CN102612812A - 利用超声波的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种在电波的屏蔽严重较难进行利用电波的无线通信的环境中，利用超声波来进行通信的技术。根据本发明的超声波终端，在电波的屏蔽严重的环境中将固体构造物作为介质来传送超声波，且超声波基站将固体构造物作为介质来接收超声波。

Description

利用超声波的通信系统

技术领域

本发明是涉及一种利用超声波的通信系统，特别是，涉及一种在电波的屏蔽严重的环境中利用固体介质来传送超声波，并利用传送的超声波来传送音频或数据的通信系统。

背景技术

造船项目作为国家基本产业，为了维持造船项目的竞争力，以低廉的费用在短时间内将船舶烘干等提供船舶烘干的效率是十分重要的。

在进行烘干的船舶中，根据船舶的烘干条件来决定各部分的组装，一个部分的进展状况、事故状况应在其他部分中被实时地共享。因此，在进行烘干的船舶中急需通信。例如，当正进行烘干的船舶的一部分的设计被变更时，在实施设计被变更的部分的现场需迅速地接收变更的设计图，同时在其他部分中也反映被变更的设计，从而可变更船舶烘干的顺序。或是可变更其他部分的设计、施工图。

但是，由于船舶的内部电波的屏蔽十分严重的低劣的无线通信环境，因此利用现有电波的无线通信技术很难被适用。此外，由于费用、时间、以及船舶烘干工作的内部环境持续变化等问题，船舶烘干工作中要安装有线通信设施也很难。

发明内容

本发明的目的在于利用超声波来传送数据。

本发明的目的在于在电波的屏蔽十分严重的环境下也传送数据。

根据本发明的超声波终端，其包括变换器、接收单元、和传送单元。变换器利用固体介质，将从超声波基站或第2超声波终端接收到的第1超声波转换成第1电信号；接收单元将所述第1电信号转换成第1数据；传送单元，其将第2数据转换成第2电信号。其中，所述变换器将所述第2电信号转换成第2超声波，并利用所述固体介质将转换的所述第2超声波传送至所述超声波基站或所述第2超声波终端。

根据本发明的另一个方面，提供一种超声波基站，其包括变换器、接收单元、和数据通信单元。变换器利用固体介质，将从超声波终端传送的超声波转换成电信号；接收单元将所述电信号转换成数据；数据通信单元利用通信网络将所述数据传送至服务器。

根据本发明的又另一个方面，提供一种位置推测装置，其包括变换器、识别标志生成单元、和位置推测单元。变换器利用固体介质，从超声波终端接收参照超声波；识别标志生成单元基于所述参照超声波，生成用于推测所述超声波终端的位置的识别标志；位置推测单元基于所述识别标志推测所述超声波终端的位置。

根据本发明，可利用超声波来传送数据。

根据本发明，在电波的屏蔽十分严重的环境下也可传送数据。

附图说明

图1是示出在电波的屏蔽十分严重的环境下超声波通信系统的一个实例的示图。

图2是示出在电波的屏蔽十分严重的环境下超声波通信系统的另一个实例的示图。

图3是示出在电波的屏蔽十分严重的环境下超声波通信系统的又另一个实例的示图。

图4是示出在两个独立的单元以无线连接形成多个单元的示图。

图5是示出与船舶内的超声波通信系统无线连接的中央管制中心的示图。

图6是示出利用具备MIMO功能的超声波终端的数据传送接收的示图。

图7是示出用户组通过超声波通信被连接的示图。

图8是示出超声波通信中脉冲应答的原理图。

图9是示出利用超声波通信的位置推测的原理图。

图10是示出在船舶下沉的情况下利用超声波与生存者通信的实施例的示图。

图11是示出根据本发明的一个实施例的超声波终端的构造的框图。

图12是示出根据本发明的一个实施例的超声波基站的构造的框图。

图13是示出根据本发明的另一个实施例的位置推测装置的构造的框图。

具体实施方式

图1是示出在电波的屏蔽十分严重的环境下超声波通信系统的一个实例的示图。

船舶100作为以电波的屏蔽十分严重的材质构成的构造物，因此利用一般电波的通信系统不能被适用。

在船舶100内进行工作的技术人员可利用超声波通信系统来传送数据。超声波系统可包括超声波终端110、120、130和超声波基站140。超声波终端110、120、130也可通过点对点(peer-to-peer)形态来执行通信，也可经由超声波基站140来执行通信。

