CN101411108B - 在ofdm系统中同步接收机的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在正交频分复用(OFDM)系统中同步接收机的方法和系统。该方法包括将接收信号由时域变换(105)到频域，以产生变换后的信号。该方法进一步包括基于对应的音调调索引在频域中旋转(110)变换后信号的每个测距音调集合，以产生相位旋转频域接收的测距音调集合，其等同于时域偏移测距信号。以预先确定的延迟值集合来重复地旋转每个测距音调，并且该预定的延迟值集合中的每个延迟值的范围是从0到一预定时间延迟。该方法还包括基于该相位旋转频域接收的测距音调集合，来计算(115)与预定的该延迟值集合内的每个延迟值相对应的检测度量。

Description

在OFDM系统中同步接收机的方法和系统

技术领域

本发明通常涉及通信系统，更具体地涉及在正交频分复用(OFDM)通信系统中的接收机以及接收机功能。

背景技术

现有OFDM系统要求一种方法来检测由非静止或工作于大小区半径的小区中的发射机所进行的初始发送。初始检测之后，对接收信号应用多重转换来估计定时偏移。这些OFDM系统中的多重转换将音调索引(tone index)与时域中变换后的接收信号的定时偏移进行相关(corelate)。该转换以及时域内的相关(correlation)可对接收信号实现接收机的粗同步然后，可以周期性地检查定时偏移。

附图说明

附图中，相同的标号指代各视图中同样的或功能相似的元素。附图以及以下详细说明被合并进并构成说明书的一部分，并用于进一步图解说明各种具体实施例以及解释根据本发明实施例的各种原理和优势。

图1是根据本发明具体实施例的正交频分复用(OFDM)系统中同步接收机的方法的流程图。

图2是根据本发明另一个具体实施例的OFDM系统中同步接收机的方法的流程图。

图3是根据本发明又一个具体实施例的OFDM系统中同步接收机的方法的流程图。

图4是根据本发明另一个具体实施例的估计定时偏移校正的方法的流程图。

图5是根据本发明具体实施例的估计频率偏移的方法的流程图。

图6是根据本发明具体实施例的估计频率偏移校正的方法的流程图。

图7是根据本发明具体实施例的接收机框图。

本领域技术人员明白为了简化和清楚期间，图中的元件是示意性的，并不一定是按比例绘制。例如，图中某些元素的尺寸可以相对于其他元素而放大，以帮助理解本发明实施例。

具体实施方式

在具体描述根据本发明的具体实施例之前，应注意具体实施例主要属于与在正交频分复用(OFDM)系统中同步接收机有关的方法步骤和设备组件的组合。因此，设备组件和方法步骤在附图中用常规符号适当地表示，只显示了那些与理解本发明具体实施例相关的特殊细节，以免使得带有本领域普通技术人员所显而易见的细节和此处所述优点的公开内容不明显

在该文档中，比如第一和第二、顶部和底部等的关系术语可仅用于将一个实体或动作区别于另一个实体或动作，而不必要求或意味着这些实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或它们的任何其它变形仅意在覆盖一个非排他性的涵盖范围，以使得包括一系列元件的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元件，还包括没有明确列出的或该过程、方法、物品或装置所固有的元件。在没有更多约束条件的情况下，一个前面是“包括……一”的元件并不排除包括该元件的过程、方法、物品或装置中存在另外的相同元件。

应理解在这里描述的本发明的实施例可包括一个或多个传统的处理器以及所存储的独特的程序指令，该指令与特定的非处理器电路一起控制该一个或多个处理器来实施此处描述的OFDM系统的一些，多数，或者所有功能。该非处理器电路可包括，但不局限于无线接收器、无线发射器、信号驱动器、时钟电路、电源电路和用户输入设备。这样，这些功能可被解释为一种OFDM系统中同步接收机的方法的步骤。可选地，可以由不具有所存储的程序指令的状态机(state machine)来实施一些或全部的功能，或在一个或多个专用集成电路(ASIC)中，每个功能或这些功能中一些特定功能的组合被作为定制逻辑电路来实施。当然，也可使用这两种方式的组合。因此，已经在此描述了用于这些功能的方法和装置。此外，所期望的是对一名普通技术人员来说，尽管例如可用时间、当前技术和经济考虑可能会引起花费巨大的努力和许多的设计选择，但当其被在此所揭露的概念和原理所引导时，其将很容易地能够通过最少的实验来产生这种软件指令和程序以及IC。

