CN102783235A - 无线通信网络中协调多个无线通信装置的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线资源分配方法，由无线通信网络中的协调无线通信装置执行无线资源分配。无线通信网络占用多个窄带信道。该方法包括：获取加入无线通信网络的无线通信装置所支持的多个支持窄带信道，其中，多个支持窄带信道包括多个窄带信道的第一子集；将多个窄带信道划分为一组非重叠操作信道，其中，多个非重叠信道中每个非重叠信道包括多个窄带信道的第二子集；将无线通信装置分配给分配非重叠操作信道，分配非重叠操作信道的带宽小于或等于无线通信装置所支持的多个支持窄带信道的带宽；以及将无线资源分配给无线通信装置，无线通信装置与多个其他无线通信装置交换数据。

Description

无线通信网络中协调多个无线通信装置的系统及方法
交叉引用
本申请的权利要求要求如下申请的优先权：2010年7月13日递交的申请号为61/363,755的美国临时案。在此一并参考该申请案的全部内容。
技术领域
本发明有关于一种无线通信网络。
背景技术
在无线局域网络（wireless local area network，WLAN）系统（例如IEEE802.11ac）中，802.11ac基本服务单元（basic service set，BSS）可采用空间分集（spatial diversity）技术、下行多用户多输入多输出（down-linkmulti-user multi-input multi-output，DL-MU-MIMO）以增加吞吐量。聚集多个窄带信道的高速宽带无线接入点（access point，AP）可管理带宽更宽的信道并管理占据不同信道带宽的不同世代的无线通信装置（wireless stations，STA）。通过空间域分集（spatial domain diversity），802.11ac AP将一个或多个窄带信道（20MHz）合并（coalesce）为一个宽带信道（例如，160MHz）。
802.11ac AP可支持带宽更宽的（高达160MHz）信道。且802.11ac BSS支持各种802.11系列的STA，包括旧式（legacy）STA（例如802.11b/g/n STA）和新式STA（例如802.11ac STA）。
802.11ac BSS的STA可支持的带宽从20MHz至160MHz。例如，802.11/b/gSTA可支持的带宽为20MHz；802.11n STA可支持的带宽为40MHz；802.11acSTA可支持的带宽为80MHz或160MHz。因此，每个MU-MIMO组的可用信道带宽会由于其中的STA最小信道带宽而受限。
尽管高速宽带无线环境可提供更宽的带宽，实际信道带宽仍会受具有最小信道带宽的STA的限制。因此，无线资源未充分使用。
例如，现已采用配备多天线和MU-MIMO机制的高速宽带无线AP，通过允许至一组STA的同步传输（simultaneous transmission）以提升无线网络性能。然而，在当前的MU-MIMO机制中，与当前MU-MIMO操作无关的信道仍未被充分使用。
图1A（现有技术）为当前DL-MU-MIMO机制的信道带宽使用情况示意图。例如，AP 110和STA 121都支持信道1~8；STA 122支持信道3；STA 123支持信道3和4。假设STA 121~123属于同一组。如图1A所示，当组（包括STA 121~123）为活动（active）状态时，仅使用了信道3。也就是说，信道1~2和信道4~8未被使用并被浪费。所以，未充分使用无线资源。
此外，与旧式的重叠式BSS（overlap BSS，OBSS）共存的802.11ac AP不能有效地管理其信道。图1B显示由于和旧式OBSS共存AP不能主动地管理其信道。如图1B所示，OBSS 131占用信道3（例如20MHz的信道），OBSS132占用信道5~6（40MHz），它们会阻止802.11ac AP获得更宽的信道。尽管802.11acAP可合并8个信道以启动一个BSS，但仅存在2个可用的连续信道（40MHz）。
发明内容
本发明揭露用于协调无线通信网络中多个无线通信装置的系统与方法的实施例以改进无线资源的利用率
