CN101047423A - 一种多用户无线中继方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明为一种多用户无线中继方法和***，其中：在基站的下行传输帧中加入信道质量信息探测部分，用于使中继用户通过测量其与多个目标用户之间的信道质量信息，选择出信道质量符合条件的目标用户，并向选择出的目标用户转发数据。用以解决无线中继技术误码率高，难于利用分集技术等缺点，并利用空间分集，多用户分集，时间分集技术，减少误码传播，减少中继用户的功率消耗。

Description

一种多用户无线中继方法和***
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及基于中继的无线通信***，具体的来讲是一种多用户无线中继方法和***。
背景技术
未来(B3G或者4G)移动通信***相对第三代移动通信***而言，在技术和应用上都要有质的飞跃。为了适应未来无线通信***高数据率，高实时性和低误码率的基本要求，一些新的技术被引入到无线通信***中，无线中继技术就是其中之一。
无线电信号功率的衰减与其传播的距离大体成指数关系。在蜂窝制的无线通信***中，无线电信号的衰减直接决定了单个蜂窝网格，即一个基站的覆盖范围的大小。而指数衰减的特性决定了在小区中心的用户可以接收到很高，甚至高于标准的无线电信号，相反，小区边缘的用户只能接收到微弱的信号，影响了服务质量。同时，指数衰减造成即使在小区中心增加很大的发射功率，小区边缘信号质量的改善也微乎其微。如图1所示，为现有小区制无线通信***面临的问题，从图中可以看到，随着与基站距离的加大，可用容量迅速降低，在小区边界处衰减十分严重，到2010年时问题会比2005年更加恶化。
在未来的无线通信***中，小区边缘的用户也会要求比较强的信号，现有的小区制无线通信***很难满足要求。如果减小单个基站的覆盖面积和半径，则网络铺设的成本会大大提高。为了以较低的成本增加小区的覆盖，提供小区边缘用户的服务质量，一种基于无线中继的网络架构成为未来无线通信的基础。
如图2所示，为基于无线中继的无线通信***，其中，基站(BS)发射的信号，经过中继点(RN)被放大，服务于中继点周围的用户。信号还可以经过多个中继点放大，达到离基站很远的地方。中继点的成本远小于基站，因此总体成本小于简单的缩小小区面积。另外由于是无线的中继方式，中继点的设置和改变比较灵活。如图3所示，为中继对小区服务质量的改善。
基于这种无线中继的网络构架，WINNER(Wireless World Initiative NewRadio)提出了利用用户的移动设备作为中继。其中WINNER是欧盟出资，电信厂商主导的一个研究项目，主要研究下一代无线通信***空中接口技术。对基于中继的无线通信***有比较深入的研究。
WINNER项目中的多用户分集中继(IMDR，Induced Multi-user DiversityRelaying)是指，在用户比较多，传输环境比较复杂的应用中，如室内，可以使用用户设备进行中继，避免出现信号无法覆盖的阴影区域，达到改善整体服务质量的目的。
如图4所示，为IMDR的传输方式。IDMR技术主要用于基站到用户的下行数据传输。该技术将下行数据传输帧分为两部分，第一部分称为发送(Feeding)帧，相应的传输阶段称为发送阶段；第二帧称为转发(Delivery)帧，相应的阶段称为转发阶段。在发送阶段，基站以最大的发射功率，最大的传输速率向所有用户广播目标用户的数据。在转发阶段，作为中继的用户将在前一阶段接收到的信号再发送出去。如图5所示，为基站到用户的下行数据传输帧的结构，在发送(Feeding)帧和转发(Delivery)帧之间以时间τs隔开。不同目标用户之间的数据使用不同的扩频码区分，即码分多址(CDMA)。目标用户在发送阶段和转发阶段都可能收到自己的数据，降低了数据丢失的可能性。
虽然采用IMDR技术改善了小区服务的质量，但是仍然存在着如下的缺点：
1)在“Feeding”阶段，作为中继用户可能不能正确接收基站发出的数据，则在“Delivery”阶段发送错误的数据就造成误码的传播和误码率的上升。
2)在“Delivery”阶段，用户不清楚相互之间的信道情况，难以利用分集技术。
3)在“Delivery”阶段，多个中继的不同质量的信号同时到达目标用户，只是简单叠加，造成功率浪费，降低了设备的待机时间。
