CN101841802B - 用优化近邻图形的低功率ap协助快速无线漫游方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“用优化近邻图形的低功率AP协助快速无线漫游方法和装置”。本发明的一实施例提供一种方法，包括由无线网络中操作的无线台(STA)使用优化的近邻图形以用于低功率接入点协助的快速无线漫游。

Description

用优化近邻图形的低功率AP协助快速无线漫游方法和装置
技术领域
本发明涉及使用优化的近邻图形(neighbor graph)的低功率AP协助的快速无线漫游的方法和装置。
背景技术
企业无线局域网(WLAN)中的应用(例如但不限于因特网协议上的语音(VoIP)、视频会议等)的服务质量(QoS)取决于无缝快速转移(transition)。无论它们是位于属于相同PHY技术的不同接入点(AP)之间(例如，‘a’‘a’或‘b’‘b’)还是位于属于要求PHY间(例如，‘a’带‘n’或‘b’‘n’)转移的更新使用的不同接入点之间，这都是成立的。对于PHY间转移已经给予的设计关注非常少，因此强烈需要存在用于改进的PHY间转移的方法和装置，以使得实现无线网络中的快速无线漫游。
发明内容
本发明提供一种方法，包括：由无线网络中操作的无线台(STA)使用优化的近邻图形以用于接入点协助的快速无线漫游。
本发明还提供一种装置，包括：可操作以用于无线网络中的通信的无线台(STA)，所述无线台使用优化的近邻图形以用于接入点(AP)协助的快速无线漫游。
本发明还提供一种物品，包括：以计算机可执行指令来编码的计算机可读媒体，所述计算机可执行指令在由计算平台来执行时导致：由无线网络中操作的无线台(STA)使用优化的近邻图形以用于接入点协助的快速无线漫游。
附图说明
在说明书的结论部分中特别指出视为本发明的主题并明确地对其要求权利。但是，在结合附图阅读时，通过参考下文详细描述，可以在组织和操作方法方面最佳地理解本发明及其目的、特征和优点，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的无线局域网通信系统的图。
图2A和2B示出健壮的安全网络(RSN)中的802.11r DS上(over-the-DS)快速转移；
图3示出企业无线局域网(WLAN)的典型近邻图形；
图4示出本发明的实施例的增强的电气和电子工程师协会(IEEE)802.11k近邻报告请求帧格式；
图5示出本发明的实施例的增强的IEEE 802.11k近邻报告响应帧格式；
图6示出本发明的实施例的WLAN AP元素内容；以及
图7A和7B示出本发明的实施例的RSN中的增强的802.11r DS上快速转移；
将认识到为了图示的清晰和简单，附图中示出的元素不一定按比例绘制。例如，为了清晰，一些元素的尺寸相对于其他元素被夸大。此外，在认为适合之处，引用数字已在图之间重复以指示对应或相似的元素。
具体实施方式
在下文的详细描述中，阐述许多具体细节，以便提供本发明的透彻理解。但是，本领域技术人员将理解，本发明没有这些具体细节也可实行。在其他情况下，对于公知的方法、过程、组件和电路不作详细描述，以免混淆本发明。
接下来的详细描述的一些部分根据对于计算机存储器内的数据比特或二进制数字信号的操作的符号表示和算法来提出。这些算法描述和表示可以是数据处理领域的技术人员用于将他们工作的实质传达给该领域的其他技术人员的技术。在一些实施例中，此类算法和数据处理可包括在基带频率、中间频率(IF)或射频(RF)的模拟处理，其至少部分地在硬件中、在软件中或在其组合中来实现，但是本发明的范围在此方面中不受限制。
在本文以及一般情况下将算法视为导致期望结果的操作或动作的自相一致的序列。它们包括对物理量的物理操纵。通常(但不一定)，这些量采用电或磁信号的形式，这些电或磁信号能够被存储、传输、组合、比较和以其他方式来操纵。已证明将这些信号称为比特、值、元素、符号、字符、项、数字或诸如此类时常是方便的，主要是因为通用的原因。但是，应理解，所有这些和类似术语都将与合适的物理量相关联，并且只是应用于这些量的方便标记。
