CN100384190C - 一种用于mc-cdma系统自适应调制的比特和功率分配算法 - Google Patents

Abstract

一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，用于设计MC-CDMA系统中的自适应调制方案。算法首先采用连续划分的方式划分扩频支路，对应于每个扩频支路，有一个“等效子载波”。然后，根据各子载波的信道增益，计算“等效子载波”的等效信道增益幅值。最后，利用贪婪分配算法对各“等效子载波”进行比特和功率的分配。本发明算法复杂度很低，在系统数据速率和误码率一定的条件下，能大大降低所需发射信号功率，适合实际当中的应用。

Description

一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法

技术领域

本发明是一种用于MC-CDMA系统的比特和功率分配算法。用途是在MC-CDMA系统中，为各扩频支路分配比特和功率，从而确定各个扩频支路的调制方式和发射信号的平均功率，属于多载波CDMA通信系统中的自适应技术领域。

背景技术

MC-CDMA(Multi-Carrier Code Division Multiplexing Access，多载波码分多址接入)是一种将正交频分复用(OFDM)与码分多址(CDMA)相结合的技术。其基本思想是采用多个正交子载波来传递CDMA信号。它一方面吸收了OFDM技术频谱利用率高、低速并行处理数据、抗多径干扰等优点，一方面又兼具CDMA技术带来的容量以及频率分集的高性能增益。目前，这种技术已经引起了广泛的关注，并将为下一代无线通信系统(Beyond 3G)提供一个很好的解决方案。

自适应调制技术是一种随着信道条件的变化、系统自动改变调制方式和信号发射功率的技术。它能够有效提高系统的传输速率以及传输的可靠性。目前，已经有很多文献提出了多种用于OFDM系统的自适应比特和功率分配方法。这些方法中有的是在总发射功率和系统误码率一定的条件下，使系统传输速率达到最大；有的则是在系统传输速率和误码率一定的条件下，使系统所需要的总发射功率最小。而用于MC-CDMA系统的自适应比特和功率分配算法则比较少。

在MC-CDMA系统中，我们把携带相同数据符号的一组子载波称为一个扩频支路，该扩频支路完成对调制后的信号在频域进行扩频的功能。由于同一扩频支路中，各个子载波携带的是相同的数据信息，因此在进行比特和功率分配时，我们可以把一个扩频支路看作是一个分配对象，用一个“等效子载波”来代表一个扩频支路，为各个扩频支路确定合适的调制方式和信号功率。该等效子载波所经历的等效信道增益，是该扩频支路中的各个子载波所经历的信道增益的函数。这样一来，在MC-CDMA系统中进行比特和功率分配，就类似于在OFDM系统中对各个子载波进行比特和功率的分配。其自适应比特和功率分配算法，也可以借鉴OFDM系统中的自适应比特和功率分配算法。

对于实际应用中的一些通信业务，如多媒体音频、视频业务，所要求的数据传输速率是固定的。同时，为满足服务质量要求，系统误码率必须低于一定的值。对于这些固定速率的通信业务，比特和功率分配的目标是，在一定的数据速率和误码率的要求下，使通信系统所需要的发射功率最小。本发明正是针对这些固定速率的通信业务而设计的。

贪婪分配算法是一种适用于固定数据速率的多载波系统的常用的比特和功率分配方法。这种方法能达到最优的比特和功率分配结果。它的主要思想是，首先设置所有子载波比特数目为零，然后把所有待分配比特，依次分配给子载波。每次分配时，首先找到所需增加功率最小的那个子载波，然后给该子载波分配一个或多个比特。每次分配的比特数目(比特分配步长)由系统调制方式决定。这样循环下去，直到所有的比特被分配完毕。最后计算各个子载波保证一定的误码率时所需要的发射功率。基于贪婪分配算法的比特和功率分配算法最初被用于OFDM系统，但是，采用了“等效子载波”的概念后，我们也可以将这个算法用于MC-CDMA系统中。

