CN102573023A - Wsn中基于sdma的数据采集动态拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，包括：移动Sink进行信道测试，确定兼容节点对；计算获得全局网络的数据上载点与兼容节点对的对应关系；利用最大加权配对算法筛选出具备最大生存期的兼容节点对集合作为匹配节点对集合；当数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离较大的匹配节点对；找出能遍历所有与最终获得的匹配节点对和独立节点对应的数据上载点的集合，确立访问集合的最短路径方案；移动Sink根据最短路径方案访问集合中的数据上载点，完成数据采集和动态拓扑的构建；若未达到网络的设计使用寿命，或节点存活比例大于预设比例，则继续访问；否则，停止数据采集。本发明可以均衡网络能耗，提高网络寿命。

Description

WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法

技术领域

本发明属于无线传感网通信技术领域，涉及一种数据采集拓扑方法，具体涉及一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。无线传感器网对移动性的支持一直是一个研究热点。按照移动点的数目不同，移动性可分为：1)节点全移动：这个有些类似于Adhoc网络，但此处的移动仅是为了满足传感网中的某些目标，网络最终要趋向静止状态，所以与Adhoc网有很大的不同，一个合适的例子是：全移动网络场景下，移动节点的布设需满足覆盖率和连通度要求；2)部分节点移动：数目大于1的节点根据网络的设计目标进行移动，如移动节点辅助提高网络的覆盖率和连通性、传感器节点的二次重布设等；3)单节点移动：单节点根据特定的任务目标在网络中移动，如移动节点辅助网络中其他节点的自定位、无线传感器网络对移动节点的导航辅助、移动Sink自适应拓扑数据采集等。

对于存在移动节点的网络拓扑，移动性与网络拓扑的关系可以归结成拓扑决定移动、移动决定拓扑这两类情形。

1)拓扑决定移动：这种情况下，往往对应集中式的拓扑构建方式，事先构建的拓扑是最终获得的局部拓扑的集合。拓扑构建的过程中，就需要对移动Sink的移动路径进行规划，明确移动Sink在各个时间点的位置，及在该位置上对应的局部拓扑。

2)移动决定拓扑：这种情况下，往往对应的是突发情形的拓扑构建。此时的网络应用是事件驱动型的网络，或是完全随机型的网络。局部拓扑的构建应该是由移动Sink随机发起，移动Sink利用组建的网络完成目标点跟踪或是数据采集等任务。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，该方法可以均衡网络能耗，提高网络寿命。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法。

一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，包括：

步骤一：网络初始化阶段，移动Sink到网络中预设的数据上载点进行信道测试，确定网络中具有兼容关系的传感器节点对，称为兼容节点对；

步骤二：每个兼容节点对根据最小能耗最多配对准则对应一个数据上载点；移动Sink计算获得全局网络的数据上载点与兼容节点对的对应关系；

步骤三：根据最佳配对准则确定各兼容节点对的权值，并利用最大加权配对算法筛选出具备最大生存期的兼容节点对集合，所述集合中的兼容节点对即为匹配节点对；

步骤四：当与匹配节点对对应的数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离较大的匹配节点对；

步骤五：采用最短路径最大覆盖树的方法找出能遍历所有与最终获得的匹配节点对和独立节点对应的数据上载点的集合，并确立访问所述集合的最短路径方案；

步骤六：移动Sink根据所述最短路径方案访问所述集合中的数据上载点，并在所访问的数据上载点处发布对应的匹配节点对信息，完成数据采集和对应动态拓扑的构建；

步骤七：若移动Sink完成全部传感器节点的数据采集后仍未达到网络的设计使用寿命，或网络中节点存活比例大于预设比例，则返回继续执行步骤六；否则，停止数据采集。

作为本发明的一种优选方案，步骤一中，所述信道测试的具体实现过程为：

1)传感器节点通过接收移动Sink发送的探针消息，确定自身的发射功率，并对探针消息进行回复；

2)移动Sink通过回复的探针消息确定传感器节点的信道参数及其与邻居传感器节点的兼容关系，并实时告知该传感器节点。

作为本发明的另一种优选方案，步骤二中，距离兼容节点对的中心最近的数据上载点即为该兼容节点对的最小能耗上传点。

作为本发明的再一种优选方案，步骤三中，兼容节点对的权值计算函数为：

$w=-(d_{\mathrm{ip}}^2+d_{\mathrm{jp}}^2)(1+|\cos \mathrm{\θ}\left|\right)-d_{\mathrm{ij}}^2$