因此，需要一种能有效利用分集增益的多用户的中继方法，来解决上述的问题。
发明内容
针对上述的IMDR技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种多用户无线中继方法和***，用以减少误码的传播，减少中继用户的功率消耗及对相邻小区的干扰，并充分利用空间分集，多用户分集和时间分集技术，以有效地利用分集增益。
本发明的技术方案为：一种多用户无线中继方法，其中：在基站的下行传输帧中加入信道质量信息探测部分，用于使中继用户通过测量其与多个目标用户之间的信道质量信息，选择出信道质量符合条件的目标用户。
所述的在基站的下行传输帧中加入信道质量信息探测部分是指：在下行传输帧的发送帧和转发帧之间加入信道质量信息探测帧，并且帧与帧之间以时间间隔隔开。
基站向其所有用户发送目标用户的数据，所述的中继用户接收基站发送的数据并有选择的保存部分目标用户的数据。
所述的有选择的保存部分目标用户的数据是指：当目标用户的数据所处的子载波在频率选择性衰落信道中的衰落小于设定的阈值时，则保存该目标用户的数据；或者保存质量好的部分目标用户的数据，同时这些数据所经历的衰落大于设定的阈值。
在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户发送导频信号；所述的中继用户接收所述的导频信号，并根据接收的导频信号测量其与多个目标用户之间的信道质量信息。
所述在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户在属于自己的子载波位置上发送导频信号；或者所述在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户发送扩频码。
所述的信道质量符合条件的目标用户是指：信道质量信息大于阈值的目标用户。
所述的中继用户采用分集向选择出的信道质量符合条件的目标用户转发数据。
所述的中继用户对转发的数据进行空时编码，并使用多输入多输出多天线进行发射，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路。
所述在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户接收来自不同中继用户的不同传播路径，不同空时编码分支的数据，并将这些数据进行合并；或目标用户将直接从基站接收到的自己的数据与中继用户转发来的自己的数据进行合并。
本发明所述的方法包括以下具体步骤：所述的基站以一定的发射功率，按照某种传输速率(最优的方案为最高传输速率)向其所有用户发送目标用户数据；所述的中继用户接收到下行数据后，将衰落小于设定阈值的目标用户的数据进行存储；在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户在属于自己的子载波位置上发送导频信号，用于中继用户测量信道质量信息；所述的中继用户接收不同目标用户的导频信号，并测量所述中继用户与不同目标用户之间的信道质量信息，选择信道质量信息大于设定阈值的用户作为目标用户；所述的中继用户向选择的目标用户转发数据，其中：所述的中继用户利用信道质量信息对转发的数据进行空时编码，并采用多入多出多天线进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；所述的目标用户接收来自不同中继用户的不同传播路径，不同空时编码分支的数据，并将这些数据进行合并；或目标用户将直接从基站接收到的自己的数据与中继用户转发来的自己的数据进行合并。
本发明还提供了一种多用户无线中继***，包括，基站和用户终端，所述的基站与用户终端相联接；所述的基站具有下行数据生成单元，用于生成包含有信道质量信息探测帧的下行数据；所述的用户终端包括：目标用户数据存储单元，用于有选择的保存部分目标用户的数据；目标用户选择单元，用于选择信道质量信息大于阈值的用户作为目标用户；发射分集单元，利用信道质量信息对转发的数据进行空时编码，并采用多入多出多天线技术进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；合并装置，用于接收来自基站和不同中继用户的数据，并将这些数据进行合并。
所述的用户终端还包括：导频信号发送单元，用于在子载波位置上发送导频信号。
