CN102498682A - 支持执行可见光通信的移动终端的移动性的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于支持可见光通信(VLC)系统中移动终端的移动性的方法和装置。所述方法包括：考虑到移动终端的移动性仅激活用于VLC的必要的光源，而非使用用于VLC的所有光源。因此，可以显著地降低功耗。

Description

支持执行可见光通信的移动终端的移动性的装置和方法
技术领域
本发明一般涉及可见光通信(Visible Light Communication，VLC)系统，并且更加具体来说，涉及支持与包括在VLC系统中的VLC设备执行VLC的移动终端的移动性(mobility)的装置和方法。
背景技术
正如其名，VLC指的是使用可见光波长带中的光进行通信的无线通信技术。VLC是对基于射频的通信方案的替换，并且已经通过增加使用发光二极管(LED)对其进行了积极研究。
图1示出传统的可见光通信(VLC)系统。
参考图1，传统VLC系统包括照明灯100和移动终端105。照明灯100包括LED 115或者激光二极管(LD)中的至少一个，其颜色和发光强度可以被控制，以使得照明灯100提供照明功能并且通过使用可见光发送从接入点(AP)接收到的数据。移动终端105包括用于以照明灯100执行数据发送和接收的VLC收发器(未示出)。AP 110与照明灯100连接，以便经由照明灯100向用户提供数据服务。在照明灯100中使用的频带允许高速的数据传输。接收侧，亦即移动终端105，使用例如光电二极管(Photo Diode，PD)来处理可见光，由此执行VLC。
在传统VLC系统中，如图1中所示，只考虑物理移动。更具体地说，移动终端105在单一照明灯100之下执行VLC，以使得仅在由照明灯100覆盖的区域内实现VLC。
发明内容
技术问题
同样，通常，通过使用包括在照明灯中的所有LED来提供照明功能和通信功能，者妨碍了对LED的优点的利用，亦即低功耗，因为数据传输使用通信功能来执行，甚至在位于没有移动终端的区域中的LED中，因此导致不必要的功耗。
因此，在现有VLC系统中，通过所有光源发送相同数据而没有考虑到移动终端的移动性，由此导致不必要的功耗。
技术方案
本发明被设计为解决现有技术中出现的至少上述问题。
因此，本发明的一方面将提供用于有效地支持移动终端的移动性、由此提供无缝VLC服务的装置和方法。
依照本发明的一方面，提供一种用于由VLC设备支持与VLC设备执行VLC的移动终端的移动性的方法。所述方法包括：使用由VLC设备管理的所有光源的一部分而与所述移动终端交换数据，由VLC设备管理的所有光源的所述部分形成可见光有效区域(active region)，并且所述移动终端位于可见光有效区域中，确定是否从可见光有效区域中的移动终端接收到指示数据接收成功或者失败的响应信号，如果在可见光有效区域中没有接收到响应信号，则扩展可见光有效区域，确定是否从扩展的可见光有效区域中的移动终端接收到响应信号，以及如果成功接收到响应信号，则基于接收到响应信号的位置设置新的可见光有效区域。
根据本发明的另一个方面，提供一种用于支持执行VLC的移动终端的移动性的装置。所述装置包括：光源管理器，用于管理关于多个光源中的每一个的信息，以及仅确定多个光源中将被激活用于VLC的一部分；光源开/关控制器，用于提供VLC功能给多个光源的所述部分；以及控制器，用于使用多个光源的所述部分与移动终端交换数据，所述多个光源的所述部分形成可见光自动区域，并且所述移动终端位于可见光有效区域中，确定是否从可见光有效区域中的移动终端接收到指示数据接收成功或者失败的响应信号，如果在可见光有效区域中接收响应信号失败，则通过增加将由光源管理器激活的多个光源的所述部分来扩展可见光有效区域，确定是否从扩展的可见光有效区域中的移动终端接收到响应信号，以及如果成功接收到响应信号，则基于接收到响应信号的位置设置新的可见光有效区域。
有益效果
根据本发明的实施例，可以提供移动终端的无缝连续通信服务，并且通过仅使用必要区域而非通过使用形成照明灯的所有LED来降低功耗。
附图说明
本发明的特定实施例的上述及其他方面、特征和益处将从以下结合附图的详细说明中更加明显，附图中：
图1示出传统的可见光通信(VLC)系统；
图2示出根据本发明的实施例的VLC系统；
图3是示出根据本发明的实施例的、用于通过调整光源的数目支持移动终端的移动性的方法的流程图；