本发明提供一种OFDM系统中同步接收机的方法和系统。该方法包将接收信号由时域变换到频域，以产生变换后的信号。该方法进一步包括基于对应的音调索引在频域中旋转变换后的信号的每个测距音调集合(ranging tone)，以产生相位旋转频域接收测距音调集合(phase-rotated frequency domain received ranging tones)，其等同于时域移位测距信号(time domain shifted ranging signals)。以预先确定的延迟值集合重复地旋转每个测距音调，并且该预定延迟值集合中的每个延迟值的范围是从0到预定时间延迟。该方法还包括基于相位旋转频域接收的测距音调集合，来计算(115)与预定的该延迟值集合内的每个延迟值相对应的检测度量(detection metric)。

图1是根据本发明具体实施例在OFDM系统中同步接收机的方法的流程图。在步骤105，接收信号被从由时域变换到频域。在本发明的一个实施例中，接收信号是下行链路信号。在本发明的另一个实施例中，接收信号是上行链路信号。

利用快速傅立叶变换(FFT)将接收信号从时域变换到频域。在本发明的一个示意性实施例中，可根据(1)计算128个音调的样本“S”集合(a sample‘S’set of 128 tones)的FFT(这里应该注意为了说明的目的，在以下例子中使用的OFDM系统具有FFT大小128，CP长度16，用于测距处理的5个OFDM符号，以及5个接入序列，其中每个序列利用16音调进行QPSK调制。因此，N＝128，Nsym＝5，CP＝16以及16个音调的5个集合(5 sets of 16-tone)被用于这个例子。然而，这些值可随不同的OFDM系统而不同。)

其中，

offset＝0...(N+CP-1)；采样-间隔搜索偏移

v＝1…N(N＝128个音调)；

σ＝1…N_sym(N_sym＝5个符号)；

c＝1…CP(CP＝16个采样)；并且

作为结果，产生每符号每偏移的N个音调的集合

。进一步，六个接收机可共享128个音调并可保持保留一个音调组(tone group)。每个音调组构成一个特征(signature)(i)，每个接收机可利用每特征的16个音调(k)。因此，利用以下解映射(unmapping)函数来减少该128个音调的集合并将其解映射到16个音调的5个集合。

${\tilde{s}}_{(i,\mathrm{offset},\mathrm{\σ},k)}=\mathrm{UNMAP}({\tilde{s}}_{(\mathrm{offset},\mathrm{\σ},v)}.i)---\left(2\right)$

其中，UNMAP是用于将128个音调解映射为16个音调的5个集合的函数。此外，如果接收到的采样具有基本上理想的排列，并且在逐个偏移(offset-by-offset)的基础上实现FFT，则利用公式(3)来进行非相干解调： ${\mathrm{nc}}_{\mathrm{met}(i,\mathrm{offset})}=\underset{\mathrm{\σ}=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{16}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{s}}_{(i,\mathrm{offset},\mathrm{\σ},k)}{\left[x_{(i,\mathrm{\σ},k)}\right]}^{*}---\left(3\right)$

其中，x_(i，σ，k)是频域接入序列(例如，这里假设这个序列是信号i，符号σ，音调k的正交相移键控(QPSK)调制符号向量)。从FFT获得的输出被乘上QPSK调制符号向量的共轭，并在每个音调和用于测距的OFDM符号上求和。

在步骤110，基于对应的音调索引在频域中旋转变换后信号的每个测距音调集合。这产生相位旋转频域接收的测距音调集合，其相当于时域移位测距信号。在本发明的各种实施例中，以预定的延迟值集合来重复地旋转每个测距音调，并且预定的该延迟值集合中的每个延迟值的范围是从0到预定时间延迟。