所述的用户终端还包括：扩频码发送单元，用于发送码分多址方式的扩频码。
本发明的有益效果在于，不仅具有现有技术IMDR方案的优点，而且克服了IMDR的缺点，具体来讲有以下的有益效果：
在发送阶段，中继用户不是转发所有数据而是只保留比较可靠的，避免了误码的传播和误码率的上升；
在CQI探测阶段，在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户发射导频信号，在发送帧中正确接收到数据的目标用户不发射导频信号，可以减少中继用户发送的开销。另外，中继用户通过估计的信道情况，只选择信道质量好的目标用户转发数据，降低了中继用户的能量消耗和对相邻小区的干扰，而且降低了误码的可能；
在转发阶段中，根据估计出的信道状况，中继用户对转发的数据进行空时编码，利用MIMO多天线技术充分实现空间分集，有效地利用了分集增益，即使只有一个中继用户，目标用户也能接收到完整的数据，只是没有分集增益。
附图说明
图1为现有技术中无线通信***中随着与基站距离的加大实际可用容量与需求容量的关系曲线图；
图2为现有技术中基于中继的无线通信***示意图；
图3为现有技术中利用中继后随着与基站距离的加大服务质量改善的曲线图；
图4为现有技术中多用户分集中继(IMDR)的传输***连接关系图；
图5为现有技术中基站下行帧的结构图；
图6为本发明的***连接关系示意图；
图7为本发明的基站下行帧的结构图；
图8为本发明具体实施方式的流程图；
图9为本发明***具体实施方式的结构框图；
图10为本发明具体实施方式中用户终端的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。本发明旨在提供一种多用户无线中继的方法和***，在基站的下行传输帧中加入信道质量信息探测部分，用于使中继用户通过测量其与多个目标用户之间的信道质量信息，选择出信道质量符合条件的目标用户，并向信道质量符合条件的目标用户转发基站发送的数据。以改善小区的服务质量。
如图6所示，基站以一定的发射功率和传输速率向其所有用户发送目标用户数据；中继用户接收到下行数据后向选择的目标用户转发数据，其中：所述的中继用户利用信道质量信息对转发的数据进行空时编码，并采用多入多出多天线进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；所述的目标用户接收来自不同中继用户的不同传播路径，不同空时编码分支的数据，并将这些数据进行合并；或目标用户将直接从基站接收到的自己的数据与中继用户转发来的自己的数据进行合并。
如图7所示，在基站到用户的下行数据传输过程中，将下行数据传输帧分为三部分，第一部分称为发送(Feeding)帧，相应的传输阶段称为发送阶段；第二部分称为信道质量信息探测(CQI Probing)帧，相应的传输阶段称为信道质量信息探测阶段；第三部分称为转发(Delivery)帧，相应的传输阶段称为转发阶段。在三个阶段之间以时间τs隔开。
在整个数据的传输过程中，不同目标用户之间的数据区分有以下两种情况，即：所用的调制方式为OFDM，则每个目标用户的数据在所有的子载波中占用一部分子载波，根据各个用户占用的子载波不同来区分目标用户；或者，使用CDMA区分目标用户，根据每个目标用户使用不同的扩频码来区分目标用户，而且可以根据数据流量的不同，每个用户使用数目和长度不等的扩频码。
在发送阶段，基站以一定的发射功率和一定的传输速率向所有用户发送目标用户的数据。作为中继的用户接收到数据后，可选择根据以下的两种标准中的一种来保留部分目标用户的数据在自己的存储单元中，即：保留的部分目标用户的数据所处的子载波在频率选择性衰落信道中的衰落小于设定的阈值；或者，最多只保留质量最好的G个用户的数据，同时这些数据所经历的衰落小于预先设定的阈值，所述的G为预先设定的数值；或者只保留能正确解码的用户的数据。
在CQI探测阶段，在发送帧中没有正确接收到数据目标用户发送不包括数据的信号，中继用户接收不同目标用户发出的信号，并测量其与不同目标用户之间的CQI，选择CQI大于预先设定阈值的用户作为目标用户，其中，所述的目标用户发送的信号可以是OFDM调制的导频信号，也可以是CDMA中的扩频码。
