CN102300257A - 无线自组网中基于信道预约机制的多信道多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组网中基于信道预约机制的多信道多址接入方法，把本发明工作在全分布式的网络中，无须全网时同步。在应用该协议的网络中，节点在一个公共的信道上完成握手信息的交换，在握手信息交换的同时采用预约机制对后面一定数目数据分组的发送进行预约。预约机制使得多次的数据分组发送只需一次握手信息交换，降低了公共信道的负载，大幅提升了网络的吞吐量，同时由于可确定预约数据分组的发送时刻，使得该协议特别适宜用于传输视频等对实时性要求非常高的业务。

Description

无线自组网中基于信道预约机制的多信道多址接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，是一种将信道预约机制应用于多信道的多址接入方法。

背景技术

IEEE802.11标准是目前应用最为广泛的无线局域网接入标准。其分布式协调功能(DCF：Distribution Coordination Function)是一种无线自组织网络的多址接入技术。该技术是一种基于带有冲突避免的载波侦听多址接入(CSMA/CA：Carrier SensingMultiple Access/Collision Avoid)机制的随机接入策略。

IEEE802.11的DCF每次发送分组时都需要先随机选择一个退避时间来降低与其它节点的冲突概率，这种退避机制在降低冲突概率的同时大大降低了对信道的利用。为了解决该问题，Zhou Ying和Ananda等人提出了信道预约机制。信道预约机制在本次分组传输时提前对下一个分组的传输进行预约，这就避免了在下一个分组传输前的退避过程，提高了信道利用率。

随着高清多媒体业务的发展和宽带自组织网络的应用，传统的IEEE802.11以及应用了信道预约机制的多址接入方法所提供的带宽已经无法满足需求。于是，人们提出了利用多信道多址接入技术来提高无线局域网的带宽，区别于IEEE802.11的单信道多址接入技术，多信道多址接入技术支持不同的分组同时在不同的信道中传输，这种技术大大提高了无线局域网的带宽。Jeonghoon和Hoi-Sheung等人对已有的多信道接入技术进行了一个详细的介绍和分析，其中拥有两幅半双工天线的专用控制信道方式的多信道接入技术在实现复杂度和性能上表现优异，该方式的代表性多信道接入技术是Shih-Lin和Chinh-Yu等人提出的DCA(Dynamic Channel Assignment)协议。DCA协议采用一个公共的控制信道传输控制分组，在公共的控制信道上完成信道分配后在分配的信道进行数据分组交换。相对于IEEE802.11协议，DCA具有更高的吞吐量。

Jungmin So等人发现，由于DCA协议采用公共的控制信道进行控制分组传输，当可用信道数足够多时，随着网络负载的增大，控制信道迅速达到饱和，成为该协议的性能瓶颈，仍然无法满足高清视频业务对带宽的需求。

发明内容

为了克服现有技术存在控制信道瓶颈的不足，本发明提供一种基于信道预约机制的多信道多址接入方法，进一步提高了基于多信道技术的DCA协议的吞吐量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：假设在网络中，有n+1个带宽相等的可用信道，其中1个为公共控制信道CCH(Common Control Channel)，其余的n个为数据信道。这n个数据信道编号为DCH1(Data Channel)，DCH2...DCHn。每个节点配备两副半双工的天线：控制天线和数据天线，如图1所示。源节点和目的节点在公共控制信道上按照IEEE802.11标准竞争信道。信道竞争成功后，源节点发送RTS请求在数据信道DCHi上的t₁、t₁+T、...、t₁+(n-1)×T时刻发送数据分组，并请求目的节点在t+n×T时刻控制信道进行下一次控制分组交换。目的节点收到RTS(Request-To-Send)后在公共控制信道上向源节点回复CTS(Clear-To-Send)分组。源节点在收到CTS分组后在公共控制信道发送RES(REServation)分组确认。

在本发明的技术方案中，一次控制分组RTS/CTS/RES的交换后在数据信道上会完成多个(假设为n-1个)的数据分组传输。这就要求源节点(本发明文档中将正准备发送数据分组的节点称为“源节点”，将待发数据分组的目的节点称为“目的节点”，网络中的所有类型节点统称为“节点”)在开始发送前有足够多的数据分组，同时为了避免负载较低源节点的数据分组的等待延迟过长，当待发分组队列中的最大延迟超过某个上限时，仍然进行预约。假设源节点发送前需要的分组数为D_N，队列中分组最大允许延迟为T_Delay，技术方案的详细实施步骤如下：