图4至图7示出根据本发明的实施例的、通过移动终端的移动(movement)激活的光源；
图8是示出根据本发明的实施例的、用于通过改变扇区(sector)来支持移动终端的移动性的方法的流程图；以及
图9至图12示出根据本发明的实施例的、通过移动终端的移动激活的光源。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的各种实施例。贯穿附图，相同的参考标号和符号指代相同的元件。这里结合的本领域技术人员熟知的功能和结构的详细说明将被省去，以避免不必要地模糊本发明。
尽管在VLC字段中定义的术语将用于描述本发明，但是这些标准和指定不限制本发明的范围。
依照本发明的实施例，当通过移动终端进入由连接至单个照明灯的VLC系统管理的小区来交换数据时，并且如果接收到与从移动终端接收数据失败相对应的响应信号，VLC系统增加将被激活用于VLC的照明灯的光源数目，然后基于从移动终端接收到指示正常数据接收的信号的时间点来确定可见光有效区域。可替换地，可以在扇区单元中确定可见光有效区域，其中每个扇区包括预定数目的光源。因此，通过考虑到移动终端的移动使用VLC设备的一些可用光源来发送数据，而非通过使用所有可用光源，更有效地管理功耗。
图2示出根据本发明的实施例的VLC系统。
参考图2，VLC系统包括照明灯200、连接到每一照明灯220并且与移动终端230执行VLC的VLC设备220、以及移动终端230。
照明灯200包括多个光源210和用于检测来自移动终端230的信号的光电二极管(PD)215。照明灯200提供一般照明功能，也用作发送信号的发射机。例如，光源210可以是LED或者激光二极管(LD)。
本发明的实施例提出考虑到移动终端230的移动性、使用照明灯200的一些可用光源、而非只是使用所有可用光源来发送数据的空间移动性功能(spatial mobility function)。因此，根据本发明的实施例的VLC设备220与照明灯200连接，用于管理照明灯200的光源(或者照明灯200的若干扇区，每个扇区包括预定数目的光源)。例如，VLC设备220可以是用于VLC的接入点(AP)。VLC设备220向位于包括照明灯200的光源210并且具有预定数目光源的扇区中的移动终端230提供数据服务。同样，通过基于移动终端230的移动仅使用VLC需要的扇区，能够降低功耗。
VLC设备220包括光源开/关控制器222、用于管理照明灯200的光源的光源管理器224、以及控制器226，控制器226用于确定移动终端230是否进入由控制器226管理的小区、识别来自移动终端230的请求激活空间移动性功能的请求、以及执行该功能。
更具体地说，光源管理器224具有关于由VLC设备220管理的照明灯的扇区的信息以及关于在相应扇区中的用户的信息，以及从所述信息确定将在哪个扇区中将通信功能提供给光源。光源管理器224具有关于每个光源的标识符(ID)以及用于管理每个光源的扇区的ID的信息。光源管理器224还确定所有光源当中将被激活用以支持移动终端230的移动性的光源的数目。可替换地，光源管理器224确定如果在扇区单元中支持移动终端230的移动性，则将激活哪个扇区，其中每个扇区包括预定数目的光源。
光源开/关控制器222确定在哪个扇区中通信功能将被提供给光源。因此，光源开/关控制器222发送传输数据以及关于通信功能将被提供给光源210的扇区的信息，由此允许通过扇区的光源210的信号传输。
在通过PD 215接收到表示扇区改变请求的否定确认(NACK)信号时，控制器226确定移动终端230已经移动，并且提供通信功能给另一个扇区的光源。更具体地说，控制器226确定是否已经接收到对应于数据接收失败的NACK信号，并且如果已经接收到NACK信号，则增加将由光源管理器224激活的光源的数目以扩展可见光有效区域，并且确定是否已经从扩展的可见光有效区域中的移动终端230接收到ACK信号。如果已经接收到ACK信号，则控制器226基于接收到ACK信号的位置(ACK signal-received place)改变可见光有效区域。下面将参考图3和图8更详细地描述控制器226的这样的操作。