本发明揭露的一个实施例提出一种无线资源分配方法，由包括多个无线通信装置的无线通信网络中的协调无线通信装置进行该无线资源分配，其中，该无线通信网络占用多个窄带信道，且该方法包括：获取加入该无线通信网络的无线通信装置所支持的多个支持窄带信道，其中，该多个支持窄带信道包括该多个窄带信道的第一子集；将该多个窄带信道划分为一组非重叠操作信道，其中，该多个非重叠信道中的每个包括该多个窄带信道的第二子集；将该无线通信装置分配给分配非重叠操作信道，其中，该分配非重叠操作信道的带宽小于或等于该无线通信装置所支持的该多个支持窄带信道的带宽；以及将该无线资源分配给该无线通信装置，其中，该无线通信装置与多个其他无线通信装置交换数据。
本发明揭露的另一个实施例提出一种无线通信方法，应用于无线通信装置，该无线通信装置位于包括协调无线通信装置和多个无线通信装置的无线通信网络中，其中，该无线通信网络占用多个窄带信道，且该方法包括：加入该无线通信网络并发送信息，其中，该信息关于该无线通信装置的多个支持窄带信道，该多个支持窄带信道包括该多个窄带信道的第一子集；从该协调无线通信装置接收划分信息，其中，该协调无线通信装置将该多个窄带信道划分为一组非重叠操作信道，其中，该多个非重叠信道中的每个包括该多个窄带信道的第二子集；根据从该协调通信装置接收的分配，迁移至分配非重叠操作信道，其中，该分配非重叠操作信道的带宽小于或等于该无线通信装置所支持的该多个支持窄带信道的带宽；以及与该多个通信装置交换数据，其中，由该协调通信装置分配该无线资源或由该无线通信装置通过使用竞争机制获取该无线资源。
本发明揭露的又一个实施例提出一种无线通信网络，该无线通信网络占用多个窄带信道，且该无线通信网络包括：协调无线通信装置；以及多个无线通信装置，由该协调无线通信装置进行协调；其中，该协调无线通信装置获取加入该无线通信网络的无线通信装置所支持的多个支持窄带信道，其中，该多个支持窄带信道包括多个窄带信道的第一子集；该协调无线通信装置将该多个窄带信道划分为一组非重叠操作信道，其中，该多个非重叠信道中的每个包括该多个窄带信道的第二子集；该协调无线通信装置将该无线通信装置分配给分配非重叠操作信道，其中，该分配非重叠操作信道的带宽小于或等于该无线通信装置所支持的该多个支持窄带信道的带宽；以及该协调无线通信装置将该无线资源分配给该无线通信装置，其中，该无线通信装置与多个其他无线通信装置交换数据。
应理解，前述的整体描述和后述的具体实施方式仅为示范和说明性质，并不能如权利要求一样限制本发明揭露的实施例。
附图说明
图1A（现有技术）为当前DL-MU-MIMO机制的信道带宽使用情况示意图；
图1B显示由于和旧式OBSS共存AP不能主动地管理其信道；
图2为根据所揭示的实施例MU DL实现的示意图；
图3为所揭示的实施例中具有FDM的STA-STA MU的示意图；
图4为OBSS迁移的示意图；
图5为所揭示的实施例中STA的羊群效应示意图。
具体实施方式
本发明揭示一种管理无线网络的方法和系统，其中，该无线网络具有至少一个AP和多个移动站。
在下述中，宽带AP（wide Band Access Point，WBAP）表示可支持n个窄带信道（n为自然数）的无线AP。窄带信道可例如20MHz。而且，AP可为协调无线通信装置（coordinating wireless communications device）；STA可为无线通信装置。操作信道表示包括一个或多个非重叠（non-overlapping）窄带信道的信道。而非重叠操作信道表示不包括与其他操作信道重叠的窄带信道的操作信道。
AP合并可用窄带信道形成支持宽带信道的BSS并选择一个窄带信道作为主信道。AP和STA通过主信道交换无线通信网络的管理和控制信息。且AP根据第一预设规则选择窄带信道作为主信道。在AP选择主信道之后，AP向所有STA声明（announce）主信道。
第一预设规则确定非重叠操作信道数目，举例而言，第一预设规则是根据从参数组中选择的参数，其中，该参数组包括窄带信道的可用数目、每个窄带信道的干扰水平（level of the interference）以及每个STA所支持的窄带信道。
宽带信道的带宽由AP根据信道条件和AP/STA容量确定。BSS的所有STA接收AP发送的一或多个复制信标（duplicated beacon），其中，该一或多个复制信标覆盖至宽带信道。
此外，在本发明的揭露中，还揭示了一种MU DL频域复用（frequencydomain multiplexing，FDM）。AP管理成员STA（member STA）的信道选择，其中成员STA可包括旧式STA（例如802.11b/g/n STA）和新式STA（例如802.11ac STA）。每个新式STA对形成非重叠操作信道的一组窄带信道进行操作，其中，该组窄带信道包括一或多个窄带信道。且一或多个非重叠操作信道可进行并行操作。
