CN101378278B - 无线多入多出通信***的信道测量 - Google Patents

无线多入多出通信***的信道测量 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无线MIMO通信***,其包括发射机天线阵列和接收机天线阵列,从发射机天线阵列的一个天线到接收机天线阵列的一个天线的通道形成信道。MIMO***还包括信道测量***,该信道测量***包括发射机子***、接收机子***和同步子***。发射机子***用以生成测试帧,该测试帧被经由发射机天线阵列与发射机触发信号同步地发送。接收机子***经由接收机天线阵列与接收机触发信号同步地从发射机天线阵列接收测试帧,并通过计算所接收的各个测试帧的信道冲击响应来估计各个信道。所述信道冲击响应与发射机触发信号和接收机触发信号的定时相对应。同步子***生成彼此同步的发射机触发信号和接收机触发信号。

Description

无线多入多出通信***的信道测量
技术领域
本发明一般地涉及多入多出(MIMO:Multiple-Input Multiple-Output)通信***,特别地涉及无线MIMO通信***的信道测量。
背景技术
MIMO通信***典型地包括在其发射机方和接收机方的多个天线,以在衰落(fading)环境中提供分集(diversity)。这使得通信***可以提供显著增加的容量、覆盖范围和可靠性。
在设计和优化这样的MIMO***的过程中,了解发射机和接收机之间的真实无线电信道特性是极其重要的。典型地使用信道侦听(channelsounding)来获得信道参数,信道侦听指的是利用已知的经严格定义的信号波形来激励信道并通过测量输出波形来估计信道响应的技术。
图1示出了根据信道侦听方法来测量瞬态MIMO信道响应的一种现有技术的配置。正如从图1中可见的,发射机控制计算机103对发射机无线电设备(radio)101进行控制以根据预定信令方案来生成激励信号。该激励信号经数模(D/A)转换并被上变频到射频(RF),随后被发送到发射机天线定位自动装置(robot)102。发射机天线定位自动装置102受到发射机控制计算机103的控制,以自动进行设在发射机方的多个天线的定位,并通过无线电信道来发送激励信号。
在接收机方,受到接收机控制计算机106的控制的接收机天线定位自动装置104接收激励信号,并将该激励信号发送到接收机无线电设备105。接收机无线电设备105对所接收的激励信号执行从RF到基带频率的下变频和模数(A/D)转换,并将从而生成的数字信号传送到接收机控制计算机106。接收机控制计算机106对该数字信号进行分析以获得信道测量结果、信道冲击响应(CIR)的估计、信道容量和其它参数。
图2示出了在图1所示的测量***中使用的激励信号的帧结构。该激励信号被作为“超帧”来发送。如图2所示,每个“超帧”都具有一个信道侦听分组201和几个随后的数据分组203,在任意两个相邻分组之间插有一静默时段(silence period)202。信道侦听分组201是专门设计用于瞬态信道测量的,也称作“侦听帧”。在接收机方,接收机控制计算机106(参考图1)使用信道估计算法来对包含在各个侦听帧201中的前导码(preamble)部分执行信道估计,以获得各个侦听帧201的瞬态信道冲击响应。对于超帧的其余部分(即静默时段202和数据分组203),假设了准静态情形。即,假设在数据分组的传输过程中无线电信道不发生改变。
但是,与上述测量***相关联的一个问题是在发射机和接收机之间没有进行同步。另外,用于信道估计的前导码仅仅是通过利用同步算法来获得的,而同步算法会引入同步误差,结果导致所测得的信道冲击响应在时间上发生偏移。因此,上述***无法提供多普勒频谱的精确测量。
另一个问题在于如图1和图2所示的配置仅能提供与“侦听帧”相对应的瞬态信道估计。而对于数据分组,假设了准静态情形。当信道快速变化时,这种假设将引入测量误差。此外,上述现有技术的配置无法提供诸如多普勒频偏和PDP(Power Delay Profile,功率时延谱)之类的其它统计特性。这些问题导致无法在时间上精确地重构信道。
发明内容
