CN110798895B - 中继激励方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种中继激励方法、装置、电子设备及存储介质。其中，一种中继激励方法包括全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务，CU端以频谱资源为代价使全双工D2D端进行端到端的全双工传输，从而实现全双工D2D端和CU端的资源分配问题。通过设计全双工D2D通信中频谱效率与能量效率的折中优化机制，以达到在满足用户服务需求的条件下，尽可能地提升能量效率和频谱效率，本公开有效地提升了蜂窝小区的通信***的吞吐量，还提升了边缘用户的传输速率和能量效率。

Description

中继激励方法、装置、电子设备及存储介质

技术领域

本公开涉及通信领域，更具体地，涉及一种中继激励方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术

目前设备到设备(Device-to-Device，简称为D2D)通信的研究主要集中在半双工模式，大量研究工作针对D2D通信干扰控制，从功率控制、资源调度和D2D通信模式选择等各个方面提出了很多有效的协议、机制和算法。但同时应注意到，全双工D2D通信的研究还处于起步阶段，虽然已有不少研究成果公开报道，但尚未形成完整的理论和技术体系，仍有不少关键技术亟待解决。

发明内容

本公开提供了一种中继激励方法、装置、电子设备及存储介质，其有效提升了边缘用户的传输速率和能源效率。

按照本公开内容的第一方面，本公开提供了一种中继激励方法，包括：

全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务，CU端以频谱资源为代价使全双工D2D端进行端到端的全双工传输，以实现全双工D2D端和CU端的资源分配问题。

按照本公开内容的第二方面，本公开提供了一种中继激励装置，包括：

能量资源模块，被配置为全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务；

频谱资源模块，被配置为CU端以频谱资源为代价使全双工D2D端进行端到端的全双工传输。

按照本公开内容的第三方面，本公开提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时使得一个或多个处理器执行如第一方面所述的方法。

按照本公开内容的第四方面，本公开提供了一种存储介质，其上存储有可执行指令，该可执行指令被执行时执行如第一方面所述的方法。

经由上述公开内容可知，本公开内容提供的一种中继激励方法、装置、电子设备及存储介质，全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务，CU端以频谱资源为代价使全双工D2D端进行端到端的全双工传输，从而实现全双工D2D端和CU端的资源分配问题。通过设计全双工D2D通信中频谱效率与能量效率的折中优化机制，以达到在满足用户服务需求的条件下，尽可能地提升能量效率和频谱效率，本公开有效地提升了蜂窝小区的通信***的吞吐量，还提升了边缘用户的传输速率和能量效率。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本公开具体实施方式中提供的一种中继激励方法流程图；

图2是本公开具体实施方式中提供的一种单场景***图；

图3是本公开具体实施方式中提供的一种多场景***图。

具体实施方式

为了使本公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本公开进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本公开，并不用于限定本公开。此外，下面所描述的本公开的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

D2D通信的研究主要集中在半双工模式，大量研究工作针对D2D通信干扰的控制，从功率控制、资源调度和D2D通信模式选择等各个方面提出了很多有效的协议、机制和算法。但同时应注意到，全双工D2D通信的研究还处于起步阶段，虽然已有不少研究成果公开报道，但尚未形成完整的理论和技术体系，仍有不少关键技术亟待解决。

首先，在全双工D2D用户直通通信中，现有的资源分配方案多集中在单对D2D用户和单个蜂窝用户(Cellular User，简称为CU)共享网络资源场景。对于网络中多对D2D用户和多个CU用户共享资源的场景，资源分配问题更加复杂，相关文献对用户接入控制、功率控制和信道分配等多是分开进行，而且没有考虑用户的双工模式选择问题。这样虽然实现简单，但容易造成设计冗余。这些促使本公开去研究一个整体性的资源分配方案，综合考虑用户的服务质量(Quality of Service，简称为QoS)需求、用户信道信息以及用户功率限制等，提出联合双工模式选择、接入控制、功率分配和信道分配的跨层优化资源分配算法。

其次，在基于全双工D2D通信的中继***，现有文献大部分都假设D2D用户愿意为其他用户服务。而在实际***中，当D2D用户为其他用户服务时，要消耗自身的能量、时间等资源。因此，如何设计适当的激励机制，来实现D2D中继用户和被中继用户之间的合作共赢值得进一步研究。