其中，d_ip，d_jp分别为传感器节点i，j到对应的数据上载点P的距离；d_ij为传感器节点i，j间距离，θ为d_ij的中线与d_ij的夹角。

作为本发明的再一种优选方案，步骤四中，当数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径d_com时，如果

则拆散距离较大的匹配节点对。

如上所述，本发明所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，具有以下有益效果：

1)SDMA技术的采用，使得移动Sink能同时接收两路信号，缩短了数据上载所消耗的时间；

2)移动Sink与网络拓扑管理相结合后，相比传统的拓扑控制算法，带来了提升网络寿命的显著优势；

3)最小能耗最多配对准则的采用，能最大限度的保留兼容节点对，为实现最大限度利用SDMA技术奠定基础；

4)最佳配对准则的采用，能较长时间的利用SDMA技术带来的低时延、快速数据采集的好处。

附图说明

图1为SDMA线性解相关接收模型框图。

图2为兼容节点对和匹配节点对示意图。

图3为本发明所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法的流程示意图。

图4为兼容节点对选取对应数据上载点的说明示意图。

图5为兼容节点对的权值函数参数示意图。

图6为实施例二所述的60m×60m正方形区域网络场景示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明从传感网最基本的目标功能——数据采集入手，对单节点移动情况下的自适应拓扑管理进行研究。在本发明中，以能耗均衡作为动态拓扑的构建目标，令移动Sink在网络中充当数据汇聚点的角色。考虑到SDMA技术对传感网动态拓扑构建的特殊影响，由移动Sink决定网络拓扑，构建一套能极大限度发挥SDMA优势，同时延长网络寿命的评估体系。

SDMA(Space Division Multiple Access，空分多址接入)技术是MIMO(Multiple InputMultiple Output，多入多出)技术的一个分支。它是指当节点(Sink)安装有双天线，同时具备较强的计算能力时，在已知信道环境关键参数的前提下，节点能通过内部信息处理同时解析出两个其他节点发出的信息。在实际移动Sink数据采集应用中，一般是传感器节点装备一个天线；移动Sink装备双天线和一个线性自适应滤波装置，可同时接收两路信号。滤波器参数u₁，u₂满足如下条件：

h₁和h₂为两个天线分别对应的信道参数，“*”表示对矢量进行共轭运算。利用图1所示的线性解相关接收模型即可实现SDMA。

本发明针对移动Sink下的数据采集应用，利用空分多址(SDMA)技术的低时延特性，提出了一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，该方法是把移动Sink与SDMA技术相结合的低时延高能量效率的以数据采集为目的的动态拓扑构建方法。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本发明在移动Sink拓扑管理中引入了新技术SDMA，使得移动Sink能同时接收两个传感器节点的数据，在引入该技术以后，拓扑的问题进一步变成了如何控制使用SDMA技术的配对的问题，以及如何在此基础上规划移动Sink的移动路径，如何构建适合SDMA技术的局部拓扑的问题。

本发明提出了一种能量感知配对选取方法，该方法考虑了配对节点的位置和能量特性，由移动Sink来决定使用SDMA技术的传感器节点组合。

为表述方便，定义了如下术语：

兼容节点对：如果传感器节点i、j能使用SDMA技术与移动Sink进行通信，那么这两个传感器节点即构成兼容节点对，记作Compatible(i，j)；

匹配节点对：如果传感器节点i、j被移动Sink选中作为同时上报的节点，那么这两个传感器节点构成匹配节点对，记作Match(i，j)；

以图2为例，兼容节点对包括<A，B>、<B，C>、<C，D>；实际上传时，匹配节点对仅包括<A，B>、<C，D>，可见匹配节点对仅是兼容节点对的一个子集。

本实施例提供一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，该方法是移动路径规划与配对选取相结合的动态拓扑构建方法，流程如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤一：网络初始化阶段，移动Sink到网络中预设的数据上载点进行信道测试，确定网络中具有兼容关系的传感器节点对(简称兼容节点对)。