发明内容

本发明是一种用于MC-CDMA通信系统的自适应比特和功率分配算法。本发明的目的是根据不同时刻的信道条件，为MC-CDMA通信系统中的各扩频支路确定最佳的调制方式和信号平均功率。该算法的优化目标为：在系统数据速率和误码率一定的条件下，确定各个扩频支路最优的比特数目，使系统所需要的总的发送功率最低。该优化目标及约束条件可简述如下：

优化目标： $\underset{b_j\∈D}{\min }\underset{j=1}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{P}_j\left(b_j\right)$

约束条件： $\underset{j=1}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j=R_b,$ P_j(b_j)≥0，b_j≥0

其中M_S为扩频支路的数目，b_j为第j个“等效子载波”被分配的比特数，P_j(b_j)是传送b_j比特所需要的发射功率，R_b是每个发送符号所包含的比特数目(即每次分配过程中待分配的比特数目)，集合D＝{0，1，2，...，l}是b_j的可取值，min表示取最小值。

首先说明算法描述中用到的一些参数的物理意义：

N_C——MC-CDMA系统中的子载波总数

R_b——每个发送符号所包含的比特数目(每次分配过程的待分配比特总数)

N_S——MC-CDMA系统中扩频支路的数目

p——MC-CDMA系统中的扩频因子

R_b ^*——实际所需要进行分配的比特总数(R_b ^*＝R_b/p)

c_m ^k——第k个用户在第m个子载波上对应的扩频码

P_j——第j个“等效子载波”所需要的信号平均发射功率

H_m——第m个子载波所经历的信道增益

|H_j ^～|——第j个“等效子载波”的等效信道增益的幅值

σ_nm ²——第m个子载波所经历高斯白噪声的方差

SNR_(接收)——接收端的信噪比

用于MC-CDMA系统的贪婪分配算法的主要步骤可以简述为：首先，根据系统扩频支路的数目N_S，将所有子载波连续划分为N_S组，每一组子载波为一个扩频支路，对应有一个“等效子载波”。其次，根据信道估计得到的各子载波所经历信道的信道增益矩阵H，计算得到各个“等效子载波”的等效信道增益的幅值|H_j ^～|。然后，应用贪婪分配算法，将R_b/p个比特分配给N_s个“等效子载波”。分配时，应用公式

(其中SNR_(接收)是接收端的信噪比，σ_nm ²是第m个子载波所经历高斯白噪声的方差，|H_j ^～|是第j个“等效子载波”的等效信道增益的幅值)计算每个“等效子载波”所需要的信号平均发射功率。最后，根据每个扩频支路被分配的比特数和功率，确定各个扩频支路的调制方式和信号平均发射功率。

用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法的流程图，如说明书附图中的图1所示。

下面对MC-CDMA系统中的贪婪分配算法的各个步骤进行详细说明。

首先，根据系统扩频支路的数目N_S，将所有子载波连续划分为N_S组，每组即为一个扩频支路。系统中扩频支路的数目，是由系统根据其应用环境所采用的扩频码以及总的子载波数来决定的：N_s＝N_c/p。划分扩频支路采取的是连续划分的方式，即从第一个子载波开始，相邻的p个子载波划分为一个扩频支路，共有N_S个扩频支路。采用这样的划分方式是因为，按照最优的比特和功率分配算法进行分配时，那些信道增益的幅值非常接近的子信道，最终很有可能被分配相同的比特数目。而相邻子载波的信道特性非常接近，通常相邻的p个子载波的带宽之和是小于或者接近相关带宽的。这样，它们被分配相同的比特数目就会非常接近最优的情况。同时，对于每个扩频支路，用一个扩频支路“等效子载波”来代表此扩频支路中的任意一个子载波。划分扩频支路的方式如说明书附图中图2所示。

其次，为每个扩频支路生成一个“等效子载波”。具体方式是：根据信道估计得到的各子载波所经历信道的信道增益矩阵H，计算得到“等效子载波”的等效信道增益的幅值|H_j ^～|(j＝1，2，L，N_S)。

在MC-CDMA系统中，接收端要对每个扩频支路的各子载波上的信息进行合并，不同的合并方式有不同的合并系数。从接收端看，合并后得到信息的信道增益不再是简单的H_m。本算法是这样来计算等效信道增益的幅值的：通过信道估计得到各子载波所经历信道的信道增益矩阵H后，应用

