CN1773979B - 正交频分复用精确时间同步、帧同步以及同步跟踪的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正交频分复用OFDM精确时间同步的方法,该方法为:接收端接收来自发射端的具有不同导频序列的一个以上OFDM符号,并对接收到的信号进行整数频偏同步处理;将所述一个以上OFDM符号对应的导频序列进行频时转换,将转换后的时域信号级联起来并作为时域参考信号,利用该时域参考信号与整数频偏同步处理后的信号进行多径搜索,确定首径抵达时刻及幅度相位值,实现精确时间同步。同时,本发明还公开了一种正交频分复用***帧同步的方法及一种正交频分复用***同步跟踪的方法。应用本发明,可实现多径搜索,准确定位多径的到达时刻及多径幅度,从而可在分数频率同步(FFO)时排除较强的码间干扰(ISI)的影响,提高分数频偏估计(FFO)的精确度。

Description

正交频分复用精确时间同步、帧同步以及同步跟踪的方法
技术领域
本发明涉及移动通信技术中的数据传输技术领域,特别是指一种正交频分复用(OFDM)精确时间同步、帧同步以及同步跟踪的方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是利用并行传输来提高通信数据传输速率的一种移动通信技术。该技术的基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。这样,尽管总的信道是非平坦的,具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般多载波传输的不同之处是它允许子载波频谱部分重叠,只要满足子载波间相互正交,就可以从混叠的子载波上分离出数据信号。
由于OFDM允许子载波频谱混叠,其频谱效率大大提高,同时,该技术还具有抗多径干扰及码间串扰、信道估计及均衡实现容易、***实现复杂度低等许多优点,因而是一种高效的调制方式。而且该技术很容易与各种多址技术相结合,因而被普遍认为是***移动通信***中不可或缺的核心技术。目前该技术已在数字音频广播(DAB)、数字视频广播(DVB)、非对称数字用户线(ADSL)、无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)、无线个域网(WPAN)、无线高速非授权城域网(WHUMAN)等许多数据通信***中被广泛应用,在802.16协议中已确定使用OFDM技术,电气和电子工程师协会(IEEE)标准化组织目前正在讨论的802.20移动宽带无线接入***也将采用该调制技术。
OFDM符号在频域中由子载波构成,子载波的数目决定了时频变换(FFT)的点数。子载波有三种类型,其分别是数据子载波、导频子载波和虚拟子载波。其中,数据子载波用于数据传输;导频子载波最初是用来消除残留相差的,随着技术的发展,导频子载波的作用进一步扩大,可用来进行频率同步及信道估计。虚拟子载波是指不发送任何数据的载波,是OFDM***为了降低对邻近频段的干扰而引入的。
OFDM技术具有上述众多优点,但其对时间同步,尤其是时间精确同步的要求非常高,这样才能保证子载波之间的正交性。这是因为:如果提前同步,对于不同的子载波会引入不同的相位差,随着误同步偏差的增大,***的性能也随之受到越来越大的影响,特别对于OFDM中的高频子载波会引入较大的相位差,对于高阶调制来说,这种偏差将导致性能急剧降低而使得高阶调制无法使用。如果推迟同步,将引入符号间干扰,导致性能急剧下降。另外时间误同步会在相当程度上影响分数频率同步(FFO)的性能。因此,OFDM***中的精确时间同步,是该***中一项非常重要的关键技术。
图1所示为OFDM实现时频同步的总体流程示意图。
步骤101:OFDM***对接收到的信号进行时间粗同步。具体方法为:采用前导信元即前导序列(preamble)来进行时间同步,即通过对前后两段相同的数据进行相关来获得时间粗同步,从而获取接收信号的同步峰值相位信息。或者,利用与循环前缀长度相等的时间窗,对接收到的信号进行滑动相关,依靠正交频分复用OFDM符号内的循环前缀进行时间粗同步,获取接收信号的同步峰值相位信息。
