CN102404026B - 一种多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法 - Google Patents

一种多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法 Download PDF

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CN102404026B CN201110450009.9A CN201110450009A CN102404026B CN 102404026 B CN102404026 B CN 102404026B CN 201110450009 A CN201110450009 A CN 201110450009A CN 102404026 B CN102404026 B CN 102404026B
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Abstract

本发明公开了一种多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法，按以下步骤进行：1)在传输时段1的每个时隙，将目标用户所需信息符号分别在其由强到弱的统计特征方向上发送；2)在传输时段m＞1，根据反馈所得过时瞬时信道状态信息，设计m阶复合符号，并利用统计信道状态信息，将其中各用户所需部分在相应统计特征方向上加以增强；3)在所有传输时段完成后，用户利用所有传输时隙上的输入输出方程组，解出其所需信息符号。该方法能达到与传统利用过时信道状态信息传输方法同样的自由度，并通过利用统计信道状态信息进一步提高系统可达速率。

Description

一种多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法
技术领域
本发明涉及一种多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法，属于通信领域。
背景技术
多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)无线传输技术可以充分挖掘空间资源，提高频谱利用率和功率效率，因此成为新一代移动通信标准3GPP LTE-Advanced(3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution，第三代合作伙伴计划的长期演进高版本)研究的关键所在。多用户MIMO技术通过多用户空分复用可以获得更高的系统和容量，近年来在理论界和工业界都得到广泛的重视。多用户MIMO下行传输技术需要在基站端获取各用户的信道状态信息，在实际中，瞬时信道状态信息一般在用户端通过信道估计获得，并通过速率有限的反馈链路反馈给基站。在中高速移动场景下，瞬时信道状态变化剧烈，反馈时延的影响不可忽略。当反馈时延大于信道的相干时间时，基站在某一传输时刻所获得的信道状态信息，与该时刻实际的信道状态信息完全不相关，基站获取的瞬时信道状态信息完全过时，传统的多用户传输方案不能实施。针对这种场景，Maddah-Ali和Tse提出了一种利用过时的信道状态信息的多用户MIMO下行传输方法(以下简称MAT方法)，该方法可达到大于1的自由度，即，利用完全过时的瞬时信道状态信息，基站仍可以在每一传输时刻在下行链路中传输大于1个数据流。另一方面，考虑到信道的统计特性相对于瞬时信道状态信息变化较慢，且不会受到信道反馈延时的明显影响，可以认为基站端可以通过长时统计和反馈获得各用户较为准确的统计信道状态信息，因此，可以在利用过时的瞬时信道状态信息传输的基础上，进一步在传输方案设计中利用统计信道状态信息。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种多输入多输出系统下，利用统计信道状态信息，以及完全过时的瞬时信道状态信息的多用户下行传输方法，该方法可以在下行链路达到大于1的自由度，并通过利用统计信道状态信息，达到比传统MAT方案更高的可达速率。
技术方案：本发明所述的多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法，在反馈延时大于信道相干时间的环境下，基站通过
Figure BDA00001263314700000213
个发送天线，在个传输时段内，向
Figure BDA00001263314700000217
个用户发送其各自所需的信息，其中第
Figure BDA00001263314700000215
个传输时段包含
Figure BDA00001263314700000216
个时隙，
Figure BDA0000126331470000021
Figure BDA0000126331470000022
在第1个传输时段，每个用户被分配予
Figure BDA00001263314700000218
个时隙，在每个时隙，向所属目标用户发送
Figure BDA00001263314700000219
个独立信息符号，每个信息符号分别在目标用户由强到弱的统计特征方向上发送。在第
Figure BDA00001263314700000220
个传输时段，基站利用
Figure BDA0000126331470000023
的传输时段内的瞬时信道状态信息，设计阶数为