移动终端230包括用于经由可见光接收数据的接收机232、发射机234、以及控制器236。接收机232包括用于将从外部源输入的可见光信号变换为电信号。PD 245被安装在光源244之间。来自PD 245的电信号由解调器246恢复为数据。所述数据由信道解码器247恢复为初始发送的信号。尽管在图2中发射机234和接收机232被包括在移动终端230中，但是它们也可以提供在位于天花板以及位于移动终端230中的VLC设备220中。
发射机234包括线编码器240、信道编码器241、调制器242、光源驱动器243和光源244。输入数据使用各种线编码方法由线编码器240进行变换，例如，不归零(Non Return to Zero，NRZ)、8B10B等等。为了防止在射频空间(radio space)中发生数据丢失，信道编码器241使用信道编码机制。由调制器242执行数据调制用于数据传输。然后调制数据被输入到光源驱动器243，并且由光源244变换为光。光源驱动器243与VLC设备220的光源开/关控制器222连接，以便在不要求数据传输的情况下提供简单的照明功能，以及如果要求数据传输则同时提供从调制器242发送信号的功能和照明功能。
依照本发明的实施例，在与进入由VLC设备220管理的小区的移动终端230执行VLC时，VLC设备220在从移动终端230接收到NACK信号时确定移动终端230已经移出(move out)小区，并且因此，增加用于数据传输的光源的数目。当接收到ACK信号时，VLC设备220基于接收到ACK信号的位置改变可见光有效区域。
依照本发明的另一个实施例，当从移动终端接收到NACK信号时，VLC设备220基于接收到NACK信号的位置，亦即接收到NACK的位置，从多个扇区(每个扇区包括预定数目的光源)当中确定一个扇区。当在所确定的扇区中接收到ACK信号时，VLC设备220基于接收到ACK信号的位置改变可见光有效区域。因此，调整光源数目或者改变有效扇区的空间连接方法支持移动终端的移动性，这里将其称作“空间移动性功能”。
图3是示出根据本发明的实施例的、用于通过调整光源的数目支持移动终端的移动性的方法的流程图。
参考图3，在步骤300中，VLC设备220执行终端发现操作以便发现进入由VLC设备220管理的小区的移动终端。更具体地说，VLC设备220发现进入可见光有效区域的移动终端，其通过由VLC设备220管理的所有光源当中的预定数目的光源来照亮。
在步骤305中，VLC设备220确定是否已经发现移动终端。如果没有发现移动终端，则在经过预定时间之后，在步骤300中，VLC设备执行另一个终端发现操作。如果发现了移动终端，则在步骤310中，VLC设备220通过交换信息执行链路协商操作，以便与所发现的移动终端230执行VLC。在步骤315中，VLC设备220使用交换的信息建立到移动终端230的通信链路。
虽然已经就VLC设备220描述了链路连接过程，但是可以将相同的处理施加到移动终端230。例如，一旦进入安装了照明灯200的区域中，移动终端230就可以确定是否存在任何执行VLC的已发现VLC设备220。如果存在已发现的VLC设备220，则移动终端建立到VLC设备220的通信链路。
当完成链路连接时，在步骤320中，移动终端230通过数据传输与VLC设备220交换数据。
例如，如图4中所示，当移动终端230位于可见光有效区域400中时，VLC设备220发现移动终端230并且使用可见光与移动终端230交换数据。在数据交换期间，如果移动终端230沿410指示的方向移动，则它移出由VLC设备220管理的区域。在这种情况下，VLC设备220从位于当前针对VLC激活的区域中的PD中的移动终端230接收NACK信号。在本发明的实施例中，已经将NACK信号作为指示数据接收失败的响应信号的一个例子。NACK信号从接收数据失败的移动终端230发送。依照本发明的实施例，NACK信号被用来请求VLC设备220激活空间移动性功能。相反，依照本发明的实施例，ACK信号被用作表示正常接收数据的响应信号。
下面在表1中示出NACK信号的帧标头(header)的例子。
表1
  位   注释
  版本号(Version number)   3   告知版本号
  安全(Secure)   1   安全开/关
  ACK策略(ACK policy)   2   ACK/NACK
  帧类型(Frame type)   3   可见性/ACK/数据/管理
  帧子类型(Frame sub-type)   10   取决于帧类型
 重试(Retry)   1   重传与否