每个节点建立两个信道使用情况链表：控制信道使用情况链表和数据信道使用情况链表，这两个链表存储着邻居节点对控制信道和数据信道的使用和预约情况。

●情况一：源节点发送未预约的数据分组。

步骤1：源节点判断待发数据分组队列大小是否有足够数量(大于D_N)的分组，或数据分组的最大时延已超过上限(大于T_Delay)，如果二者都不满足则继续在步骤1等待，否则转入步骤2；

步骤2：源节点在控制信道按照IEEE802.11协议进行二进制指数退避竞争信道，信道竞争成功后转入步骤3，竞争失败则按照IEEE802.11协议增加竞争窗后重新执行步骤2；

步骤3：源节点搜索自己的控制信道使用链表和数据信道使用链表，判断数据信道和公共控制信道在欲预约时间段内是否空闲，是则转入步骤4，否则转入步骤2；

步骤4：源节点发送RTS分组，并按照IEEE802.11协议等待CTS分组；在预定时间内收到CTS分组则转入步骤5，否则转入步骤2；

步骤5：源节点收到CTS分组后，在公共控制信道发送RES分组，同时在所预约的数据信道发送数据分组，完成后等待目的节点回复ACK分组。无论是否收到ACK分组都等待预约时刻的到来(情况二描述的情况)。

●情况二：源节点发送已预约的数据分组。

步骤1：在预约发送的时间到来时，源节点检测所预约的数据信道是否空闲，如空闲则发送数据分组并转入步骤2，如不空闲，则预约分组发送失败，转入情况一之步骤2重新预约；

步骤2：如果正在发送的是本次预约的最后一个分组(即：第n-1个数据分组)，则源节点判断是否满足情况一中步骤1的条件，如满足则直接进入情况一之步骤3，否则进入情况一之步骤1；如果正在发送的不是本次预约的最后一个分组，则在所预约的数据信道上发送数据分组并等待ACK分组，无论是否收到ACK分组都等待下一个预约分组发送时刻的到来。

●情况三：节点收到给自己的RTS/数据分组

(1)节点在收到给自己的RTS分组后搜索自己的预约表，判断源节点请求的数据信道及公共控制信道在欲预约时间段内是否空闲，如是则回复CTS分组，否则不理会；

(2)节点在收到给自己的数据分组后，在同一数据信道上回复ACK分组。

●情况四：节点收到不是自己的CTS/RTS/ACK/数据分组

(1)收到不是自己的CTS/RES分组后，节点按照CTS/RES分组中包含的预约信息更新自己的预约表；

(2)收到不是自己的RTS/ACK/数据分组后，节点无需任何操作。

本发明的有益效果是：

本发明中的接入方法能大幅度提高DCA协议的吞吐量。用OMNeT++4.0软件对本发明提出的多址接入协议进行仿真，仿真场景为1000m×1000m，共100个节点，每个节点的位置为随机配置，物理层采用如表1所示的参数设置：

表1、仿真参数设置

当预约周期T_CYCLE＝0.007时，仿真数据信道数目从1-9变化时吞吐量的变化，得到曲线如图2所示。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的吞吐量仿真结果示意图；

图3是RTS帧格式示意图；

图4是CTS/RES帧格式示意图；

图5是控制分组传输耗时示意图；

图6是数据分组传输耗时示意图。

具体实施方式

本发明可以在无线网卡中通过固件实现，或实现在无线网卡的驱动程序之中。下面结合附图和实例对本发明的实现进行详细的说明。

(一)帧格式

本发明采用的RTS/CTS帧格式与标准的IEEE802.11协议略有不同，同时增加了一个新的RES帧。

(1)RTS帧格式

本发明采用的RTS帧格式如图3所示。

(2)CTS/RES帧格式

本发明采用的CTS/RES帧格式如图4所示。

在IEEE802.11中，“帧控制”中有6比特用于标识帧类型。标准中没有定义RES帧，但是本发明采用的DATA/ACK帧格式和IEEE802.11b标准一致。

(二)控制分组及数据分组相关耗时计算

在下文中，为了方便描述和计算，数据分组大小的都假设为500字节。其余的参数参照IEEE802.11b标准。

(1)控制分组相关耗时计算

假设分组的传播延迟为δ，一次RTS/CTS/RES的传输耗时为T_C，物理层为每个控制分组添加的物理层头信息为H(IEEE802.11b中，H的大小L_H＝192bit)，并定义T_N-RTS和T_N-CTS如图5所示。