根据本发明的一个方面，技术人员在船舶内工作的同时，双脚或单脚接触于船舶的船体。因此，超声波终端110、120利用技术人员的鞋来与船体接触，并利用被接触的船体来传送超声波。

根据本发明的另一个方面，超声波终端130可从技术人员的头戴式受话器（headset)131接收音频信号。超声波终端130可将音频信号转换成超声波从而进行传送。

图2是示出在电波的屏蔽十分严重的环境下超声波通信系统的另一个实例的示图。

在图2中，船舶的船体200构成一个单元，且船体200内的多个超声波终端210、220、230可通过一个超声波基站250进行服务。

超声波基站250具备一个或多个变换器(transducer)251。超声波基站250的变换器251被安装在船体，并可利用船体来传送接收超声波。

根据一个方面，超声波基站250从第1超声波终端210利用超声波来接收数据。此外，超声波基站250可利用超声波将接收的数据传送至第2超声波终端220。

技术人员随身携带超声波终端210、220、230。由于技术人员的脚与船体接触，超声波终端210、220、230的变换器被附于技术人员的鞋上，且终端可通过无线或有线与变换器连接。

当超声波基站250利用多个变换器时，超声波基站250可利用MIMO发送技法来传送超声波或接收超声波。在这种情况下，超声波基站250可在多个变换器中传送多个数据流。超声波终端210、220、230利用多个变换器来接收互不相同的数据流被混合的信号。超声波终端210、220、230可利用MIMO信号处理技法来分离互不相同的数据流。由于超声波基站250和超声波终端210、220、230可传送多个数据流，因此可提高数据传送效率。

图3是示出在电波的屏蔽十分严重的环境下超声波通信系统的又另一个实例的示图。

在单元系统中，可利用多种形态的中继器来扩大基站的单元覆盖范围，或是从基站向位于信号不能到达的阴影区域的终端提供服务。与上述相似，当船舶的船体300较大时，安装在特定位置的超声波基站310传送的超声波可能不能维持充分的强度直至船体300的其他部分。

在图3中示出在利用超声波的通信中也可利用多个中继器311、312、313来解除阴影区域或扩大超声波基站310的单元覆盖范围的示图。

在图3中，超声波基站310利用有线和无线将数据传送至位于远距离的超声波中继器311。各超声波中继器311、313从超声波基站310将接收的数据转换成超声波，从而传送至超声波终端320、330。技术人员可利用头戴式受话器331等经由超声波终端330来进行通话。

图4是示出在两个独立的单元以无线连接形成多个单元的示图。在图4中2个船舶410、420构成两个单元。两个单元通过无线链路被连接。无线链路可以是直接将2个船舶连接的链路，也可以是利用主干网络被连接的逻辑链路（logical link）。

两个单元的通信可通过超声波基站430、440来形成，也可通过网关(gateway)终端来形成。在这种情况下，第1超声波基站430利用电波将数据传送至第2超声波基站440。

图5是示出与船舶内的超声波通信系统无线连接的中央管制中心的示图。当船舶的船体500正在进行烘干时，在船体500内可能会发生很多事件、事故，并可能是分秒必争的事故。技术人员可经由超声波终端510和超声波基站520与中央管制中心通信。由于技术人员可迅速地报告事故发生的位置和事故状况，因此可正确迅速地执行紧急抢救工作。

例如，技术人员可利用超声波510来举报事故的发生。在这种情况下，技术人员操作超声波终端510进行控制使超声波终端510将特定模式的超声波信号传送至超声波基站520。超声波基站520基于特定模式的超声波信号来判断事故发生与否，并利用电波将事故发生与否传送至中央管制中心530。

根据另一个实施例，超声波终端510利用传感器来自动判断事故发生与否，且根据判断结果将特定模式的超声波信号传送至超声波基站520。

图6是示出利用具备MIMO功能的超声波终端的数据传送接收的示图。

由于超声波的传送速度比电波的传送速度要慢。此外，超声波的传送速度根据变换器的接收灵敏度、变换器可生成的超声波的频率频宽、超声波的传送电力、音波信道特征等来决定。因此类似照片和视频的媒体信号和设计图面等大容量的数据要求比音频信号更高的数据传送速度。为满足上述条件，可使用MIMO传送技法，该传送技法利用具备多个变换器的超声波终端和具备多个变换器的超声波基站。

