CN112564764B - 面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***及方法,包括:所述用户接入模拟***采用GPU结合CPU的架构,其中:用户接入模拟***采用CPU进行用户接入模拟任务的控制与分配,包括用户定义、信号参数生成与读取;用户接入模拟***采用GPU以用户为单位,并行完成多个独立用户的接入信号生成;用户接入模拟***采用GPU构建用户控制算法和数字信号生成算法的运行环境,以保证用户接入模拟的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及通信卫星技术领域,特别涉及一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***及方法。
背景技术
低轨宽带卫星通信***是一类庞大、复杂的网络***,且建设成本高、建设周期长,为了降低此类***建设的风险,可通过在地面建设一套地面试验验证***,对关键技术进行验证、对***能力和指标进行测试、对异常问题进行复现与排查等,大大提高***的可靠性,可以对实际***的建设与运行提供可靠、有效支撑。低轨宽带卫星通信***的主要功能是为全球大量用户提供高速的通信服务,因此,如何模拟广域覆盖用户的接入行为是开展全***试验验证的关键环节。通过开展用户通信接入仿真,可以有效支持验证协议正确性、接口匹配性以及时延、吞吐量、网络负载等关键服务性能指标。
在大规模用户随机接入仿真中,通常利用FPGA、DSP等硬件设计一批测试终端,统一控制,来模拟真实***的大量用户终端接入行为,此类测试终端与真实终端的状态具有较高的一致性,可同时产生大量接入信号,且信号处理的实时性较好,仿真效果与实际效果较为贴近,但该方式***复杂、成本较高,可扩展能力差。此外,也有部分仿真***开展用户接入仿真时,采用软硬结合的方式,采用少量硬件测试终端模拟用户接入,对信号调制解调等物理过程进行验证,而大规模用户接入的测试利用软件仿真实现,侧重于协议层验证,该方式与***的实际场景存在一定差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***及方法,以解决现有的大规模用户随机接入仿真***复杂、成本较高,可扩展能力差或仿真精度不高的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,包括:
所述用户接入模拟***采用GPU结合CPU的架构,其中:
用户接入模拟***采用CPU进行用户接入模拟任务的控制与分配,包括用户定义、信号参数生成与读取;
用户接入模拟***采用GPU以用户为单位,并行完成多个独立用户的接入信号生成;
用户接入模拟***采用GPU构建用户控制算法和数字信号生成算法的运行环境,以保证用户接入模拟的实时性。
可选的,在所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***中,所述用户接入模拟***包括用户模式控制模块及数字信号生成模块,其中:
所述用户模式控制模块根据模拟场景配任务参数,所述任务参数包括用户数量、用户类型、用户比例、分布区域、分布方式及用户流量,每项任务参数均提供至***内置模型;
所述用户模式控制模块进行用户位置和用户接入行为的模拟,其中,根据需求设定用户数量和用户位置,用户的接入分为随机接入模式及定时循环接入模式;
所述数字信号生成模块根据用户模式控制模块生成的用户数量、用户的特征识别码及用户信号产生的时序,通过GPU并行线程的方式生成数字基带信号,以保证多用户数字信号生成的实时性。
可选的,在所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***中,所述用户接入模拟***还包括接口通信模块,其中:
所述接口通信模块通过光纤与其他分***进行通信,所述其他分***包括环境信道模拟***、通信卫星模拟***、运行模拟***、效能评估***、地面运控模拟***及地面测控模拟***。
可选的,在所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***中,用户接入模拟***的工作流程如下:
CPU读取根据模拟场景配置的任务参数,以获取用户接入模拟任务,确定仿真接入场景;
CPU根据仿真接入场景统一调度每个用户的接入时间,和/或每个用户信号的生成时间参数,根据接入协议支持随机接入模式和定时循环接入模式,将用户信号的生成时间参数传输至GPU开辟的存储空间。
可选的,在所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***中,用户接入模拟***的工作流程还包括:
建立GPU线程结构,GPU包含M个并行线程块,每个并行线程块内支持运行N个线程,N个线程中的K个线程以用户为单位,每个线程独立完成一个用户信号的生成任务,剩余N-K个线程完成信号合路任务;