设RTS/CTS/RES分组的长度分别为L_RTS/L_CTS/L_RES，发送速率分别为v_RTS/v_CTS/v_RES，物理层头信息发送的速率为v_H，SIFS表示等待SIFS耗费的时间。则，由图5可得：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_C=\frac{3L_H}{v_H}+\frac{L_{\mathrm{RTS}}}{v_{\mathrm{RTS}}}+\frac{L_{\mathrm{CTS}}}{v_{\mathrm{CTS}}}+\frac{L_{\mathrm{RES}}}{v_{\mathrm{RES}}}+2\mathrm{SIFS}+2\mathrm{\δ}\\ T_{N-\mathrm{RTS}}=T_C-(\frac{L_H}{v_H}+\frac{L_{\mathrm{RTS}}}{v_{\mathrm{RTS}}})\\ T_{N-\mathrm{CTS}}=T_{N-\mathrm{RTS}}-(\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\frac{L_H}{v_H}+\frac{L_{\mathrm{CTS}}}{v_{\mathrm{CTS}}})\end{array}\right.$

代入L_RTS＝192，L_CTS＝L_RES＝136，v_RTS＝v_CTS＝v_RES＝2Mbps，v_H＝1Mbps。δ值可用最大传播时延代替，即：δ＝2us。SIFS＝10us。代入计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_C=832\mathrm{us}\\ T_{N-\mathrm{RTS}}=544\mathrm{us}\\ T_{N-\mathrm{CTS}}=272\mathrm{us}\end{array}\right.$

(2)数据分组相关耗时计算

数据分组传输包括分组本身及ACK分组的传输，假设其耗时为T_D，如图6所示。

在上一小节假设的基础上，设分组长度为L_DATA，发送速率为v_D，MAC层为分组添加的MAC头M长度为L_M，ACK长度为L_ACK，发送速率为v_ACK。可得：

$T_D=\frac{{2L}_H}{v_H}+\frac{L_M+L_{\mathrm{DATA}}}{v_D}+\frac{L_{\mathrm{ACK}}}{v_{\mathrm{ACK}}}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}$

代入L_DATA＝4000bit，L_M＝272bit(内含MAC校验比特长度)，v_ACK＝1Mbps，L_ACK＝112bit，v_D＝11Mbps。可得：

T_D＝840.36us

(三)信道使用情况链表的建立及更新

使用本发明接入方法的每个节点会创建并维护两个结构体链表：数据信道使用列表(DCUL：Data Channel Usage List)和公共控制信道使用列表(CCUL：ControlChannel Usage List)，这两个链表中存放着所有邻节点对信道的预约信息。

(1)信道使用情况列表的建立

DCUL中的结构体有以下几个变量：

1、host，该变量用于存储节点编号；

2、channel，该变量用于存储节点预约的数据信道编号

3、number，该变量用于存储一次控制分组交换后将要在数据信道发送数据分组的数目；

4、stime，数据分组将在数据信道发送的时刻，即图1中的t₁时刻；

5、time，该变量用于存储数据分组将要使用数据信道的时间。

CCUL中的结构体中包含以下几个变量：

1、host，该变量用于存储邻居节点的编号；

2、number，与DCUL中的number含义一样；

3、time，该变量用于存储节点下次将要使用控制信道的时刻，即图1中的t+nT时刻。

(2)信道使用情况列表的更新

节点在收到不是给自己的CTS/RES分组后，会更新自己的CCUL。具体步骤如下：

1、在CCUL中增加一个新结构体CCUL[i]。将CTS/RES分组的接收机地址赋值给CCUL[i].host；

2、将CTS/RES分组中“分组数”域的值赋给CCUL[i].number；

3、假设节点收到CTS/RES分组的时刻为T_current，如果收到的是CTS分组，CCUL[i].time＝(T_current+T_N-CTS-T_C)+CCUL[i].number×T_CYCLE，如果是RES分组，CCUL[i].time＝(T_current-T_C)+CCUL[i].number×T_CYCLE。