AP将STA组织（organize）为大于一个的通信组。每个通信组中STA占用一或多个窄带信道，且该大于一个的通信组位于（reside）窄带上。其中，每个通信组的组成（constituent）由AP根据第二预设规则静态或动态确定。AP可适应性重组（re-organize）STA以改进无线通信网络的性能。
第二预设规则确定每个通信组的组成并确定将STA分配至哪个非重叠操作信道，第二预设规则根据从参数组中选择的算法，其中，该参数组包括最佳适应算法、首次适应算法、非重叠操作信道中STA的数目（population ofnon-overlapping operating channel）以及多个应用程序需求（applicationrequirement）。
AP根据参数改变通信组占用的信道宽度，其中，参数可例如带宽使用率、以及通信组中配置的应用程序的带宽需求。
大于一个的通信组的STA可在也可不在AP的直接管理下进行并行操作。换言之，从STA至其他STA的数据传输是直接交换或由AP中转（relay）。
AP指示通信组的STA从一个频带迁移（migrate）到另一个频带。
现在描述如何建立操作信道和STA组。
WBAP通过在主信道上发送内嵌于无线帧（radio frame）（例如信标）或管理帧中的邀请消息（invitation message）至STA，或从STA接收非请求的需求消息（unsolicited requesting message）来建立无线通信网络。信标在AP所支持的每个窄带信道上进行重复。邀请消息的接收或需求消息的发送启动STA的关联（association）和认证（authentication）过程（STA可占用m个窄带信道，其中m为自然数且m≦n）。STA在与AP交换容量（capability）信息之后加入无线通信网络并完成关联和认证过程。
根据预设的分配算法，WBAP指示STA占用p个窄带信道，其中p为自然数且p≦m≦n。STA使用主信道与WBAP交换管理消息。
如果STA第一个加入基础架构（infrastructure）无线网络，WBAP采用的示例分配算法可为首次适应算法，即，WBAP选择对WBAP和STA具有最小噪声量的第一组连续的p个窄带信道。WBAP还可采用的示例分配算法可为最佳适应算法。
如果STA加入已具有q个STA（q为自然数）的基础架构无线网络，例如，WBAP可根据一些因数静态或动态决定信道分配，其中这些因数包括：操作信道的参与（occupant）数目、每个STA所支持的窄带信道数目、活动流（active flow）的带宽消耗（在一个实施例中，活动流的带宽消耗是基于通信流的服务质量（Quality of Service，QoS）设置），以及操作信道整体负载。例如，如果40MHz STA加入基础架构无线网络，WBAP可将40MHz STA分配至占用40MHz或80MHz的STA组，以对操作信道的整体负载产生较小影响。
在一个实施例中，WBAP可根据第一预设规则将n个窄带信道划分为r（r为自然数）个非重叠操作信道并将STA划分为s个组（s为自然数）。
例如，WBAP可将160MHz划分为（1）两个80MHz的非重叠操作信道；（2）一个80MHz非重叠操作信道和两个40MHz的非重叠操作信道；（3）一个80MHz非重叠操作信道，一个40MHz的非重叠操作信道和两个20MHz的非重叠操作信道；（4）一个80MHz非重叠操作信道和四个20MHz的非重叠操作信道；（5）四个40MHz的非重叠操作信道；（6）三个40MHz的非重叠操作信道和两个20MHz的非重叠操作信道；（7）两个40MHz的非重叠操作信道和四个20MHz的非重叠操作信道；（8）一个40MHz的非重叠操作信道和六个20MHz的非重叠操作信道；（9）八个20MHz的非重叠操作信道。非重叠操作信道的信道带宽可不同或相同。此外，每个组中的STA数目可不同或相同。
在另一个实施例中，STA形成组，其中每个组的信道带宽由每个组的STA信道容量确定，或由AP确定。如果所有组的信道带宽的总和大于n个窄带信道，则WBAP根据每个组的QoS需求决定每个非重叠操作信道的信道带宽，且所有非重叠操作信道的信道带宽总和必须等于或小于n个窄带信道的总和、相反，如果所有组的信道带宽的总和不大于n个窄带信道，则根据每个组的STA的信道容量确定每个组的信道带宽。