步骤102:分数频偏同步。具体方法为:根据步骤101所述的同步峰值相位信息进行分数频偏估计,并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正,使修正后的接收信号中只存在整数频偏。
步骤103:时频转换。具体方法为:将经步骤102处理后的信号通过快速傅立叶变换(FFT)或者离散时间傅立叶变换(DFT)变换转换到频域。
步骤104:整数频偏同步。具体方法为:首先利用Preamble序列中的已知子载波信息进行差分相关匹配滤波,以进行整数频偏估计,然后再进行整数频偏补偿,即利用估计出的整数频偏信息对接收信号进行修正,使修正后的接收信号中不存在整数频偏。
步骤105:时间精确同步。具体方法为:利用前导信元与经步骤104处理后的信号进行匹配滤波,搜索并获取多径信息,从而根据首径来精确定位同步时刻,实现时间精确同步。
步骤106:分数频偏二次同步。即再次进行分数频偏估计,并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正,使修正后的接收信号中只存在整数频偏,从而实现精确的时频同步。
上述实现精确时频同步的方法中,利用前导信元虽然能够实现精确时间同步,但前导信元是要额外消耗***资源的。尤其是在移动环境中,每间隔一段时间就必须进行一次时间精确同步,否则由于时间同步误差带来的性能损失是***无法忍受的。这样,每次进行时间精确同步时都必须发送前导信元,这必将导致增加***开销,降低数据发送的速率。然而,如果不使用前导信元,还没有有效的方法来完成精确时间同步。
并且,在现有技术中实现帧同步以及同步跟踪的过程,也是利用前导信元来实现的。由于其实现过程中都需要采用前导序列,因此目前实现帧同步和同步跟踪的过程中,同样都增加了额外开销。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种实现OFDM时间精同步的方法,使其能不需要前导信元就能够实现精确的时间同步,从而节约***开销,提高数据发送速率。
本发明的第二个目的是提供一种实现OFDM帧同步的方法,使其能不需要前导信元就能够实现帧同步,从而减少***开销。
本发明的第三个目的是提供一种实现同步跟踪的方法,使其能不需要前导信元就能够实现同步跟踪,从而减少***开销。
为了达到上述目的,本发明提供了一种OFDM时间精同步的方法,该方法是这样实现的:
a.OFDM***的接收端接收来自发射端的具有不同导频序列的一个以上OFDM符号,并对接收到的信号进行整数频偏同步处理;
b1.将所述一个以上OFDM符号对应的导频序列进行频时转换,将转换后的时域信号级联起来并作为时域参考信号,将所述时域参考信号与经整数频偏处理后的信号在时间粗同步确定的最大误差范围内,进行匹配滤波或滑动相关,获取最大峰值,并对匹配滤波或滑动相关的结果进行归一;
b2.根据对信号质量的要求设定幅度阈值,选取第一个到达的超过该阈值的径为首径,同时确定该首径的到达时刻及幅度相位值,实现精确时间同步。
步骤b1所述时域参考信号由一个以上OFDM符号及其循环前缀构成。
该方法进一步包括:根据对信号质量的要求设定幅度阈值,选择超过此幅度阈值的时刻,作为多径到达的时刻,且其所对应的幅度相位值即为多径的幅度相位值。
在步骤a进行整数频偏同步处理之前进一步包括:
OFDM***对接收信号进行时间粗同步、分数频偏同步以及时频转换,步骤a中所述接收信号为经过时频转换后的接收信号。
所述时间粗同步是利用一个或多个与循环前缀长度相等并相互间隔OFDM符号长度加上循环前缀长度的时间窗,对接收到的信号进行滑动相关,依靠OFDM符号内的循环前缀进行时间同步。
本发明提供了一种OFDM同步跟踪的方法,该方法是这样实现的:
在OFDM***中将发射端发射信号的帧头的导频序列设置为不同于后续OFDM符号的导频序列,并根据同步性能要求设置同步阈值,该方法还包括以下步骤:
A1.判断通过匹配滤波或者滑动相关得到的最大绝对值与平均相关值的绝对值的比值是否大于等于该已设定的阈值,如果是,则同步成功,并继续保持同步跟踪状态;否则执行步骤B1;
B1.***进入中间状态,判断***当前是否已在预先设定的次数内仍然不能实现同步跟踪,如果是,则宣告失去同步,重新进入同步搜索状态,否则,执行步骤C1;
C1.对接收信号进行整数频偏同步处理,将一个以上OFDM符号的时域信号与经过整数频偏处理后的信号进行匹配滤波完成多径搜索,确定首径抵达时刻及幅度相位值,达到精确时间同步,实现同步跟踪。
根据已确定的多径精确到达时刻和幅度,选取当前OFDM符号的循环前缀中除去受到前一OFDM符号的较强的后达径影响较小的部分与当前OFDM符号的循环前缀相对应的部分的共扼相乘并累积相加,该累积相加后的结果的相位即为精确同步峰值的相位信息;
根据精确同步峰值的相位信息再次进行分数频偏估计,并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正,实现精确的时频同步。
本发明提供了一种OFDM帧同步的方法,该方法是这样实现的:
在发射端将OFDM***发射的OFDM帧开始的一个以上OFDM符号的导频序列设置为不同与后续OFDM符号的导频序列,该方法还包括以下步骤:
A2.判断发射端发射OFDM帧的帧头标识的导频序列的时域信号及其循环前缀的级联的匹配滤波或滑动相关的相关结果序列中最大值的绝对值与相关结果序列的绝对值的均值的比值是否大于一个预先设定的阈值,如果是,认为当前实现帧同步,否则,执行步骤B2;
B2.继续利用发射端发射的OFDM帧的帧头标识的导频序列的时域信号及其循环前缀的级联与进行整数频偏同步处理后的接收信号进行匹配滤波来进行多径搜索,然后转而执行步骤A2。
所述帧头标识是根据从OFDM帧开始的S个OFDM符号中的可变导频所设置的数值序列。
本发明通过对接收到的信号进行整数频偏同步处理,将由多个OFDM符号的导频序列的时域信号及其循环前缀级联进行多径搜索,确定首径抵达时刻及幅度相位值,实现精确时间同步。
应用本发明的方法OFDM接收机可以进行多径搜索,准确定位多径的到达时刻并较为准确地定位多径的幅度和相位,从而可以在进行二次分数频率同步(FFO)时选取受到码间干扰(ISI)的影响较少的部分进行分数频偏估计,从而提高分数频偏估计(FFO)的精确度并降低***因同步误差带来的性能损失。
附图说明
图1为为OFDM实现时间同步的总体流程图示意图;
图2为本发明方法的流程示意图;
图3为连续6个OFDM符号的导频排列示意图;
图4为3个OFDM符号的时间窗示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本发明的核心内容是:在接收端接收来自发射端的具有不同导频序列的一个以上OFDM符号,并对接收到的信号进行整数频偏同步处理;将所述一个以上OFDM符号的导频序列的时域信号及其循环前缀的级联作为参考信号,并应用该时域参考信号与整数频偏同步处理后的信号进行多径搜索,确定首径抵达时刻及幅度相位值,实现精确时间同步。
参见图2所示,本发明实现精确时间同步的具体过程如下:
步骤201:OFDM***对接收到的信号进行时间粗同步。即利用一个或多个与循环前缀长度相等并相互间隔OFDM符号长度加上循环前缀长度的时间窗,对接收到的信号进行滑动相关,依靠正交频分复用OFDM符号内的循环前缀进行时间同步,获取接收信号的同步峰值相位信息。
这里,接收信号包括具有可变导频的序列。为了提高信道估计的性能,在OFDM符号中引入了可变导频,导频位置在连续几个OFDM符号中有规律地间隔开来,并不断重复同一种导频图案,以利于信道估计。在每个OFDM符号中,在同一个OFDM符号中,导频间隔为N个子载波,在相邻的OFDM符号中,对应的导频间隔为M个子载波,在相邻的OFDM符号中,导频子载波上的数据是不相同的,比如,对于连续6个OFDM符号,N为12,M为6的情况下的导频排列可由图3来表示。
例如,图4所示为对于3个OFDM符号的时间窗见示意图,其中每个OFDM符号有512个子载波,其时间窗为Tb,循环前缀长度的时间窗为Ts。
