CN101388703B - 一种多用户mimo预编码的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种多用户多输入输出MIMO预编码的方法，包括如下步骤：获取系统用户组合的CQI参数；选择获取的CQI参数中最大CQI参数；根据最大CQI参数来确定信噪比；获取系统信道矩阵，依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；用预编码矩阵对用户组合进行预处理。本发明还提供了一种与上述方法对应的多用户多输入输出MIMO预编码的系统。本发明提供的多用户多输入输出MIMO预编码的方法和系统解决了在多用户MIMO系统中因为终端反馈信息的复杂度太高而无法准确的来确定相应的预编码矩阵进行预编码的问题。

Description

一种多用户MIMO预编码的方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通讯技术，特别是涉及一种多用户MIMO预编码的方法及系统。 

背景技术

随着通信技术的演进，下一代通信系统标准3GPP LTE-Advanced(3rdGeneration Partnership Project Long Term Evolution，第三代合作伙伴计划长期演进高版本)将进一步提供高于现在的3GPP系统数倍的信道容量。为了实现这样的目标，现有技术中采用MIMO(multiple-input multiple-output，多输入多输出)系统来提高信道容量。在提高信道容量时，预编码技术是一项重要的技术，其通过获取的信道信息状态对信号进行处理。目前在通讯领域常用基于空间复用的预编码技术，即利用多根发送和/或接收天线同时传输多个数据流，如果这些多个数据流属于同一个用户，就是单用户MIMO；如果这些多个数据流分别属于不同的用户，则是多用户MIMO。 

基于空间复用的预编码技术包括unitary预编码(酉预编码)，ZFBF预编码(zero-forcing beamforming预编码，迫零波束成型预编码)，MMSE预编码(minimum mean square error预编码，最小均方误差预编码)等。所列举的都是线性预编码技术，而非线性的预编码技术，例如THP预编码(Tomlinson-Harashima预编码，汤姆林森-哈拉希玛预编码)，DPC(dirtypaper coding，脏纸编码)等，对于大规模、广泛应用的系统来说，可实现性比较差。 

酉预编码、迫零波束成型预编码、最小均方误差预编码，都是既可以应用于单用户MIMO，也可以应用到多用户MIMO。上述三种预编码技术应用在单用户情况时各有所长，在多用户情况时，MMSE预编码技术由于考虑了噪声的因素，在低信噪比、信道矩阵病态的不利情况下相对于其它两个预编码技术更有其优势。 

不论应用在TDD系统或FDD系统中的多用户MIMO系统采用MMSE预编码都需要确定预编码矩阵，而预编码矩阵的确定同信道反馈的信息有关，在多用户MIMO系统中，信道的反馈信息更为复杂，在现有技术中没有提出如何选择相应的信道反馈信息来确定预编码矩阵，因此需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：在MMSE预编码中如何依据信道反馈信息正确选择适应参数来计算预编码矩阵。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多用户多输入输出MIMO预编码的方法及系统，能够将MMSE预编码用于多用户MIMO系统中，提高系统信道容量并克服低信噪比、信道矩阵病态的不利影响。 

本发明提供的一种多用户多输入输出MIMO预编码的方法，包括如下步骤：获取系统用户组合的信道质量标识CQI参数；选择获取的CQI参数中最大CQI参数；将最大CQI参数作为信噪比；获取系统信道矩阵，依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；用预编码矩阵对用户组合进行预处理；其中，所述获取系统用户组合的CQI参数包括如下步骤：进行用户调度，遍历用户组合；获取系统用户组合的CQI参数；其中，所述依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵具体为：W＝H^H*(H*H+1/SNR*I)^-1，其中，I为所述单位矩阵，H为所述信道矩阵，SNR为所述信噪比，W为所述预编码矩阵。 