在本发明的一个具体实施例中，通过将测距音调与对应的移相器(phaser)进行相乘，以在频域内旋转变换后的信号的测距音调。例如，当在频域中应用移相器时，利用等式(4)，测距音调信号相当于被进行了时移：

对应于测距音调的移相器可取决于与对应测距音调索引相关的频率。

在步骤115，基于相位旋转频域已接收测距音调，根据与预定的该延迟值集合内的每个延迟值相对应的(3)来计算检测度量。

本发明的一个具体实施例中，检测度量在等于接收机的定时偏移的偏移延迟值(offset-delay-value)处为最大。此外，检测度量为最大值时，一个相位旋转频域接收测距音调可与已知频域接入序列相关。在本发明的这个实施例中，为了计算对应每个延迟值的检测度量，将每个相位旋转频域接收的音调集合与已知频域接入序列集合相关。同样，当一个或多个检测度量大于预先确定的门限时，确定检测接收信号。这将结合图2做进一步解释。

图2是根据本发明一个具体实施例在OFDM系统中同步接收机的方法的流程图。在步骤205，接收信号被从时域变换到频域。在步骤210，在频域中旋转变换后信号的每个测距音调集合。

在步骤215，计算与预定的延迟值集合内的每个延迟值相对应的非相干检测度量。在本发明的一个示意性实施例中，可利用等式(5)估计非相干定时偏移向量：

其中，T^- _(l，k)是被归一化(normalized)为0到127的特定的音调频率，N等于128个音调，τ等于再次被归一化至FFT单位步长(unit step)的-t_d。定时偏移中的向量是每音频的，并通过τ的范围而旋转。然后，利用等式(6)实现非相干解调：

其中，

μ＝1...M；M＝2，3，4或9FFT每符号

τ＝-1...-Q； $Q=\frac{N+\mathrm{CP}}{M}$ 相位步长(phase steps)

可将搜索“偏移”通过以下关联到τ和μ

τ＝-mod(offset，Q)-1    (7)

μ＝offset+τ+2           (8)

可利用术语τ和μ重新定义采样选择和FFT。

${\tilde{s}}_{(i,\mathrm{\μ},\mathrm{\σ},k)}=\mathrm{UNMAP}({\tilde{s}}_{(\mathrm{\μ},\mathrm{\σ},v)}.i)---\left(12\right)$

得到最大检测度量并记录μ_max和τ_max值。

在步骤220，确定一个或多个非相干检测度量是否大于预定门限。如果确定一个或多个非相干检测度量大于预定门限，则在步骤225确定检测到接收信号。此外，非相干检测度量为最大时的延迟值是接收机的定时偏移。

然而，如果确定所有的非相干检测度量都不大于预定门限，则在步骤230计算与预定的延迟值集合内的每个延迟值相对应的相干检测度量。在步骤235，为了计算相干检测度量，用1-抽头(one-tap)均衡器来均衡变换频域接收信号。在本发明的一个具体实施例中，对应于测距音调的1-抽头均衡器系数等于与对应测距音调相关的信道估计的反转。

本发明的一个示意性实施例中，通过计算用于相干校正的向量集合来计算相干检测度量。如等式(14)给出的，通过结合频率偏移和移相器来计算用于相干校正的向量集合：

重新解调后FFT音调(post-FFT tones)，并将相干校正向量应用于FFT音调中。将相干校正向量的实部分量相加以产生相干检测度量。可由以下等式实现解调计算：

在本发明的一个具体实施例中，由μ_max和τ_max表示偏移，必须重新解调+/-2偏移。这在第二次传送(pass)时降低了MIPS(百万条指令每秒)。

得到最大度量并记录μ_max和τ_max值。

在步骤240，确定一个或多个相干检测度量是否大于预定门限。如果确定一个或多个相干检测度量大于预定门限，则在步骤225确定检测到接收信号。此外，相干检测度量为最大时的延迟值是接收机的定时偏移。然而，如果确定没有相干检测度量大于预定门限，则在步骤245确定没有检测到接收信号。