信道测试的过程为：

1)传感器节点通过接收移动Sink发送的探针消息，确定自身的发射功率，并对探针消息进行回复；

2)移动Sink通过回复的探针消息确定传感器节点的信道参数，及其与邻居传感器节点的兼容关系，并实时告知该传感器节点。

两个传感器节点是否具备兼容关系，主要取决于传感器节点的发射功率、各自对应的信道参数、接收灵敏度(接收灵敏度为传感器节点自身射频模块的物理特性)及信道噪声(该噪声理论上计算时认为信道为高斯信道，实际测试时，以实际信道噪声为主，测得的信号量实际为真实信号量+信道噪声)。

具备兼容关系的节点需要满足以下条件：

设：移动Sink接收到的信号可表示为：

其中h_k＝[h_k1，h_k2]^T。

为消除两路信号的相互干扰，可以把接收到的信号投影到h₁、h₂对应的正交子空间，具体的方法是选择恰当的滤波器参数u₁，u₂，令

可以得到

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{x}}_1=u_1^{*}y=u_1^{*}{h}_1{x}_1+u_1^{*}n\\ {\hat{x}}_2=u_2^{*}y=u_2^{*}{h}_2{x}_2+u_2^{*}n\end{array}\right.$

其中，u₁为h₂的正交空间向量，u₂为h₁的正交空间向量。当

$u_1=\frac{{[h_{22}^{*},-h_{21}^{*}]}^T}{\sqrt{{\left|h_{22}\right|}^2+{\left|h_{21}\right|}^2}},$ $u_2=\frac{{[h_{12}^{*},{-h}_{11}^{*}]}^T}{\sqrt{{\left|h_{12}\right|}^2+{\left|h_{11}\right|}^2}}$

并且满足

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{r1}=P_{t1}\&CenterDot;{\left|u_1^{*}{h}_1\right|}^2\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_1\\ P_{r2}=P_{t2}\&CenterDot;{\left|u_2^{*}{h}_2\right|}^2\&GreaterEqual;{\mathrm{\&gamma;}}_2\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SNR}}_1=P_{t1}\&CenterDot;{\left|u_1^{*}{h}_1\right|}^2/{\mathrm{\&sigma;}}^2\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_1\\ {\mathrm{SNR}}_2=P_{t2}\&CenterDot;{\left|u_2^{*}{h}_2\right|}^2/{\mathrm{\&sigma;}}^2\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_2\end{array}\right.$

时，移动Sink就能正确的解码接收到的两路信号。其中h_k为信道参数，n(0，σ²)为信道噪声，P_r1和P_r2为接收信号功率，P_t1和P_t2为发射信号功率。能使用SDMA技术的传感器节点对称为兼容节点对。

步骤二：根据步骤一的测试结果，每个兼容节点对根据最小能耗最多配对准则对应一个数据上载点；移动Sink也可做对应的计算，获得全局的数据上载点与兼容节点对的对应关系。

数据上载点与兼容节点对的对应关系是移动Sink根据已获得的全局信息，自己计算得到的。另外，每个兼容节点对也知道自身对应的数据上载点。但由于每个兼容节点对中的两个节点还可能和其他节点也构成兼容关系，故对于全局而言，从节点角度来看，当前情况下其最终的上载点还是动态不确定的。

作为步骤二中最小能耗最多配对准则的一个优选方案：由于网络总能耗等于各个节点能耗的总和，为了最大限度的利用SDMA技术，应最大限度的保留兼容节点对，故应把兼容节点对作为整体，寻找其对应的最近的数据上载点。

对于兼容节点对

可能的情况有两种：

A)兼容节点对对应多个数据上载点(即P点)：故兼容节点对通过判断自身中心到各个P点的距离，即可找出该兼容节点对对应的最小能耗上传P点。如图2中的传感器节点A和B。

B)兼容节点对对应单个P点：选取该P点为该兼容节点对对应的最小能耗上传P点。如图2中的传感器节点C和D。

步骤三：根据最佳配对准则确定各兼容节点对的权值，并利用最大加权配对算法筛选出具备最大生存期的兼容节点对集合，该集合中的兼容节点对即为匹配节点对。

网络中的传感器节点可能与多个其他传感器节点同时具备兼容节点对关系，但该传感器节点最终仅能与一个传感器节点确立匹配节点对关系。

作为步骤三中最佳配对准则的一种优选方案：在选取最大配对时，采用加权最大配对算法，以保证最优的配对优先被选取出来。以图5为例，每个兼容节点对Compatible(i，j)的权值函数为：

$w=-(d_{\mathrm{ip}}^2+d_{\mathrm{jp}}^2)(1+|\cos \mathrm{\&theta;}\left|\right)-d_{\mathrm{ij}}^2$