优选的，所述将最大CQI参数作为信噪比还包括修正步骤，修正步骤如下： 

引入预置参数；依据预置参数对最大CQI参数进行修正；所述预置参数范围大于或等于1，小于或等于同时参与调度的用户数量加1之和。 

优选的，所述获取系统信道矩阵包括如下步骤： 

获取信道相位信息；对信道相位信息进行组合得到信道矩阵。 

优选的，所述获取系统用户组合的信道质量标识CQI参数之前还包括如下步骤： 

基站发送下行导频信息；终端利用所述下行导频信息进行信道估计；终 端向基站反馈信道信息；基站接收终端反馈的信道信息。 

优选的，所述获取系统用户组合的信道质量标识CQI参数之前还包括如下步骤： 

终端向基站发送上行导频信息；基站利用上行导频信息进行信道估计。 

本发明公开的一种多用户多输入输出MIMO预编码的系统，包括： 

第一获取单元，用于获取系统用户组合的信道质量标识CQI参数；选择单元，用于选择获取的CQI参数中最大CQI参数；确定单元，用于将最大CQI参数作为信噪比；第二获取单元，用于获取系统信道矩阵；计算单元，用于依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；生成单元，用于依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；所述生成预编码矩阵具体为：W＝H^H*(H*H+1/SNR*I)^-1，其中，I为所述单位矩阵，H为所述信道矩阵，SNR为所述信噪比，W为所述预编码矩阵；处理单元，用于依据预编码矩阵对用户组合进行预处理；其中，所述第一获取单元包括：用户调度子单元，用于进行用户调度；第一组合子单元，用于遍历用户组合；第一获取子单元，获取系统用户组合的CQI参数。 

优选的，所述第二获取单元包括： 

第二获取子单元，用于获取信道相位信息；第二组合子单元，对信道相位信息进行组合得到信道矩阵。 

优选的，本发明公开的一种多用户多输入输出MIMO预编码的系统还包括： 

第一发射单元，用于从基站发送下行导频信息；第一估计单元，用于终端利用所述下行导频信息进行信道估计；第一反馈单元，用于终端向基站反馈信道信息；第一接收单元，用于基站接收终端反馈的信道信息。 

优选的，本发明公开的一种多用户多输入输出MIMO预编码的系统还包括： 

第二发送单元，用于终端向基站发送上行导频信息；第二估计单元，用于基站利用上行导频信息进行信道估计。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

本发明公开的多用户多输入输出MIMO预编码的方法中采用了依据信道相位信息、信噪比参数确定预编码矩阵，其中信噪比参数依据用户组合中的最大CQI(Channel Quality Indicator，信道质量标识)参数确定，通过这样的方法可以解决在多用户MIMO系统中因为终端反馈信息的复杂度太高而无法准确的来确定相应的预编码矩阵进行预编码的问题。 

另外本发明技术方案中还包括用户调度的步骤，使得基站在发射信号时能动态的将最适合的空间资源分配给某个用户组合。 

本发明公开的多用户多输入输出MIMO预编码的系统中应用了本发明公开的方法，依据信道相位信息、信噪比参数确定预编码矩阵。本发明公开的系统通过第一获取单元，获取系统用户组合的信道质量标识CQI参数；通过选择单元，选择获取的CQI参数中最大CQI参数；通过确定单元，由最大CQI参数确定信噪比；通过第二获取单元，获取系统信道矩阵；通过计算单元，依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；通过生成单元，依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；通过处理单元，依据预编码矩阵对用户组合进行预处理。本发明公开的系统可以解决在多用户MIMO系统中因为终端反馈信息的复杂度太高而无法准确的来确定相应的预编码矩阵进行预编码的问题。 