最后，在全双工D2D通信无线资源分配的优化设计中，研究者往往固定地以能量效率最优或频谱效率最优的方式对***进行配置，而没有考虑业务需求动态变化的影响，得到的算法或机制无法在动态业务条件下保证***性能。

因此，如何根据业务动态的特点，研究全双工D2D通信中的能量效率与频谱效率的折中优化模型，对***进行动态优化配置，也有待进一步深入研究。

在本公开的具体实施例中，基于全双工D2D的中继激励方法，提供了一种单用户场景和一种多用户场景，在单用户场景和多用户场景中包括三个用户端，分别为D2D端、CU端、基站(base station，简称为BS)端，其中，D2D端包括设备用户(Device User，简称为DU)，在本公开的具体实施例中，D2D端可以包括设备用户1和设备用户2，可以记为DU1和DU2。且针对这三个用户端包括三种通信方式：CU-BS通信、D2D通信和CU-DU-BS通信。其中，D2D端也可以称为D2D用户，CU端也可以称为CU用户。

在本公开的具体实施例中，本公开提供了一种中继激励方法，包括：

全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务，CU端以频谱资源为代价使全双工D2D端进行端到端的全双工传输，以实现全双工D2D端和CU端的资源分配问题。

其中，全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务，考虑了能量效率，CU端以频谱资源为代价使全双工D2D端进行端到端的全双工传输，考虑了频谱效率，根据一个或多个约束条件，实现全双工D2D端和CU端的资源分配问题，从而实现了全双工D2D通信中频谱效率和能量效率的折中优化，有效提升了蜂窝小区的通信***的吞吐量，还提升了边缘用户的传输速率和能量效率。

在本公开的具体实施例中，本公开提供的一种中继激励方法可以应用于单用户场景，在单用户场景中，包括单个CU端和单对全双中D2D端，如图1所示，在该实施例中，中继激励方法可以包括：

S1、将全双工D2D端和CU端的资源分配问题转化为凸优化问题；

S2、采用凹凸过程(concave-convex procedure，简称为CCCP)算法和内点法得到资源分配最优解。

在本公开的具体实施例中，本公开提供的一种中继激励方法还可以应用于多用户场景，在得到单用户场景中的基于频谱能量交易下协作通信的资源分配最优解后，中继激励方法还可以包括：

S3、采用加权二部图的最大匹配算法获得多用户协作通信时的最优配对策略。

本公开提供的一种中继激励方法实现了基于频谱能量交易的全双工D2D中继激励机制，从而实现了D2D端和CU端的合作共赢，并设计用户资源优化配置方案以提升网络整体性能。

本公开通过设计全双工D2D通信中频谱效率和能量效率的折中优化机制，从而达到在满足用户服务需求的条件下，尽可能地提升***的能量效率和频谱效率。

在本公开的具体实施例中，首先考虑单个CU端和单对全双工D2D端进行频谱能量交易时的资源分配问题，通过将此问题转化为凸优化问题，之后再采用CCCP算法和内点法得到资源分配最优解。

对于多用户场景，在得到单用户基于频谱能量交易下协作通信的最优资源分配后，再采用基于图论中加权二部图的最大匹配算法获得多用户协作通信时的最优配对策略。

本公开有效地提升了蜂窝小区的***吞吐量，并提升了边缘用户的传输速率和能源效率。

在本公开的具体实施例中，本公开提供的一种中继激励方法，可以通过计算CU端、D2D中DU1端、D2D中DU2端的传输速率获得单用户场景中资源分配最优解以及多用户场景中最优配对策略。

其中，本公开提供的一种中继激励方法，可以包括：

获得CU端到BS端的第一信道增益；

获得全双工D2D端到BS端的第二信道增益；

根据第一信道增益、第二信道增益获得CU端的传输速率。

本公开提供的一种中继激励方法，还可以包括：

获得全双工D2D中DU1到全双工D2D中DU2的第三信道增益；

根据第三信道增益获得全双工D2D中DU1的传输速率。

本公开提供的一种中继激励方法，还可以包括：

获得全双工D2D中DU2到全双工D2D中DU1的第四信道增益；

根据第四信道增益获得全双工D2D中DU2的传输速率。

其中，可以根据多径衰落增益和阴影衰落增益获得第一信道增益、第二信道增益、第三信道增益、第四信道增益，第一信道增益、第二信道增益、第三信道增益、第四信道增益可以统称为信道增益。