 源地址(Source address)   8   源地址
 目标地址(Destination address)   8   目标地址
 序列号(Sequence number)   12   PDU号
 每帧的PDU数目(Num PDUs per flame)   8   分组PDU的数目
 空间移动性(Spatial mobility)   4   向AP请求空间移动性
 预留字段(Reserved fields)   ？
参考表1，依照本发明的实施例，NACK信号帧的空间移动性字段被用来请求VLC设备220激活空间移动性功能。也就是说，移动终端230请求VLC设备220改变VLC设备220的可支持范围。版本号字段表示当前帧的标准版本。安全字段指示是否使用了安全功能。ACK策略字段指示是否使用ACK策略。帧类型字段指示VLC中使用的帧的类型，诸如信标/可见性/确认/数据/管理(beacon/visibility/ack/data/management)帧。帧子类型字段是根据帧类型用于帧的附加功能的值。重试字段指示是否需要重传。目标地址字段指示发射机的源地址。目标地址字段指示接收机的地址。序列号字段指示当前PDU的序列号，而每帧的PDU数目字段指示包括在当前帧中的PDU的数目。预留字段为以后使用而预留的。
在步骤325中，VLC设备220确定是否已经接收到NACK信号，并且如果是，则在步骤330中增加用于发送数据的光源的数目，并且如图5中所示。用于发送数据的光源数目是预定的，并且VLC设备220可以根据接收NACK信号和/或ACK信号失败的数目来逐步地增加光源的数目。通过以逐步地方式增加光源的数目，可见光有效区域500被扩展，如图5中所示。这里，可见光有效区域是由激活的光源照亮的区域。可见光有效区域的大小根据移动终端230的移动方向和移动速度而改变。
在步骤335中，VLC设备220确定是否已经接收到ACK信号。如果是，则VLC设备220确定移动终端230已经移动并且位于可见光有效区域500内。因此，在步骤345中，VLC设备220基于接收到ACK信号的位置来改变可见光有效区域500。
此后，在步骤350中，除非应VLC设备220或者移动终端230的请求终止连接，否则方法返回到步骤320。
图5中示出的可见光有效区域500变为与如图6中示出的移动终端230的当前位置相对应的可见光有效区域600，亦即，可见光有效区域基于接收到ACK信号的位置而扩展并且由初始预定数目的光源照亮。此外，可见光有效区域的大小可以根据移动终端230的移动方向和移动速度而改变。
VLC设备220知道已经接收到ACK信号的PD的位置，并且由此基于PD的位置确定覆盖区域，亦即，可见光有效区域600。
如果在步骤335中尚未接收到ACK信号，则在步骤340中对接收ACK信号和/或NACK信号失败的数目进行计数，以便确定是否已经接收ACK信号和/或NACK信号失败N次。
如果失败的数目小于N，则VLC设备220在步骤330中逐渐增加光源的数目。但是，如果在步骤340中接收ACK信号和/或NACK信号已经失败N次，则移动终端230的位置尚未被检测到。因此，VLC设备220在步骤300中执行另一个终端发现并且重复随后的操作。
更具体地说，如果接收ACK信号和/或NACK信号已经失败N次，则VLC设备220将移动终端230视为已经移出由VLC设备220支持的区域，并且因此，重复对另一个终端的发现操作。
例如，如图7中所示，如果移动终端230以箭头710指示的方向移动，则其完全移出可见光有效区域700，导致由VLC设备220接收全部ACK信号和NACK信号两者失败。
图8是示出根据本发明的实施例的、用于通过改变扇区来支持移动终端的移动性的方法的流程图。在图8中，在步骤800之前，执行由‘A’表示的、与图3的步骤300至315相同的步骤。但是，因为上面已经描述了这些步骤，以下将从步骤800开始描述图8。
参考图8，在步骤800中，VLC设备220执行VLC，诸如将数据发送到可见光有效区域中的移动终端230。依照本发明的另一个实施例，如图9中所示，VLC设备220管理形成照明灯的光源，或者例如扇区单元中的电子显示板，其中每个扇区包括预定数目的光源，例如，4个光源。VLC设备220与在由多个扇区中的至少一个照亮的可见光有效区域中的移动终端230执行VLC。