在转发阶段，中继用户转发选定的目标用户的数据，如果是由多于一个中继用户同时转发属于同一目标用户的数据，则可以利用已知的信道信息，对数据进行空时编码并使用MIMO多天线技术进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路。目标用户接收来自不同中继用户，不同传播路径，不同空时编码分支的数据，和目标用户在发送阶段接收到的自己的数据，并将这些数据进行合并。
实施例1：
当采用OFDM调制方式时，基站到用户的下行数据传输过程包括以下的步骤：
步骤1、在发送阶段，基站以一定的发射功率和传输速率向所有用户发送目标用户的数据。其中，所用的调制方式为OFDM，即每个目标用户的数据在所有的子载波中占用一部分子载波，各个用户占用的子载波不同。
步骤2、在发送阶段所有用户都可以接收基站发出的数据。作为中继的用户接收到数据后，只保留若干个目标用户的数据在自己的存储单元中。保留的标准是这些用户的数据所处的子载波在频率选择性衰落信道中的衰落小于阈值C1。
步骤3、在CQI探测阶段，在发送帧中没有正确接收到数据目标用户发送OFDM调制的信号，该信号不包括数据。其中，每个用户在属于自己的子载波位置上发送导频信号，每个用户发送的导频信号相同，子载波位置不同，在其它子载波上不发送任何信息。
步骤4、在CQI探测阶段，作为中继的用户接收不同目标用户发出的信号，通过OFDM符号中不同位置的导频测量其与不同目标用户之间的CQI，选择CQI大于阈值C2的用户作为目标用户。
步骤5、在转发阶段，作为中继的用户转发部分目标用户的数据调制方式为OFDM，不转发的数据对应的子载波使用最低功率。由于在CQI探测阶段目标用户的导频正好处于其数据对应的子载波上，估计出来的CQI可以直接用到转发阶段。在这个阶段，若干个中继用户可能同时转发属于同一用户的数据，这些中继用户相当于构成分布式天线。
步骤6、在转发阶段，为了进一步利用已知的信道信息，中继用户还可以利用估计的信道信息对数据进行适当的变换，还可以进行空时编码并使用MIMO多天线技术进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路。
步骤7、在转发阶段，目标用户接收到来自不同中继用户，不同传播路径，不同空时编码分支的数据，将这些数据合并。如果目标用户在发送阶段已经接收到了自己的数据，则也可以与转发阶段接收的数据合并。
如图8所示，本发明具体实施方式的流程为：所述的基站以一定的发射功率和传输速率向其所有用户发送目标用户数据；所述的中继用户接收到下行数据后，将正确译码或衰落小于设定阈值的目标用户的数据进行存储；每个目标用户在属于自己的子载波位置上发送导频信号，用于中继用户测量信道质量信息；所述的中继用户接收不同目标用户的导频信号，并测量所述中继用户与不同目标用户之间的信道质量信息，选择信道质量信息大于设定阈值的用户作为目标用户；所述的中继用户向选择的目标用户转发数据，其中：所述的中继用户利用信道信息对转发的数据进行适当的变换，或对转发的数据进行空时编码，并采用多入多出多天线进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；所述的目标用户接收来自不同中继用户的不同传播路径，不同空时编码分支的数据，并将这些数据进行合并；或目标用户将直接从基站接收到的自己的数据与中继用户转发来的自己的数据进行合并。
实施例2：
当采用CDMA区分多用户时，基站到用户的下行数据传输过程包括以下的步骤：
步骤1’、在发送阶段，基站以一定的发射功率和传输速率向所有用户发送目标用户的数据。不同目标用户之间的数据使用CDMA的扩频码区分，而且根据数据流量的不同，每个用户可以使用数目和长度不等的扩频码。
步骤2’、在发送阶段，所有用户都可以接收基站发出的数据。作为中继的用户接收到数据后，只保留若干个目标用户的数据在自己的存储单元中。保留的标准是：最多只保留质量最好的G个用户的数据，同时这些用户数据所经历的衰落小于预先设定的阈值C1。
步骤3’、在CQI探测阶段，在发送帧中没有正确接收到数据目标用户发送不同的扩频码。
步骤4’、  在CQI探测阶段，作为中继的用户接收不同目标用户发出的扩频码，并根据接收到的不同扩频码估计与不同目标用户之间的CQI，选择CQI大于预先设定阈值C2的用户作为目标用户。
步骤5’、在转发阶段，中继用户还可以对数据进行空时编码并使用MIMO多天线技术进行发送。若干个中继用户可能同时转发属于同一用户的数据，这些中继用户相当于构成分布式天线。