其中，d_ip，d_jp分别为传感器节点i，j到对应的数据上载点P的距离；d_ij为传感器节点i，j间距离，θ为d_ij的中线与d_ij的夹角。

步骤四：当与匹配节点对对应的数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离过大的匹配节点对。

作为步骤四拆散匹配节点对的一种优选方案：当数据上载点间的最短距离小于d_com时，对于匹配节点对如果

则该匹配节点对

应拆散。其中d_com表示移动Sink的通信半径。此处，拆散条件的设定可以根据实际应用进行相应改变，并不局限于

步骤五：移动Sink按上述步骤最终得到的匹配节点对，采用最短路径最大覆盖树的方法，找出能遍历所有匹配节点对和独立节点的数据上载点集合，并确立访问该集合的最短路径方案。

步骤六：根据步骤五确定的最短路径方案，移动Sink开始访问数据上载点集合，并在所访问的数据上载点处发布对应的匹配节点对信息，完成数据采集和对应动态拓扑的构建。

步骤七：移动Sink完成全部传感器节点的数据采集，回到网络的出发点，此时如未达到网络的设计使用寿命(即网络的工作时间，也称网络的寿命)，或是网络中传感器节点存活比例大于预设比例，则返回继续执行步骤六；否则，给出网络数据采集功能衰竭信号并停止数据采集。其中传感器节点存活比例是指已经失效(能量用尽)的传感器节点占所有传感器节点的比例。

本发明所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法具备以下优点：

1)采用了SDMA技术，使得移动Sink能同时接收两路信号，缩短了数据上载所消耗的时间。

2)移动Sink与网络拓扑管理相结合后，相比传统的拓扑控制算法，带来了提升网络寿命的显著优势。

3)最小能耗最多配对准则的采用，能最大限度的保留兼容节点对，为实现最大限度利用SDMA技术奠定基础。

4)最佳配对准则的采用，能较长时间的利用SDMA技术带来的低时延、快速数据采集的好处。

本发明实际上是以均衡网络能耗为目标，通过合理的规划移动Sink的路径，找出最佳的网络局部拓扑组合，提高SDMA技术的利用效率。本发明适用于全部节点周期产生数据的中高速、低功耗混合传感网应用场景及对应的M2M应用，能在保持SDMA技术低时延优势的同时，延长了网络平均生存期，均衡网络节点能耗，增大配对的生存期，具有很好的能量均衡特点。

实施例二

本实施例提供一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其与实施例一的区别在于：实施场景选取60m×60m正方形区域，随机布设30个传感器节点，并设置25个数据上载点，如图6所示，其中黑色圆点为数据上载点。移动Sink出发点为正方形区域左上角，数据上载点间距为15m，数据上载点在区域内均匀布设，且包括移动Sink的出发点。节点初始能量为0.5J，节点数据量为4000比特/轮，每轮时间根据移动Sink移动速度和数据产生时间设定，每轮时间应相同且足够移动Sink完成数据采集。每轮时间是预先设定的值，该值的设定要考虑采集完所有节点数据的最大可能的时间。移动Sink在出发点处可接入相应的中高速设备(如OFDM制式的设备，其数据速率大，但组网不灵活，能传输视频等信息)、M2M(Machine-to-Machine/Man)终端或是直接与其他低功耗网络互联。

上述场景中，WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法的实现过程为：

(1)Sink移动到网络中预设的数据上载点进行信道测试。

Sink在数据上载点位置处向全部传感器节点发送探针消息；

传感器节点通过接收Sink发送的探针消息，确定自身的发射功率，并对探针消息进行回复；Sink通过回复的探针消息确定传感器节点的信道参数，及其与邻居传感器节点的兼容关系，并实时告知该传感器节点。

(2)对于网络中的兼容节点对，由其自身决定选择对应的数据上载点。兼容节点对在获知自身的兼容关系后，对应存储一张映射关系表，格式为<兼容节点对，数据上载点，距离>。每个传感器节点可能同时和多个传感器节点形成兼容节点对，但是每个兼容节点对仅与一个数据上载点建立映射关系。判定的准则即是最小能耗最多配对准则。通过比较距离信息，网络中的每个传感器节点都可获知自身对应的数据上载点。为最大限度的保留兼容节点对，把兼容节点对作为整体，寻找距离兼容节点对中心点最近的数据上载点为其对应的数据上载点。