$\left|H_j^{~}\right|=\frac{p}{{\left(\underset{m=(j-1)*p+1}{\overset{j*p}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\left|H_m\right|}^2}\right)}^{1/2}}$

得到第j个扩频支路的“等效子载波”的等效信道增益的幅值|H_j ^～|。然后，根据等效信道增益幅值的表达式，接收端选择与之对应的合并系数—— $q_m=c_m^k{H}_m^{*}/{\left|H_m\right|}^2$ (若解扩与合并单独进行，则 $q_m=H_m^{*}/{\left|H_m\right|}^2$ )进行合并。

得到“等效子载波”后，应用贪婪分配算法，将R_b/p个比特分配给N_s个“等效子载波”，并计算每个“等效子载波”所需要的信号平均发射功率。

得到“等效子载波”的等效信道增益后，比特和功率分配是在各“等效子载波”上进行的。由于同一扩频支路中，各子载波被分配的比特数是相同的，所以实际上所要需要分配的比特数目减少为R_b ^*＝R_b/p。对扩频支路上各子载波进行功率分配时，采取的是等功率分配方案，即同一扩频支路中的各子载波信号被分配相同的信号平均发射功率。因此，每个扩频支路所对应的“等效子载波”，其比特和功率分配信息完全代表了此扩频支路中各个子载波的分配信息。

按照贪婪分配算法进行比特分配时，考虑实际系统中采用的调制方式为正交幅度调制(QAM，Quadrature Amplitude Modulation)。比特分配过程中，应用

计算第j个“等效子载波”发送b_j个比特所需要的信号平均功率P_j时，按照下式计算

$P_j\left(b_j\right)=\frac{S\·(2^{b_j}-1)\·{\mathrm{\σ}}_{n_m}^2}{{\left|H_j^{~}\right|}^2}---\left(I\right)$

其中S是一个常数，仅由系统的目标误码率决定。不同目标误码率下的S值，可以参照下表选择

BER	10<sup>-2</sup>	10<sup>-3</sup>	10<sup>-4</sup>	10<sup>-5</sup>	10<sup>-6</sup>	10<sup>-7</sup>
							S	1.9	3.3	4.8	6.2	7.7	9.1

按照贪婪分配算法分配比特时，需要确定比特分配步长和子信道所允许的最大比特数目。这些由实际系统中可用的调制方式决定。例如，如果系统所有可用调制方式为{0，BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，32QAM，64QAM，128QAM}(其中0表示该子信道不发送信号)，那么它们对应的每个调制后的符号包含的比特数分别为0、1、2、3、4、5、6、7，因此比特分配步长为1，每个子信道的最大比特数目为7。类似的，如果系统所有可用调制方式为{0，QPSK，16QAM，64QAM}，那么它们对应的每个调制后的符号包含的比特数分别为0、2、4、6，比特分配步长为2，每个子信道的最大比特数目为6。

在每个“等效子载波”上，按照贪婪分配算法进行比特分配的过程如下：

1.进行初始化，设置所有“等效子载波”当前被分配的比特数目为0。即令b_j＝0，j＝1，2，...N_S。计算待分配比特的数目R_b ^*＝R_b/p。

2.分别计算每个“等效子载波”增加d个比特时，所需要增加的平均发射功率ΔP_j(这里d为比特分配的步长，由实际系统所采用的调制方式决定)，计算按照下式进行

${\mathrm{\ΔP}}_j=\left\{\begin{array}{cc}{P}_j(b_j+d)-P_j\left(b_j\right),& (b_j+d\≤l)\\ 0,& (b_j+d>l)\end{array}\right.$

其中j＝1，2，...N_S，l为每个子信道所能被分配的比特数目的最大值(由实际系统中采用的最高阶的调制方式决定)。P_j(b_j)表示第j个“等效子载波”每符号传输b_j个比特时，所需要的信号平均功率，按照(I)式计算。