图3是根据本发明一个具体实施例的OFDM系统中同步接收机的方法的流程图。在步骤305，接收信号被从时域变换到频域。在步骤310，在频域中旋转变换后信号的每个测距音调集合。在步骤315，基于该相位旋转频域接收的测距音调集合来计算与预定的延迟值集合内的每个延迟值相对应的检测度量。此外，检测度量在等于接收机的定时偏移的偏移延时值处为最大。而且，当检测度量为最大值时，相位旋转频域接收测距音调之一可变成与一已知频域接入序列相干。

在步骤320中，利用定时偏移来估计接收机的定时偏移校正。这将结合图4做进一步解释。在步骤325中，确定是否检测接收信号。如果确定检测到接收信号，则在步骤330利用接收信号的已知频域接入序列来估计频域偏移。这将结合图5做进一步解释。在步骤335中，利用频率偏移来估计接收机的频率偏移校正。这将结合图6做进一步解释。

图4是根据本发明一个具体实施例的估计定时偏移校正的方法的流程图。在步骤405，计算定时偏移校正相位集合。根据以下等式计算定时偏移：

在符号上对定时偏移的所有向量求和，计算每个测距音调的平均定时偏移。根据以下等式计算每个测距音调的平均定时偏移：

作为结果，可根据以下等式计算定时偏移校正相位：

在步骤410，将该定时偏移校正相位集合应用于测距音调，以估计定时偏移校正。

图5是根据本发明具体实施例的估计频率偏移方法的流程图。在步骤505，已知频率接入序列被从频域变换到时域，以产生时域接入序列。在步骤510，将接收信号与时域接入序列相关，从而得到接收机的频率偏移。

图6是根据本发明具体实施例的估计频率偏移校正方法的流程图。在步骤605，计算频率偏移校正相位集合。计算测距音调相邻符号间的相位偏差(deviation)来估计频率偏移校正相位。随后在每个符号和测距音调上对计算出的相位偏差进行求和。由以下等式计算每单位时间的频率偏移：

由以下等式计算频率偏移校正相位：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\left(i\right)}}{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sym}}}={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{lm}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\left(i\right)}}{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sym}}}\right)}{\mathrm{Re}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\left(i\right)}}{\mathrm{\Δ}{T}_{\mathrm{sym}}}\right)}\right)---\left(26\right)$

在步骤610，将该频率偏移校正相位集合应用于测距音调以获得频率偏移校正。

图7是根据本发明具体实施例的接收机800的框图。接收机800包括同步模块805和信号检测器810。同步模块805包含同步处理器815。

同步处理器815被配置为将接收信号从时域变换到频域，并在频域中基于对应的测距音调索引来旋转变换后的信号的每个测距音调集合。在频域中旋转了变换后信号的每个测距音调集合之后，产生等同于时域移位测距信号的相位旋转频域接收的测距音调集合。

同步处理器815以预定的延迟值集合重复地旋转每个测距音调，并且每个延迟值的范围是从0到预定的时间延迟。同步处理器815还基于该相位旋转频域接收的测距音调集合，来计算与预定的该延迟值集合内的每个延迟值相对应的检测度量。计算得到的检测度量与时域移位接收的测距音调相关联。如果检测到接收信号，同步处理器815利用接收信号的已知频域接入序列来估计接收机800的频率偏移。

同步处理器815计算检测度量，该检测度量在等于接收机的定时偏移的偏移延迟值处为最大。在偏移延迟值处的检测度量指示接收信号的功率。同步处理器815被配置为利用定时偏移来估计接收机的定时偏移校正。同步处理器815计算定时偏移校正相位集合以估计定时偏移校正并将该定时偏移校正相位集合应用到测距音调中。

进一步配置同步处理器815来估计频率偏移。通过将已知频域接入序列从频域变换为时域来计算频率偏移，从而产生时域接入序列并将接收信号和时域接入序列相关。进一步配置同步处理器815以利用频率偏移来估计接收机800的频率偏移校正。同步处理器815通过计算该频率偏移校正相位集合，并将该频率偏移校正相位集合应用到测距音调中来估计频率偏移校正。