在图6中示出，在位于船体600的内部的超声波终端610和位于船体600的表面的超声波基站620之间，利用多个变换器来传送视频数据的实施例。

在这种情况下，超声波基站620可在多个变换器中传送多个数据流。超声波终端610利用多个变换器来接收各数据流被混合的信号，并利用MIMO信号处理技法来分离互不相同的流。由于超声波基站620可将多个数据同时传送至超声波终端610，因此，数据传送效率被提高。在图6中，虽然仅对超声波基站620将多个数据流传送至超声波终端610进行了说明，但是，在超声波终端610利用多个变换器来将数据流传送至超声波基站620的情况下，超声波终端610和超声波基站620也可执行与图6中的实施例相似的运作来提高从超声波终端610至超声波基站620的数据传送效率。

以上，在图1至图6中，对利用超声波来传送数据的超声波终端进行了说明。超声波终端一般以附于船体的变换器的部分和类似头戴式受话器的形态，并可作为从用户接收数据的部分。但是，根据实施例，超声波终端也可以是壁挂式(wall mount type)或穿戴式(wearable type)。但是，与其形态无关，保持被附于类似船舶的船体的固体介质上并将媒体的振动转换成电信号，或是利用将电信号转换成媒体的振动的变换器来传送数据这一特征。

图7是示出用户组通过超声波通信被连接的示图。

在船体700内部可存在多个超声波基站710、720、730。各超声波基站710、720、730在多个超声波终端711、712、721、722、731中，和被分组成与自身相同的组的超声波终端通信。在图7中，第1超声波基站710与超声波终端711和超声波终端712分为一组，与超声波终端711和超声波终端712通信。

第2超声波基站720与超声波终端721和超声波终端722分为一组，与超声波终端721和超声波终端722通信。此外，第3超声波基站730与超声波终端731分为一组，与超声波终端731通信。

属于互不相同的组中的超声波终端711、712、721、722、731）可经由超声波基站710、720、730进行通信。例如，超声波终端731和超声波终端712为属于互不相同的组中的超声波终端。超声波终端731与相同组中包含的超声波基站730通信，且超声波基站730与包括超声波终端712的组中的超声波基站710通信。超声波基站710重新与超声波终端712进行通信。即，超声波终端731和超声波终端712之间的数据，以超声波终端731-超声波终端730-超声波基站710-超声波终端712的路径被传送。

根据一个方面，超声波终端731和超声波基站730之间、超声波712和超声波基站730之间，利用超声波来传送数据，且超声波基站710和超声波基站712可利用电波来传送数据。

图8是示出超声波通信中脉冲应答的原理图。

超声波终端810利用船体800来将超声波传送至位置推测装置820。超声波根据船体内部的各部分利用多个路径831、832、833被传送。根据路径的长短，超声波按时差被传送至位置推测装置820。当路径的长度较短时，超声波的传送时间也较短。路径的长度较长时，超声波的传送时间也较长。

即，在超声波终端810将超声波生成为脉冲(impluse)形态的情况下，位置推测装置820利用多个路径来接收被传送的超声波，且超声波根据时间的流逝以多个分支被接收。根据时间的流逝，以多个路径被接收的超声波的水平可以是如图所示的超声波信道的脉冲响应840(impulse response)。由于在传送脉冲必须在十分短的时间内传送很多能源，不具效率。因此，位置推测装置820调制类似m序列(m Sequence)等的伪随机序列(pseudo-randomsequence)信号，并可利用调制的信号来推测超声波终端810的位置。在这种情况下，位置推测装置820可从接收的随机序列获得信道的脉冲响应。此外，位置推测装置820可从接收的数据包推测超声波终端810的位置。

超声波的传送路径根据超声波终端810和位置推测装置820的位置来决定。当位置推测装置820的位置被固定时，超声波的传送路径根据超声波终端810的位置来决定。

超声波信号的脉冲响应840根据超声波的传送路径被决定，且由于超声波的传送路径根据超声波终端810的位置被决定，因此可通过分析超声波信道的脉冲响应来推测超声波终端810的位置。