本发明提供了一种无线MIMO通信***,其包括发射机天线阵列和接收机天线阵列,从发射机天线阵列的一个天线到接收机天线阵列的一个天线的通道形成信道。MIMO***还包括信道测量***,该信道测量***包括发射机子***、接收机子***和同步子***。发射机子***用以生成测试帧,该测试帧被经由发射机天线阵列与发射机触发信号同步地发送。接收机子***经由接收机天线阵列与接收机触发信号同步地从发射机天线阵列接收测试帧,并通过计算所接收的各个测试帧的信道冲击响应来估计各个信道。所述信道冲击响应与发射机触发信号和接收机触发信号的定时相对应。同步子***生成彼此同步的发射机触发信号和接收机触发信号。
附图说明
当结合附图来阅读以下内容时,可以更完全地理解本发明的上述和其它特征,其中:
图1示出了用于测量瞬态MIMO信道响应的现有技术的配置;
图2示出了在图1所示的测量配置中使用的激励信号的帧结构;
图3示出了根据本发明的一个实施例的无线MIMO通信***的信道测量***;
图4A示出了测试信号的发送定时的示例;
图4B示出了测试信号的接收定时的示例;
图5示出了估计所得的与一对天线之间的信道相对应的瞬态信道冲击响应;
图6示出了根据本发明的一个实施例的在如图3所示的无线MIMO通信***的发射机方通过图3的信道测量***来执行的操作的简化流程图;
图7示出了根据本发明的一个实施例的在如图3所示的无线MIMO通信***的接收机方通过图3的信道测量***来执行的操作的简化流程图。
具体实施方式
以下将参考附图来描述本发明的实施例。
图3示出了无线MIMO通信***300的框图。如图3所示,无线MIMO通信***300包括发射机方(模块303-305)和接收机方(模块306-308),其中,发射机方用以生成并发送通信信号,而接收机方经由MIMO信道340来接收通信信号。正如从图3可见的,在一个实施例中,通信***300是2×2***。这意味着通信***300的发射机天线阵列305包括两个发射机天线,而天线***300的接收机天线阵列306包括两个接收机天线。可替换地,可以使用多于两个天线或少于两个天线来形成各个天线阵列305-306。图3并未示出***300的所有模块。
正如以下将更详细地描述的,根据本发明的一个实施例,无线MIMO通信***300还包括信道测量***350。信道测量***350用于精确地测量和重构在***300的发射机方和接收机方之间的信道。以下将对此做更详细的描述。
正如从图3可见的,信道测量***350包括发射机控制计算机301,发射机控制计算机301生成两个测试信号序列,每一个测试信号序列具有多个符合由通信***300的用户指定的已知通信测试标准的测试帧。另外,***350还包括双通道信号发生器302,信号发生器302与发射机控制计算机301进行通信,并生成各自与所生成的测试信号序列中的一个相对应的两个数字基带波形信号。数字基带波形信号随后被传送到通信***300的数模(D/A)转换器303,并在D/A转换器303中被转换为模拟基带测试信号。通信***300的发射机射频(RF)前端模块304随后接收该模拟基带测试信号,将其上变频到中频(IF),随后再上变频到射频,以分别通过发射机天线阵列305的各个天线来发送。
为了简单起见,信号发生器302、D/A转换器303和发射机RF前端304分别作为能够处理双通道信号的单个器件而被示出在图3中。但是,信道测量***可以具有两个信号发生器、两个D/A转换器和两个发射机RF前端模块,以分别处理测试信号。相同的情况也适用在随后将描述的接收机方中的器件。此外,虽然在图3中示出了2×2***,但是其仅仅是一个示例,根据本发明的信道测量***可以是n×n***,其中n是大于2的整数。这意味着根据本发明的信道测量***所支持的天线配置可以通过利用更多的发射机和接收机来顺利增加。