进一步配置同步处理器815来计算非相干检测度量，其中如果至少一个非相干检测度量大于预定门限，则信号检测器810确定检测到接收信号。在信号检测器810检测到接收信号之后，并且如果至少一个非相干检测度量大于预定门限，则在接收机800中由同步处理器815计算非相干检测度量。同步处理器815还被配置为基于相对应的一相位旋转频域接收的测距音调集合，来计算与预定的该延迟值集合内的每个延迟值相对应的相干检测度量。如果每个非相干检测度量都小于预定门限则计算相干检测度量，如果至少一个相干检测度量大于预定门限则确定模块就确定检测到接收信号。通过由1-抽头均衡器和对应于每个测距音调的系数来均衡变换后的频域接收信号，同步处理器815计算相干检测度量。

本发明的多种实施例提供了允许用单一FFT同步接收机的方法和系统。FFT将接收信号变换为频域。根据音调索引以递归方式旋转测距音调。结果，为计算定时偏移校正以及将计算出的定时偏移校正应用到接收机消除了多重变换。

本发明的多种实施例可以提供高精度的初始开环定时估计，在一些实施例中，符号和波特同步能够更快地发生，在衰落或高多普勒频移的环境中是有益的。本发明的实施例还提供用于初始检测的鲁棒方法。该检测能表现出低概率的假告警和/或高概率的检测。

在前述的说明书中，已经叙述了本发明的特定实施例。然而，本领域的普通技术人员将认识到，在不脱离如权利要求中所公开的本发明范围的情况下，可以对实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应当被认为是示例性的，而并非是限制性的，所有这种修改都被认为是涵盖在本发明的范围内。益处、优点、解决问题的方案、以及可能产生出任何益处、优点或解决方案或者使这些益处、优点和解决方案变得更突出的任何元素，都不应当被理解为是任何或所有权利要求的关键的、必要的或必需的特征或元素。本发明是通过所附的权利要求来唯一限定，该权利要求包括在这个申请待审期间作出的任何修改、以及在颁布时这些权利要求的所有等价形式。

Claims (27)

1.一种在正交频分复用(OFDM)系统中同步接收机的方法，该方法包括：

将接收信号从时域变换到频域，以产生变换后的信号；

基于对应的音调索引，在频域中旋转所述变换后信号的每个测距音调集合，以产生等同于时域移位测距信号的相位旋转频域接收的测距音调的集合，在预定的延迟值集合中重复地旋转每个测距音调，其中所述预定的延迟值集合内的每个延迟值的范围是从0到预定的时间延迟；以及

基于所述相位旋转频域接收的测距音调的集合，来计算与所述预定的延迟值集合内的每个延迟值相对应的检测度量。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述检测度量在与所述接收机的定时偏移相等的偏移延迟值处为最大。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：利用所述定时偏移来估计所述接收机的定时偏移校正，其中估计所述定时偏移校正的步骤包括：

计算定时偏移校正相位的集合；以及

将所述定时偏移校正相位的集合应用到所述测距音调中。

4.如权利要求1所述的方法，其中通过用对应的移相器乘以所述测距音调，来在频域内旋转所述变换后信号的测距音调。

5.如权利要求4所述的方法，其中对应于测距音调的移相器取决于与所述对应的音调索引相关联的频率。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述检测度量为最大时，所述相位旋转频域接收的测距音调的一个集合变成与已知频域接入序列相干。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述计算步骤包括：

将每个所述相位旋转频域接收的测距音调集合与已知频域接入序列集合进行相关。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述接收信号是上行链路信号。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述接收信号是下行链路信号。

10.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

如果至少一个检测度量大于预定门限，则确定检测到所述接收信号。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：

如果检测到所述接收信号，则利用所述接收信号的已知频域接入序列来估计所述接收机的频率偏移，其中当所述检测度量为最大时，所述相位旋转频域接收的测距音调的一个集合变成与所述已知频域接入序列相干。