在又一个实施例中，如果WBAP已知其中的一个STA与一或多个其他STA建立直接链接会话（direct link session），即消息在一个STA与一或多个其他STA之间直接交换而不中转经过WBAP，则WBAP可决定重新划分（re-partition）n个窄带信道并为该STA和（与其具有直接链接会话的）一或多个其他STA建立非重叠操作信道。举例而言，n个窄带信道的重新划分可根据上述的划分算法（partitioning algorithm）。且存在本领域技术人员知晓的方法来及时将直接链接的多个STA迁移至新设置的操作信道。
在又一个实施例中，WBAP可从通信流的QoS设置中知道大于一组的（占用一或多个操作信道的）STA互相交换数据，即在两个STA之间数据以乒乓形式（ping-pong fashion）发送数据。例如，需求/响应分组（packet）的交换或数据/确认（acknowledge）分组的交换。WBAP为大于一组的（占用一或多个操作信道的）STA设置专属时间段（dedicated time period）以用于无线信道的调度接入（scheduled access）。操作信道可同步进行操作。
现在描述操作信道的STA数据交换。
对于一个操作信道中的消息，可直接在占用该操作信道的STA之间进行交换，或通过WBAP中转。在操作信道中可将一个消息发送至一个STA（即单播），或发送至一或多个STA（即多播），或发送至所有STA（即广播）。且在操作信道中从一个STA发送的消息可由WBAP中转至不同操作信道中的另一个STA。WBAP协调非重叠操作信道的操作。非重叠操作信道的并行操作可同步或异步进行。
每当STA有准备给其他STA的数据时，STA可通过（1）根据例如802.11CSMA/CA的协议，竞争（contend）接入权（access right）（即避免碰撞的载波侦听（carrier sensing collision avoidance）的实现），或者通过（2）请求WBAP授予接入权（即，基于请求的实现），又或者通过（3）结合前述两种实现的混合实现。换句话说，在本发明的揭露中，存在至少三种信道接入的实现方法。
当非重叠操作信道的STA通过例如上述的信道接入实现方法来接入无线信道，而无WBAP对该信道接入与其他非重叠操作信道的信道接入进行同步时，非重叠操作信道之间进行异步操作。否则，该非重叠操作信道与其他操作信道进行同步操作。
WBAP根据一个或多个协调机制为每个非操作信道决定是否应进行同步或异步操作。在一个协调机制中，WBAP将建立直接链接会话的多个STA组放置在其中一个异步操作的操作信道中。剩余的操作信道由WBAP协调进行同步操作。
此外，在此实施例中，AP可通过一些实现提供MU DL流量，这些实现包括MU DL-MIMO、MU DL-FMD或MU DL-OFDMA。
为实现MU DL-MIMO，AP选择所合并的信道的子集（sub-set）以用于DL-MIMO操作。为实现MU DL-FDM，AP指示目标（target）STA转换至对应信道且将DL流量发送至对应信道以用于负载平衡。为实现MUDL-OFDMA，AP选择所合并的信道的子集以用于基于DL-MIMO的OFDMA（OFDMA-based DL-MIMO）操作。图2为根据所揭示的实施例MU DL实现的示意图。
此外，在所示的实施例中，还揭示了具有FDM的STA-STA MU。一个STA可与一或多个目的（destination）STA建立直接链接会话（direct linksession，DLS）。STA向AP发送请求消息以用于请求信道时间。且请求消息也包括信道带宽和传输机会（transmission opportunity，TXOP）
图3为所揭示的实施例中具有FDM的STA-STA MU的示意图。如图3所示，STA310与STA 311建立DLS，而不通过AP320中转。此外，STA312与STA 313通过AP320中转来进行通信。STA314以空间域分集与STA 315-317进行通信。
此外，在所揭示的实施例中，AP指示其他OBSS移动至其他信道以获取连续信道。请参考图4，图4为OBSS迁移的示意图。OBSS1占用信道3，且OBSS2占用信道5～6。举例而言，响应于AP的指示，OBSS1可移动至信道6，且OBSS2移动至信道7～8，由此可获取用于OBSS的连续信道6~8。另外，AP将扫描所有信道，与OBSS的STA和AP交换信道信息。