除非另外明确声明，否则正如从下文论述明白的，应认识到贯穿本说明书利用例如处理、计算、运算、确定或诸如此类的术语的论述是指计算机或计算系统或类似的电子计算设备的动作或过程，这些动作或过程操纵计算系统的寄存器和/或存储器内表示为物理(例如电)量的数据或将其变换成计算系统的存储器、寄存器或其他此类信息存储装置、传送或显示设备内类似表示为物理量的其他数据。
本发明的实施例可以包括用于执行本文的操作的装置。这些装置可以是为期望的目的而特别构造的，或它可以包括通用计算设备，其由该设备中存储的程序来选择性地激活或重新配置。此类程序可以存储在存储媒体上，所述存储媒体例如但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器、磁卡或光卡、或适合于存储电子指令并且能够耦合到用于计算设备的系统总线的任何其他类型的媒体。
本文提出的过程和显示并非内在地与任何特定计算设备或其他装置相关。多种通用系统可以与根据本文教导的程序一起使用，或可证明构造更专用的装置来执行期望的方法是方便的。从下文的描述，将出现用于多种这些系统的期望结构。此外，本发明的实施例并未参考任何特定编程语言来描述。将认识到，可以使用多种编程语言来实现如本文描述的本发明的教导。
在接下来的描述和权利要求中，可能使用到术语“耦合”和“连接”以及它们的派生词。在特定实施例中，“连接”可用于指示两个或更多元素处于与彼此的直接物理或电接触中。“耦合”可表示两个或更多元素处于直接物理或电接触中。但是，“耦合”还可以表示两个或更多元素可以不处于与彼此的直接接触中，但仍可以与彼此交互或合作。
应该理解，本发明的实施例可以在多种应用中使用。虽然本发明在此方面中不受限制，但是本文公开的电路可以在许多装置中使用，例如在无线电系统的传送器和接收器中使用。旨在包括在本发明的范围内的无线电系统通过仅举例的方式包括：包括无线网络接口设备和网络接口卡(NIC)的无线局域网(WLAN)设备和无线广域网(WWAN)设备、基站、接入点(AP)、网关、网桥、集线器、蜂窝无线电电话通信系统、卫星通信系统、双向无线电通信系统、单向寻呼机、双向寻呼机、个人通信系统(PCS)、个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、传感器网络、个域网(PAN)和诸如此类，但本发明的范围在此方面中不受限制。
旨在处于本发明的范围内的无线通信系统的类型包括但不限于：无线局域网(WLAN)、无线广域网(WWAN)、码分多址(CDMA)蜂窝无线电电话通信系统、全球移动通信系统(GSM)蜂窝无线电电话系统、北美数字蜂窝(NADC)蜂窝无线电电话系统、时分多址(TDMA)系统、扩展的TDMA(E-TDMA)蜂窝无线电电话系统、像宽带CDMA(WCDMA)、CDMA-2000的第三代(3G)系统和诸如此类，但是本发明的范围在此方面中不受限制。
现在参考图1，将论述根据本发明的一个实施例的无线局域网通信系统。在图1中所示的WLAN通信系统100中，移动单元110(本文中也称为无线台(wireless station)(STA)或“客户端”)可包括无线收发器112，其耦合到天线118并耦合到提供基带和媒体存取控制(MAC)处理功能的处理器114。处理器114在一个实施例中可包括单个处理器，或者备选地可包括基带处理器和应用处理器，但本发明的范围在此方面中不受限制。处理器114可耦合到存储器116，存储器116可包括例如DRAM的易失性存储器、例如闪速存储器的非易失性存储器，或备选地可包括例如硬盘驱动器的其他类型的存储装置，但本发明的范围在此方面中不受限制。存储器116的一些部分或全部可包括在与处理器114相同的集成电路上，或者备选的是，存储器116的一些部分或全部可安置在处理器114的集成电路外部的集成电路或其他媒体上，例如硬盘驱动器，但本发明的范围在此方面中不受限制。移动单元110可以经由无线通信链路132与接入点122通信，其中接入点122可包括至少一个天线120。在一备选实施例中，接入点122以及移动单元110可选地可包括两个或更多天线。接入点122可与网络130耦合，以便移动单元110可通过经由无线通信链路132与接入点122通信来与网络130(包括耦合到网络130的设备)通信。