(3)对于每个数据上载点，采用最佳配对准则，进行加权最大匹配，得出每个数据上载点所对应的最大配对数。在最大限度的使用SDMA方面，每个兼容节点对Compatible(i，j)的权值函数为：

$w=-(d_{\mathrm{ip}}^2+d_{\mathrm{jp}}^2)(1+|\cos \mathrm{\&theta;}\left|\right)-d_{\mathrm{ij}}^2$

其中，d_ip，d_jp分别为传感器节点i，j到对应的数据上载点的距离；θ为d_ij的中线与传感器节点i，j所在直线的夹角；d_ij为传感器节点i，j间距离。

当数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离过大的匹配节点。具体拆散策略为：当数据上载点间的最短距离小于d_com时，对于兼容节点对

如果则该兼容节点对应拆散。其中d_com表示移动Sink的通信半径。

采用最佳配对准则并结合加权最大配对算法可以保证最优的配对优先被选取出来。兼容节点对的权值计算同时考虑兼容节点对的总生存期、兼容节点对中各节点的生存期差值、兼容节点对中各节点间的远离程度。

(4)移动Sink按上述步骤最终得到的匹配节点对，采用最短路径最大覆盖树的方法，找出能遍历所有匹配节点对和独立节点的数据上载点集合，并确立访问该集合的最短路径方案。

(5)移动Sink开始访问数据上载点集合，并在所访问的数据上载点处发布对应的匹配节点对信息，完成数据采集和对应动态拓扑的构建。

(6)移动Sink完成全部传感器节点的数据采集，回到网络的出发点，此时如未达到网络的设计使用寿命，或是网络中节点存活比例大于预设的50％，则转到步骤(5)，否则，给出网络数据采集功能衰竭信号至对应的人工控制端，并停止数据采集。

所以，本发明所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法有效克服了现有技术中的种种缺点，而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于，所述WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法包括：

步骤一：网络初始化阶段，移动Sink到网络中预设的数据上载点进行信道测试，确定网络中具有兼容关系的传感器节点对，称为兼容节点对；

步骤二：每个兼容节点对根据最小能耗最多配对准则对应一个数据上载点；移动Sink计算获得全局网络的数据上载点与兼容节点对的对应关系；

步骤三：根据最佳配对准则确定各兼容节点对的权值，并利用最大加权配对算法筛选出具备最大生存期的兼容节点对集合，所述集合中的兼容节点对即为匹配节点对；

步骤四：当与匹配节点对对应的数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径时，拆散其中距离较大的匹配节点对；

步骤五：采用最短路径最大覆盖树的方法找出能遍历所有与最终获得的匹配节点对和独立节点对应的数据上载点的集合，并确立访问所述集合的最短路径方案；

步骤六：移动Sink根据所述最短路径方案访问所述集合中的数据上载点，并在所访问的数据上载点处发布对应的匹配节点对信息，完成数据采集和对应动态拓扑的构建；

步骤七：若移动Sink完成全部传感器节点的数据采集后仍未达到网络的寿命或网络中传感器节点存活比例大于预设比例，则返回继续执行步骤六；否则，停止数据采集。

2.根据权利要求1所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于：步骤一中，所述信道测试的具体实现过程为：

1)传感器节点通过接收移动Sink发送的探针消息，确定自身的发射功率，并对探针消息进行回复；

2)移动Sink通过回复的探针消息确定传感器节点的信道参数及其与邻居传感器节点的兼容关系，并实时告知该传感器节点。

3.根据权利要求1所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于：步骤二中，距离兼容节点对的中心最近的数据上载点即为该兼容节点对的最小能耗上传点。

4.根据权利要求1所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于：步骤三中，兼容节点对的权值计算函数为：

$w=-(d_{\mathrm{ip}}^2+d_{\mathrm{jp}}^2)(1+|\cos \mathrm{\&theta;}\left|\right)-d_{\mathrm{ij}}^2$

其中，d_ip，d_jp分别为传感器节点i，j到对应的数据上载点P的距离；d_ij为传感器节点i，j间距离，θ为d_ij的中线与d_ij的夹角。

5.根据权利要求4所述的WSN中基于SDMA的数据采集动态拓扑控制方法，其特征在于：步骤四中，当数据上载点间的最短距离小于移动Sink的通信半径d_com时，如果

则拆散距离较大的匹配节点对。

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