Figure BDA00001263314700000221
的复合信息符号，阶数为
Figure BDA00001263314700000222
表示该信息符号包含
Figure BDA00001263314700000223
个用户的所需信息，用户通过在该复合信息中减去自身已知的部分，可以得到在前一传输时段中，其他用户在所需时隙的接收信号，并以此解出前一时段中本用户所需信号。利用统计信道状态信息，将该复合信息符号中各用户所需部分在相应统计特征方向上加以增强。在所有传输时段完成后，用户端通过其所保存的全部传输时段的接收信号，以及统计与瞬时信道状态信息，解出其所需的信息符号。该方法具体包括如下步骤：
步骤一、在第1个传输时段，共包含
Figure BDA00001263314700000224
个传输时隙，每个用户分配予个传输时隙；在该传输时段内，包含用户
Figure BDA00001263314700000228
所需信息的第
Figure BDA00001263314700000227
个传输时隙在每个传输时隙
Figure BDA00001263314700000229
基站向用户
Figure BDA00001263314700000230
发送个阶数为1的独立信息符号，分别记为其中第个信息符号
Figure BDA00001263314700000234
在用户
Figure BDA00001263314700000235
的第
Figure BDA00001263314700000236
强统计特征方向上发送；
Figure BDA00001263314700000237
表示第1个传输时段内，包含用户
Figure BDA00001263314700000238
所需信息的第
Figure BDA00001263314700000239
个传输时隙；用户
Figure BDA00001263314700000240
的统计特征方向，由其发送相关矩阵的特征值分解得到，通过长时统计得到，表示从基站到用户
Figure BDA00001263314700000243
的信道矢量，
Figure BDA00001263314700000242
表示求期望。
步骤二、在第
Figure BDA00001263314700000246
个传输时段的传输时隙
Figure BDA0000126331470000026
基站向用户集合
Figure BDA00001263314700000245
中的用户发送阶数为
Figure BDA00001263314700000247
的复合信息，若该时段中每时隙需同时发送多个
Figure BDA00001263314700000248
阶符号，则将各阶符号分别在各用户最强统计特征方向上发送；若该时段中每时隙只需发送1个
Figure BDA00001263314700000250
阶符号，则将其中对某用户有用的部分，在该用户最大统计特征方向上发送；这里，
Figure BDA0000126331470000027
Figure BDA0000126331470000028
表示第个传输时段内，包含第个用户集合
Figure BDA00001263314700000255
中的用户所需信息的第
Figure BDA00001263314700000263
个传输时隙；每个用户集合
Figure BDA00001263314700000253
包含个用户，且定义各用户集合使之满足
Figure BDA00001263314700000256
为所有用户的标号集合；
Figure BDA00001263314700000211
表示
Figure BDA00001263314700000259
中取
Figure BDA00001263314700000258
的组合数，
Figure BDA00001263314700000260
表示集合
Figure BDA00001263314700000257
的势，且
Figure BDA00001263314700000261
表示第个传输时段内用户集合
Figure BDA00001263314700000313
中的第
Figure BDA00001263314700000325
个用户标号；
步骤三、在第
Figure BDA00001263314700000314
个传输时段，在
Figure BDA0000126331470000031
时，按照步骤二所描述设计发送信号；在
Figure BDA0000126331470000032
时，发送阶数为的复合信息，将该复合信息中对各用户有用的部分分别在各用户的最强统计特征方向上发送；如果该传输时段包含大于1个时隙，则在各个传输时隙上，调整各用户有用信号及其统计特征方向的组合方式，使各时隙上的输入输出方程组之间保持线性独立；
步骤四、在所有传输时段完成后，各用户根据其所记录的所有传输时隙上的
Figure BDA0000126331470000033
个输入输出方程，利用传统的信号检测方法，如迫零或最小均方误差检测，解出其所需的
Figure BDA00001263314700000316
个独立信息符号。
上述方法的步骤二中，对用户
Figure BDA00001263314700000317
有用的部分，为在第
Figure BDA0000126331470000034
个传输时段内，在所有包含
Figure BDA00001263314700000318
