INFO_MO_SMS_ack

7 MAP_SEND_INFO_MO_SMS

SM-SC

9 MAP_FORWARD_SHORT_MESSAGE

11 Delivery Report

12 MAP_FORWARD_SHORT_MESSAGE_ack

Step 7. MSC 在 SM-TL 接收到TPDU後,會呼叫手機短訊主呼服務程序(mobile originated short message service process 或 MOSM_MSC) .

•MOSM_MSC經由SS7網路送 MAP_SEND_INFO_MO_SMS 訊息至VLR. 此訊息是要求VLR提供和用戶有相關的資訊(ex. MSISDN …)

Step 8. VLR回覆 MAP_SEND_INFO_MO_SMS_ack, 結果可能是可提供服務或是錯誤.

•錯誤可能為: service未提供,因某種限制而阻隔,錯誤的資料值(unexpected) 或資料遺失 (data missing).

Step 9. 如果VLR回應為可提供服務,則MSC經由SS7網路將GSM MAP訊息MAP_FORWARD_SHORT_MESSAGE送至IWMSC

•MSC和IWMSC有可能是同一個交換機.如果是同一個,則此訊息省略,訊息內容包括MSC所提供的SM-SC位址,送短訊的手機號碼(MSISDN)及短訊 (即是TPDU).

Steps 10-12 短訊送至SM-SC後,SMSC回覆一個 delivery report 到IWMSC. IWMSC利用 MAP_FORWARD_SHORT_MESSAGE_ack 訊息將此 report送至MSC

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Summary

SMS ArchitectureSMS Protocol HierarchyMobile-Originated Message