节点在收到CTS/RES分组后，会更新自己的DCUL。具体步骤如下：

1、在DCUL中增加一个新结构体DCUL[i]。将CTS/RES分组的接收机地址赋值给DCUL[i].host；

2、将CTS/RES分组中“采用的数据信道编号”域的值赋给DCUL[i].number；

3、将CTS/RES分组中“分组数”域的值赋给DCUL[i].number；

4、如收到的是CTS分组，DCUL[i].stime＝T_current+δ+SIFS；如果收到的是RES分组，DCUL[i].stime＝T_current-T_N-CTS+δ+SIFS；

5、将CTS/RES分组中“NAV”域的值赋给DCUL[i].time。

(四)信道空闲的判断

控制信道列表和数据信道列表用于在预约前判断控制信道和数据信道在所预约的时间段是否空闲。假设退避完成后当前的时间为T_current，一次控制分组传输需要发送的数据分组数目为n，预约的数据信道时长为t。

(1)控制信道空闲的判断

控制信道空闲首先必须满足IEEE802.11标准的条件：载波侦听和虚拟载波侦听为闲的状态。然后必须满足CCUL中无与即将进行的传输冲突的预约信息，即对CCU中的任意一条预约信息CCUL[i]，时间段[T_current，T_current+T_C]与[CCUL[i].time，CCUL[i].time+T_C]无重叠。

(2)数据信道空闲的判断

数据信道空闲只需满足一个条件：DCUL中无与即将进行的数据分组传输相冲突的信息。即对于DCUL中的任意一条预约信息DCUL[i]，设T＝T_current+T_C-T_N-CTS+δ+SIFS，时间段[T，T+t]与式中的所有时间段均无重叠：

$\left\{\begin{array}{c}[\mathrm{stime},\mathrm{stime}+\mathrm{time}]\\ [\mathrm{stime}+T_{\mathrm{CYCLE}},\mathrm{stime}+\mathrm{time}+T_{\mathrm{CYCLE}}]\\ M\\ [\mathrm{stime}+\mathrm{number\; g}{T}_{\mathrm{CYCLE}},\mathrm{stime}+\mathrm{time}+\mathrm{number\; g}{T}_{\mathrm{CYCLE}}]\end{array}\right.$

式中的stime，time，number皆省略了前面的“DCUL[i].”。

(五)具体步骤

考虑无线局域网中有6个可用数据信道，分别编号DCH₁～DCH₆；另外还有一个公共控制信道CCH；网络中每个节点产生的数据分组大小为500字节，物理层的参数采用IEEE802.11b标准，即控制分组发送速率为2Mbps，数据分组发送速率为11Mbps。

数据分组等待的最大延迟为T_Delay，一次控制信道分组预约发送的数据分组数目为D_N。对应于技术方案中的描述，各个步骤具体实施如下：

●情况一：节点发送未预约的数据分组。

步骤1：节点判断待发数据分组队列大小是否大于D_N，队列中最大的分组时延已超过T_Delay。如果上述两个条件有一个或两个满足，则进入步骤2。否则在步骤1等待直至满足进入步骤2的条件再进入步骤2；

步骤2：节点在控制信道按照IEEE802.11协议进行二进制指数退避竞争信道。信道竞争成功后转入步骤3；

步骤3：节点搜索自己的DCUL和CCUL链表，判断数据信道和公共控制信道在欲预约时间段内是否空闲。是则转入步骤4，否则转入步骤2；而判断数据信道和公共控制信道是否空闲分为以下几个步骤，假设当前时刻为T_current：

步骤3.1：节点按照(二)的方法计算得到控制分组传输耗时T_C，并按照(四)的方法判断控制信道在时间段[T_current，T_current+T_C]是否空闲，是则进入步骤3.2，否则返回步骤2；