CPU根据用户数量和分布区域对GPU的用户信号的生成任务进行分配,确定GPU每个线程对应的用户,为保证任务均衡,以波位为单位进行分配,同一波位内的用户分配至同一个线程块内的多个进程,以使每个线程块内总的用户数量相同。
可选的,在所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***中,用户接入模拟***的工作流程还包括:
GPU根据被分配的任务,读取存储空间预存的信号参数,并行执行用户信号生成任务,将生成信号存入存储器;
当仿真接入场景的用户总数大于GPU所能支持的总线程数时,任务分块执行,以波位为单位,执行完一批波位内的全部用户信号生成任务后,将生成的信号存入存储器,继续执行下一批波位内的全部用户信号生成,直至全部信号生成完毕。
可选的,在所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***中,用户接入模拟***的工作流程还包括:
GPU每个线程块内负责执行合路任务的线程,根据每个信号的接入时间对信号进行排序与合路,以波位为单位,对同一个波位内的全部用户接入中频信号执行合路,每个波位对应一路信号,经过量化处理后回传至本地内存;
可选的,在所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***中,用户接入模拟***的工作流程还包括:
本地内存的数字中频信号为用户接入模拟***的输出,该数据配合宽带通信星座地面试验验证***,利用光纤适时传输至其他分***。
本发明还提供一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟方法,用户接入模拟***采用GPU结合CPU的架构,其中:
用户接入模拟***采用CPU进行用户接入模拟任务的控制与分配,包括用户定义、信号参数生成与读取;
用户接入模拟***采用GPU以用户为单位,并行完成多个独立用户的接入信号生成;
用户接入模拟***采用GPU构建用户控制算法和数字信号生成算法的运行环境,以保证用户接入模拟的实时性。
在本发明提供的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***及方法中,基于GPU+CPU的架构,提出了一种面向低轨宽带卫星通信***的用户接入模拟***,该***支持以单个用户为单位对用户接入信号进行独立配置,较为真实的模拟低轨宽带卫星通信***的大规模用户接入行为,将GPU并行处理能力强与CPU开发配置灵活的特点相结合,克服了传统基于FPGA+DSP硬件架构下大规模通信用户接入信号模拟***复杂性强、成本高的不足,克服了传统基于软件仿真或少量硬件仿真的真实性不足问题,具有良好的真实性、经济性和扩展性。
本发明提出了一种基于GPU+CPU的高效率通信用户接入模拟***,可应用于宽带通信星座地面试验验证***中,以较低的资源开销生成大量用户接入信号,模拟大量卫星通信终端接入行为。该***可替代传统通信用户接入模拟测试的大批量独立测试终端,成本低、效率高、调度灵活。与现有技术相比,本发明的有益效果是:
采用GPU+CPU的架构,充分发挥了GPU并行计算能力强的优势,可同时执行大量用户接入信号的生成任务,信号生成与处理效率高,降低了信号模拟生成的时间;
采用GPU+CPU的架构,通过CPU以用户为单位全局任务控制,保证了生成的用户接入信号可根据外部需求进行参数化配置,同时内置了参数模型,可较为真实的还原了大量用户终端的接入行为;
与一般采用FPGA+DSP的模拟信号生成***相比,本***主要采用通用计算机,支持不同协议、不同体制的快速开发,***在升级优化、更新迭代、运行维护等方面具有极大优势;
本发明根据宽带通信卫星多波束特征,以波束为单位对同一个波位内内多用户终端执行统一任务分配,对GPU线程块内的线程任务进行了合理优化,提升了GPU的运行效率。
附图说明
图1是本发明一实施例适应多场景的分布式宽带通信星座地面试验验证***的示意图;
图中所示:1-环境信道模拟分***;2-用户接入模拟分***;3-通信卫星模拟分***;4-运行模拟分***;5-效能评估分***;6-地面运控模拟分***;7-地面测控模拟分***。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
另外,除非另行说明,本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如,可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征,所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
本发明的核心思想在于提供一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,以解决现有的大规模用户随机接入仿真***复杂、成本较高,可扩展能力差或仿真精度不高的问题。