当移动终端230位于被扇区照亮的可见光有效区域900中时，如图9所示，移动终端230与VLC设备220交换数据。但是，如果移动终端230沿箭头910指示的方向移动，则移动终端230移出可见光有效区域900。VLC设备220从除了可见光有效区域900之外的PD中的移动终端230接收NACK信号。
因此，在步骤805中，确定是否已经接收到NACK信号。如果是，则在步骤807中，VLC设备220基于接收到的NACK信号确定是否存在来自移动终端230的对激活空间移动性功能的请求，例如，通过参考表1。VLC设备220检查MAC标头。如果通过检查MAC标头确定存在空间移动性请求，则VLC设备220考虑到移动终端230的移动来设置将激活的扇区。在这种情况下，根据移动终端230的移动可以在当前扇区的PD中接收ACK信号和/或NACK信号，但是也可能沿意图外的(unintended)方向发送，并且由此在邻近扇区的PD中接收。因此，如果接收到的NACK信号没有指示空间移动性请求，则用户可能已经错误地设置了终端230的方向，并且由此可能已经在另一个扇区中接收到NACK信号。
在步骤809中，VLC设备220检测移动终端230的位置。更具体地说，光源管理器224从接收到的NACK信号的MAC标头的源地址字段知道移动终端230所属的初始扇区的位置。在这种情况下，即使在邻近扇区中接收到NACK信号和/或ACK信号，VLC设备220可以基于包括在那些信号中的信息通过使用初始扇区中的光源继续数据服务。
在步骤810中，VLC设备220确定是否存在包括接收到NACK信号的位置并且正在执行VLC的现有扇区。更具体地说，VLC设备220确定接收到NACK信号的位置的扇区是包括移动终端230向其移动的位置的扇区，因此VLC设备220确定包括移动终端230向其移动的位置的扇区是否正在用于与另一个现有移动终端进行VLC。如果扇区已经被激活并且被用于VLC，则VLC设备220使用扇区，亦即现有扇区，而不激活扇区中的光源的通信功能。
如果在步骤815中不存在现有扇区，则在步骤820中，VLC设备220基于接收到NACK信号的位置改变扇区。但是，如果在步骤815中存在现有扇区，则VLC设备220在步骤825中使用现有扇区，并且在步骤830中通过使用时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)方案管理现有扇区中的移动终端230。TDMA方案用来避免冲突，因为如果与位于现有扇区中的若干移动终端执行VLC的话则很可能发生冲突。因此，VLC设备220将时隙分配给每个移动终端。例如，即使当移动终端230从可见光有效区域1000移动到另一个移动终端250所在的另一个可见光有效区域1010时，如图10中所示，移动终端230也可以通过使用初始分配的时隙与VLC设备220通信而不干扰位于现有扇区的可见光有效区域1010中的移动终端250。
当在步骤835中接收到ACK信号时，VLC设备220在步骤840中基于接收到ACK信号的位置校正可见光有效区域。但是，如果在步骤845中接收ACK信号和/或NACK信号失败少于N次，则VLC设备220可以激活较大扇区以扩展可见光有效区域1100，如图11中所示。
当在这种状态下接收到ACK信号时，VLC设备220基于接收到ACK信号的位置来改变可见光有效区域1200，如图12所示。具体地说，VLC设备220将被扩展以检测移动终端230的信号的可见光有效区域变窄，以使其适于移动终端230的位置。
如果接收ACK信号失败，则无论可见光有效区域是否改变，VLC设备220在步骤845中都对接收ACK信号和/或NACK信号失败的数目进行计数，以确定失败的数目是否是N。如果失败的数目是N，则VLC设备220确定移动终端230已经移出由VLC设备220管理的区域，并且在‘A’处重复发现另一个终端的发现操作。
根据本发明的实施例，通过考虑到移动终端的移动性来仅激活VLC需要的光源、而非使用用于VLC的所有光源，可以显著降低功耗。而且，通过连续不断地确定移动终端是否移动，可以提供无缝的数据服务。
虽然已经参考本发明的特定实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以在此进行形式和细节上的各种改变而不脱离如所附权利要求所定义的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于由可见光通信(VLC)设备支持执行与所述VLC设备的VLC的移动终端的移动性的方法，该方法包括：
