TWI488513B - 動態資源分配方法 - Google Patents

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Chia Hung Wei
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Description

動態資源分配方法
本發明是有關於一種資源分配方法，且特別是有關於一種動態資源分配方法。
在過去十年中，已有大量的研究工作對物聯網(Internet of Things，IOT)的議題進行了調查，其中，從智慧型手機以及無線傳感器甚至跨越到具有網路功能的實體物件的各式裝置，已能夠在全球一體化的通訊平台中無縫地交互操作。物聯網對急需的應用打開了機會，而其中的一些應用已經實施，有些則正在研究當中。
對於未來的物聯網而言，機器型態通訊(Machine Type Communication，MTC)是最有可能的候選技術，且在很多情況下，這兩個概念是可互換使用的。已有一些全球性組織對標準化的MTC發表了豐富的研究。近年來，第三代合作夥伴計劃(Third Generation Partnership Project，3GPP)、世界無線通訊解決方案聯盟(Alliance for Tele Communication Industry Solutions，ATIS)、中國通訊標準化協會(China Communication Standards Association，CCSA)、開放行動通訊聯盟(Open Mobile Alliance，OMA)、美國電機電子工程師學會(IEEE)以及歐洲電信標準協會(European Telecommunication Standards Institute，ETSI)已積極投入了對MTC標準化的活動。像是3GPP以及IEEE提出了蜂巢式MTC，亦即能夠支持MTC的無線蜂巢式網路。此外，ETSI也提出了MTC服務架構、其組成部分以及它的三個領域(即，應用、網路以及裝置領域)之間的相互作用。
無論蜂巢式MTC將實施於現行的網路標準，或是實施於即將來臨的進階版長期演進技術(Long Term Evolution Advanced，LTE-A)，其皆面臨著嚴重的無線電存取網路(Radio Access Network，RAN)的過載問題。預計將會有大量的裝置部署於小區域中。雖然MTC的傳輸流量特點是數據量小，然而，由於單一細胞服務區(cell)所支援的裝置呈現高密集分佈，其將產生出巨大的傳送負載。信號網路(signaling network)中的壅塞是由大量MTC裝置幾乎同時試圖存取網路所引起的。在3GPP系統中支持的MTC應用，於停電期之後，大量量測裝置(metering device)會同時啟動，進而引起網路超載情況。
3GPP已經對電信業者和MTC用戶提出了幾種方法以分散訊號傳輸流量的高峰期。解決方案歸類為兩類：基於推送(push-based)以及基於拉引(Pull-based)的方案。顧名思義，基於推送的方案意味著裝置沒有限制的將其傳輸流量推送至網路中，直到檢測到了RAN超載。另一方面，基於拉引的RAN過載 控制方案則是建議傳輸流量是藉由網路端呼叫(paging)及群組呼叫(group paging)來拉引，以預先防止RAN超載的發生。
基於拉引的方案使電信業者和MTC用戶有辦法達到MTC裝置的最大傳輸率。此外，由於網路知道受呼叫的裝置的數量，因而更可準確地估計其存取嘗試的行為，因此，在MTC應用的廣泛範圍中，對於RAN超載而言，藉由呼叫和群組呼叫來實施的基於拉引的方案是非常可行的解決方案。