网络130可包括例如电话网或因特网的公众网络，或备选的是网络130可包括例如内联网的专用网络或公众网络与专用网络的组合，但本发明的范围在此方面中不受限制。移动单元110与接入点122之间的通信可经由无线局域网(WLAN)来实现，例如，符合例如IEEE 802.11a、IEEE 802.11b、IEEE 802.11g，IEEE 802.11n，HiperLAN-II等等的电气和电子工程师协会(IEEE)标准的网络，但本发明的范围在此方面中不受限制。在另一个实施例中，移动单元110和接入点122之间的通信可以至少部分地经由符合3GPP标准的蜂窝通信网络来实现，但本发明的范围在此方面中不受限制。
本发明的实施例提供对IEEE-80211r-2008标准中定义的那些设计和协议的设计和协议增强，但本发明在此方面中不受限制或不限于任何特定的标准。这些标准协议是高度低率的，因为每次漫游到目标AP时，客户端(本文中也可称为无线台(STA)或移动单元)需要与目标AP交换11r-认证消息以便重新计算PTK。这在一些AP上可能花费(但在此方面中不受限制)少许毫秒，这对于无缝快速转移是应予计列的。现有的转移方法要求客户端每一次它需要漫游时进行扫描。这对于转移时间是不利的，对于设备功率也是非常不利的。本发明的实施例通过减少客户端扫描和选择新AP所花的时间，使得实现移动单元在漫游时间期间更低的功率消耗并加速漫游时间。
当将客户端与AP关联时，并且当它从该AP获取近邻图形时，则它无需执行扫描。不必执行扫描具有非常好的功率益处，并且还免除对于转移是浪费的时间的扫描时间。
虽然此方面中不受限制，但是本发明的实施例使得能够在漫游发生时将预先导出的PTK用于重新关联，因此本发明能在一些AP上节省用于交换11r-认证消息的例如(但不限于)少许(例如15-20)毫秒。而且，为预先获取PTK而与近邻AP的11r-认证和增强的近邻报告消息都将不影响客户端与关联的AP之间的安全通信，因此将不阻塞客户端与关联的AP之间的正常数据业务。
虽然本发明的实施例可以根据电气和电子工程师协会(IEEE)802.11标准来描述，但是要理解本发明不限于802.11，并且还可以用于另外的无线技术中，例如但不限于802.16和802.21。
802.11r是对802.11标准的修改，其允许对于运动中的无线设备的持续连接性，具有以无缝方式管理的从一个AP到另一个AP的快速且安全的切换(handoff)。本发明的实施例提供一种超过IEEE802.11r标准中描述的机制的增强的无缝快速转移机制，其也可应用于PHY间技术切换。
现在参见图2A和2B，概要地示为200，其是RSN中802.11r DS上快速转移的当前机制的图示，并且按如下方式工作：
1.在该快速BSS转移机制中，快速BSS转移协议在客户端210与AP 220之间的第一次关联期间需要初始信息交换。此类初始交换称为快速基本服务集合(BSS)转移初始移动性域关联协议。
2.到相同移动性域(移动性域定义为位于相同扩展服务集合(ESS)内并且支持快速BSS转移协议的BSS的集合)内的AP的后续重新关联可执行快速BSS转移协议。
注意：1.11r-认证请求通过当前AP 240向目标AP 250传送，并且11r-认证响应通过当前AP 240传送回客户端230；2.将11r-认证请求和响应封装在动作帧(action frame)中，而不是数据帧中；3.客户端230通过企业无线LAN与AP通信，而AP通过企业有线LAN与彼此通信。
然而，图2A和2B中所示的80211r快速转移过程是不充分的，因为每次漫游到目标AP 220和250时，客户端210和230需要与目标AP 220和250交换11r-认证消息(11r-认证请求和11r-认证响应)以便重新计算PTK。并且，如上文提到的，这可能在紧要的漫游时间期间花费若干毫秒，这可能影响快速转移期间的语音呼叫，其具有50毫秒下(sub 50 msec)的L2漫游预算。因此，减少这种等待时间对于安全和无缝快速转移具有极度重要性。