3.比较所有的ΔP_j，找到功率增量值最小、且不为零的“等效子载波”j^*，将该“等效子载波”当前被分配的比特数增加d。即

$b_{j^{*}}=b_{j^{*}}+d$

4.计算当前分配的比特总数 $R_{\mathrm{tot}}=\underset{j=1}{\overset{N_S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_j.$ 如果 $R_{\mathrm{tot}}<R_b^{*},$ 更新3中找到的那些比特数发生改变的“等效子载波”的ΔP_j，返回第3步。如果 $R_{\mathrm{tot}}=R_b^{*},$ 则所有的待分配比特均已分配完毕，比特分配过程结束。

所有比特分配完毕后，分别计算每个“等效子载波”所需要的信号平均发射功率，按照(1)式来计算。

至此，比特和功率的分配过程全部结束。

最后，MC-CDMA系统根据每个支路被分配的比特数和功率选择相应的调制方式进行调制。然后经过扩频，将“等效子载波”上的信号复制到扩频支路的各子载波上。再经过IFFT变换、串并变换、加循环前缀等工作，将得到的符号调制到射频上，发射到信道中进行传输。

整个比特和功率分配过程的主要步骤可归纳如下：

第一步，根据系统扩频支路的数目N_S，将所有子载波连续划分为N_S组。

第二步，根据信道估计得到的各子载波所经历信道的信道增益矩阵H，计算“等效子载波”的等效信道增益的幅值。

第三步，对N_s个“等效子载波”进行比特和功率的分配，过程如下：

(1)进行初始化，设置所有“等效子载波”当前被分配的比特数目为0

(2)分别计算每个“等效子载波”增加d个比特时，所需要增加的平均发射功率

(3)找到功率增量值最小、且不为零的“等效子载波”，将该“等效子载波”当前被分配的比特数增加d。

(4)计算当前分配的比特总数，若R_tot＜R^*，则更新功率增量值，返回(3)；若 $R_{\mathrm{tot}}=R_b^{*},$ 则比特分配过程结束

(5)分别计算每个“等效子载波”所需要的信号平均发射功率。

比特和功率的分配过程结束。

本发明最大的特点是，将贪婪分配算法应用于MC-CDMA系统，实现了数据速率和误码率一定的条件下系统的自适应调制。本发明的最大优点是，在系统数据速率和误码率一定的条件下，能够大大减小发射功率，有效得节省了能源。同时算法本身非常简单，复杂度很低，有效的减少了运算时间，适合在实际中应用。

附图说明

图1是本发明提出的用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法的流程图。

图2是划分扩频支路的示意图。

具体实施方式

在FDD(频分双工)通信系统中，本发明可以放在基站端来实现、作为发射机功能的一部分，也可以放在接收端来实现、作为接收机功能的一部分。(注：当接收机发射数据、发射机接收数据时，这里所说的发射机和接收机角色互换。)

如果本发明放在基站端来实现，基站端首先发送导频信号，接收端接收到导频信号后，对所有子信道的信道增益进行估计，同时估计各子信道噪声功率值。估计完成之后，接收端把这些估计信息反馈到基站端。基站端解调出这些信道信息之后，即进行比特和功率的分配。确定各子信道的调制方式和信号发射功率，然后对各子信道的数据进行调制、功率调整，将信号发送到信道中。同时，基站端还要把比特和功率的分配结果发送到接收端(采用接收端已知的信号格式)。接收端首先解调出比特和功率的分配结果、得到自适应调制参数的信息，然后对接收到的自适应调制信号进行解调。在解扩合并时，所采用的合并系数是由算法决定的，由基站端一次性发送给接收端。

如果本发明放在接收端来实现，基站端首先发送导频信号，接收端接收到导频信号后，对所有子信道的信道增益和各子信道噪声功率值进行估计。估计完成之后，接收端根据这些信道估计信息，进行比特和功率的分配，确定基站端发送信号时各子信道的需要采用的调制方式和信号功率，然后把比特和功率分配的结果反馈给基站端(采用发送端已知的信号格式)。基站端根据接收端反馈回来的比特和功率分配结果，对各子信道的数据进行调制、功率调整，将信号发送到信道中。接收端接收到信号后，即可以对接收到的信号进行正确解调(此时接收端对自适应调制参数的信息是已知的)。此时合并系数在接收端是已知的。