使用由所述VLC设备管理的所有光源的一部分与所述移动终端交换数据，所述由所述VLC设备管理的所有光源的一部分形成可见光有效区域，并且所述移动终端位于所述可见光有效区域中；
确定是否从所述可见光有效区域中的移动终端接收到指示数据接收成功或者失败的响应信号；
如果在所述可见光有效区域中没有接收到所述响应信号，则扩展所述可见光有效区域；
确定是否从扩展的可见光有效区域中的移动终端接收到所述响应信号；以及
如果成功接收到所述响应信号，则基于接收到所述响应信号的位置设置新的可见光有效区域。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述响应信号是确认(ACK)信号或者否定确认(NACK)信号。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述可见光有效区域的扩展包括增加在所述所有光源中用于发送数据的光源的数目。
4.如权利要求2所述的方法，还包括：
如果没有接收到ACK信号，则对接收ACK信号失败的数目进行计数；以及
如果失败的数目小于预定数目，则根据失败的数目来扩展所述可见光有效区域。
5.如权利要求2所述的方法，还包括：
如果没有接收到NACK信号，则对接收NACK信号失败的数目进行计数；以及
如果失败的数目小于预定数目，则根据失败的数目来扩展所述可见光有效区域。
6.如权利要求2所述的方法，其中，在除了所述可见光有效区域之外的区域中接收NACK信号。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述新的可见光有效区域的大小根据所述移动终端的移动方向和移动速度而改变。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述VLC设备包括接入点(AP)。
9.一种用于支持执行可见光通信(VLC)的移动终端的移动性的装置，该装置包括：
光源管理器，用于管理关于多个光源中的每一个的信息，并且仅确定将被激活用于VLC的所述多个光源中的一部分；
光源开/关控制器，用于向所述多个光源的所述部分提供VLC功能；以及
控制器，用于使用所述多个光源的所述部分与所述移动终端交换数据，所述多个光源的所述部分形成可见光有效区域，并且所述移动终端位于所述可见光有效区域中，确定是否从所述可见光有效区域中的移动终端接收到指示数据接收成功或者失败的响应信号，如果在所述可见光有效区域中接收所述响应信号失败，则通过增加将由所述光源管理器激活的所述多个光源的所述部分来扩展所述可见光有效区域，确定是否从扩展的可见光有效区域中的移动终端接收到所述响应信号，并且如果成功接收到所述响应信号，则基于接收到所述响应信号的位置设置新的可见光有效区域。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述响应信号是确认(ACK)信号或者否定确认(NACK)信号。
11.如权利要求10所述的装置，其中，如果没有接收到ACK信号，则所述控制器对接收ACK信号失败的数目进行计数，并且如果失败的数目小于预定数目，则根据失败的数目来扩展所述可见光有效区域。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述控制器通过基于接收到ACK信号的位置、使用预定数目的光源、将扩展的可见光有效区域调整为允许VLC的大小的区域，来设置所述新的可见光有效区域。
13.如权利要求9所述的装置，其中，所述新的可见光有效区域的大小根据所述移动终端的移动方向和移动速度而改变。
14.如权利要求9所述的装置，其中，所述移动终端包括：
接收机，用于从所述VLC设备接收作为可见光信号的数据；
发射机，用于将传输数据作为可见光信号发送；以及
控制器，用于当从所述VLC设备接收到数据时，发送指示接收数据成功的ACK信号，以及当从所述VLC设备接收数据失败时，发送指示接收数据失败的NACK信号。
15.如权利要求9所述的装置，其中，按扇区来管理所述多个光源，所述扇区中的每一个包括所述多个光源中的预定数目的光源，以及
其中，所述控制器通过激活和禁止预定数目的扇区来控制所述可见光有效区域的大小。
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