附图说明

图1是本发明的一种多用户MIMO预编码的方法实施例的步骤流程图； 

图2本发明的方法在FDD中获取信道信息实施例的步骤流程图； 

图3是本发明的方法在TDD中获取信道信息实施例的步骤流程图； 

图4是本发明获取系统用户组合CQI参数的方法实施例的步骤流程图； 

图5是本发明获取系统信道矩阵的方法实施例的步骤流程图； 

图6是本发明的一种多用户MIMO预编码的系统实施例的结构示意图； 

图7是本发明的系统实现图2所示方法增加的单元实施例的结构示意图； 

图8是本发明的系统实现图3所示方法增加的单元实施例的结构示意图； 

图9是本发明的第一获取单元实施例的结构示意图； 

图10是本发明的第二获取单元实施例的结构示意图；

图11是本发明多用户MIMO预编码系统中信道容量随信噪比变化的示意图； 

图12是图11的局部放大图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

参照图1，示出了本发明一种多用户MIMO预编码的方法实施例的步骤流程图，具体可以包括如下步骤： 

步骤101，获取系统用户组合的CQI参数； 

步骤102，选择获取的CQI参数中最大CQI参数； 

步骤103，根据最大CQI参数确定信噪比； 

步骤104，获取系统信道矩阵，依据获取的信道矩阵生成单位矩阵； 

步骤105，依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵； 

步骤106，用预编码矩阵对用户组合进行预处理。 

在实施步骤101时，如何获取系统用户组合的CQI参数呢？获取方法请参考图4。图4示出了本发明获取系统用户组合CQI参数的方法实施例的步骤流程图，具体可以包括如下步骤： 

步骤401，进行用户调度，遍历用户组合； 

步骤402，获取系统用户组合的CQI参数。 

在确定了系统用户组合的CQI参数之后就可以确定最优用户组合。在步骤401中，进行用户调度的另一个目的是为了动态的将最适合的空间资源分配给某个用户组合，系统根据CQI的反馈、有待调度的数据量、UE能力等决定资源的分配，并通过控制信令通知用户。 

在用户调度的过程中每种用户组合就得到该组合的CQI参数，通过遍历的方法确定最优用户组合后，也就同时确定了该最优用户组合的CQI参数了。如步骤102、103所述，在获得了最优用户组合的CQI参数之后就可以确定信噪比(SNR)，SNR＝max(CQI₁，...CQI_K)，CQI₁...CQI_K就是获得的最优用户组合中的CQI参数，取CQI₁...CQI_K中的最大值，就可以得到SNR了。

在本发明的另一个优选实施例中，为了得到更准确的SNR值，在确定SNR的值时了降噪处理，具体可以通过公式表示出来： 

SNR＝max(CQI₁，...CQI_K)*(1+ξ)，0<＝ξ<＝K，其中K是依赖于同时参与调度的用户数量，可以实时调整，也可以定义一个经验值。例如根据图11、12所示，图11是信道容量随信噪比变化的示意图，横坐标是：1/SNR，纵坐标是：信道容量；图11中是针对2个用户，2根发送天线，每个用户一根天线的情况，我们可以根据图11所示，令K＝2，ξ＝2。当然，为了最大程度降低系统的复杂度，完全可以令ξ＝0，此时的性能与最优的ξ对应的最优的性能相比，损失非常小。 

在得到SNR值之后，我们还需要得到单位矩阵和信道矩阵，这样才能最后构建预编码矩阵。在实施步骤104时，获取系统信道矩阵的方法可以参考图5。 

图5是本发明获取系统信道矩阵的方法实施例的步骤流程图，该步骤具体可以包括： 

步骤501，获取信道相位信息； 

步骤502，对信道相位信息进行组合得到信道矩阵。 

对信道相位信息进行组合得到信道矩阵是一个常用的现有技术，在此不赘述。 

获取了信道矩阵之后，就可以确定单位矩阵，假设信道矩阵为H的话，那么单位矩阵I的大小与H*H^H的大小相同。在生成了单位矩阵I，信道矩阵H，信噪比之后，就可以构建预编码矩阵W；根据下列公式： 