现在参见图3，概要地示为300，其是本发明的一实施例的企业WLAN部署的典型近邻图形的图示。该近邻图形是通过使用企业WLAN中的每个AP的测量结果来描绘的。近邻图形可能由于企业环境的改变(例如，WLAN控制器对AP的信道重新指派)而动态地改变。IEEE 802.11k小组定义了用于企业WLAN中客户端报告此类测量的机制，并且大多数AP也支持此机制。所以，本发明可以通过使用此类测量的结果来促进802.11r快速转移。通过主动请求当前AP的近邻并执行与那些近邻的11r-认证以便预先导出PTK来导出测量。但是，通过使用当前的802.11k近邻报告机制，客户端只能获取有限数量的AP来预先执行11r-认证。例如，如果客户端当前通过使用当前的802.11k近邻报告机制与AP8310相关联，则客户端只能获取AP5320、AP7 330和AP12 340来预先执行11r-认证交换。当客户端正在来回移动时，这是不好的，因为客户端需要获取多个近邻报告，然后进行11r-认征。
具有较宽的网络拓扑将确保客户端已经进行与那些AP的11r-认证，并且它无需获取多个近邻报告以及然后进行11r-认证。因此，本发明的实施例增强当前的802.11k近邻报告机制：不是只获取有限数量的近邻AP，而是客户端将获取整个WLAN AP网络拓扑；换言之，客户端将通过增强的802.11k近邻报告机制来获取图3中出现的所有那些AP(当前关联的AP除外)。
图4在400示出本发明的一实施例的用于增强的802.11k近邻报告请求的建议帧格式。410处示出MAC报头以及420处示出动作细节。注意，类别应该配置成表示这是获取整个WLAN AP网络拓扑的请求，并且SSID还应该配置成使得获取属于相同ESS的那些AP。
图5在500示出本发明的实施例的用于增强的802.11k近邻报告响应的建议帧格式。510处示出MAC报头以及520处示出动作细节。除了配置类别和SSID外，在此响应中还应该包含WLAN AP元素，并且所有返回的WLAN AP应该属于SSID指定的相同ESS。
图6在600示出本发明的实施例的用于WLAN AP元素的建议格式。注意：
1.元素ID应该具有未由任何其他现有元素使用的值；
2.长度应该等于14，这刚好是左边区域的大小；
3.BSSID是AP的MAC地址；
4.AP可达性表示STA是否能通过无线达到此AP；
5.信道号是此AP的当前工作信道；
6.测量的RSSI是测量的RSSI值，并且客户端能使用它来检查与此AP的信号强度。
7.台计数告知当前与此AP关联的台的数量；
8.信道利用是0至255之间的整数，其定义为此QoS AP感测到媒体忙的时间的百分比；
9.可用接纳容量包含经由显式接纳控制可用的媒体时间的剩余量。它有助于移动台选择有可能接受将来的接纳控制请求的QoS AP。WLAN AP元素对于客户端是非常重要的，因为客户端在确定用于802.11r快速转移的最佳候选AP之前需要评估QoS和信号强度。
本发明实施例的重要创新方面提供：客户端可使用来自网络的此AP拓扑图来执行与多个AP的802.11r-认证交换。这允许客户端在其AP选择决策之前导出PTK(用于加密的会话密钥)，增加关联机会并免除扫描。本发明的一些实施例还提供：客户端使用此类“待发的(primed)”AP作为更可行的漫游候选。
本发明的实施例还减少对用户的滞后效应(当客户端在相同的两个AP之间往复(ping-pong)时)，从而改进性能。而且，无线漫游数据意味着本发明可大大减少漫游扫描。减少漫游时间扫描对于手持和膝上型客户端是大的功率节省机会，但本发明在此方面中不受限制。数据还示出AP协助的漫游当客户端不必仅在扫描结果上来“猜测”最佳AP时减少了关联失败的次数。扫描结果能在完成完整扫描时(1-2分钟)变得过时-在此时间内人能行走跨跃3个AP。
图7A和7B(概要地示为700)示出本发明的实施例的增强的无缝快速转移机制。它以如下方式工作：
1.当客户端710第一次进入WLAN时，它将执行完全扫描以找到AP 720，并执行与其的初始802.11r关联以便与WLAN连接。
2.一旦客户端710成功与某个AP 720关联，则它将向关联的AP720请求其测量并维护的近邻AP 730拓扑图形。本发明使得客户端能够使用其位置信息来请求近邻AP图的列表。
3.客户端710然后执行与所有那些802.11r近邻AP 730的11r-认证交换(仅首先的2个消息)，并预先导出PTK(会话密钥)；这些会话密钥将具有对应KeyLifetime的长持续时间，因为PTK使用期受限于EAP KeyLifetime。