在本公开的具体实施例中，如图2所示，提供一个单用户场景，包括一个CU端、一对全双工D2D端以及一个BS端，其中，全双工D2D端包括DU1和DU2。在这个场景中可以清楚地看到一个完整的通信过程。在该场景中，包括三种通信方式：CU-BS通信、D2D通信和CU-DU-BS通信。

具有全双工功能和足够能量的D2D用户希望通过向边缘CU用户提供全双工中继服务，为自己的全双工D2D通信提供一定的带宽资源。

为了便于该场景的实现和确保用户信息的安全，在该实施例中提供的一种中继激励方法只考虑中继工作在放大和转发(AF)的模式下。

为了不失去通用性，可以假设每个CU端的信道带宽为B，传输时间为T，同时，还可以假设在全双工D2D对中，DU1充当CU的全双工中继，其电池能量为E。

可以使用λ和β分别表示CU和DU1愿意用于中继协作传输的时间比例和能量比例，即λ表示全双工CU-DU-BS通信传输所占的时间比例，(1-λ)表示全双工D2D通信传输所占的时间比例，β表示DU1愿意用于中继协作传输的能量比例，(1-β)表示DU1预留的能量比例。

为了保证CU的传输速率，在本公开的实施例中，可以设置一个限制，即:λ≥λ_min。并且为了保证D2D用户的效益，还可以设置另一个限制，即：β≤β_max。

因此，信道增益模型可以为：

其中，K是由***参数决定的常数，

表示从a到b的多径衰落增益，γ_a,b表示从a到b的阴影衰落增益，d_a,b表示从a到b的距离，α是路径损耗指数。基于该信道增益模型，可以获得CU端到BS端的第一信道增益、全双工D2D端到BS端的第二信道增益、全双工D2D中DU1到全双工D2D中DU2的第三信道增益、全双工D2D中DU2到全双工D2D中DU1的第四信道增益、CU端到D2D端的第五信道增益，可以将第一信道增益描述为h₁，将第二信道增益描述为h₂，将第三信道增益描述为g₁，将第四信道增益描述为g₂，将第五信道增益描述为h₃。

在本公开的具体实施例中，可以在每个信道中，加性高斯白噪声的功率为σ²。

对于CU来说，由于其与基站的距离远，且信号衰落大，通常处于低信噪比的状态。在这一点上，与频谱资源相比，大量的功耗是其数据传输速率的瓶颈。设P^c和

表示CU和作为中继的D2D中DU1的发射功率，

和

分别表示CU和D2D中DU1的信号与干扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio，简称为SINR)。因此，CU端的传输速率可以表示为：

其中：

η表示D2D端的自干扰消除系数。

对于D2D用户来说，由于其传输距离相对较近，通常处于较高的信噪比，与功耗相比，频谱资源是其自身数据传输的瓶颈。设

和

表示D2D中DU1和D2D中DU2的SINR，

和

表示D2D中DU1和D2D中DU2的发射功率。因此，全双工D2D中DU1的传输速率可以表示为：

其中：

全双工D2D中DU2的传输速率可以表示为：

其中：

获得单用户场景中资源分配最优解的方法可以表示为：

其中，存在如下约束条件：

第一约束：

λ_min≤λ

第二约束：

第三约束：

E^c≤λTP^c

第四约束：

第五约束：

第六约束：

第七约束：

第八约束：

其中，第一约束是保证CU的QoS的发送时间约束，第二约束是CU的发射功率约束，第三约束是CU的能量约束，第四约束是D2D中DU1的发射功率约束，第五约束和第六约束是D2D中继用户的供电能量限制和损耗功率限制约束，第七约束是D2D中DU2的发射功率约束，第八约束是D2D中DU2的损耗功率限制约束。

如图3所示，提供了一种多用户场景，在该多用户场景中，包括N个CU端、M对全双工D2D端以及一个BS端，其中，每对全双工D2D端包括DU1和DU2，N个CU端可以记为CU₁、CU₂……CU_N，M对全双工D2D端可以记为(DU_1,1，DU_1,2)、(DU_2,1，DU_2,2)、(DU_3,1，DU_3,2)……(DU_M,1，DU_M,2)。