W＝H^H*(H*H+1/SNR*I)^-1，可以得到预编码矩阵；然后用预编码矩阵对用户组合进行预处理。这样就完成了预编码的工作了。 

在FDD或TDD中使用本发明的预编码的方法，因为FDD、TDD的自身特点，使得在获取CQI、信道相位信息和用户调度所依据的信道信息来源有所区别，这些区别包括： 

参考图2，示出了本发明的方法在FDD中获取信道信息实施例的步骤流程图，包括如下步骤：

步骤201，基站发送下行导频信息； 

步骤202，终端利用所述下行导频信息进行信道估计； 

步骤203，终端向基站反馈信道信息； 

步骤204，基站接收反馈的信道信息。 

在步骤201中，基站可以通过专用的资源向小区中的用户广播导频信息。该导频信息的时频资源的位置、以及导频序列在发送端和接收端是已知的、相同的。 

在步骤204中，用户基于导频信息进行信道估计。由于上行反馈信道带宽受限，因此信道响应需要进行量化，然后将量化结果对应的索引反馈给基站。反馈信息还将包括CQI(channel quality indicator，信道质量标识)，由于量化后的信道仅包括信道相应的相位信息，因此CQI包括信道响应的幅度信息，包括大尺度衰落的幅度信息和小尺度衰落的幅度信息。 

在明确了本发明的预编码方法应用在FDD中的情况之后，可以通过一个在FDD中完整的信号传输过程来更清楚的进行理解，该完整的信号传输过程如下： 

1、基站向终端发送下行导频信息。基站通过专用的资源向小区中的用户广播导频信息。该导频信息的时频资源的位置、以及导频序列在发送端和接收端是已知的、相同的。 

2、信道估计及信道反馈。用户基于导频信息进行信道估计。由于上行反馈信道带宽受限，因此信道响应需要进行量化，然后将量化结果对应的索引反馈给基站。反馈信息还将包括CQI(channel quality indicator，信道质量标识)，由于量化后的信道仅包括信道相应的相位信息，因此CQI包括信道响应的幅度信息，包括大尺度衰落的幅度信息和小尺度衰落的幅度信息。 

3、基站根据信道信息进行多用户调度和预编码。进行MMSE预编码：W＝H^H*(H*H+1/SNR*I)^-1其中H是经过量化的信道相位信息，H中的列经过能量归一化，代表不同用户的信道响应，I是单位矩阵，大小与H*H^H相同。如果当前调度过程中尝试的用户组合是UE₁，...，UE_K，对应的SNR(CQI)为CQI₁，...，CQI_K，则MMSE预编码的参数SNR为：

SNR＝max(CQI₁，...，CQI_K)*(1+ξ)，0<＝ξ<＝K，其中K是依赖于同时参与调度的用户数量，可以实时调整，也可以定义一个经验值，例如根据图11、12所示，可以令K＝2，ξ＝2。当然，为了最大程度降低系统的复杂度，完全可以令ξ＝0，此时的性能与最优的ξ对应的最优的性能相比，损失非常小。 