群組呼叫不同於呼叫，其相異處是在於呼叫訊息攜載有相對應裝置群組的ID，而不是單一裝置。至於對MTC應用而言，群組呼叫比呼叫更為實際。在MTC系統中，網路可能需要在同一時間或是在較短的時間期間內，通知大量的裝置。如果MTC裝置乃是藉由使用一個接著一個呼叫的方式來通知，則過程中會產生大量的訊號負擔(signaling overhead)，此亦將消耗大量的系統資源，並引起難以容忍的延遲。反之，則是可藉由一個呼叫訊息來立即通知大量裝置。其相同群組內的裝置共用單一ID(即，GroupID(GID))。在加入通訊群組之後，MTC裝置於呼叫的時刻監測在物理下行鏈路控制通道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)中的呼叫無線網絡臨時標識(Paging Radio Network Temporary Identifier，P-RNTI)。在識別出匹配的GID之後，MTC裝置開始執行隨機存取程序。從網路的觀點而言，在基地台(eNB)發送呼叫訊息之後，基地台在各隨機存取通道(Random Access Channel，RACH)保留了一些資源，而此資源是用來讓呼叫群組 使用以執行隨機存取。從開始呼叫群組直到完成了對其群組所分配資源時間段期間，稱做為呼叫週期。
基於3GPP所定義的效能度量指標，在現有的文獻中已有許多群組呼叫MTC的效能研究。群組呼叫標準提出了在呼叫週期期間的各RACH中資源分配數量為固定。然而，由於MTC裝置有可能(重傳至)成功傳輸或是到達重傳的允許數量，因此競爭(contending)裝置的數量會隨著RACH而變化。換言之，在競爭裝置數量非常少的隨機存取時槽中，資源可能會沒有得到充分的利用。
有鑑於此，本發明提出一種動態資源分配方法，其可根據競爭裝置的數量，來恰當地決定所分配的資源。
在此提出一種動態資源分配方法。所述方法用於分配資源至通訊群組內的至少一機器型態通訊裝置的基地台。所述方法包括下列步驟。估計在隨機存取時槽中的競爭裝置的數量。根據競爭裝置的數量以及資源分配參數，來計算參考值。根據競爭裝置的數量、基地台在隨機存取時槽可確認的機器型態通訊裝置的數量以及前導碼偵測機率，來計算特定資源的數量。特定資源為用以偵測機器型態通訊裝置的數量的所需資源，所述至少一機器型態通訊裝置的數量小於或等於基地台在隨機存取時槽中可確認的所述至少一機器型態通訊裝置的數量。根據隨機存取機會的最 大數量、特定資源的數量以及參考值，來決定保留的隨機存取機會的數量。根據保留的隨機存取機會的數量，來將資源分配至至少一機器型態通訊裝置。
在本發明的一實施例中，估計在隨機存取時槽中競爭裝置的數量的步驟包括藉由 來計算在隨機存取時槽中競爭裝置的數量，其中，M i 為競爭裝置的數量，N PTmax 為至少一機器型態通訊裝置的重傳限制的數量，以及M i [n ]在隨機存取時槽傳送第n 個前導碼的至少一機器型態通訊裝置的數量。
在本發明的一實施例中，計算參考值的步驟包括下列步驟。藉由對至少一機器型態通訊裝置所屬的通訊群組的存取成功機率來執行最佳化操作，以獲得資源分配參數；藉由將資源分配參數與競爭裝置的數量相乘，以計算一乘積值；以及藉由對乘積值執行頂函數，來獲得參考值。
在本發明的一實施例中，存取成功機率定義為 其中，P S 為存取成功機率，I max 為在呼叫週期中隨機存取時槽的總數量，N PTmax 為至少一機器型態通訊裝置的重傳限制的數量，M 為包括於通訊群組中的至少一機器型態通訊裝置的總數量，以及M i,S [n ]為在傳送第n 個前導碼之後的隨機存取時槽之後，成功地完成隨機存取程序的至少一機器型態通訊裝置的數量。
在本發明的一實施例中，特定資源的數量是藉由 來計算，其中，N PTmax 為至少一機器型態通訊裝置的重傳限制的數量，M i [n ]為在隨機存取時槽傳送第n 個前導碼的至少一機器型態通訊裝置的數量，p n 為第n 個前導碼的前導碼偵測機率，N UL 基地台在隨機存取時槽的可確認的機器型態通訊裝置的數量，以及為頂函數運算子。
在本發明的一實施例中，根據隨機存取機會的最大數量、特定資源的數量以及參考值決定保留的隨機存取機會的數量的步驟包括在隨機存取機會的最大數量、特定資源的數量以及參考值之中取最小值，以做為保留的隨機存取機會的數量。