另外，在揭示的实施例中，一旦从AP接收信标，STA通过主信道加入BSS以实现STA的聚集效应（herding）。图5为所揭示的实施例中STA的羊群效应示意图。如图5所示，在从AP510接收信标以前，STA 511~514分别占用信道1~8、信道2、信道3~4以及信道7~8；换言之，STA 512~514并未聚集起来。一旦从AP接收信标，STA 512进行移动以占用信道3；STA 513进行移动以占用信道2~3；且STA 514进行移动以占用信道3~4。因此，STA511~514通过主信道3被聚集。
此外，在此实施例中，每个操作信道中无线资源的分配为本地决策（localdecision）而无需AP的干预（intervention）。该操作信道与其他操作信道进行异步操作。
或者，在此实施例中，一或多个操作信道的无线资源分配由AP管理并协调。操作信道进行同步操作。
本领域的技术人员应理解在不脱离本发明所揭示实施例的广义发明构思的前提下可对上述揭示的实施例进行改变。应理解，如权利要求所定义，所揭示的实施例并不局限于所揭示的特定实例，而旨在包括在所揭示实施例的精神和范围之内的修改。

Claims (24)

1.一种无线资源分配方法，由包括多个无线通信装置的无线通信网络中的协调无线通信装置进行该无线资源分配，其中，该无线通信网络占用多个窄带信道，且该无线资源分配方法包括：
获取加入该无线通信网络的无线通信装置所支持的多个支持窄带信道，其中，该多个支持窄带信道包括该多个窄带信道的第一子集；
将该多个窄带信道划分为一组非重叠操作信道，其中，多个非重叠操作信道中的每个非重叠操作信道包括该多个窄带信道的第二子集；
将该无线通信装置分配给分配非重叠操作信道，其中，该分配非重叠操作信道的带宽小于或等于该无线通信装置所支持的该多个支持窄带信道的带宽；以及
将该无线资源分配给该无线通信装置，其中，该无线通信装置与多个其他无线通信装置交换数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该划分的步骤是根据从参数组中选择的多个参数，其中，该参数组包括该多个窄带信道的可用数目、每个窄带信道的干扰水平以及该多个无线通信装置中每个无线通信装置中所支持的多个支持窄带信道。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该分配的步骤是根据从参数组中选择的多个算法，其中，该参数组包括最佳适应算法、首次适应算法、非重叠操作信道中无线通信装置的数目以及多个应用程序需求。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该分配的步骤为静态或动态的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该分配的步骤中，是根据避免碰撞的载波侦听算法、基于请求的算法或者该两个算法的混合确定所分配的该无线通信装置的信道接入。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该无线通信装置与多个其他无线通信装置直接交换数据。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该无线通信装置与多个其他无线通信装置的数据交换由该协调无线通信装置中转至该多个无线通信装置的其中至少一个。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一或多个操作信道中的该无线资源的该分配为本地决策而不需该协调无线通信装置的干预；且该多个操作信道与多个其他操作信道进行异步操作。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一或多个操作信道的该无线资源的该分配由该协调无线通信装置管理并协调，且该多个操作信道进行同步操作。
10.一种无线通信方法，应用于无线通信装置，该无线通信装置位于包括协调无线通信装置和多个无线通信装置的无线通信网络中，其中，该无线通信网络占用多个窄带信道，且该无线通信方法包括：
加入该无线通信网络并发送信息，其中，该信息关于该无线通信装置的多个支持窄带信道，该多个支持窄带信道包括该多个窄带信道的第一子集；