为实现上述思想,本发明提供了一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,包括:用户接入模拟***采用GPU结合CPU的架构,其中:用户接入模拟***采用CPU进行用户接入模拟任务的控制与分配,包括用户定义、信号参数生成与读取;用户接入模拟***采用GPU以用户为单位,并行完成多个独立用户的接入信号生成;用户接入模拟***采用GPU构建用户控制算法和数字信号生成算法的运行环境,以保证用户接入模拟的实时性。
本发明涉及低轨宽带卫星通信***的地面仿真技术领域,具体涉及一种面向低轨宽带卫星通信***的用户接入模拟***设计。
本实施例基于GPU+CPU的架构,提出了一种面向低轨宽带卫星通信***的用户接入模拟***,该***支持以单个用户为单位对用户接入信号进行独立配置,较为真实的模拟低轨宽带卫星通信***的大规模用户接入行为,将GPU并行处理能力强与CPU开发配置灵活的特点相结合,克服了传统基于FPGA+DSP硬件架构下大规模通信用户接入信号模拟***复杂性强、成本高的不足,克服了传统基于软件仿真或少量硬件仿真的真实性不足问题,具有良好的真实性、经济性和扩展性。
本发明提出了一种基于GPU+CPU的高效率通信用户接入模拟***,可应用于宽带通信星座地面试验验证***中,以较低的资源开销生成大量用户接入信号,模拟大量卫星通信终端接入行为。该***可替代传统通信用户接入模拟测试的大批量独立测试终端,成本低、效率高、调度灵活。
具体的,用户接入模拟***由用户模式控制模块、数字信号生成模块,接口通信模块组成。用户接入模拟子***采用GPU+CPU的架构,CPU完成任务控制与分配、用户定义、信号参数生成与读取等,GPU以用户为单位,并行完成多个独立用户的接入信号生成。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
采用GPU+CPU的架构,充分发挥了GPU并行计算能力强的优势,可同时执行大量用户接入信号的生成任务,信号生成与处理效率高,降低了信号模拟生成的时间;
采用GPU+CPU的架构,通过CPU以用户为单位全局任务控制,保证了生成的用户接入信号可根据外部需求进行参数化配置,同时内置了参数模型,可较为真实的还原了大量用户终端的接入行为;
与一般采用FPGA+DSP的模拟信号生成***相比,本***主要采用通用计算机,支持不同协议、不同体制的快速开发,***在升级优化、更新迭代、运行维护等方面具有极大优势;
本发明根据宽带通信卫星多波束特征,以波束为单位对同一个波位内内多用户终端执行统一任务分配,对GPU线程块内的线程任务进行了合理优化,提升了GPU的运行效率。
在本发明的一个实施例中,用户接入模拟***由用户模式控制模块、数字信号生成模块,接口通信模块组成。其中,接口通信模块通过光纤与其它***进行通信。
为了保证模拟的实时性,用户接入模拟分***采用GPU来实现用户控制算法和数字信号生成算法的运行环境。用户接入模拟子***采用GPU+CPU的架构,CPU完成任务控制与分配、用户定义、信号参数生成与读取等,GPU以用户为单位,并行完成多个独立用户的接入信号生成。
用户模式控制模块可以根据模拟场景,配置参数主要包括用户数量、用户类型、用户比例、分布区域、分布方式、用户流量,每项参数均提供***内置模型等。用户模式控制模块可进行用户位置和用户接入行为的模拟,其中,用户的数量和用户的位置可以根据需求进行设定,用户的接入分为随机接入、定时循环接入等不同的模式。
数字信号生成模块根据用户模式控制模块生成的用户数量、用户的特征识别码、用户信号产生的时序等生成数字基带信号。该数字基带信号通过GPU并行线程的方式生成,可保证多用户数字信号生成的实时性。
在本发明的一个实施例中,用户接入模拟***的工作流程如下:
CPU通过读取场景配置参数获取用户接入模拟任务,确定接入场景,配置参数主要包括用户数量、用户类型、用户比例、分布区域、分布方式、用户流量,每项参数均提供***内置模型;
CPU根据仿真场景统一调度每个用户的接入时间,即每个用户信号的生成时间,根据协议支持随机接入和定时接入,将信号生成时间参数传输至GPU开辟的存储空间;
设计GPU线程结构,GPU总共包含M个并行线程块,每个线程块内支持运行N个线程,N个线程中的K个线程以用户为单位,每个线程独立完成一个用户信号的生成任务,剩余N-K个线程完成信号合路任务;
CPU根据用户数量和分布区域对GPU的用户信号生成任务进行分配,确定GPU每个线程对应的用户,为保证任务均衡,以波位为单位进行分配,同一波位内的用户分配至同一个线程块内的多个进程,每个线程块内总用户数的尽可能相同。定义一个线程块内分配的波位数为P个,每个波位内的模拟用户数量为Ui个(i=1,2,3,…,P),则存在以下约束关系:N-K≥P,
GPU根据被分配的任务,读取存储空间预存的信号参数,并行执行用户信号生成任务,将生成信号存入存储器;
当仿真场景的用户总数大于GPU所能支持的总线程数时,任务分块执行,以波位为单位,执行完一批波位内的全部用户信号生成任务后,将生成的信号存入存储器,继续执行下一批波位内的全部用户信号生成,直至全部信号生成完毕;
GPU每个线程块内负责执行合路任务的线程,根据每个信号的接入时间对信号进行排序与合路,以波位为单位,对同一个波位内的全部用户接入中频信号执行合路,每个波位对应一路信号,经过量化处理后回传至本地内存;