在TDD(时分双工)通信系统中，除了可以采用与FDD系统相同的应用方式之外，还可以采用如下的工作方式：基站端首先根据从接收端发送过来的数据信号或者导频信号，对信道进行估计，得到各子信道的增益值和噪声功率。然后进行比特和功率的分配，确定发送信号时各子信道需要采用的调制方式和信号功率。然后按照分配结果，调制和发射信号。同时，基站端也要把自适应调制的信息发送到接收端(采用接收端已知的信号格式)，使接收端能够正确解调信号。解扩合并时所采用的合并系数也是由基站端一次性发送给接收端。

比特和功率自适应调整的周期应根据实际信道变化的快慢来优化选取。

扩频支路的数目N_S，一般来说是由系统本身决定的。应该根据在不同应用环境下，实际系统的硬件复杂度要求来确定。因为扩频码的长度要大于用户的个数，一般为16，32，64等2的整数次幂。在满足这个条件的前提下，根据硬件复杂度和应用环境的信道状况选择适当的扩频因子，使得扩频因子与子载波带宽的乘积与信道的相关带宽相近，从而确定N_S。

接收端的合并方式可以是固定的，也可以是可变的。如果合并方式可变，则导频信息中应包括接收端所采用的合并方式信息。自适应调制时根据不同的合并方式选择不同的合并系数。

下面结合一个例子来说明本算法的自适应调制过程。

一个MC-CDMA系统的主要参数如下：

数据速率	10M bit/s
		子载波数目N<sub>C</sub>	16
扩频码长p	4
		目标误码率	10<sup>-3</sup>
每次分配比特总数R<sub>b</sub>	64
		可选调制方式	0，4QAM，16QAM，64QAM

考虑该系统在开阔的室内环境中的应用。经过信道估计得到每个子载波上的噪声功率为-10dBm，16个子载波所对应的信道增益分别为：

H<sub>1</sub>	H<sub>2</sub>	H<sub>3</sub>	H<sub>4</sub>
				-0.60+0.24i	-1.20+0.01i	-0.05+2.22i	0.65+1.33i
H<sub>5</sub>	H<sub>6</sub>	H<sub>7</sub>	H<sub>8</sub>

0.87+0.41i	0.09+0.98i	0.81+131i	0.23-1.02i
				H<sub>9</sub>	·H<sub>10</sub>	H<sub>11</sub>	H<sub>12</sub>
-0.40-0.20i	-0.83+0.66i	0.27+0.48i	0.13+0.14i
				H<sub>13</sub>	H<sub>14</sub>	H<sub>15</sub>	H<sub>16</sub>
0.32+1.30i	-0.22+0.10i	-0.09+0.2i	-0.64+0.54i

将16个子载波连续划分为N_s＝N_c/p＝16/4＝4个扩频支路，每一个扩频支路相对应的“等效子载波”的等效信道增益幅值，可以由 $\left|H_j^{-}\right|=\frac{p}{{\left(\underset{m=(j-1)*p+1}{\overset{j*p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{\left|H_m\right|}^2}\right)}^{1/2}}$ 计算得出。这4个“等效子载波”的等效信道增益幅值如下：

$\left|H_1^{~}\right|=\frac{4}{{\left(\underset{m=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{\left|H_m\right|}^2}\right)}^{1/2}}=2.07$

$\left|H_2^{~}\right|=\frac{4}{{\left(\underset{m=5}{\overset{8}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{\left|H_m\right|}^2}\right)}^{1/2}}=2.15$

$\left|H_3^{-}\right|=\frac{4}{{\left(\underset{m=9}{\overset{12}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{\left|H_m\right|}^2}\right)}^{1/2}}=0.68$

$\left|H_4^{-}\right|=\frac{4}{{\left(\underset{m=13}{\overset{16}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{\left|H_m\right|}^2}\right)}^{1/2}}=0.73$