步骤6’、在转发阶段，目标用户接收到来自不同中继用户，不同传播路径的数据，将这些数据合并。如果目标用户在发送阶段已经接收到了自己的数据，则也可以与转发阶段接收的数据合并。
实施例3
如图9所示，为一种多用户无线中继***，包括，基站和用户终端，所述的基站与用户终端相联接；所述的基站具有下行数据生成单元，用于生成包含有信道质量信息探测帧的下行数据；如图10所示，所述的用户终端包括：目标用户数据存储单元，用于有选择的保存部分目标用户的数据；目标用户选择单元，用于选择信道质量信息大于阈值的用户作为目标用户；发射分集单元，利用信道质量信息对转发的数据进行空时编码，并采用多入多出多天线技术进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；合并单元，用于接收来自基站和不同中继用户的数据，并将这些数据进行合并。
所述的用户终端还包括：导频信号发送单元，用于在子载波位置上发送导频信号。扩频码发送单元，用于发送码分多址方式的扩频码。
图10所示的用户终端既可以作为中继用户终端也可以作为目标用户终端。
其中，在基站到用户的下行数据传输中，基站以一定的发射功率，按照某种传输速率通过下行数据生成单元生成包含有信道质量信息探测帧的下行数据；并向所有用户发送目标用户的数据；
作为中继的用户接收到数据后，通过目标用户数据存储单元，保留部分目标用户的数据在自己的存储单元中；
所述的目标用户通过导频信号发送单元发送不包括数据的信号，用于中继用户测量信道质量信息；
所述的中继用户接收不同目标用户发出的信号，通过目标用户选择单元测量其与不同目标用户之间的信道质量信息，并根据信道质量信息选择信道质量信息大于预先设定阈值的用户作为目标用户；
中继用户利用已知的信道质量信息，使用发射分集单元对数据进行空时编码并使用多输入多输出多天线技术进行发送，实现空间分集，其中，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；
目标用户接收来自不同中继用户，不同传播路径，不同空时编码分支的数据，使用合并单元将这些数据和目标用户接收到的自己的数据进行合并。
本发明的有益效果在于，不仅具有现有技术IMDR方案的优点，而且克服了IMDR的缺点，具体来讲有以下的有益效果：
在发送阶段，中继用户不是转发所有数据而是只保留比较可靠的，避免了误码的传播和误码率的上升；
在CQI探测阶段，中继用户通过估计的信道情况，只选择信道质量好的目标用户转发数据，降低了中继用户的能量消耗和对相邻小区的干扰，而且降低了误码的可能；
在转发阶段中，根据估计出的信道状况，中继用户对转发的数据进行空时编码，利用MIMO多天线技术充分实现空间分集，有效地利用了分集增益，即使只有一个中继用户，目标用户也能接收到完整的数据。
以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。

Claims (17)

1.一种多用户无线中继方法，其特征是：在基站的下行传输帧中加入信道质量信息探测部分，用于使中继用户通过测量其与多个目标用户之间的信道质量信息，选择出信道质量符合条件的目标用户。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的在基站的下行传输帧中加入信道质量信息探测部分是指：在下行传输帧的发送帧和转发帧之间加入信道质量信息探测帧，并且帧与帧之间以时间间隔隔开。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，基站向其所有用户发送目标用户的数据，所述的中继用户接收基站发送的数据并有选择的保存部分目标用户的数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，所述的有选择的保存部分目标用户的数据是指：当目标用户的数据所处的子载波在频率选择性衰落信道中的衰落小于设定的阈值时，则保存该目标用户的数据；或者
保存质量好的部分目标用户的数据，同时这些数据所经历的衰落大于设定的阈值；或者