所需信息的传输时隙上，其他所有用户
Figure BDA00001263314700000319
所接收到的信号
Figure BDA0000126331470000035
Figure BDA0000126331470000036
Figure BDA0000126331470000037
表示第
Figure BDA00001263314700000312
个传输时段内，包含对用户
Figure BDA00001263314700000320
有用信号的第个传输时隙；基站根据通过反馈获知的第
Figure BDA0000126331470000038
个传输时段内各用户的瞬时信道状态信息，在发送端重建
Figure BDA0000126331470000039
并由此构建所需的
Figure BDA00001263314700000324
阶符号；该传输时段每一时隙所需发送的
Figure BDA00001263314700000323
阶符号个数，由前一传输时段分配给每用户的时隙数决定，该传输时段每一时隙所需发送的
Figure BDA00001263314700000322
阶符号个数，应保证可以构建足够的线性独立输入输出方程组，以解出前一传输时段目标用户在所有时隙上的所需符号。
上述方法的步骤三中，所述传输时段所包含的时隙数，由前一传输时段各时隙上所发送的
Figure BDA00001263314700000310
阶符号个数确定，该传输时段所包含的时隙数应保证可以构建足够的线性独立输入输出方程组，以解出前一传输时段所发送的所有
Figure BDA00001263314700000311
阶符号。
上述方法的步骤四中，在用户对所需信号进行检测时，需要获知自身在每一个传输时隙的瞬时信道状态信息，在所有传输时段的统计信道状态信息，以及其他用户在特定时隙上的瞬时信道状态信息，该特定时隙的位置，由各用户所得到的输入输出方程组决定；在该特定时隙上，各用户向基站反馈其瞬时信道状态信息时，同时向所有其他用户广播该信息。
有益效果：本发明提出了一种多输入多输出系统下，利用统计信道状态信息，以及完全过时的瞬时信道状态信息的多用户下行传输方法，在完全过时的瞬时信道信息的基础上，进一步利用较为准确的统计信道状态信息，可以在达到与传统MAT方案相同的自由度的同时，进一步提高系统的可达和速率。本发明方法在达到与传统的利用过时信道状态信息传输方法同样的自由度的基础上，进一步利用统计信道状态信息，可显著提高系统可达速率。
附图说明
图1为本发明多输入多输出通信系统中，利用统计及过时信道状态信息的多用户下行传输方法在2用户场景下的一个实施例的输入输出流程图。
图2为本发明多输入多输出通信系统中，利用统计及过时信道状态信息的多用户下行传输方法在3用户场景下的一个实施例的发送流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：本发明实施例提供的多输入多输出通信系统中，利用统计及过时信道状态信息的多用户下行传输方法，可以达到与传统MAT方法相同的自由度，并显著提高系统的可达速率。
图1为本发明多输入多输出通信系统中，利用统计及过时信道状态信息的多用户下行传输方法在2用户场景下的一个实施例的输入输出流程图，整个传输过程分为2个传输时段，其中传输时段1包含2个时隙，传输时段2包含1个时隙。
图示101：基站在时隙1的发送信号，将符号
Figure BDA0000126331470000041
在
Figure BDA0000126331470000042
所示方向上发送，将符号
Figure BDA0000126331470000043
在
Figure BDA0000126331470000044
所示方向上发送。和表示用户
Figure BDA0000126331470000047
所需的两个信息符号，
Figure BDA0000126331470000048
和
Figure BDA0000126331470000049
分别为用户的两个统计特征方向，以列矢量表示；
图示102：基站在时隙2的发送信号，将符号
Figure BDA00001263314700000411
在
Figure BDA00001263314700000412
所示方向上发送，将符号
Figure BDA00001263314700000413
在所示方向上发送。
Figure BDA00001263314700000415
和表示用户
Figure BDA00001263314700000417
所需的两个信息符号，
Figure BDA00001263314700000418
和
Figure BDA00001263314700000419
分别为用户
Figure BDA00001263314700000420
的两个统计特征方向，以列矢量表示；
图示103：基站在时隙3的发送信号，将
Figure BDA0000126331470000056
在
Figure BDA0000126331470000057
所示方向上发送，将在
Figure BDA0000126331470000059
所示方向上发送。表示用户
Figure BDA00001263314700000511
在时隙1的接收信号，
Figure BDA00001263314700000512
表示用户
Figure BDA00001263314700000513
在时隙2的接收信号；