一種動態資源分配方法，所述方法適用於用以分配資源至通訊群組內的至少一機器型態通訊裝置的基地台，所述方法包括下列步驟。藉由對至少一機器型態通訊裝置所屬的通訊群組的存取成功機率來執行最佳化操作，以獲得資源分配參數。對通訊群組內的至少一機器型態通訊裝置發送呼叫訊息，其中呼叫訊息至少包括資源分配參數、基地台可確認的機器型態通訊裝置的數 量、在隨機存取時槽中的隨機存取機會的最大數量以及包括於通訊群組中的至少一機器型態通訊裝置的總數量。
基於上述，本發明實施例提供一種動態資源分配方法，其可顯著地增進基地台的資源分配效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧MTC系統
110‧‧‧MTC伺服器
120‧‧‧服務閘道器
130‧‧‧基地台
140‧‧‧MTC裝置
150‧‧‧細胞服務區
S210~S250‧‧‧動態資源分配方法的步驟
G1 ~GK ‧‧‧通訊群組
圖1為根據本發明的一示範性實施例繪示的MTC系統的示意圖。
圖2為根據本發明的一示範性實施例繪示的動態資源分配方法的流程圖。
在下文中，參照附圖的本發明的一些實施例將能更充分地對本發明加以描述，且其中乃顯示本發明的一些實施例，而不是本發明的所有實施例。事實上，各種不同的本發明實施例可體現於許多不同的形式，且本發明不應被解釋為限於本文中所闡述的實施例中，而是，在此所提供的這些實施例將使本揭露滿足適用的法律需求。相同的附圖標記指的是相同的元件。
圖1為根據本發明的一示範性實施例繪示的MTC系統的 示意圖。在本實施例中，MTC系統100包括MTC伺服器110、服務閘道器120、基地台130(即，eNodeB)以及多個MTC裝置140。MTC裝置140可屬於基地台130所管理的細胞服務區150。MTC裝置140可分為多個通訊群組G1 -GK (K為正整數)。相同群組內的各MTC裝置140假設為共用相同群組ID(即，GID)。舉例來說，通訊群組G1 內的MTC裝置140可共用相同群組ID，如GID1。藉由所指定的群組ID，通訊群組G1 內的MTC裝置140可監測從基地台130而來的呼叫訊息(paging message)是否具有GID1的資訊。若是，則通訊群組G1 內的MTC裝置140將可於即將來臨的RACH的隨機存取時槽執行隨機存取程序(例如，傳送存取嘗試(attempts))。隨機存取時槽是基地台130對MTC裝置140所保留的用以傳送存取嘗試的特殊子訊框(subframe)。
各隨機存取時槽的隨機存取機會(Random Access Opportunities，RAO)的最大數量是定義於MTC系統100所採用的通訊標準中。舉例來說，若MTC系統100採用LTE來做為通訊標準，則隨機存取機會的最大數量可以是54，其可以是可用頻率、時間時槽以及展頻碼(即，分碼多重存取(code division multiple access，CDMA)碼)的數量的乘積。然而，隨機存取機會的最大數量可根據系統工程師的設計需求而設定成任何其他可能的數量，在此不加以限制。
在本實施例中，假設基地台130在第i 隨機存取時槽保留R i 個隨機存取機會(1 R i N ,1 i I max )，其中N 為隨機存取時槽中隨機 存取機會的最大數量(例如，54)以及I max 為呼叫週期中隨機存取時槽的總數量。換句話說，R i 為第i 隨機存取時槽的隨機存取機會的保留數量。通訊群組G1 內的各MTC裝置140隨機地選擇隨機存取機會來傳送其存取嘗試。若通訊群組G1 內有兩個以上的MTC裝置140選擇了相同的隨機存取機會來執行存取嘗試，則定義這些MTC裝置與其他裝置發生碰撞。基地台130可根據時變的偵測機率來偵測未碰撞的各MTC裝置140，而此時變的偵測機率乃有關於功率升斜效應(power ramping effect)。在各隨機存取時槽中，基地台130假設為可確認(acknowledge)N UL 個通訊群組G1 內未碰撞的MTC裝置140。換句話說，N UL 為基地台130在隨機存取時槽中，可確認的(acknowledgeable)MTC裝置140數量。