对接收到的数据进行解码，保存正确解码(比如通过CRC校验)的用户数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户发送导频信号；所述的中继用户接收所述的导频信号，并根据接收的导频信号测量其与多个目标用户之间的信道质量信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户在属于自己的子载波位置上发送导频信号；或者所述的目标用户发送扩频码。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述在发送帧中已经正确接收到数据的目标用户不在属于自己的子载波位置上发送导频信号，基站视这一部分子载波资源已经释放，在转发帧中利用这些子载波资源发送新的数据。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的信道质量符合条件的目标用户是指：信道质量信息大于阈值的目标用户。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的中继用户采用分集向选择出的信道质量符合条件的目标用户转发数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的中继用户对转发的数据进行空时编码，并使用多输入多输出多天线进行发射，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征是，所述在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户接收来自不同中继用户的不同传播路径，不同空时编码分支的数据，并将这些数据进行合并；或目标用户将直接从基站接收到的自己的数据与中继用户转发来的自己的数据进行合并。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征是包括以下具体步骤：
所述的基站以一定的发射功率和某种传输速率向其所有用户发送目标用户数据；
所述的中继用户接收到下行数据后，将衰落小于设定阈值的目标用户的数据进行存储；
每个在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户在属于自己的子载波位置上发送导频信号，用于中继用户测量信道质量信息；
所述的中继用户接收不同目标用户的导频信号，并测量所述中继用户与不同目标用户之间的信道质量信息，选择信道质量信息大于设定阈值的用户作为目标用户；
所述的中继用户向选择的目标用户转发数据，其中：所述的中继用户利用信道质量信息对转发的数据进行变换，或者进行空时编码，并采用多入多出多天线进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；
所述在发送帧中没有正确接收到数据的目标用户接收来自不同中继用户的不同传播路径，不同空时编码分支的数据，并将这些数据进行合并；或目标用户将直接从基站接收到的自己的数据与中继用户转发来的自己的数据进行合并。
13.一种多用户无线中继***，包括，基站和用户终端，所述的基站与用户终端相联接；其特征是：
所述的基站具有下行数据生成单元，用于生成包含有信道质量信息探测帧的下行数据；
所述的用户终端包括：
目标用户数据存储单元，用于有选择的保存部分目标用户的数据；
目标用户选择单元，用于选择信道质量信息大于阈值的用户作为目标用户；
发射分集单元，利用信道质量信息对转发的数据进行空时编码，并采用多入多出多天线技术进行发送，每个中继用户随机选择空时编码的一个支路；
合并单元，用于接收来自基站和不同中继用户的数据，并将这些数据进行合并。
14.根据权利要求13所述的***，其特征是，所述的下行数据顺序包括：发送帧、信道质量信息探测帧以及转发帧，在帧与帧之间以时间间隔隔开。
15.根据权利要求13所述的***，其特征是，所述的用户终端还包括：导频信号发送单元，用于在子载波位置上发送导频信号。
16.根据权利要求13所述的***，其特征是，所述的用户终端还包括：扩频码发送单元，用于发送码分多址方式的扩频码。
17.根据权利要求13所述的***，其特征是，所述的有选择的保存部分目标用户的数据是指：当目标用户的数据所处的子载波在频率选择性衰落信道中的衰落小于设定的阈值时，则保存该目标用户的数据；或者
保存质量好的部分目标用户的数据，同时这些数据所经历的衰落大于设定的阈值。
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