从该协调无线通信装置接收划分信息，其中，该协调无线通信装置将该多个窄带信道划分为一组非重叠操作信道，其中，该多个非重叠操作信道中的每个非重叠操作信道包括该多个窄带信道的第二子集；
根据从该协调通信装置接收的分配，迁移至分配非重叠操作信道，其中，该分配非重叠操作信道的带宽小于或等于该无线通信装置所支持的该多个支持窄带信道的带宽；以及
与该多个通信装置交换数据，其中，由该协调通信装置分配该无线资源或由该无线通信装置通过使用竞争机制获取该无线资源。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，由该协调无线通信装置确定该划分信息，其中，根据从参数组中选择的多个参数确定如何划分，且该参数组包括该多个窄带信道的可用数目、每个窄带信道的干扰水平以及该多个无线通信装置中每个无线通信装置中所支持的多个支持窄带信道。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该协调无线通信装置进行分配该无线装置至该多个分配非重叠操作信道是根据从参数组中选择的多个算法，其中，该参数组包括最佳适应算法、首次适应算法、非重叠操作信道中无线通信装置的数目以及多个应用程序需求。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该将该无线通信装置分配至多个分配非重叠操作信道为静态或动态的。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该无线通信装置使用该竞争机制以获取该无线资源，其中该竞争机制是根据避免碰撞的载波侦听算法、基于请求的算法或者该两个算法的混合。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，一或多个操作信道中的该无线资源的该分配为本地决策而不需该协调无线通信装置的干预；且该多个操作信道与多个其他操作信道进行异步操作。
16.一种无线通信网络，该无线通信网络占用多个窄带信道，且该无线通信网络包括：
协调无线通信装置；以及
多个无线通信装置，由该协调无线通信装置进行协调；
其中，该协调无线通信装置获取加入该无线通信网络的无线通信装置所支持的多个支持窄带信道，其中，该多个支持窄带信道包括多个窄带信道的第一子集；
该协调无线通信装置将该多个窄带信道划分为一组非重叠操作信道，其中，该多个非重叠操作信道中的每个非重叠操作信道包括该多个窄带信道的第二子集；
该协调无线通信装置将该无线通信装置分配给分配非重叠操作信道，其中，该分配非重叠操作信道的带宽小于或等于该无线通信装置所支持的该多个支持窄带信道的带宽；以及
该协调无线通信装置将该无线资源分配给该无线通信装置，其中，该无线通信装置与多个其他无线通信装置交换数据。
17.如权利要求16所述的网络，其特征在于，该协调无线通信装置根据从参数组中选择的多个参数划分该多个窄带信道，其中，该参数组包括该多个窄带信道的可用数目、每个窄带信道的干扰水平以及该多个无线通信装置中每个所支持的多个支持窄带信道。
18.如权利要求16所述的网络，其特征在于，该协调无线通信装置根据从参数组中选择的多个算法将该无线通信装置分配至分配非重叠操作信道，其中，该参数组包括最佳适应算法、首次适应算法、非重叠操作信道群体以及多个应用程序需求。
19.如权利要求16所述的网络，其特征在于，该协调无线通信装置静态或动态地将该无线通信装置分配至分配非重叠操作信道。
20.如权利要求16所述的网络，其特征在于，该协调无线通信装置根据避免碰撞的载波侦听算法、基于请求的算法或者该两个算法的混合分配该无线资源至该无线通信装置。
21.如权利要求16所述的网络，其特征在于，该无线通信装置与多个其他无线通信装置直接交换数据。
22.如权利要求16所述的网络，其特征在于，该协调无线通信装置中转该无线通信装置与多个其他无线通信装置的数据交换至该多个无线通信装置的其中至少一个。
23.如权利要求16所述的方法，其特征在于，一或多个操作信道中的该无线资源的分配为本地决策而不需该协调无线通信装置的干预；且该多个操作信道与多个其他操作信道进行异步操作。
24.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该协调无线通信装置管理并协调一或多个操作信道的该无线资源的分配，且该多个操作信道进行同步操作。
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