在接收机方,通信***300的接收机RF前端模块307从接收机天线阵列306接收RF测试信号,并将其下变频到IF,随后再下变频为基带信号(模拟)。模数(A/D)转换器308将该模拟基带测试信号转换成数字形式,并将其发送到信道测量***350的信号处理器309。信号处理器309对分别从不同接收机天线接收的各个测试信号进行分析。在一个实施例中,信号处理器309包括信道估计单元(未示出),该信道估计单元用于基于所接收的测试信号,通过利用商业上可获得的诸如LS(最小二乘法)、MMSE(最小均方误差)之类的信道估计算法来计算各个发射机和接收机天线对的瞬态信道频率响应(或CIR)。另外,信号处理器309还包括信道重构单元(未示出),该信道重构单元用于基于由信道估计单元所获得的CIR来在时间轴上重构发射机天线阵列305和接收机天线阵列306之间的信道。例如,信道重构单元可以计算各个子载波在时间轴上的信道频率响应,并将计算所得的结果发送到接收机控制计算机310,以根据需要进行显示和/或进一步的处理。在另一个实施例中,信号处理器309仅执行用于获得CIR的信道估计,并将所得的CIR发送到接收机控制计算机310以用于信道重构。模块301-302形成了信道测量***350的发射机子***,而模块309-310形成了信道测量***350的接收机子***。
如图3所示的信道测量***350还包括同步子***320,同步子***320用以控制测试信号的发送和接收的定时(timing),从而使得能够进行精确的信道测量和重构。如图3所示,同步子***320包括用于生成周期性发射机触发信号的发射机同步控制器321和用于生成周期性接收机触发信号的接收机同步控制器322。发射机RF前端模块304与发射机同步控制器321进行通信,并与发射机触发信号同步地周期性地向发射机天线阵列305发送测试信号。接收机RF前端模块307与接收机同步控制器322进行通信,并与接收机触发信号同步地经由接收机天线阵列306来周期性地获取测试信号。
如图3所示,发射机同步控制器321包括发射机时钟单元331和发射机触发生成单元332,其中,发射机时钟单元331提供发射机时钟信号,而发射机触发生成单元332基于由发射机时钟单元331提供的时钟信号来生成发射机触发信号。类似地,接收机同步控制器322包括接收机时钟单元333和接收机触发生成单元334,其中,接收机时钟单元333提供接收机时钟信号,而接收机触发生成单元334基于由接收机时钟单元333提供的时钟信号来生成接收机触发信号。根据本发明的一个实施例,发射机时钟单元331和接收机时钟单元333被预校准,从而使得在测量开始前它们就已经同步。在一个实施例中,两个时钟单元都是从卫星接收时间信息的GPS(全球定位***)接收机。在另一个实施例中,发射机时钟单元331和接收机时钟单元333是经预校准的铷钟。无论是哪一种,都无需为了同步的目的而利用电缆来连接发射机方和接收机方。虽然发射机触发信号和接收机触发信号是被分别生成的,但是通过使用经同步的发射机时钟单元和接收机时钟单元,发射机触发信号和接收机触发信号是同步的。
图4A示意性地示出了测试信号的发送定时的示例。在图4A所示的示例中,测试信号包括测试帧401,如图中的黑色方块所示,测试帧401符合预定的通信标准。所述的通信标准可以是在将被设计的真实通信***中采用的标准。在一个实施例中,预定的通信标准是802.11n标准。但是,这仅仅是一个示例,而任何其它公用和/或专用标准(private standard)都可以被使用。
正如从图4A可见的,每接收一发射机触发信号403(参考图中所示的箭头),就发送一802.11n测试帧401。在一个实施例中,测试帧的周期性发送可以通过使用RF开关来实现,所述的RF开关每当接收到一触发信号403时就接通一预定时间段,并在该预定时间段结束后关断。在一个实施例中,所述的预定时间段被设置为大于或等于发送一个完整测试帧所花费的时间。没有构建超帧,而且每一个802.11n测试帧都可以被用于信道测量。在图4A中,静默时段(即,相邻的符合标准的测试帧之间的时间段)如图中的白色方块402所示。