步骤3.2：节点获取最大分组大小L_max：如果待发数据分组数大于D_N，则取队列首部D_N个数据分组中的最大分组大小为L_max；如果待发数据分组数小于D_N，则取队列中所有数据分组的最大分组大小为L_max；本文假设所有分组大小为4000bit，故L_max＝4000bit。完成后进入步骤3.3；

步骤3.3：按照(二)的方法计算T_D，然后按(四)的方法判断时间段[T，T+T_D]内是各个数据信道否空闲(T＝T_current+T_C-T_N-CTS+δ+SIFS)；如都不空闲则返回步骤2，如有一个或以上的数据信道空闲，则将所有空闲数据信道的编号记录并转入步骤4；

步骤4：节点发送RTS分组，并等待CTS分组；在预定时间内收到CTS分组则转入步骤5，否则转入步骤2；该步骤细分为以下几步：

步骤4.1：节点按照(一)描述的格式形成RTS分组，将“NAV”值设置为T_D。如果待发数据分组队列中的分组数目小于D_N，则将“预约控制”域的“是否预约”设置为“0”，“分组数”设置为“0001”；如果队列中分组数目大于D_N，则将“是否预约”设置为“1”，“分组数”设置为D_N。对于“可用数据信道信息”的值，将步骤3.3中得到的空闲数据信道编号对应的位置“1”，其余为“0”。例如，如果数据信道编号为1，2，6的数据信道信道空闲，则“可用数据信道信息”的值为“110001000000000000000000000”。RTS分组的其余域按照IEEE802.11标准设置，设置完成后进入步骤4.2；

步骤4.2：将生成的RTS分组通过控制天线在公共控制信道上发送，并按照IEEE802.11标准等待CTS分组，若等待超时则返回步骤2，否则转入步骤5；步骤5：节点收到CTS分组后，在公共控制信道发送RES分组，同时在所预约的数据信道发送数据分组，完成后等待目的节点回复ACK分组。无论是否收到ACK分组都等待预约时刻的到来(情况二描述的情况)。该步骤分为以下几步(步骤5.1、5.2和5.3在时间上同时执行)：

步骤5.1：节点在收到CTS分组并等待SIFS时间后，记录当前时间为T_c-current，并安排T_c-current+T_CYCLE时刻为预约时刻，发送下一个数据分组；

步骤5.2：节点收到CTS分组并等待SIFS时间后按照(一)中描述的帧格式产生RES分组，将CTS分组中的“预约控制”域的值赋给RES分组中的“预约控制”域，RES域的其他值按照IEEE802.11标准的CTS分组对应域设置；完成设置后将RES分组在公共控制信道发送；

步骤5.3：节点在收到CTS分组并等待SIFS时间后按照标准的IEEE802.11标准产生数据分组并在CTS分组中规定的数据信道发送；数据分组完成后在该数据信道按照IEEE802.11标准等待ACK，无论是否收到ACK都等待预约时刻的到来；

●情况二：发送已预约的数据分组。

步骤1：在预约发送的时间到来时，节点检测所预约的数据信道是否满足载波侦听空闲，如空闲则如情况一之步骤5.3发送数据分组并转入步骤2，如不空闲，则预约分组发送失败，转入情况一之步骤2重新预约；

步骤2：如果正在发送的是本次预约的最后一个分组(即：第n-1个数据分组)，则节点判断是否满足情况一中步骤1的条件，如满足则直接进入情况一之步骤3，否则进入情况一之步骤1；如果正在发送的不是本次预约的最后一个分组，则按照情况一之步骤5.3在所预约的数据信道上发送数据分组并等待ACK分组。如果收到ACK分组，则记录当前时刻为T_a-current并按照情况一之步骤5.1安排T_a-current-T_D+T_CYCLE时刻为下一个预约时刻，如没有收到ACK分组，则预约发送失败，返回情况一之步骤1。

●情况三：收到给自己的RTS/数据分组

(1)节点在收到给自己的RTS分组后执行以下几个步骤：

步骤1：记录当前时刻为：T_r-current，按照(四)所述的方法在DCUL中搜索在以T_r-current+T_N-RTS-T_N-CTS+δ+SIFS开始的长度为T_D的时间段内空闲的数据信道编号，并与RTS分组中的“空闲数据信道编号”进行比较。如果没有共同的空闲数据信道则不理会该CTS分组，如果有一条(或多条)共同的空闲数据信道编号则转入步骤2；