对这4个“等效子载波”，应用贪婪分配算法进行比特和功率的分配。实际上所需分配的比特数目减少为R_b ^*＝R_b/p＝16，应用公式

计算每个“等效子载波”所需要的信号平均发射功率。得到的比特和功率分配结果如下表：

同一扩频支路中的各子载波信号被分配相同的信号平均发射功率。经过扩频，将分配结果复制到各子载波上，可以得到各子载波的调制方式以及信号平均发射功率为：

子载波序号	1	2	3	4	5	6	7	8
									调制方式	64QAM	64QAM	64QAM	64QAM	64QAM	64QAM	64QAM	64QAM
发射功率(dBm)	6.85	6.85	6.85	6.85	6.51	6.51	6.51	6.51
									子载波序号	9	10	11	12	13	14	15	16
调制方式	4QAM	4QAM	4QAM	4QAM	4QAM	4QAM	4QAM	4QAM
									发射功率(dBm)	3.37	3.37	3.37	3.37	2.73	2.73	2.73	2.73

Claims (7)

1.一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，其主要步骤可以简述为：首先，根据系统扩频支路的数目N_S，将所有子载波连续划分为N_S组，每一组子载波为一个扩频支路，对应有一个“等效子载波”；其次，根据信道估计得到的各子载波所经历信道的信道增益矩阵H，按照 $\left|H_j^{~}\right|=p/{\left(\underset{m=(j-1)*p+1}{\overset{j*p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{{\left|H_m\right|}^2}\right)}^{1/2}$ 计算得到各个“等效子载波”的等效信道增益的幅值，其中|H_j ^～|是第j个“等效子载波”的等效信道增益的幅值，H_m是第m个子载波所经历的信道增益，p是MC-CDMA系统中的扩频因子并且等于N_C/N_S，N_C是MC-CDMA系统中的子载波总数；然后，应用贪婪分配算法，将R_b/p个比特分配给N_S个“等效子载波”，其中R_b是每个发送符号所包含的比特数目；分配时，

应用公式

计算每个“等效子载波”所需要的信号平均发射功率，其中SNR_(接收)是接收端的信噪比，σ_nm ²是第m个子载波所经历高斯白噪声的方差；最后，根据每个扩频支路被分配的比特数和功率，确定各个扩频支路的调制方式和信号平均发射功率，并通过扩频，将“等效子载波”上的信号复制到扩频支路的各子载波上。

2.根据权利要求1所述的一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，其特征在于：首先，根据系统扩频支路的数目N_S，将所有子载波连续划分为N_S组，每一组子载波为一个扩频支路；即从第一个子载波开始，相邻的p个子载波划分为一个扩频支路，共有N_S个扩频支路。

3.根据权利要求1所述的一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，其特征在于：根据等效信道增益幅值的表达式，接收端选择与之对应的合并系数—— $q_m=c_m^k{H}_m^{*}/{\left|H_m\right|}^2,$ 如果若解扩与合并单独进行，选择 $q_m=H_m^{*}/{\left|H_m\right|}^2$ 进行合并，其中H_m是第m个子载波所经历的信道增益，H_m ^*表示H_m的共厄，k表示第k个用户，c_m ^k表示第k个用户在第m个子载波上对应的扩频码。

4.根据权利要求1所述的一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，其特征在于：得到“等效子载波”的等效信道增益的幅值后，比特和功率分配是在各“等效子载波”上进行的。

5.根据权利要求1所述的一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，其特征在于：由于同一扩频支路中，各子载波被分配的比特数是相同的，所以实际上所要需要分配的比特数目减少为 $R_b^{*}=R_b/p.$

6.根据权利要求1所述的一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，其特征在于：对扩频支路上各子载波进行功率分配时，采取的是等功率分配方案，即同一扩频支路中的各子载波信号被分配相同的信号平均发射功率。

7.根据权利要求1所述的一种用于MC-CDMA系统自适应调制的比特和功率分配算法，其特征在于：每个扩频支路所对应的“等效子载波”，其比特和功率分配信息完全代表了此扩频支路中各个子载波的分配信息。

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