如上所述,发射机触发信号与接收机触发信号同步。即,发射机触发信号和接收机触发信号同时被发送,从而使得接收机在发射机发出信号帧的同时开始捕获信号帧。图4B示意性地示出了测试信号的接收定时。如图4B所示,每当一接收机触发信号403被接收时,一测试帧401被获得。但是,由于测试帧从发射机天线传播到接收机天线花费了一段时间(即,传播时延),因此,所获得的信号包括附加的静默时段404,如图4B所示。换句话说,接收机并不是从测试帧的第一比特开始接收该测试帧的,而是首先接收一段与传播时延相对应的噪声信号。当如图3所示的信号处理器309接收到测试信号的第一帧时,其使用同步软件程序来对第一接收机触发信号的定时与第一测试帧的第一比特之间的时间长度(传播时延)进行估计。本领域的技术人员很清楚的是,可以使用任意传统同步软件程序。因此,通过利用估计所得的传播时延,可以确定第一测试帧的第一比特的位置,即,该测试信号实际起始的位置。
在得到第一测试帧的起始点(即,第一比特)之后,通过使用触发信号的周期还可以确定所有其它测试帧的起始点。这使得无需像传统信道测量***那样利用同步算法来检测每一个测试帧的起始点,并且消除了由使用测试帧的前导码序列的同步算法所导致的时间偏移,即同步误差。
在一个实施例中,可以使用RF开关来实现测试帧的周期性获取,所述RF开关每当接收到一触发信号403时就接通一预定时间段,并在该预定时间段结束之后关断。在该实施例中,预定时间段被设置为大于或等于获取一个完整测试帧所花费的时间。在一个实施例中,信号处理器309(参考图3)包括缓冲器(未示出),该缓冲器用于存储所获得的信号。应当注意,每次存储到缓冲器中的信号都应当包含完整的测试帧,以用于进一步的处理。
图5示意性地示出了估计所得的与在一对天线之间的信道(即,发射机天线阵列305的一个天线和接收机天线阵列306的一个天线之间的信道)相对应的瞬态信道冲击响应。如图5所示,触发信号403的定时与估计所得的CIR值相对应。即,各个估计所得的CIR值表征在相应发射机/接收机触发信号被生成时的定时处的瞬态信道特性。
如图5所示,由于触发信号的定时已知,并且相邻测试帧的用于估计CIR的前导序列的起始点(前导码的第一比特)之间的间隔是恒定的,所以由同步算法导致的同步误差能够得以补偿,因而可以获得各个所测得的信道冲击响应的绝对时间。这极大地缓解了像在传统信道测量解决方案中那样的由同步误差导致的估计所得的CIR在时间上的偏移。
发射机触发信号和接收机触发信号的频率应当高于多普勒频率。为了通过插值(interpolation)来获得信道的精确重构,生成发射机触发信号和接收机触发信号的频率(即,触发信号周期的倒数)应当高于多普勒频率的两倍。例如,如果接收机以30km/h的速度移动,并且载波频率为2.4GHz,则最大多普勒频率约为120Hz。在这种情况下,同步***应当以高于240Hz的频率来发送发射机触发信号和接收机触发信号。发射机触发信号和接收机触发信号的频率(即,触发信号周期的倒数)能够由同步***320来调整以满足采样定理。
图6示出了根据本发明的一个实施例的在如图3所示的无线MIMO通信***的发射机方通过图3的信道测量***来执行的操作的简化流程图。如图6所示,发射机方的操作从步骤601开始,在步骤601中,由测量***350的发射机控制计算机301(参考图3)来生成调制符号(modulatedsymbol)。在一个实施例中,调制符号是基于语音通信数据来生成的。使用语音通信数据将便于无线电基站和移动电话之间的信道测量,并且根据实际需要可以使用任何种类的数据。
在步骤602中,利用调制符号来形成分组。在步骤603中,通过***前导码来形成符合标准的测试帧。根据本发明,测试帧可以根据预定标准(例如,802.11n)来形成,而无需形成测试专用帧或超帧。特别地,可以根据与将在实际关心的通信***中使用的标准相同的标准来构建测试帧。基于这点,根据本发明的信道测量***是非常灵活的。此外,预定标准并不限于公用标准,而可以是诸如802.11n、WiMax、3GPP LTE之类的任何公用和专用标准。
应当了解,***到将通过不同的发射机天线来发送的测试帧中的前导码是彼此正交的。因此,在不同的发射机和接收机天线对之间的信道冲击响应可以同时测量。本领域技术人员很清楚,可以使用任何正交化技术。
在步骤604中,测试帧被载入信号发生器302(参考图3),然后信号发生器302基于该测试信号来生成数字基带波形信号。数字基带波形信号随后在步骤605中经D/A转换并被上变频到RF。在步骤606中,测试帧被与来自图3所示的控制器321的发射机触发信号同步地周期性地发送。具体而言,测试帧在由发射机触发信号指定的定时处被发送,并且相邻测试帧之间的间隔,即发射机触发信号的周期,可以通过同步子***320(参考图3)来调整以满足采样定理。在测试帧被发送出去之后,发射机方的操作结束。