并且,根据现有技术可知,对于3个OFDM符号的时间粗同步的相关度量如下式(1),对于多个OFDM符号的时间粗同步可依次类推:
        (1)
P ( d ) = Σ m = 0 m = GI - 1 ( r d + m * r d + m + N ) + Σ m = 0 m = GI - 1 ( r d + m + N + GI * r d + m + 2 N - GI ) + Σ m = 0 m = GI - 1 ( r d + m + 2 ( N + GI ) * r d + m + 3 N + 2 GI )
归一化度量如公式(2)
R ( d ) = 1 2 Σ m = 0 m = GI - 1 ( r d + m * r d + m + r d + m + N * r d + m + N ) + Σ m = 0 m = GI - 1 ( r d + m + N + GI * r d + m + 2 N + GI + r d + m + 2 N + GI * r d + m + 2 N + GI ) + Σ m = 0 m = GI - 1 ( r d + m + 2 ( N + GI ) * r d + m + 2 ( N + GI ) + r d + m + 3 N + 2 GI * r d + m + 3 N + 2 GI ) - - - ( 2 )
采用某种准则求P(d)和R(d)的功率比 M ( d ) = | P ( d ) | R ( d ) 的最大值
Figure A20041009277700114
作为为时间粗同步时刻。这里,采用多个CP来进行时间同步可以获得时间分集的优势。
步骤202:分数频偏同步。即根据步骤201所述的同步峰值相位信息进行分数频偏估计,并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正,使修正后的接收信号中只存在整数频偏。
步骤203:时频转换。具体方法为:将经步骤202处理后的信号通过FFT或DFT变换转换到频域。
步骤204:整数频偏同步。具体方法为:对从步骤203中得到的频域信号进行整数频偏估计,然后再进行整数频偏补偿,即利用估计出的整数频偏信息对接收信号进行修正,使修正后的接收信号中不存在整数频偏。
具体的可以采用本申请人提出的申请号为“200410042904.7”,发明名称为“一种正交频分复用时频同步的方法”的中国专利申请中提出的方法进行整数频偏估计;也可以采用本申请人同一日递交的发明名称为“一种正交频分复用整数频偏同步及帧同步方法”的中国专利申请中提出的方法进行整数频偏估计;当然,也可以采用采用极大似然法进行整数频偏估计,或者现有的其它方法进行整数频偏估计。
步骤205:IFFT变换。根据整数频偏估计所确定的OFDM符号导频序列出现的顺序,将导频序列通过IFFT变换或IDFT变换转化为时域信号,加上循环前缀并级联起来。
步骤206:时间精确同步。将由步骤205得到的时域信号与步骤204中经过频偏纠正的接收信号在时间粗同步确定的最大误差范围内,如时间粗同步前后的10个或15个码片内,进行匹配滤波或者滑动相关,找到匹配滤波或者滑动相关的峰值,并用最大峰值的绝对值对滤波(相关)结果进行归一化。根据对信号质量的要求设定幅度阈值,如0.5,选取第一个到达的超过该阈值的径,该径即为首径,该首径到达时刻所对应的幅度相位值即为首径的幅度相位值。根据首径精确定位同步时刻,及精确同步时刻的幅度及相位信息,从而实现了时间精确同步。进而,根据对信号质量的要求设定幅度阈值,如0.5,选择超过此幅度阈值的时刻,这些时刻即为多径到达的时刻,且其所对应的幅度相位值即为多径的幅度相位值。
上述时域参考信号为:多个OFDM符号的导频序列的时域信号及其循环前缀的级联。
步骤207:分数频偏二次同步。具体方法为:根据已确定的多径精确到达时刻和幅度,选取当前OFDM符号的循环前缀中除去受到前一OFDM符号的较强的后达径影响较小的部分与当前OFDM符号的循环前缀相对应的部分的共扼相乘并累积相加,该累积相加后的结果的相位即为精确同步峰值的相位信息;根据该精确同步峰值相位信息,再次进行分数频偏估计,并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正,从而实现精确的时频同步。