图9是示出利用超声波通信的位置推测的原理图。

在图9中，从第1超声波终端910到位置推测装置901可存在两个路径911、912。由于两个路径的长度不同，第1超声波终端910传送的超声波经由各路径到达位置推测装置901的时间互不相同。第2超声波终端920也由于存在2个路径921、922，第2超声波终端920传送的超声波经由各路经到达位置推测装置901的时间也互不相同。

因此，根据接收的超声波信号中包含的位置的一定特征可推测传送超声波信号的超声波终端910、920的位置。例如，位置推测装置901针对船体的各部分来存储超声波信道的脉冲响应，并将存储的超声波信号的脉冲响应和接收的超声波信道的脉冲响应进行比较来推测超声波终端910、920的位置。

由于直接将脉冲响应存储需要大容量的存储装置，因此替代脉冲响应，抽取含有从脉冲响应抽取的位置信息的参数，从而将该参数存储，并可从要进行位置推测的超声波信号的信道脉冲响应抽取含有位置信息的参数来推测位置。在这种情况下，将含有位置信息的参数称为位置信息的识别标志(signature)。

根据一个方面，位置推测装置901可将存储的超声波信号的脉冲响应的延迟配置文件(delay profiile)和接收的超声波信号的脉冲应答的延迟配置文件比较，从而在存储的延迟配置文件中选择与接收的延迟配置文件相似的延迟配置文件。根据一个方面，位置推测装置901可将与接收的延迟配置文件相似的延迟配置文件的超声波传送位置推测为超声波终端910、920的位置。

根据一个侧面，超声波终端910、920传送伪随机序列(pseudo-randomsequence)来替代传送脉冲，且位置推测装置901可从伪随机序列的接收信号来抽取脉冲响应。

根据另一个方面，位置推测装置901从接收信号抽取含有超声波910、920的固定位置信息的参数，并利用抽取的参数来推测超声波终端910、920的位置。

图10是示出在船舶下沉的情况下利用超声波与生存者通信的实施例的示图。

在图10所示的实施例中，船舶被分为两部分1010、1020并完全下沉。生存者1030位于下沉的船舶的一部分1010。一般情况下，在船舶的外部中无法得知乘客生存与否、死亡与否，以及是否要进行抢救工作、打捞工作。

根据本发明，生存者1030可利用超声波终端1040与超声波基站1060进行通信，从而可容易地报告自身生存的实际情况。根据一个方面，进行抢救工作的潜水部1050可直接运作超声波基站1060来与生存者1030通信。

根据另一个侧面，超声波基站1060可利用水中超声波通信来将与超声波终端1040的通信内容传送至水上。在这种情况下，超声波基站1060可将生存者1030的通信内容传送至水中超声波通信用收发器1070中。根据一个侧面，水中超声波通信用收发器1070可利用有线来将通信内容传送抢救船舶中。

图11是示出根据本发明的一个实施例的超声波终端的构造的框图。超声波终端1000可包括变换器1110、接收单元1130、输出单元1140、传送单元1160、输入单元1170、和事故感应单元1190。

如图11所示，超声波终端可利用超声波来接收或传送数据。以下，在图11中，为了接收数据，超声波终端将接收的超声波称为第1超声波，并为了传送数据将传送的超声波称为第2超声波。

变换器1110是将媒体的振动转换成信号或将信号转换成媒体的振动的装置。当超声波被传送时，船体1120振动。变换器110可利用船体的振动来感应超声波。

变换器1110利用类似船体1120的固体介质，将从超声波基站或第2超声波终端接收到的第1超声波转换成第1电信号。船体1120由一般的金属材质构成，具屏蔽电波的性质，并包括以隔壁分隔的多个较小空间。在以隔壁分隔的互不相同的空间中，电波较难被传送，且利用电波的一般移动通信很难在船体中使用。变换器1110将第1电信号传送至接收单元1130。

接收单元1130从变换器1110接收第1电信号，并将接收到的第1电信号转换成第1数据。根据一个方面，转换过程可包括解调过程和解码过程。

在图11中虽然示出，变换器1110、接收单元1130、传送单元1160全都包含在超声波终端1100的内部的实施例的示图，但根据其他实施例，变换器1100可位于超声波终端1110的内部。在这种情况下，变换器1110可以使壁挂式(wall-mount type)通信装置，且接收单元1130和传送单元1160可以是壁挂式通信装置和无线连接的头戴式受话器形式。