多用户场景中资源分配最优解可以表示为：

其中，N表示CU端的个数，M表示D2D的对数。并存在如下约束条件：

第一约束：

λ_min≤λ

第二约束：

第三约束：

E^c≤λTP^c

第四约束：

第五约束：

第六约束：

第七约束：

第八约束：

其中，第一约束是保证CU的QoS的发送时间约束，第二约束是CU的发射功率约束，第三约束是CU的能量约束，第四约束是D2D中DU1的发射功率约束，第五约束和第六约束是D2D中继用户的供电能量限制和损耗功率限制约束，第七约束是D2D中DU2的发射功率约束，第八约束是D2D中DU2的损耗功率限制约束。

因为在将资源分配问题转化为凸问题时存在偏导数，因此采用CCCP算法和内点法来求解资源分配问题的最优解。在得到单用户场景基于频谱能量交易下协作通信的最优资源分配后，可以采用基于图论中加权二部图的最大匹配算法获得多用户协作通信时的最优配对策略。

在本公开的其他实施例中，本公开还提供了一种中继激励装置，包括：

能量资源模块，被配置为全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务；

频谱资源模块，被配置为CU端以频谱资源为代价使全双工D2D端进行端到端的全双工传输。

本实施例中的中继激励装置可以用于实现如上述实施例中提供的中继激励方法。

在本公开内容的又一实施例中，本公开内容还提供了一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时使得一个或多个处理器执行如上述实施例中提供的中继激励方法。

在本公开内容的又一实施例中，本公开内容还提供了一种存储介质，其上存储有可执行指令，该可执行指令被执行时执行如上述实施例中提供的中继激励方法。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本公开所述的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk)等。

需要说明的是，本公开内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法类实施例而言，由于其与产品类实施例相似，所以描述的比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，在本公开内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本公开内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本公开内容中所定义的一般原理可以在不脱离本公开内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开内容将不会被限制于本公开内容所示的这些实施例，而是要符合与本公开内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种中继激励方法，包括：

全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务，所述CU端以频谱资源为代价使所述全双工D2D端进行端到端的全双工传输，以实现所述全双工D2D端和所述CU端的资源分配问题；其中，所述CU端为蜂窝用户；所述资源分配问题包括：基于所述全双工D2D端和所述CU端的传输速率所建立的单用户场景资源分配问题；基于所述单用户场景资源分配问题所建立的多用户场景资源分配问题，所述多用户场景资源分配问题为：

其中，λ表示全双工CU-DU-BS通信传输所占的时间比例，P^c和

表示CU端和作为中继的D2D端中DU1的发射功率，

和

表示全双工D2D端中DU1和全双工D2D端中DU2的发射功率，i表示第i个CU端，j表示第j对全双工D2D端，N表示CU端的个数，M表示全双工D2D端的对数，R^c表示CU端的传输速率，

h₁表示CU端到BS端的第一信道增益，h₂表示全双工D2D端到BS端的第二信道增益，σ²表示信道中加性高斯白噪声的功率，η表示D2D端的自干扰消除系数，T表示每个CU端的传输时间，B表示每个CU端的信道带宽，

和

分别表示CU通信时CU端和全双工D2D端中DU1的SINR，

表示全双工D2D端中DU1的传输速率，

g₁表示全双工D2D中DU1到全双工D2D中DU2的第三信道增益，(1－λ)表示全双工D2D端通信传输所占的时间比例，

表示D2D通信时全双工D2D端中DU1的SINR，

表示全双工D2D端中DU2的传输速率，

g₂表示全双工D2D端中DU2到全双工D2D端中DU1的第四信道增益，

表示D2D通信时全双工D2D端中DU2的SINR；并存在如下约束条件：

第一约束：

λ_min≤λ

第二约束：

第三约束：

E^c≤λTP^c

第四约束：

第五约束：

第六约束：

第七约束：

第八约束：

其中，β表示全双工D2D端中DU1愿意用于中继协作传输的能量比例，E表示在全双工D2D对中，DU1充当CU端的全双工中继的电池能量，第一约束是保证CU端的QoS的发送时间约束，第二约束是CU端的发射功率约束，第三约束是CU端的能量约束，第四约束是全双工D2D端中DU1的发射功率约束，第五约束和第六约束是全双工D2D端中继用户的供电能量限制和损耗功率限制约束，第七约束是全双工D2D端中DU2的发射功率约束，第八约束是全双工D2D端中DU2的损耗功率限制约束。