采用本发明精确时间同步的方法,在静止多径及移动多径情况下均可获得的精确时间同步性能。
另外,由于***每间隔一段时间就必须进行一次同步跟踪,以本发明的时间精确同步为基础,可以有效地实施同步跟踪,具体实现同步跟踪的方法如下:
根据同步性能要求设置同步阈值,且该阈值通常在0和1之间,在每次时间精确同步后,如果通过匹配滤波或者滑动相关得到的最大绝对值与平均相关值的绝对值的比值大于该已设定的阈值,则表示同步成功;否则表示同步未成功。
如果同步成功,则继续保持同步跟踪,如果未能同步成功,则进入一种中间状态,并在每次时间精确同步后重复执行上述同步跟踪步骤,如果在一定次数内仍然不能实现同步跟踪,则宣告失去同步,重新进入同步搜索状态。
采用此算法可以完全不需要使用Preamble,从而大大减少***开销。
此外,在移动环境下,使用本发明的方法还可以进行帧同步和移动台对于接收到不同的小区信号的辨识,具体方案如下:
判断与发射端发射OFDM帧开始的一个以上OFDM符号的导频序列的时域信号及其循环前缀的级联的匹配滤波或滑动相关的相关结果序列中最大值的绝对值与相关结果序列的绝对值的均值的比值是否大于一个预先设定的阈值,如果是,则已实现精确同步且已经实现帧同步。
在可变导频序列的设计方面,可以对位于帧头的连续S个OFDM符号中的可变导频设置为一个帧标识,即采用特定的数值序列标识这段符号,该序列不同于后面数据符号中的导频序列,那么如果匹配滤波或滑动相关的相关结果序列中最大值的绝对值与相关结果序列的绝对值的均值的比值大于一个预先设定的阈值,则表明帧同步成功,从而就可以定位帧的起始。如果时间粗同步在帧头开始的S个OFDM符号中失败,而粗同步在从第2到S+1个OFDM符号中成功,则可使用已知的从第2到第S+1个OFDM符号中的导频序列的时域信息进行匹配滤波或滑动相关来进行精确时间同步,则同样可以完成帧同步。如果时间粗同步在从帧头算起的2到S+1个OFDM符号中失败,则可使用已知的从第3到第S+2个OFDM符号中的导频序列的时域信息进行匹配滤波或滑动相关来进行精确时间同步,如同步成功,则同样可以完成帧同步。如此下去,即使前面S个OFDM符号发生粗同步的漏同步,只要在第S个OFDM符号到第2S-1个OFDM符号完成正确的时间粗同步,仍然可以通过本发明的方法完成帧同步,当然一个前提条件是接收方有足够的存储来存方连续S个OFDM符号序列的信息。此方法可以大大提高帧同步的概率。
另外,在不同的小区中,基站发出不同的导频序列,这样在接收方,即移动台,可以通过匹配滤波获得不同小区基站发出信号的定位以及相应信道的多径到达时刻,幅度以及相位的信息,通过判断匹配滤波结果得到的峰值的强弱从而完成软切换,合并及其他相应工作。
本发明通过利用一种确知信息与接收信号进行匹配滤波或者滑动相关,从而找到匹配峰值,并据此在移动多径的环境下确定多径的抵达时刻。这样,虽然在时变信道下随着环境的变化,多径常常会产生变化,比如增添新的抵达路径或者呈现不同的衰落特征等,但是只要通过本发明的方法获得新的多径的时间,幅度和相位信息,就可以达到更新多径信息的目的。
因此,应用本发明的精确时间同步方法,OFDM接收机可以进行多径搜索,准确定位多径的到达时刻并较为准确地定位多径的幅度,从而可以在分数频率同步(FFO)时排除较强的码间干扰(ISI)的影响从而提高分数频偏估计(FFO)的精确度。其次,利用本发明的方法,接收机可以精确估计多径时延,并较为精确的估计出功率时延谱的幅度值。采用本发明中的方法还可以完成准确的帧同步以及小区搜索及切换合并工作。
总之,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种实现正交频分复用精确时间同步的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