图示104：用户
Figure BDA00001263314700000514
与用户在时隙1的接收信号。其中
Figure BDA00001263314700000516
表示在时隙1基站到用户
Figure BDA00001263314700000518
的瞬时信道行矢量，
Figure BDA00001263314700000517
表示在时隙1基站到用户
Figure BDA00001263314700000519
的瞬时信道行矢量；
图示105：用户
Figure BDA00001263314700000532
与用户在时隙2的接收信号。其中
Figure BDA00001263314700000520
表示在时隙2基站到用户
Figure BDA00001263314700000523
的瞬时信道行矢量，
Figure BDA00001263314700000522
表示在时隙2基站到用户
Figure BDA00001263314700000524
的瞬时信道行矢量；
图示106：用户
Figure BDA00001263314700000525
与用户
Figure BDA00001263314700000526
在时隙3的接收信号。其中
Figure BDA00001263314700000527
表示在时隙3基站到用户
Figure BDA00001263314700000528
的瞬时信道行矢量，
Figure BDA00001263314700000529
表示在时隙3基站到用户
Figure BDA00001263314700000530
的瞬时信道行矢量。
在完成如图1所示传输流程后，考虑等功率分配时，用户
Figure BDA00001263314700000531
在全部3个传输时隙上的输入输出方程组为：
y A = P 2 H A 1 s A + P 2 H A 2 s B + n A ,
其中，
H A 1 = h A ( 1 ) w A 1 h A ( 1 ) w A 2 0 0 h A ( 3 ) w A 1 h B ( 1 ) w A 1 h A ( 3 ) w A 1 h B ( 1 ) w A 2 ,
H A 2 = 0 0 h A ( 2 ) w B 1 h A ( 2 ) w B 2 h A ( 3 ) w B 1 h A ( 2 ) w B 1 h A ( 3 ) w B 1 h A ( 2 ) w B 2
为根据图1所示传输流程得到的等效信道矩阵，
Figure BDA00001263314700000533
为用户
Figure BDA00001263314700000534
在所有3个传输时隙上的接收信号组成的列矢量，
Figure BDA0000126331470000054
Figure BDA0000126331470000055
分别为要发送给用户
Figure BDA00001263314700000536
和用户
Figure BDA00001263314700000535
的信息符号组成的列矢量，
Figure BDA00001263314700000537
为用户
Figure BDA00001263314700000538
在3个传输时隙上的接收噪声矢量。通过接收用户
Figure BDA00001263314700000540
在时隙1广播的信道状态信息，以及用户
Figure BDA00001263314700000539
的统计信道状态信息，用户
Figure BDA00001263314700000541
可获知该输入输出方程组，并通过传统的迫零或最小均方误差检测方法解出其所需的信息符号
Figure BDA00001263314700000542
和对于用户
Figure BDA00001263314700000544
也可以同样的方式解出
Figure BDA00001263314700000545
和
Figure BDA0000126331470000065
图2为本发明多输入多输出通信系统中，利用统计及过时信道状态信息的多用户下行传输方法在3用户场景下的一个实施例的发送流程图，图中画出了基站在各个传输时隙的发送信号。整个传输过程分为3个传输时段，其中传输时段1包含6个时隙，传输时段2包含3个时隙，传输时段3包含2个时隙。
图示201：基站在时隙1的发送信号，分别将传给用户
Figure BDA0000126331470000067
的3个信息符号
Figure BDA0000126331470000066
Figure BDA0000126331470000068
和
Figure BDA0000126331470000069
在用户
Figure BDA00001263314700000651
的3个统计特征方向
Figure BDA00001263314700000610
和
Figure BDA00001263314700000611
上发送；
图示202：基站在传输时隙2的发送信号，分别将传给用户
Figure BDA00001263314700000652
的3个信息符号和
Figure BDA00001263314700000614
在用户
Figure BDA00001263314700000615
的3个统计特征方向
Figure BDA00001263314700000612
和
Figure BDA00001263314700000613
上发送；