4.漫游触发：在某个时间之后，当客户端移动远离关联的AP时在客户端内可生成漫游(通常由于低RSSI所致)。
5.AP选择：客户端740将基于来自关联的AP的当前近邻AP 750图形来选择出最佳候选。AP选择算法将对客户端740预先与其已经导出PTK的候选AP给予优选。
6.一旦客户端成功地漫游到新AP，则它将继续维护它已经与其预先建立PTK的所有AP的图形。将仅使先前AP的PTK无效。
7.客户端将请求由新关联的AP 760测量并维护的新鲜的近邻AP 770图形。当客户端740获取新的近邻AP 770列表时，它将与它尚未与其建立PTK的所有AP执行11r-认证交换并导出PTK。
8.作为对客户端滞后算法的一种增强，客户端740将与其刚离开的最后AP导出新的11r-认证和PTK。这样，如果客户端由于在2个AP之间漫游而执行往复效应，则对用户的其负面效应被最小化。当在以后时间触发新11r漫游时，客户端将重复步骤2-步骤8。
虽然本文已经示出并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可想到许多修改、替换、改变和等效物。因此，要理解所附权利要求旨在涵盖落在本发明的真正精神内的所有此类修改和改变。

Claims (21)

1.一种用于接入点协助的快速无线漫游的方法，包括：
在无线台(STA)通过近邻报告机制从关联的AP接收整个的AP拓扑图；
在所述无线台(STA)维护所述STA与其已经预先建立会话密钥的所有AP的优化的近邻图形；
从接收信号强度提供漫游触发，其中在一段时间之后，当客户端或STA移动远离关联的AP时可触发漫游；
由无线网络中操作的无线台STA使用所述优化的近邻图形以用于接入点AP协助的快速无线漫游，
其中所述STA使用来自所述无线网络的所述AP拓扑图来与多个AP执行认证交换。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述STA在其AP选择决策之前导出用于成对安全性的会话密钥以用于加密和认证。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述快速无线漫游还包括：当所述STA进入无线局域网WLAN时执行完全或部分扫描以发现AP，并执行与所述AP的初始关联以便与所述WLAN连接；
一旦所述STA成功地与某个AP关联，就向关联的AP请求其测量并维护的近邻AP拓扑图形；
由所述STA与所有近邻AP执行认证交换；
使用当前AP以用于传送，并预先导出用于成对安全性的会话密钥；以及
由所述STA基于来自所述关联的AP的所述近邻AP图形来选择最佳候选。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：
一旦所述STA成功地漫游到新AP，就维护所述STA与其已经预先建立用于成对安全性的会话密钥的所有AP的图形，并且仅使先前AP的用于成对安全性的会话密钥无效；以及
由所述STA请求由新关联的AP测量并维护的新的近邻AP图形。
5.如权利要求4所述的方法，其中当所述STA获取所述新近邻AP列表时，它与它尚未与其建立用于成对安全性的会话密钥的所有AP执行认证交换并导出用于成对安全性的会话密钥。
6.如权利要求5所述的方法，还包括：由所述STA执行与所述STA刚离开的最后AP的新认证交换并导出用于成对安全性的新会话密钥。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述认证符合电气和电子工程师协会IEEE802.11r或802.16标准。
8.一种用于接入点协助的快速无线漫游的装置，包括：
可操作以用于无线网络中的通信的无线台STA，所述无线台使用优化的近邻图形以用于接入点AP协助的快速无线漫游，
从接收信号强度提供漫游触发，其中在一段时间之后，当所述STA移动远离关联的AP时可触发漫游；
其中所述STA维护所述STA与其已经预先建立会话密钥的所有AP的优化的近邻图形；
其中所述STA通过近邻报告机制接收整个的AP拓扑图，及