a.OFDM***的接收端接收来自发射端的具有不同导频序列的一个以上OFDM符号,并对接收到的信号进行整数频偏同步处理;
b1.将所述一个以上OFDM符号对应的导频序列进行频时转换,将转换后的时域信号级联起来并作为时域参考信号,将所述时域参考信号与经整数频偏处理后的信号在时间粗同步确定的最大误差范围内,进行匹配滤波或滑动相关,获取最大峰值,并对匹配滤波或滑动相关的结果进行归一;
b2.根据对信号质量的要求设定幅度阈值,选取第一个到达的超过该阈值的径为首径,同时确定该首径的到达时刻及幅度相位值,实现精确时间同步。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,步骤b1所述时域参考信号由一个以上OFDM符号及其循环前缀构成。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,该方法进一步包括:根据对信号质量的要求设定幅度阈值,选择超过此幅度阈值的时刻,作为多径到达的时刻,且其所对应的幅度相位值即为多径的幅度相位值。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤a进行整数频偏同步处理之前进一步包括:
OFDM***对接收信号进行时间粗同步、分数频偏同步以及时频转换,步骤a中所述接收信号为经过时频转换后的接收信号。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述时间粗同步是利用一个或多个与循环前缀长度相等并相互间隔OFDM符号长度加上循环前缀长度的时间窗,对接收到的信号进行滑动相关,依靠OFDM符号内的循环前缀进行时间同步。
6.一种利用权利要求1所述的方法实现同步跟踪的方法,其特征在于,在OFDM***中将发射端发射信号的帧头的导频序列设置为不同于后续OFDM符号的导频序列,并根据同步性能要求设置同步阈值,该方法还包括以下步骤:
A1.判断通过匹配滤波或者滑动相关得到的最大绝对值与平均相关值的绝对值的比值是否大于等于该已设定的阈值,如果是,则同步成功,并继续保持同步跟踪状态;否则执行步骤B1;
B1.***进入中间状态,判断***当前是否已在预先设定的次数内仍然不能实现同步跟踪,如果是,则宣告失去同步,重新进入同步搜索状态,否则,执行步骤C1;
C1.对接收信号进行整数频偏同步处理,将一个以上OFDM符号的时域信号与经过整数频偏处理后的信号进行匹配滤波完成多径搜索,确定首径抵达时刻及幅度相位值,达到精确时间同步,实现同步跟踪。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,根据已确定的多径精确到达时刻和幅度,选取当前OFDM符号的循环前缀中除去受到前一OFDM符号的较强的后达径影响较小的部分与当前OFDM符号的循环前缀相对应的部分的共扼相乘并累积相加,该累积相加后的结果的相位即为精确同步峰值的相位信息;
根据精确同步峰值的相位信息再次进行分数频偏估计,并根据该分数频偏估计信息对接收到的信号进行修正,实现精确的时频同步。
8.一种利用权利要求1所述的方法实现帧同步的方法,其特征在于,在发射端将OFDM***发射的OFDM帧开始的一个以上OFDM符号的导频序列设置为不同于后续OFDM符号的导频序列,该方法还包括以下步骤:
A2.判断发射端发射OFDM帧的帧头标识的导频序列的时域信号及其循环前缀的级联的匹配滤波或滑动相关的相关结果序列中最大值的绝对值与相关结果序列的绝对值的均值的比值是否大于一个预先设定的阈值,如果是,认为当前实现帧同步,否则,执行步骤B2;
B2.继续利用发射端发射的OFDM帧的帧头标识的导频序列的时域信号及其循环前缀的级联与进行整数频偏同步处理后的接收信号进行匹配滤波来进行多径搜索,然后转而执行步骤A2。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述帧头标识是根据从OFDM帧开始的S个OFDM符号中的可变导频所设置的数值序列。
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