當MTC裝置未在(T RAR +W RAR )的子訊框中從基地台130接收確認時，MTC裝置將可假設其隨機存取嘗試已失敗，其中T RAR 為基地台130用以偵測所傳送的隨機存取請求的所需處理時間，以及W RAR 為隨機存取響應窗口(response window)的長度。隨機存取嘗試已失敗的各MTC裝置可根據後退窗口(backoff window)的大小W BO (可定義於所採用的通訊標準中)來執行隨機後退(backoff)程序。接著，失敗MTC裝置可升斜起傳送功率以及執行另一存取嘗試，直到重傳的次數到達了N PTmax 。N PTmax 為機器型態通訊裝置140的重傳限制的數量，且N PTmax 可定義於所採用的通訊標準中。舉例來說，在LTE標準中，N PTmax 為10，其代表在不斷地經歷失敗隨機存取嘗試下，MTC裝置可在呼叫週期中執行 10次重傳。I max 可藉由下列方程式而求得 其中T RA_REP 為兩相鄰的隨機存取時槽之間的間隔。
藉由本發明所提出的方法，可找出在隨機存取時槽中保留的隨機存取機會的最佳值(即，R i )，而藉此資源分配的效率可因而顯著地改善。下列幾節將對此詳細討論。
圖2為根據本發明的一示範性實施例繪示的動態資源分配方法的流程圖。請同時參照圖1及圖2，在本實施例中所提出的方法可藉由圖1所示的基地台130來實施，然而本發明並不限於此。在下列幾節中，所論述的內容是建構在已呼叫了通訊群組G1 內的MTC裝置140的假設之下。
在步驟S210中，基地台130可估計在隨機存取時槽中競爭裝置的數量(以M i 表示)。競爭裝置可定義為在當前隨機存取時槽中嘗試執行隨機存取嘗試的通訊群組G1 內的MTC裝置140。具體來說，競爭裝置的數量(M i )可藉由下列方程式來計算 其中M i [n ]為在隨機存取時槽傳送第n 個前導碼的各MTC裝置140的數量。在本發明的一實施例中，M i [n ]可藉由下列方程式來計算 其中K min 以及K max 分別代表各MTC裝置140可在第i 個隨機存取時槽中重傳前提下，第一個以及最後的隨機存取時槽。α k,i 為MTC 裝置140在第k 隨機存取時槽失敗以及在第i 隨機存取時槽中重傳的百分比。M k,F [n ]為在第k 隨機存取時槽中經歷了其第(n -1)次傳送失敗的MTC裝置140的數量。藉由將方程式(3)代入方程式(2)，可相對應地獲得競爭裝置(M i )的數量。
在步驟S220中，基地台130根據競爭裝置(M i )的數量以及資源分配參數(以μ 表示)來計算參考值。在本實施例中，資源分配參數(μ )可以是用以獲得所要求的服務品質(Quality of Service，QoS)需求而所選擇的最小常數。舉例來說，若QoS需求為最佳化存取成功機率(藉由P S 來表示)，則基地台130可藉由對MTC裝置140所屬的通訊群組(即，通訊群組G1 )的存取成功機率(P S )執行最佳化操作，以獲得資源分配參數(μ )。在一些實施例中，存取成功機率(P S )可藉由下列方程式來計算 其中M i,S [n ]為在傳送第n 個前導碼之後的隨機存取時槽成功地完成隨機存取程序的MTC裝置140的數量。在其他實施例中，可獲得資源分配參數(μ )以滿足其他QoS需求，如碰撞機率等，然而本發明並不限於此。
有了競爭裝置的數量(M i )以及資源分配參數(μ )之後，基地台130可藉由將資源分配參數與競爭裝置的數量相乘來計算乘積值。接著，基地台130可藉由對乘積值執行頂函數來獲得參考值。也就是說，參考值可藉由來計算，其中為頂函數運算子。藉由將方程式(2)代入，可藉由下列方程式來計算 出參考值
在步驟S230中，基地台130可根據競爭裝置的數量 (M i )、基地台130在隨機存取時槽中可確認的MTC裝置140的數量以及前導碼偵測機率，來計算特定資源的數量。特定資源可以是用以偵測MTC裝置的數量的所需的資源，MTC裝置的數量小於或等於N UL 。具體來說，特定資源的數量可藉由下列方程式來計算 其中p n 為第n 個前導碼的前導碼偵測機率。