步骤2：按照(一)描述的帧格式生成CTS分组，并将收到的RTS分组中“是否预约”和“分组数”域的值赋给CTS分组中的同名域。如果步骤1中只有一条公共的空闲数据信道，则将该信道编号的值赋给CTS分组中的“采用的数据信道编号”域；如果有多条公共的空闲信道，则随机选择一条数据信道的编号并赋值给CTS分组中的“采用的数据信道编号”域。CTS分组的其余域按照IEEE802.11标准进行设置；设置完成后转入步骤3；

步骤3：在公共控制信道发送生成的CTS分组；

(2)节点在收到给自己的数据分组后在数据信道上按照IEEE802.11标准生成并回复ACK分组。

●情况四：收到不是自己的RTS/CTS/RES/ACK/数据分组

(1)收到不是自己的RTS/CTS，节点按照IEEE802.11标准设置T_N-RTS(收到的是RTS分组)或T_N-CTS(收到的是CTS分组)时间长度的虚拟载波侦听忙，

(2)收到不是自己的CTS/RES分组后，节点按照(三)中的方法对CCUL和DCUL进行更新操作。

(3)收到不是自己的RTS/ACK/数据分组后，节点无需任何操作。

本发明具有以下特点：

1、实现简单，可在支持多信道网卡的固件中实现，同时也可以实现在驱动程序中；

2、大幅度提高了网络吞吐量；

3、采用分布式的工作方式，无须中心控制节点及全网时同步；

4、适合于传输视频等信源具有周期性的业务。

Claims (1)

1.一种无线自组网中基于信道预约机制的多信道多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：

情况一：源节点发送未预约的数据分组

步骤1：源节点判断待发数据分组队列大小是否有大于D_N的分组，或数据分组的最大时延大于T_Delay，如果二者都不满足则继续在步骤1等待，否则转入步骤2，其中，D_N为源节点发送前需要的分组数，T_Delay为队列中分组最大允许延迟；

步骤2：源节点在控制信道按照IEEE802.11协议进行二进制指数退避竞争信道，信道竞争成功后转入步骤3，竞争失败则按照IEEE802.11协议增加竞争窗后重新执行步骤2；

步骤3：源节点搜索自己的控制信道使用链表和数据信道使用链表，判断数据信道和公共控制信道在欲预约时间段内是否空闲，是则转入步骤4，否则转入步骤2；

步骤4：源节点发送RTS分组，并按照IEEE802.11协议等待CTS分组；在预定时间内收到CTS分组则转入步骤5，否则转入步骤2；

步骤5：源节点收到CTS分组后，在公共控制信道发送RES分组，同时在所预约的数据信道发送数据分组，完成后等待目的节点回复ACK分组，无论是否收到ACK分组都等待预约时刻的到来；

情况二：源节点发送已预约的数据分组

步骤1：在预约发送的时间到来时，源节点检测所预约的数据信道是否空闲，如空闲则发送数据分组并转入步骤2，如不空闲，则预约分组发送失败，转入情况一之步骤2重新预约；

步骤2：如果正在发送的是本次预约的最后一个分组，则源节点判断是否满足情况一中步骤1的条件，如满足则直接进入情况一之步骤3，否则进入情况一之步骤1；如果正在发送的不是本次预约的最后一个分组，则在所预约的数据信道上发送数据分组并等待ACK分组，无论是否收到ACK分组都等待下一个预约分组发送时刻的到来；

情况三：节点收到给自己的RTS/数据分组

(1)节点在收到给自己的RTS分组后搜索自己的预约表，判断源节点请求的数据信道及公共控制信道在欲预约时间段内是否空闲，如是则回复CTS分组，否则不理会；

(2)节点在收到给自己的数据分组后，在同一数据信道上回复ACK分组；情况四：节点收到不是自己的CTS/RTS/ACK/数据分组

(1)收到不是自己的CTS/RES分组后，节点按照CTS/RES分组中包含的预约信息更新自己的预约表；

(2)收到不是自己的RTS/ACK/数据分组后，节点无需任何操作。

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