根据又另一个实施例，超声波终端可以是技术人员着用的佩戴式(wearable type)。在这种情况下，变换器1110可附在技术人员的鞋和与船体接触的部分，且接收单元1130和传送单元1160可位于技术人员穿着的衣服部分。变换器1110和接收单元1130，变换器1110和传送单元1160可通过无线、有线被连接。

输出单元1140将第1数据输出至扬声器1151、播放器1152、存储装置等。例如，当第1数据为音频数据时，输出单元1140可利用扬声器1151来播放第1数据。此外，当第1数据为视频数据时，输出单元1140可利用播放器1152来播放第1数据。此外，输出单元1140可将第1数据另外存储在存储装置1153中。

传送单元1160将第2数据转换成第2电信号。根据一个方面，第2数据可为音频信号。在这种情况下，输入单元1170利用扩音器1181来接收被录音的音频。传送单元1160可将被录音的音频转换成第2电信号。根据一个方面，第2数据可为视频信号。在这种情况下，输入单元1170可利用相机1182来接收拍摄的视频。传送单元1160可将拍摄的视频转换成第2电信号。该转换过程可包含编码过程和调制过程。

变换器1110可将第2电信号转换成第2超声波，并利用固体介质1120将转换的第2超声波传送至超声波基站或第2超声波终端。根据一个方面，变换器1110可根据第2超声波使固体介质1120振动将第2超声波传送至超声波基站或第2超声波终端。

根据一个方面，超声波终端1190可包括事故感应单元1190。事故感应单元1190感应超声波终端1100的用户事故发生与否。

根据一个方面，事故感应单元1190可利用重力感应器等感应冲击超声波终端1110的力量的方向。当超声波终端1100的用户发生事故，或是用户摔倒时，超声波终端1110可一时接收强大的力量。在这种情况下，事故感应单元1190可判断用户是否发生事故。在这种情况下，变换器1110可利用固体介质1120将事故发生与否传送至超声波基站或第2超声波终端。

根据一个方面，超声波终端1100可利用超声波来推测超声波装置1100的位置。在这种情况下，变换器1110将一定的参照超声波传送至位置推测装置。参照超声波的模式可在超声波终端1100和位置推测装置之间预先设定。以下，在图13中，对利用参照超声波来推测超声波终端1100的位置的构成进行详细地说明。

根据一个方面，超声波终端1100可判断是否可进行利用超声波的通信。根据一个方面，变换器1110不能接收通过船体被传送的第1超声波，或是变换器不能传送第2超声波时，超声波终端1100不能进行利用超声波的通信。因此，变换器1110可判断是否可从超声波基站或第2超声波终端接收第1超声波，并根据结果来判断是否可进行利用超声波的通信。

根据一个方面，当变换器1110和接收单元1130无线连接时，接收单元1130和变换器1110能够以最大可通信的距离被隔离。在这种情况下，变换器1110不能将电信号传送至接收单元1130。

接收单元1130可从变换器1110接收电信号，并根据结果来判断是否可进行利用超声波的通信。

根据一个方面，输出单元1140可将利用超声波的通信是否可行输出。

图12是示出根据本发明的一个实施例的超声波基站的构造的框图。

变换器1210利用固体介质1220将从超声波终端传送的超声波转换成第1电信号。根据一个方面，固体介质1220为船舶的船体，并可具有屏蔽电波的性质。

接收单元1230将第1电信号转换成第1数据。根据一个方面，接收单元1230可对第1电信号执行解调，并将被解调的第1电信号解码来将第1电信号转换成第1数据。

数据通信单元1240利用网络将第1数据传送至服务器1270。此外，数据通信单元1240可利用网络从服务器1270接收第2数据。

传送单元1250可将第2数据转换成第2电信号。根据一个方面，传送单元1250可将第2数据编码，并将编码的第2数据调制，从而将第2数据转换成第2电信号。

变换器1210可将第2电信号转换成超声波，并利用固体介质将转换的超声波传送至超声波终端或其他超声波基站。

图13是示出根据本发明的另一个实施例的位置推测装置的构造的框图。

位置推测装置1300包括变换器1310、识别标志（signature）生成单元1320、位置推测单元1330、和识别标志存储单元1340。

用户1350操作超声波终端1360从而产生在位置识别中可使用的参照超声波。此外，根据另一个方面，超声波终端1360可周期性地生成参照超声波且不需要用户的操作。此外，根据另一个方面，超声波终端1360可在发生事故等特殊状况时感应该状况，从而自动地传送用于位置识别的超声波信号。