本地内存的数字中频信号即为用户接入模拟***的输出,该数据配合宽带通信星座地面试验验证***,利用光纤适时传输至其它***。
如图1所示,用户接入模拟***2与其他分***组成通信卫星星座地面试验验证***,包括用户接入模拟***2、环境信道模拟***1、通信卫星模拟***3、运行模拟***4、效能评估***5、地面运控模拟***6、地面测控模拟***7等组成。各个分***在不同地域部署时需要配套环境信道模拟***1对真实的接收信号进行模拟。同时,各分***之间通过共视接收机的方法实现各分***间的时间同步。
各分***将发射信号的数字中频信号直接通过光纤传输到接收端的环境信道模拟分***1并通过接收端的环境信道模拟***1模拟真实信号的时延和动态,并通过高阶滤波器对数字中频信号进行滤波来仿真真实环境中的信号失真,然后通过DA变换和射频信号上变频生成真实的射频信号。
具体的,通信卫星星座地面试验验证***由用户接入模拟***2、环境信道模拟***1、通信卫星模拟***3、运行模拟***4、效能评估***5、地面运控模拟***6、地面测控模拟***7等组成。各分***可部署在不同地域,不同地域的分***需要配套环境信道模拟***1对真实的接收信号进行模拟。同时,各分***之间通过光纤连接进行通信,通过共视接收机的方法实现各分***间的时间同步。
用户接入模拟***2主要用于模拟地面用户的随机接入模式。它由用户模式控制模块、数字信号生成模块、接口通信模块组成。用户模式控制模块可进行用户位置和用户接入行为的模拟,其中,用户的数量和用户的位置可以根据需求进行设定,用户的接入分为随机接入、定时循环接入。用户通信模块用于跟其它分***为了保证模拟的实时性,用户接入模拟***采用GPU来实现用户控制算法和数字信号生成算法的运行环境。
环境信道模拟***1是各***进行信号和信息交互的媒介,可根据真实的信道特性进行信号失真的模拟。环境信道模拟***可根据真实信道的群时延等特性利用高阶数字滤波器对接收到的运行模拟***发送的数字中频信号进行滤波处理,然后经过DA变换生成模拟真实信道特性的模拟信号。
运行模拟***4是整个地面试验验证***的控制中枢,由它完成***运行场景的生成、模拟和控制。运行模拟***由运行状态配置及路由模块、虚拟卫星模块、虚拟地面站模块、接口通信模块组成。运行状态配置及路由完成卫星数量设定及运行状态、轨道状态模拟、星座星间路由模拟、信道时延模拟、运行控制模拟。其中,信道时延模拟是根据运行轨道及路由设置来计算信道距离,根据距离计算及轨道状态模拟信道时延和信号多普勒动态。虚拟卫星模块根据运行状态配置进行虚拟卫星的模拟,模拟真实卫星进行接收信号处理并生成所需要的数字信号。虚拟地面站模拟地面站信号处理过程及信息生成过程。接口通信模块完成运行模拟***与其它分***间的通信。
通信卫星模拟***3完成卫星状态的物理真实模拟。通信卫星模拟***3由接口通信模块、多总线验证模块、平台综合处理模块、载荷综合处理模块、射频处理模块、机构控制仿真模块、仿真验证模块、抗辐照验证模块组成,可进行真实卫星平台运行及信号处理模拟、载荷运行及信号处理模拟,并且可以作为通信卫星新算法的仿真验证平台、应用通用的低等级芯片抗辐照算法的验证平台。
该分***在单机层面采用插卡式的设计,在板卡层面采用子母板设计,最大程度的保证***的灵活性和真实性的有机统一。在单机层面,采用机箱和板卡插卡式设计,机箱提供供电和控制信号传输,同时,采用射频通道与信号处理板卡分拆的设计,当需要验证新的频点或者新的体制时,仅需要更换相对应的射频通道或者信号处理板卡,不需要重新设计整个单机的原理样子,保证了扩展的灵活性和高效性。当原理验证完毕后仅需要将最后星上单机的实际电路板设计成板卡形式更换相对应的板卡即可以在更换替代最小化的原则下保证***的真实性。
板卡层面采用子母板的模块化设计,比如板卡作为母板按照最大化原则设计插槽,不同型号的FPGA和CPU焊接在子板。子板可以通过插槽连接到母板上。当需要更换FPGA或者CPU时仅需要更换相应的子板,最大化的方便***升级和节约***成本。
地面测控模拟***7和地面运控模拟***6是利用真实的物理地面站加入到地面试验验证***,采用软硬协同的方式,提高***模拟的真实性。
效能评估***5由接口通信模块、报告生成模块、效能评估模块组成,其通过收集各分***运行的中间状态、运行结果对整个***的运行效率、***容量、误码率等进行实时评估,并根据效能评估结果自动生成评估报告。
本发明的分布式主要是指组成地面试验验证***的各分***可分布在不同的地点,均通过环境信道模拟分***1接入***,用户各分***之间可通过光纤进行信息远程传输,在本地通过配属的环境信道模拟分***1生成模拟真实信道的射频信号。该方案不受各分***地域空间限制,仅需配套对应的环境信道模拟分***1就可以灵活扩展新的分***。