图7示出了根据本发明的一个实施例的在如图3所示的无线MIMO通信***的接收机方通过图3的信道测量***来执行的操作的简化流程图。如图7所示,接收机方的操作从步骤701开始,在步骤701中,测试帧被与接收机触发信号同步地周期性地接收。在步骤702中,所接收的测试信号被下变频至基带,并经A/D转换,从而从所接收的测试信号中恢复出测试帧。
在步骤703中,信号处理器309(参考图3)通过计算所接收的各个测试帧的信道冲击响应(CIR)来执行信道估计。在执行所述计算之前,需要检测测试帧的起始点,原因在于存在传播时延。如上所述,第一测试帧的起始点可以通过同步算法来检测得到,而其它测试帧的起始点可以利用发射机/接收机触发信号的周期来确定。可以利用诸如LS(最小二乘法)、MMSE(最小均方误差)等的信道估计算法来估计信道。
在步骤704中,通过在时间轴上的插值来重构信道。由于信道测量结果(即,CIR值)是通过使用各个测试帧的前导码来计算得到的,所以计算所得的CIR值在时间轴上是离散的。然而,通过CIR值的插值,可以获得在时间轴上连续的CIR曲线,即,可以精确地重构信道。另外,可以根据CIR值来计算得到各个子载波上的信道频率响应,类似地,可以获得时间轴上连续的信道频率响应曲线。
如上所述,估计所得的各个CIR值与触发信号的各个定时相对应。由此,可以消除由利用测试帧的前导码序列的同步算法导致的时间偏移,即同步误差。在信道重构中使用的插值方法包括但不限于线性插值。
如图7所示,在步骤704之后,在接收机方的处理结束。但是,本领域技术人员应当了解,除了图7所示的那些操作之外,还可以执行诸如对所接收的测试帧执行的任何其它分析之类的其它操作。
本发明的用于信道测量的***和方法对在发射机方和接收机方所使用的仪器都没有严格的要求。根据不同的测量环境,测量***的不同部分可以利用用户的设备和***来替换。例如,如果用户对他们即将使用的天线的性能的测量感兴趣,则测量***的发射机天线和接收机天线可以利用用户的天线来替换,而无需使用专门设计或精确校准的天线。作为另一个示例,如果用户对正在使用中(in-service)的信道测量感兴趣,则整个发射机方都可以利用基站或者用户的移动终端来替换,同时接收机方可以像传统信道测量***那样安装上经精确校准的天线。只要RF前端具有与同步***进行互连的接口,并能响应于触发信号来发送和接收测试信号即可。
然而,应当注意,根据本发明的信道测量***还可以与RF开关和具有更多天线的更大的天线阵列一起使用,以获得对诸如到达角(directionof arrival)等的角度参数的更好的测量精度。在这种情况下,需要将各个天线阵列划分为几个组,各个组都具有相同数目的天线,而RF开关以固定间隔来循环接通各个天线组。
为了进一步地提高根据本发明的信道测量的精确度,可以进行一些进一步的改进。在一个实施例中,除了前导码部分之外,符合标准的测试帧的有效载荷(payload)也被用于信道冲击响应的测量。具体而言,在测试帧的有效载荷中***专门设计的序列。例如,将重复的恒包络零自相关(CAZAC:Constant Amplitude Zero Auto Correlation)序列***到802.11n帧中作为专门设计的有效载荷。由重复的CAZAC序列构成的有效载荷的恒定包络使得多子载波***具有很低的峰均功率比(PARR:Peak AveragePower Ratio),并且其很好的相关特性有利于同步和信道估计。
通过对所接收的CAZAC序列求平均,可以提高在低信噪比下的信道估计的性能。如果信道快速变化,并且/或者信噪比很低,则可以增加***到有效载荷中的CAZAC序列的数目,以进一步地提高信道估计的性能。应当注意,***到有效载荷中的专门设计的序列并不限于CAZAC序列,而可以使用在信道估计中具有很好性能的各种类型的序列。