2.如权利要求1所述的中继激励方法，还包括：

将所述单用户场景资源分配问题转化为凸优化问题；以及采用CCCP算法和内点法得到资源分配最优解。

3.如权利要求2所述的中继激励方法，还包括：

采用加权二部图的最大匹配算法获得所述多用户场景资源分配问题的最优配对策略。

4.如权利要求1所述的中继激励方法，还包括：

根据多径衰落增益和阴影衰落增益获得信道增益。

5.如权利要求1所述的中继激励方法，还包括：

获得CU端到BS端的第一信道增益；

获得全双工D2D端到BS端的第二信道增益；

根据所述第一信道增益、第二信道增益获得CU端的传输速率。

6.如权利要求1所述的中继激励方法，还包括：

获得全双工D2D中DU1到全双工D2D中DU2的第三信道增益；

根据所述第三信道增益获得全双工D2D中DU1的传输速率。

7.如权利要求1所述的中继激励方法，还包括：

获得全双工D2D中DU2到全双工D2D中DU1的第四信道增益；

根据所述第四信道增益获得全双工D2D中DU2的传输速率。

8.一种中继激励装置，包括：

能量资源模块，被配置为全双工D2D端以能量资源为代价为CU端提供中继服务；

频谱资源模块，被配置为所述CU端以频谱资源为代价使所述全双工D2D端进行端到端的全双工传输，以实现所述全双工D2D端和所述CU端的资源分配问题；其中，所述CU端为蜂窝用户；所述资源分配问题包括：基于所述全双工D2D端和所述CU端的传输速率所建立的单用户场景资源分配问题；基于所述单用户场景资源分配问题所建立的多用户场景资源分配问题，所述多用户场景资源分配问题为：

其中，λ表示全双工CU-DU-BS通信传输所占的时间比例，P^c和

表示CU端和作为中继的D2D端中DU1的发射功率，

和

表示全双工D2D端中DU1和全双工D2D端中DU2的发射功率，i表示第i个CU端，j表示第j对全双工D2D端，N表示CU端的个数，M表示全双工D2D端的对数，R^c表示CU端的传输速率，

h₁表示CU端到BS端的第一信道增益，h₂表示全双工D2D端到BS端的第二信道增益，σ²表示信道中加性高斯白噪声的功率，η表示D2D端的自干扰消除系数，T表示每个CU端的传输时间，B表示每个CU端的信道带宽，

和

分别表示CU通信时CU端和全双工D2D端中DU1的SINR，

表示全双工D2D端中DU1的传输速率，

g₁表示全双工D2D中DU1到全双工D2D中DU2的第三信道增益，(1－λ)表示全双工D2D端通信传输所占的时间比例，

表示D2D通信时全双工D2D端中DU1的SINR，

表示全双工D2D端中DU2的传输速率，

g₂表示全双工D2D端中DU2到全双工D2D端中DU1的第四信道增益，

表示D2D通信时全双工D2D端中DU2的SINR；并存在如下约束条件：

第一约束：

λ_min≤λ

第二约束：

第三约束：

E^c≤λTP^c

第四约束：

第五约束：

第六约束：

第七约束：

第八约束：

其中，β表示全双工D2D端中DU1愿意用于中继协作传输的能量比例，E表示在全双工D2D对中，DU1充当CU端的全双工中继的电池能量，第一约束是保证CU端的QoS的发送时间约束，第二约束是CU端的发射功率约束，第三约束是CU端的能量约束，第四约束是全双工D2D端中DU1的发射功率约束，第五约束和第六约束是全双工D2D端中继用户的供电能量限制和损耗功率限制约束，第七约束是全双工D2D端中DU2的发射功率约束，第八约束是全双工D2D端中DU2的损耗功率限制约束。

9.一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种存储介质，其上存储有可执行指令，该可执行指令被执行时执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

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