本发明针对通信卫星星座地面试验验证***的建设,还提出了一种适应多场景的分布式的通信卫星星座地面试验验证***的解决方法。该方法可以实现地面试验验证各分***间的布置不受地域限制,可快速灵活的扩展分***。同时,本发明分别从***层面、单机层面、板卡层面分别予以了创新性的设计,兼顾了***的真实性、灵活性,在保证真实性的基础上降低了***成本。相较于传统的地面试验验证方案,该方法具有不受地域限制、***和单机可灵活扩展、软件和硬件协同仿真、技术状态与真实***较一致、更新升级成本低等优势。
综上,上述实施例对面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***的不同构型进行了详细说明,当然,本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型,任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容,均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言,由于与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。
Claims (7)
1.一种面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,其特征在于,所述用户接入模拟***采用GPU结合CPU的架构,其中:
用户接入模拟***采用CPU进行用户接入模拟任务的控制与分配,包括用户定义、信号参数生成与读取;
用户接入模拟***采用GPU以用户为单位,并行完成多个独立用户的接入信号生成;
用户接入模拟***采用GPU构建用户控制算法和数字信号生成算法的运行环境,以保证用户接入模拟的实时性;
所述用户接入模拟***包括用户模式控制模块及数字信号生成模块,其中:
所述用户模式控制模块根据模拟场景配置任务参数,所述任务参数包括用户数量、用户类型、用户比例、分布区域、分布方式及用户流量,每项任务参数均提供至***内置模型;
所述用户模式控制模块进行用户位置和用户接入行为的模拟,其中,根据需求设定用户数量和用户位置,用户的接入分为随机接入模式及定时循环接入模式;
所述数字信号生成模块根据用户模式控制模块生成的用户数量、用户的特征识别码及用户信号产生的时序,通过GPU并行线程的方式生成数字基带信号,以保证多用户数字信号生成的实时性。
2.如权利要求1所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,其特征在于,所述用户接入模拟***还包括接口通信模块,其中:
所述接口通信模块通过光纤与其他分***进行通信,所述其他分***包括环境信道模拟***、通信卫星模拟***、运行模拟***、效能评估***、地面运控模拟***及地面测控模拟***。
3.如权利要求1所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,其特征在于,用户接入模拟***的工作流程如下:
CPU读取根据模拟场景配置的任务参数,以获取用户接入模拟任务,确定仿真接入场景;
CPU根据仿真接入场景统一调度每个用户的接入时间,和/或每个用户信号的生成时间参数,根据接入协议支持随机接入模式和定时循环接入模式,将用户信号的生成时间参数传输至GPU开辟的存储空间。
4.如权利要求3所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,其特征在于,用户接入模拟***的工作流程还包括:
建立GPU线程结构,GPU包含M个并行线程块,每个并行线程块内支持运行N个线程,N个线程中的K个线程以用户为单位,每个线程独立完成一个用户信号的生成任务,剩余N-K个线程完成信号合路任务;
CPU根据用户数量和分布区域对GPU的用户信号的生成任务进行分配,确定GPU每个线程对应的用户,为保证任务均衡,以波位为单位进行分配,同一波位内的用户分配至同一个线程块内的多个进程,以使每个线程块内总的用户数量相同。
6.如权利要求5所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,其特征在于,用户接入模拟***的工作流程还包括:
GPU每个线程块内负责执行合路任务的线程,根据每个信号的接入时间对信号进行排序与合路,以波位为单位,对同一个波位内的全部用户接入中频信号执行合路,每个波位对应一路信号,经过量化处理后回传至本地内存。
7.如权利要求6所述的面向宽带卫星通信***的用户接入模拟***,其特征在于,用户接入模拟***的工作流程还包括:
本地内存的数字中频信号为用户接入模拟***的输出,该数据配合宽带通信星座地面试验验证***,利用光纤适时传输至其他分***。
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- 2020-11-25 CN CN202011337128.9A patent/CN112564764B/zh active Active
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