生成的参照超声波通过固体介质的船体1370被传送。

变换器1310接收利用固体介质被传送的参照超声波。

识别标志生成单元1320基于参照超声波来生成用于超声波终端1360位置推测的识别标志。识别标志可以是用于超声波终端1360的位置推测的参数的一种。根据一个方面，识别标志可以是包含用于超声波终端1360的位置推测的多个参数的参数组。根据另一个方面，参照超声波可以是图8中所示的脉冲。在这种情况下，如图8中所说明的参照超声波的延迟配置文件可作为识别标志的一个实施例被使用。

位置推测单元1330基于参照超声波，基于生成的识别标志来推测超声波终端1360的位置。根据一个方面，识别标志生成单元1320根据在以固体介质构成的船体的各部分中传送的超声波生成识别标志，并称该识别标志为参照识别标志。识别标志被生成来对应于船体1370的各部分。识别标志存储单元1340存储参照识别标志。

根据一个方面，位置推测单元1330比较参照识别标志和对超声波终端1360生成的识别标志。位置推测单元1330选择参照识别标志中与对超声波终端1360生成的识别标志最相似的参照识别标志。位置推测单元1330可将对应于最相似的参照识别标志的船体1370上位置推测为终端1360的位置。

Claims (13)

1.一种超声波终端，包括：

变换器，其利用固体介质，将从超声波基站或第2超声波终端接收到的第1超声波转换成第1电信号；

接收单元，其将所述第1电信号转换成第1数据；和

传送单元，其将第2数据转换成第2电信号，

其中，所述变换器，将所述第2电信号转换成第2超声波，并利用所述固体介质将转换的所述第2超声波传送至所述超声波基站或所述第2超声波终端。

2.如权利要求1所述的超声波终端，其中，所述变换器，将由所述第1超声波生成的所述固体介质的振动转换成所述第1电信号，并根据所述第2超声波使所述固体介质振动从而来传送所述第2超声波。

3.如权利要求1所述的超声波终端，其中，所述固体介质为船舶的船体。

4.如权利要求1所述的超声波终端，其中，所述固体介质具屏蔽电波的性质。

5.如权利要求1所述的超声波终端，进一步包括：

输出单元，其通过扬声器或头戴式受话器将所述第1数据输出，或是通过播放器播放，或是存储在存储装置中。

6.如权利要求1所述的超声波终端，所述变换器，其传送参照超声波，且基于所述参照超声波，推测所述超声波终端的位置。

7.如权利要求1所述的超声波终端，进一步包括：

输出单元，

其中，所述接收单元判断是否能够从所述超声波基站接收所述第1电信号，且

所述输出单元显示所述接收是否成功。

8.如权利要求1所述的超声波终端，进一步包括：

感应单元，其感应所述超声波终端的用户是否发生事故，

其中，所述变换器利用所述固体介质将事故发生与否传送至所述超声波基站。

9.一种超声波基站，包括：

变换器，其利用固体介质，将从超声波终端传送的超声波转换成电信号；

接收单元，其将所述电信号转换成数据；和

数据通信单元，其利用通信网络将所述数据传送至服务器。

10.如权利要求9所述超声波基站，其中，所述固体介质为船舶的船体，并具屏蔽电波的性质。

11.一种位置推测装置，包括：

变换器，其利用固体介质，从超声波终端接收参照超声波；

识别标志生成单元，其基于所述参照超声波，生成用于推测所述超声波终端的位置的识别标志；

位置推测单元，其基于所述识别标志推测所述超声波终端的位置。

12.如权利要求11所述的位置推测装置，其中，所述识别标志为所述参照超声波的延迟配置文件。

13.如权利要求11所述的位置推测装置，其中，将对所述固体介质的互不相同的位置所生成的参照识别标志与所述生成的识别标志进行比较，并将所述参照识别标志中与所述生成的识别标志最相似的识别标志所对应的位置推测为所述超声波终端的位置。

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