在步驟S240中，基地台130可根據隨機存取機會的最大數量(N )、特定資源的數量以及參考值決定保留的隨機存取機會的數量。具體而言，基地台130可從隨機存取機會的最大數量(N )、參考值(藉由方程式(5)所獲得)以及特定資源的數量(藉由方程式(6)所獲得)之中取最小值，以做為保留的隨機存取機會的數量(R i )。也就是說，可將R i 表徵為
在步驟S250中，基地台130可根據保留的隨機存取機會 的數量(R i )分配資源至通訊群組G1 內的MTC裝置140。具體來說，基地台130可將用以分配至MTC裝置140的資源的數量設定為等於R i 。在此，由於用以分配至MTC裝置140的資源的數量乃是適當地加以決定，因此基地台130將不會過度地分配多餘資源給競爭裝置。
因此，藉由在各隨機存取時槽動態地調整所分配資源(即，保留的隨機存取機會)的數量，基地台130執行的資源分配機制可更有效率。所屬技術領域具有通常知識者應了解到的是，雖然在此乃是藉由140通訊群組G1 內的MTC裝置做為範例來說明本發明的精神，然而，當呼叫另一群組時，基地台130同樣亦可執行前述動態資源分配方法於其他群組內的MTC裝置140。除此之外，步驟S220以及步驟S230的順序可根據設計者的需求來任意地切換。
一般來說，由於競爭裝置可成功地執行隨機存取嘗試或是因達到了傳送限制而完全地失敗，因此競爭裝置的數量通常會隨著隨機存取時槽的前進而減少。因此，在下一隨機存取時槽中，保留的隨機存取機會的數量通常亦可隨著隨機存取時槽的進行而減少。相對應地，增加未分配的資源可更進一步用來做為其他用途，其用途可更進一步增進MTC系統100的設計自由度。
應注意到的是，在基地台130發送呼叫訊息至通訊群組G1 內的MTC裝置140之前，基地台130可預先計算資源分配參數(μ )。事後，基地台130可發送包括有資源分配參數(μ )的呼叫 訊息來通知通訊群組G1 內的MTC裝置140以在進入的隨機存取時槽開始隨機存取程序。資源分配參數(μ )的計算的詳細說明可參照提供於步驟S220中相關論述，其在此不再加以贅述。此外，呼叫訊息可包括一些其他參數，如在隨機存取時槽中隨機存取機會的最大數量(N )、在隨機存取時槽中基地台可確認的MTC裝置的數量(N UL )、包括於通訊群組中的至少一MTC裝置的總數量(M )以及一些有關於通訊系統100所採用的標準的其他參數，然而本發明並不限於此。
在接收呼叫訊息之後，通訊群組G1 內的MTC裝置140可從呼叫訊息擷取出資源分配參數(μ )、N 以及N UL ，並相對應地根據方程式(7)在各隨機存取時槽找出R i 。因此，通訊群組G1 內的MTC裝置140可藉由非常低的計算複雜度來找出R i 。由於各MTC裝置140的設計需要盡可能的簡單，因此，基地台130藉由呼叫訊息來將資源分配參數(μ )通知給MTC裝置140的方式，可顯著地減少MTC裝置140的複雜度。
綜上所述，本發明的實施例提供動態資源分配方法，其可顯著地改善基地台資源分配的效率。具體來說，基地台可在當前的隨機存取時槽根據競爭裝置的數量來動態地調整保留的隨機存取機會的數量。如此一來，基地台將不會過度地分配多餘的資源給競爭裝置。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S210~S250‧‧‧動態資源分配方法的步驟

Claims (8)

  1. 一種動態資源分配方法，適於用以在一隨機存取時槽分配多個資源至一通訊群組內的至少一機器型態通訊裝置的一基地台，所述方法包括：估計在該隨機存取時槽中的多個競爭裝置的數量；根據該些競爭裝置的數量以及一資源分配參數計算一參考值；根據該些競爭裝置的數量、該基地台在該隨機存取時槽中可確認的該至少一機器型態通訊裝置的數量及一前導碼偵測機率，來計算多個特定資源的數量，其中該些特定資源為用以偵測該至少一機器型態通訊裝置的數量的所需的資源，該至少一機器型態通訊裝置的數量小於或等於該基地台在該隨機存取時槽中可確認的該至少一機器型態通訊裝置的數量；根據多個隨機存取機會的一最大數量、該些特定資源的數量以及該參考值決定多個保留的隨機存取機會的數量；以及根據該些保留的隨機存取機會的數量分配該些資源至該至少一機器型態通訊裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該隨機存取時槽為多個連續之隨機存取時槽中的第i個隨機存取時槽，且估計在該隨機存取時槽中的該些競爭裝置的數量的步驟包括：藉由 