4、下行数据和信令传输。基站利用MMSE预编码计算得到的加权系数，对调度到的用户数据进行预处理。相应的信令也一同进行传输。 

参考图3，示出了本发明的方法在TDD中获取信道信息实施例的步骤流程图，包括如下步骤： 

步骤301，终端向基站发送上行导频信息； 

步骤302，基站利用上行导频信息进行信道估计。 

为了更清楚的进行理解本发明的预编码方法应用在TDD中的情况，可以通过一个在TDD中完整的信号传输过程来了解，该完整的信号传输过程如下： 

1、终端向基站发送上行导频信息。 

2、信道估计。基站利用上行导频信息进行信道估计，并且利用信道的对称特性，将上行信道估计的结果作为下行信道响应。 

3、基站根据信道信息进行多用户调度和预编码。进行MMSE预编码：W＝H^H*(H*H+1/SNR*I)^-1其中H是经过量化的信道相位信息，H中的列经过能量归一化，代表不同用户的信道响应，I是单位矩阵，大小与H*H^H相同。如果当前调度过程中尝试的用户组合是UE₁，...，UE_K，对应的SNR(CQI)为CQI₁，...，CQI_K，则MMSE预编码的参数SNR为：SNR＝max(CQI₁，...，CQI_K)*(1+ξ)，0<＝ξ<＝K，其中K是依赖于同时参与调度的用户数量，可以实时调整，也可以定义一个经验值，例如根据图11、12所示，可以令K＝2，ξ＝2。当然，为了最大程度降低系统的复杂度，完全可以令ξ＝0，此时的性能与最优的ξ对应的最优的性能相比，损失非常小。 

4、下行数据和信令传输。基站利用MMSE预编码计算得到的加权系数，对调度到的用户数据进行预处理。相应的信令也一同进行传输。

参考图6，本发明还公开了一种多用户MIMO预编码的系统，该系统具体包括： 

第一获取单元601，用于获取系统用户组合的CQI参数； 

选择单元602，用于选择获取的CQI参数中最大CQI参数； 

确定单元603，用于根据最大CQI参数确定信噪比； 

第二获取单元604，用于获取系统信道矩阵； 

计算单元605，用于依据获取的信道矩阵生成单位矩阵； 

生成单元606，用于依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵； 

处理单元607，用于依据预编码矩阵对用户组合进行预处理。 

当第一获取单元获取到系统的用户组合的CQI参数之后，选择单元就在获取的用户组合的CQI参数中找出最大的CQI参数，然后，确定单元依据找出的最大CQI参数确定信噪比；同时第二获取单元获取系统信道矩阵，计算单元依据获取的信道矩阵计算单位矩阵；生成单元依据单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；处理单元，依据生成的预编码矩阵对用户组合进行预处理。 

图6所述的系统中，应用在FDD系统时，还需要增加相应的单元，具体增加的单元可以参考图7。图7示出了本发明的系统实现图2所示方法增加的单元实施例，具体包括： 

第一发射单元701，用于从基站发送下行导频信息； 

第一估计单元702，用于终端接收从基站发送的下行导频信息并进行信道估计； 

第一反馈单元703，用于终端向基站反馈信道信息； 

第一接收单元704，用于基站接收反馈的信道信息。 

图6所述的系统中，应用在TDD系统时，也需要增加相应的单元，具体增加的单元可以参考图8。图8示出了本发明的系统实现图3所示方法增加的单元实施例，具体包括： 

第二发送单元801，用于终端向基站发送上行导频信息；

第二估计单元802，用于基站利用上行导频信息进行信道估计。 

图6所述的系统中，第一获取单元601还可以包括如图9所示的子单元。参考图9，示出了本发明的第一获取单元实施例的结构示意图，第一获取单元601包括： 

用户调度子单元901，用于进行用户调度； 

第一组合子单元902，用于遍历用户组合； 

第一获取子单元903，获取系统用户组合的CQI参数。 

图6所述的系统中，第二获取单元604还可以包括如图10所示的子单元。 

参考图10，示出了本发明的第二获取单元实施例的结构示意图，第二获取单元604包括： 

第二获取子单元1001，用于获取信道相位信息； 

第二组合子单元1002，对信道相位信息进行组合得到信道矩阵。 

在CMMB中也可以根据实际的情况使用本发明公开的方法和系统，在CMMB中应用的具体实施例如下： 

本发明的另一个实施例中公开了一种用于CMMB中的预编码方法，包括如下步骤： 

获取系统用户组合的CQI参数；选择获取的CQI参数中最大CQI参数；根据最大CQI参数确定信噪比；获取系统信道矩阵，依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；用预编码矩阵对用户组合进行预处理。 