图示203：基站在传输时隙3的发送信号，分别将传给用户的3个信息符号
Figure BDA00001263314700000621
和
Figure BDA00001263314700000620
在用户
Figure BDA00001263314700000650
的3个统计特征方向
Figure BDA00001263314700000618
和
Figure BDA00001263314700000619
上发送；
图示204：基站在传输时隙4的发送信号，分别将传给用户
Figure BDA00001263314700000622
的3个信息符号和
Figure BDA00001263314700000624
在用户
Figure BDA00001263314700000625
的3个统计特征方向
Figure BDA00001263314700000626
和
Figure BDA00001263314700000627
上发送；
图示205：基站在传输时隙5的发送信号，分别将传给用户C的3个信息符号
Figure BDA00001263314700000630
和
Figure BDA00001263314700000631
在用户
Figure BDA00001263314700000632
的3个统计特征方向
Figure BDA00001263314700000628
和
Figure BDA00001263314700000629
上发送；
图示206：基站在传输时隙6的发送信号，分别将传给用户
Figure BDA00001263314700000633
的3个信息符号
Figure BDA00001263314700000637
和在用户
Figure BDA00001263314700000636
的3个统计特征方向
Figure BDA00001263314700000634
和上发送；
图示207：基站在传输时隙7的发送信号，包含2个对用户集
Figure BDA00001263314700000639
有用的2阶符号
Figure BDA0000126331470000061
与
Figure BDA0000126331470000062
将第1个2阶符号在用户
Figure BDA00001263314700000640
的最强统计特征方向
Figure BDA00001263314700000641
上发送，将第2个2阶符号在用户
Figure BDA00001263314700000642
的最强统计特征方向
Figure BDA00001263314700000643
上发送；
图示208：基站在传输时隙8的发送信号，包含2个对用户集
Figure BDA00001263314700000644
有用的2阶符号
Figure BDA0000126331470000063
与
Figure BDA0000126331470000064
将第1个2阶符号在用户
Figure BDA00001263314700000645
的最强统计特征方向
Figure BDA00001263314700000646
上发送，将第2个2阶符号在用户的最强统计特征方向上发送；
图示209：基站在传输时隙9的发送信号，包含2个对用户集
Figure BDA00001263314700000649
有用的2阶符号
Figure BDA0000126331470000071
与
Figure BDA0000126331470000072
将第1个2阶符号在用户
Figure BDA0000126331470000076
的最强统计特征方向上发送，将第2个2阶符号在用户
Figure BDA0000126331470000078
的最强统计特征方向
Figure BDA0000126331470000079
上发送；
图示210：基站在传输时隙10的发送信号，包含1个对用户集
Figure BDA00001263314700000710
有用的3阶符号
Figure BDA0000126331470000073
将其中对用户
Figure BDA00001263314700000711
有用的部分
Figure BDA00001263314700000712
在其最强统计特征方向上发送，对用户
Figure BDA00001263314700000714
有用的部分在其最强统计特征方向
Figure BDA00001263314700000716
上发送，对用户
Figure BDA00001263314700000729
有用的部分
Figure BDA00001263314700000723
在其最强统计特征方向
Figure BDA00001263314700000718
上发送；
图示211：基站在传输时隙11的发送信号，包含1个对用户集有用的3阶符号
Figure BDA0000126331470000074
为了得到与传输时隙10中线性独立的输入输出方程，重新安排该3阶符号中对各用户有用部分与各用户最强统计特征方向之间的组合方式，将其中对用户
Figure BDA00001263314700000730
有用的部分
Figure BDA00001263314700000724
在其最强统计特征方向上发送，对用户
Figure BDA00001263314700000725
有用的部分
Figure BDA00001263314700000722
在其最强统计特征方向上发送，对用户