其中所述STA使用来自所述无线网络的所述AP拓扑图来与多个AP执行认证交换。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述STA在其AP选择决策之前导出用于成对安全性的会话密钥以用于加密和认证。
10.如权利要求8所述的装置，其中所述快速无线漫游还包括：当所述STA进入无线局域网WLAN时执行完全扫描以发现AP，并执行与所述AP的初始关联以便与所述WLAN连接；
一旦所述STA成功地与某个AP关联，则向关联的AP请求其测量并维护的近邻AP拓扑图形；
由所述STA与所有近邻AP执行认证交换并预先导出用于成对安全性的会话密钥；
使用当前AP以用于传送，并预先导出用于成对安全性的会话密钥；以及
由所述STA基于来自所述关联的AP的所述近邻AP图形来选择最佳候选。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述快速漫游还包括：
一旦所述STA成功地漫游到新AP，就维护所述STA与其已经预先建立用于成对安全性的会话密钥的所有AP的图形，并且仅使先前AP的用于成对安全性的会话密钥无效；以及
由所述STA请求由新关联的AP测量并维护的最新的近邻AP图形。
12.如权利要求11所述的装置，其中当所述STA接收新近邻AP列表时，它与它尚未与其建立用于成对安全性的会话密钥的所有AP执行认证交换并导出用于成对安全性的会话密钥。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述快速漫游还包括由所述STA导出与所述STA刚离开的最后AP的新认证和用于成对安全性的会话密钥。
14.如权利要求8所述的装置，其中所述认证符合电气和电子工程师协会IEEE802.11r或802.16标准。
15.一种用于接入点协助的快速无线漫游的装置，包括：
用于由无线网络中操作的无线台STA使用优化的近邻图形以用于接入点AP协助的快速无线漫游的部件；
用于从接收信号强度提供漫游触发的部件，其中在一段时间之后，当所述STA移动远离关联的AP时可触发漫游；
其中所述STA维护所述STA与其已经预先建立会话密钥的所有AP的优化的近邻图形；
其中所述无线台STA通过近邻报告机制接收整个的AP拓扑图，及
其中所述STA使用来自所述无线网络的所述AP拓扑图来与多个AP执行认证交换。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述STA在其AP选择决策之前导出用于成对安全性的会话密钥以用于加密。
17.如权利要求15所述的装置，其中所述快速无线漫游还包括：
当所述STA进入无线局域网WLAN时执行完全扫描以发现AP，并执行与所述AP的初始关联以便与所述WLAN连接；
一旦所述STA成功地与某个AP关联，就向关联的AP请求其测量并维护的近邻AP拓扑图形；
由所述STA与所有近邻AP执行认证交换并预先导出用于成对安全性的会话密钥；
使用当前AP以用于传送，并预先导出用于成对安全性的会话密钥；
提供漫游触发，其中在一段时间之后，当所述客户端移动远离关联的AP时可触发漫游；以及
由所述STA基于来自所述关联的AP的所述近邻AP图形来选择最佳候选。
18.如权利要求17所述的装置，还包括：
用于一旦所述STA成功地漫游到新AP就维护所述STA与其已经预先建立用于成对安全性的会话密钥的所有AP的图形且仅使先前AP的用于成对安全性的会话密钥无效的部件；以及
用于由所述STA请求由新关联的AP测量并维护的新的近邻AP图形的部件。
19.如权利要求18所述的装置，其中当所述STA获取所述新近邻AP列表时，它与它尚未与其建立用于成对安全性的会话密钥的所有AP执行认证交换并导出用于成对安全性的会话密钥。
20.如权利要求19所述的装置，还包括：
用于由所述STA导出与所述STA刚离开的最后AP的新认证和用于成对安全性的会话密钥的部件。
21.如权利要求15所述的装置，其中所述认证符合电气和电子工程师协会IEEE802.11r或802.16标准。
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