來計算在該隨機存取時槽中該些競爭裝置的數量，其中，M i 為該些競爭裝置的數量，N PTmax 為該至少一機器型態通訊裝置的一重傳限制的數量，以及M i [n ]在該隨機存取時槽傳送一第n 個前導碼的該至少一機器型態通訊裝置的數量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中計算該參考值的步驟包括：藉由對該至少一機器型態通訊裝置所屬的該通訊群組的一存取成功機率執行一最佳化操作，以獲得該資源分配參數；藉由將該資源分配參數與該些競爭裝置的數量相乘，以計算一乘積值；以及藉由對該乘積值執行一頂函數，來獲得該參考值，其中該頂函數為一天花板函數。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該隨機存取時槽為多個連續之隨機存取時槽中的第i個隨機存取時槽，且該存取成功機率定義為 其中，P S 為該存取成功機率，I max 為在一呼叫週期中的所述多個連續之隨機存取時槽的總數量，N PTmax 為該至少一機器型態通訊 裝置的一重傳限制的數量，M 為包括於該通訊群組中的該至少一機器型態通訊裝置的總數量，以及M i,S [n ]為在傳送一第n 個前導碼之後的該隨機存取時槽之後，成功地完成一隨機存取程序的該至少一機器型態通訊裝置的數量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該隨機存取時槽為多個連續之隨機存取時槽中的第i個隨機存取時槽，且該些特定資源的數量是藉由 來計算，其中，N PTmax 為該至少一機器型態通訊裝置的一重傳限制的數量，M i [n ]為在該隨機存取時槽傳送一第n 個前次導碼的該至少一機器型態通訊裝置的數量，p n 為該第n 個前導碼的該前導碼偵測機率，N UL 為該基地台在該隨機存取時槽的該些可確認的機器型態通訊裝置的數量，以及˙為一頂函數運算子。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，根據該些隨機存取機會的該最大數量、該些特定資源的數量以及該參考值決定該些保留的隨機存取機會的數量的步驟包括：在該些隨機存取機會的該最大數量、該些特定資源的數量以及該參考值之中取一最小值，以做為該保留的隨機存取機會的數 量。
  7. 一種動態資源分配方法，適用於用以分配資源至一通訊群組內的至少一機器型態通訊裝置的一基地台，所述方法包括：藉由對該至少一機器型態通訊裝置所屬的該通訊群組的一存取成功機率來執行一最佳化操作，以獲得一資源分配參數；以及對該通訊群組內的該至少一機器型態通訊裝置發送一呼叫訊息，其中該呼叫訊息至少包括該資源分配參數、該基地台可確認的該至少一機器型態通訊裝置的數量、在一隨機存取時槽中的多個隨機存取機會的一最大數量以及包括於該通訊群組中的該至少一機器型態通訊裝置的總數量。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該隨機存取時槽為多個連續之隨機存取時槽中的第i個隨機存取時槽，且該存取成功機率定義為 其中，P S 為該存取成功機率，I max 為在一呼叫週期中所述多個連續之隨機存取時槽的總數量，N PTmax 為該至少一機器型態通訊裝置的一重傳限制的數量，M 為包括於該通訊群組中的該至少一機器型態通訊裝置的總數量，以及M i,S [n ]為在傳送一第n 個前導碼之後的該隨機存取時槽之後，成功地完成一隨機存取程序的該至少一機器型態通訊裝置的數量1
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