Figure BDA00001263314700000728
有用的部分
Figure BDA00001263314700000726
在其最强统计特征方向
Figure BDA00001263314700000727
上发送。
在完成图2所示的发送过程后，与2用户场景下类似，各用户可写出全部11个传输时隙上的输入输出方程，并通过相应的信号检测方法解出自己所需的信息符号。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (4)

1.一种多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法，其特征在于，在反馈延时大于信道相干时间的环境下，基站通过N个发送天线，在M个传输时段内，向K个用户发送其各自所需的信息，其中第m个传输时段包含Lm个时隙，M≤K≤N，具体包括如下步骤：
步骤一、在第1个传输时段，共包含L1个传输时隙，每个用户分配予L1/K个传输时隙；在该传输时段内，包含用户k所需信息的第i个传输时隙t1,k,i，在每个传输时隙t1,k,i，基站向用户k发送K个阶数为1的独立信息符号，分别记为sk,(i-1)K+j,j=1...K，其中第j个信息符号sk,(i-1)K+j在用户k的第j强统计特征方向上发送；t1,k,i表示第1个传输时段内，包含用户k所需信息的第i个传输时隙；用户k的统计特征方向，由其发送相关矩阵Rk的特征值分解得到，
Figure FDA0000395971230000011
通过长时统计得到，hk表示从基站到用户k的信道矢量，E[·]表示求期望；
步骤二、在第m个传输时段的传输时隙
Figure FDA0000395971230000012
基站向用户集合
Figure FDA0000395971230000013
中的用户发送阶数为m的复合信息，若该时段中每时隙需同时发送多个m阶符号，则将各m阶符号分别在各用户最强统计特征方向上发送；若该时段中每时隙只需发送1个m阶符号，则将其中对某用户有用的部分，在该用户最大统计特征方向上发送；对用户km,j,l有用的部分，为在第m-1个传输时段内，在所有包含km,j,l所需信息的传输时隙上，其他所有用户k所接收到的信号
Figure FDA0000395971230000014
k≠km,j,l，
Figure FDA00003959712300000114
表示第m-1个传输时段内，包含对用户km,j,l有用信号的第i个传输时隙，这里，1<m<M，
Figure FDA0000395971230000015
表示第m个传输时段内，包含第j个用户集合
Figure FDA0000395971230000016
中的用户所需信息的第i个传输时隙；每个用户集合
Figure FDA0000395971230000017
包含m个用户，且定义各用户集合使之满足
Figure FDA0000395971230000018
为所有用户的标号集合；
Figure FDA0000395971230000019
表示K中取m的组合数，
Figure FDA00003959712300000110
表示集合
Figure FDA00003959712300000111
的势，且km,j,l表示第m个传输时段内用户集合
Figure FDA00003959712300000113
中的第l个用户标号；
步骤三、在第M个传输时段，在M≠K时，按照步骤二所描述设计发送信号；在M=K时，发送阶数为K的复合信息，将该复合信息中对各用户有用的部分分别在各用户的最强统计特征方向上发送；如果该传输时段包含大于1个时隙，则在各个传输时隙上，调整各用户有用的部分及其统计特征方向的组合方式，使各时隙上的输入输出方程组之间保持线性独立；
步骤四、在所有传输时段完成后，各用户根据其所记录的所有传输时隙上的
Figure FDA0000395971230000021
个输入输出方程，利用迫零或最小均方误差检测，解出其所需的K个独立信息符号。
2.根据权利要求1所述的多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法，其特征在于，步骤二中，基站根据通过反馈获知的第m-1个传输时段内各用户的瞬时信道状态信息，在发送端重建
Figure FDA0000395971230000022
并由此构建所需的m阶符号；该传输时段每一时隙所需发送的m阶符号个数，应保证可以构建足够的线性独立输入输出方程组，以解出前一传输时段目标用户在所有时隙上的所需符号。
3.根据权利要求1所述的多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法，其特征在于，步骤三中，所述传输时段所包含的时隙数，应保证可以构建足够的线性独立输入输出方程组，以解出前一传输时段所发送的所有M-1阶符号。
4.根据权利要求1所述的多输入多输出通信系统中多用户下行传输方法，其特征在于，步骤四中，在用户对所需信号进行检测时，需要获知自身在每一个传输时隙的瞬时信道状态信息，其自身及其它所有用户在所有传输时段的统计信道状态信息，以及其他用户在特定时隙上的瞬时信道状态信息，该特定时隙的位置，由各用户所得到的输入输出方程组决定；在该特定时隙上，各用户向基站反馈其瞬时信道状态信息时，同时向所有其他用户广播该信息。
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