12.如权利要求11所述的方法，其中估计所述频率偏移的步骤包括：

将所述已知频域接入序列从频域变换到时域，以产生时域接入序列；以及

将所述接收信号与所述时域接入序列进行相关。

13.如权利要求11所述的方法，进一步包括：利用所述频率偏移来估计所述接收机的频率偏移校正，其中，估计所述频率偏移校正的步骤包括：

计算频率偏移校正相位的集合；以及

将所述频率偏移校正相位的集合应用到所述测距音调中。

14.如权利要求10所述的方法，其中如果至少一个非相干检测度量大于预定门限，则计算非相干检测度量并检测所述接收信号。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括：

如果每个非相干检测度量都小于所述预定门限，则基于对应的所述相位旋转频域接收的测距音调集合，来计算与所述预定的延迟值集合内的每个延迟值相对应的相干检测度量，其中如果至少一个相干检测度量大于预定门限，则检测所述接收信号。

16.如权利要求15所述的方法，其中计算相干检测的步骤包括：

用1-抽头均衡器来均衡变换后的频域接收信号，该1-抽头均衡器的系数对应于每个测距音调。

17.如权利要求16所述的方法，其中对应于测距音调的1-抽头均衡器系数等于与所述对应测距音调相关联的信道估计的反转。

18.一种接收机包括：

同步模块，所述同步模块在正交频分复用(OFDM)系统中使接收机同步，所述同步模块包括同步处理器，所述同步处理器被配置为：

将接收信号从时域变换到频域，以产生变换后的信号；

在频域中基于对应的测距音调索引，来旋转所述变换后信号的每个测距音调集合，以产生等同于时域移位测距信号的相位旋转频域接收的测距音调集合，在预定的延迟值集合中重复地旋转每个测距音调，其中所述预定的延迟值集合内的每个延迟值的范围是从0到预定的时间延迟；以及

基于等同于时域移位接收测距信号的所述相位旋转频域接收的测距音调集合，来计算与所述预定延迟值集合内的每个延迟值相对应的检测度量，其中所述检测度量在偏移延迟值上为最大，其中所述偏移延迟值等于所述接收机的定时偏移。

19.如权利要求18所述的接收机，其中所述同步处理器被配置为利用所述定时偏移来估计所述接收机的定时偏移校正，其中用于估计所述定时偏移校正的所述同步处理器被配置为：

计算定时偏移校正相位的集合；以及

将所述定时偏移校正相位的集合应用到所述测距音调中。

20.如权利要求18所述的接收机，其中在所述偏移延迟值处的所述检测度量表示所述接收信号的功率。

21.如权利要求18所述的接收机，进一步包括：

信号检测器，用于在如果至少一个检测度量大于预定门限时确定检测到所述接收信号。

22.如权利要求21所述的接收机，其中所述同步处理器被进一步配置为：

如果检测到所述接收信号，则利用所述接收信号的已知频域接入序列来估计所述接收机的频率偏移，其中当所述检测度量为最大时，所述相位旋转频域接收的测距音调集合变成与所述已知频域接入序列相干。

23.如权利要求22所述的接收机，其中用于估计所述频率偏移的所述同步处理器被配置为：

将所述已知频域接入序列从频域变换到时域，以产生时域接入序列；以及

将所述接收信号和所述时域接入序列进行相关。

24.如权利要求22所述的接收机，其中所述同步处理器被进一步配置为：利用所述频率偏移来估计所述接收机的频率偏移校正，其中用于估计所述接收机的频率偏移校正的所述同步处理器被配置为：

计算频率偏移校正相位的集合；以及

将所述频率偏移校正相位的集合应用到所述测距音调中。

25.如权利要求21所述的接收机，其中计算非相干检测度量，其中如果至少一个非相干检测度量大于预定门限，则所述信号检测器确定检测到所述接收信号。

26.如权利要求21所述的接收机，其中如果每个非相干检测度量都小于所述预定门限，则基于对应的所述相位旋转频域接收的测距音调集合，来计算与所述预定延迟值集合内的每个延迟值相对应的相干检测度量，其中如果至少一个相干检测度量大于预定门限，则所述信号检测器就确定检测到所述接收信号。

27.如权利要求26所述的接收机，其中为了计算所述相干检测度量，所述同步处理器被配置为：

用1-抽头均衡器来均衡变换后的频域接收信号，该1-抽头均衡器的系数对应于每个测距音调。

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