通过使用上述方法,即,除了前导码部分之外还使用符合标准的测试帧的有效载荷来进行信道估计,信道估计的性能得到进一步的提高,因而可以获得更精确的信道测量结果。这对于网络设计者在获取诸如信道容量之类的其它有用信息中是非常有用的。信道容量表示每单位带宽的最大无差错(error-free)数据率,其非常适于表征MIMO性能,并且对于MIMO***的设计是非常有用的。根据本发明,可以获得精确的测量结果,从而可以精确地计算得到信道容量。
在不脱离本发明的精神或实质特性的情况下,可以其他具体形式实现本发明。因此,上述实施例从各方面都应被认为是示意性而非限制性的,本发明的范围不是由以上说明而是由所附权利要求来限定,因此,在所附权利要求的等同物的范围内的所有改变都应包括在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于无线多入多出通信***的信道测量***,所述无线多入多出通信***具有发射机天线阵列和接收机天线阵列,从所述发射机天线阵列的一个天线到所述接收机天线阵列的一个天线的通道形成信道,所述信道测量***包括:
发射机子***,所述发射机子***用以生成测试帧,所述测试帧被经由所述发射机天线阵列与发射机触发信号同步地发送;
接收机子***,所述接收机子***用以经由接收机天线阵列与接收机触发信号同步地接收来自所述发射机天线阵列的测试帧,并通过计算所接收的各个测试帧的信道冲击响应来估计各个信道,所述信道冲击响应与所述发射机触发信号和接收机触发信号的定时相对应;以及
同步子***,所述同步子***用以生成彼此同步的所述发射机触发信号和接收机触发信号,其中
所述接收机子***估计测试帧的传播时延,并基于估计出的传播时延和所述接收机触发信号的周期来确定接收到的所有测试帧的起始点。
2.如权利要求1所述的信道测量***,其中每一个所述触发信号都是周期信号,其中,所述同步子***还包括:
发射机时钟单元,所述发射机时钟单元用以生成发射机时钟信号;
接收机时钟单元,所述接收机时钟单元经预校准而与所述发射机时钟单元同步,该接收机时钟单元用以生成与所述发射机时钟信号同步的接收机时钟信号;
发射机触发生成单元,所述发射机触发生成单元与所述发射机时钟单元相耦合,用以基于所述发射机时钟信号来生成所述发射机触发信号;以及
接收机触发生成单元,所述接收机触发生成单元与所述接收机时钟单元相耦合,用以基于所述接收机时钟信号来生成与所述发射机触发信号同步的所述接收机触发信号。
3.如权利要求2所述的信道测量***,其中,所述发射机触发信号 和所述接收机触发信号的频率被设置为大于所述信道的多普勒频率的两倍。
4.如权利要求3所述的信道测量***,其中,每一个所述测试帧都符合预定的通信标准,并且从不同发射机天线发送的测试帧的前导码彼此正交。
5.如权利要求3所述的信道测量***,其中,所述接收机子***还包括信号处理器,所述信号处理器用以基于所接收的测试帧来重构所述信道。
6.如权利要求5所述的信道测量***,其中,所述信号处理器的所述信道重构是通过计算各个信道的瞬态信道冲击响应,并基于所述信道冲击响应通过插值在时间轴上重构各个信道来进行的。
7.一种用于测量无线多入多出通信***的信道的方法,所述信道在发射机天线阵列中的一个天线和接收机天线阵列中的一个天线之间形成,所述方法包括:
生成测试帧;
经由所述发射机天线阵列与发射机触发信号同步地发送所述测试帧;
经由所述接收机天线阵列与接收机触发信号同步地接收所述测试帧,所述接收机触发信号与所述发射机触发信号同步;
估计所述测试帧的传播时延,并基于估计出的传播时延和所述接收机触发信号的周期来确定接收到的所有测试帧的起始点;以及
通过计算所接收的各个测试帧的信道冲击响应来估计所述信道,其中,所述信道冲击响应与所述发射机触发信号和接收机触发信号的定时相对应。
8.如权利要求7所述的方法,其中,所述发射机触发信号和所述接收机触发信号各自的频率被设置为大于所述信道的多普勒频率的两倍。
9.如权利要求8所述的方法,还包括基于所述信道冲击响应通过插值来在时间轴上重构所述信道。
10.如权利要求7所述的方法,其中,每一个所述测试帧都符合预定的通信标准,并且从不同发射机天线发送的所述测试帧的前导码彼此正 交。
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