本发明的另一个实施例中还公开了一种用于CMMB中预编码的系统，包括： 

第一获取单元，用于获取系统用户组合的CQI参数；选择单元，用于选择获取的CQI参数中最大CQI参数；确定单元，用于根据最大CQI参数确定信噪比；第二获取单元，用于获取系统信道矩阵；计算单元，用于依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；生成单元，用于依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；处理单元，用于依据预编码矩阵对用户组合进行预 处理。 

本说明书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。对于一种多用户MIMO预编码的系统以及用于CMMB中的预编码方法和用于CMMB中预编码的系统实施例而言，由于其与一种多用户MIMO预编码的方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

以上对本发明所提供的一种多用户MIMO预编码的方法及系统和一种用于CMMB中的预编码方法及用于CMMB中预编码的系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种多用户多输入输出MIMO预编码的方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取系统用户组合的信道质量标识CQI参数；

选择获取的CQI参数中最大CQI参数；

将最大CQI参数作为信噪比；

获取系统信道矩阵，依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；

依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；

用预编码矩阵对用户组合进行预处理；

其中，所述获取系统用户组合的CQI参数包括如下步骤：

进行用户调度，遍历用户组合；

获取系统用户组合的CQI参数；

其中，所述依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵具体为：

W＝H^H*(H*H+1/SNR*I)^-1

其中，I为所述单位矩阵，H为所述信道矩阵，SNR为所述信噪比，W为所述预编码矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将最大CQI参数作为信噪比还包括修正步骤，修正步骤如下：

引入预置参数；

依据预置参数对最大CQI参数进行修正；

所述预置参数范围大于或等于1，小于或等于同时参与调度的用户数量加1之和。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取系统信道矩阵包括如下步骤：

获取信道相位信息；

对信道相位信息进行组合得到信道矩阵。

4.根据权利要求1-3所述的任一项方法，其特征在于，所述获取系统用户组合的CQI参数之前还包括如下步骤：

基站发送下行导频信息；

终端利用所述下行导频信息进行信道估计；

终端向基站反馈信道信息；

基站接收终端反馈的信道信息。

5.根据权利要求1-3所述的任一项方法，其特征在于，所述获取系统用户组合的CQI参数之前还包括如下步骤：

终端向基站发送上行导频信息；

基站利用上行导频信息进行信道估计。

6.一种多用户多输入输出MIMO预编码的系统，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于获取系统用户组合的信道质量标识CQI参数；

选择单元，用于选择获取的CQI参数中最大CQI参数；

确定单元，用于将最大CQI参数作为信噪比；

第二获取单元，用于获取系统信道矩阵；

计算单元，用于依据获取的信道矩阵生成单位矩阵；

生成单元，用于依据所述单位矩阵、信道矩阵、信噪比生成预编码矩阵；

所述生成预编码矩阵具体为：W＝H^H*(H*H+1/SNR*I)^-1，其中，I为所述单位矩阵，H为所述信道矩阵，SNR为所述信噪比，W为所述预编码矩阵；

处理单元，用于依据预编码矩阵对用户组合进行预处理；

其中，所述第一获取单元包括：

用户调度子单元，用于进行用户调度；

第一组合子单元，用于遍历用户组合；

第一获取子单元，获取系统用户组合的CQI参数。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二获取单元包括：

第二获取子单元，用于获取信道相位信息；

第二组合子单元，对信道相位信息进行组合得到信道矩阵。

8.根据权利要求6-7所述的任一项系统，其特征在于，还包括：

第一发射单元，用于从基站发送下行导频信息；

第一估计单元，用于终端利用所述下行导频信息进行信道估计；

第一反馈单元，用于终端向基站反馈信道信息；

第一接收单元，用于基站接收终端反馈的信道信息。

9.根据权利要求6-7所述的任一项系统，其特征在于，还包括：

第二发送单元，用于终端向基站发送上行导频信息；

第二估计单元，用于基站利用上行导频信息进行信道估计。

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