CN104158645B - 一种无线局域网中基于全双工接入点的介质访问控制方法 - Google Patents

一种无线局域网中基于全双工接入点的介质访问控制方法 Download PDF

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唐爱民
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Abstract

本发明公开了一种无线局域网中基于全双工接入点的介质访问控制方法,包含以下步骤:一、在全双工接入点建立各半双工用户的信号干扰比映射表;二、全双工接入点根据半双工发送用户向全双工接入点发送信息的信息传输时间和全双工接入点向各下行半双工接收用户发送信息所需要的信息传输时间的相对关系,选择符合建立双重链路条件的半双工接收用户授予下行信道使用权;三、在半双工发送用户成功获取信道的情况下,成功选取半双工接收用户后,协议采用RTS/CTS帧交换和物理层capture效应的方法实现非对称全双工双重链路的数据传输,并根据双重链路的双边信息传输时间针对半双工发送用户选择合适的延长策略以保证双边信息传输时间相同。本发明实现了全双工通信和半双工通信的共存。

Description

一种无线局域网中基于全双工接入点的介质访问控制方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域,特别是涉及一种无线局域网中的介质访问控制方法
背景技术
全双工无线通信,是一种全新的通信技术,通过自干扰消除技术实现。其能够成倍地提高点对点通信的承载力并改善频谱效率。
该方法目前存在以下技术限制:
1)目前网络中已经存在的设备都是半双工的,这些已经存在的传统设备没办法更改为全双工设备,一种可行的办法是将接入点设备更换为全双工设备。
2)在一些小设备譬如智能手机和PDA上配置全双工是极其困难的。
发明内容
针对上面所提出的技术限制,本发明提供了一种无线局域网中基于全双工接入点的介质访问控制方法,该方法支持全双工的接入点和传统半双工的用户工作。
本发明所采用的技术方案为:
一种无线局域网中基于全双工接入点的介质访问控制方法,包含以下步骤:
步骤一、在全双工接入点根据半双工用户发送的RTS信息帧和全双工接入点发送的CTS信息帧建立各半双工用户的信号干扰比映射表;
步骤二、全双工接入点根据半双工发送用户向全双工接入点发送信息的信息传输时间和全双工接入点向各下行半双工接收用户发送信息所需要的信息传输时间的相对关系,选择符合建立双重链路条件的半双工接收用户授予下行信道使用权;
骤三、在半双工发送用户成功获取信道的情况下,若步骤二成功选取半双工接收用户,协议采用RTS/CTS帧交换和物理层capture效应的方法实现非对称全双工双重链路的数据传输,并根据上行信道的信息传输时间和下行信道的信息传输时间针对半双工发送用户选择合适的延长策略以保证双边信息传输时间相同,若步骤二没能成功选取半双工接收用户,协议按照非双重链路方式传输数据。
依据上述特征,所述步骤一中建立各半双工用户的信号干扰比映射表包含以下步骤:
步骤1.1)当一个半双工用户获得信道时,发送RTS信息帧,所有接收到该RTS信息帧的半双工用户从MAC层获得来自该半双工用户的干扰信号强度,全双工接入点在接收到RTS信息帧后发送CTS信息帧,所有接收到该CTS信息帧的用户获得全双工接入点发送信号的强度,并计算出信号干扰比;
步骤1.2)下一轮获得信道的半双工用户将计算出的信号干扰比合并在RTS信息帧中发送给全双工接入点,由于全双工接入点同时知道上一轮获取信道的用户,即为干扰来源,由此全双工接入点更新本地存储的信号干扰比映射表;
步骤1.3)如果同一个用户连续获得信道,则全双工接入点忽略RTS信息帧中信号干扰比的值;
步骤1.4)当全双工接入点获得信道的时候,所有半双工用户更新自己与全双工接入点的信号强度值。
依据上述特征,所述步骤1.2)中更新本地存储的信号干扰比映射表的方法为根据接收到的信号干扰比对本地存储的老信号干扰比值进行移动加权平均更新,公式如下:
SIRNew=SIRold×(1-θ)+SIRupdate×θ,
其中,θ为选定的权重因子,SIRold为本地存储的老的信号干扰比,SIRupdate为接收到的信号干扰比,SIRNew为本地存储的新的信号干扰比。
依据上述特征,所述RTS信息帧包含一个存放信号干扰比的值的字节,其中第一个比特位代表正负,后七个比特位代表信号干扰比的绝对值。
依据上述特征,所述步骤二中符合建立双重链路的条件为:
条件一、当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点向半双工接收用户发信息,且半双工发送用户向全双工接入点发信息的信息传输时间大于全双工接入点向半双工接收用户发信息的信息传输时间,建立双重链路;
条件二:当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点向半双工接收用户发信息,且半双工发送用户向全双工接入点发信息的信息传输时间大于全双工接入点向半双工接收用户发信息的信息传输时间,计算额外时间:
Tadd=T2-T1-TSIFS+TACK
当额外时间满足:时建立双重链路,其中β为根据实际情况选定的大于1的参数,T1为半用工发送用户向全双工接入点发送数据包1的数据传输时间,T2为全双工接入点向半双工接收用户发送数据包2在双重链路情况下的数据传输时间,TAP为全双工接入点单独为半双工用户发送信息需要的总传输时间,所述总传输时间包含数据传输时间以及辅助信息传输时间。。
依据上述特征,所述步骤二中在选择半双工接收用户时进一步还包含改进的赤字轮询算法,具体为:
为每个半双工接收用户设置赤字,允许赤字为负数;
当全双工接入点获得信道时,全双工接入点使用赤字轮询算法选择半双工接收用户,被选中的半双工接收用户的赤字必须大于传输时间,全双工接入点从赤字中扣除传输时间;
当全双工接入点进行双重链路时,全双工接入点从满足建立双重链路条件的半双工接收用户中选择具有最大赤字的半双工接收用户作为目标用户,传输完成后从赤字中减去传输时间;其中,扣除的传输时间由T=P/R确定,其中P为数据包长度,R为非双重链路情况下全双工接入点给该接收用户的传输速率。
依据上述特征,所述步骤三中的延长策略包含以下策略:
情况1:当半双工发送用户向全双工接入点发送信息,全双工接入点向半双工接收用户发送信息,且半双工发送用户向全双工接入点发送信息的信息传输时间大于全双工接入点向半双工接收用户发送信息的信息传输时间时执行以下步骤:
步骤3.1.1)半双工发送用户先向全双工接入点发送一个RTS信息帧,其中RTS信息帧中的信号持续时间为:
DurationRTS=3×TSIFS+TCTS+TACK+T1
其中,T1为数据包1的传输时间;
步骤3.1.2)全双工接入点向半双工发送用户回复一个CTS信息帧之后全双工接入点向半双工接收用户传送数据包2;CTS信息帧中包含的信号持续时间为:
DurationCTS=DurationRTS-TCTS-2×TSIFS+Tp+TACK
其中,Tp为物理层报头时间;
步骤3.1.3)在半双工发送用户收到CTS信息帧后,根据CTS信息帧中的信号持续时间大于半双工发送用户自己的信号持续时间,由此判断全双工接入点此刻在进行双重链路,为保证capture效应的成功,半双工发送用户在延迟:Delay=DurationCTS-T1-TSIFS-2×TACK=Tp之后向全双工接入点传送数据包1;
步骤3.1.4)全双工接入点在发送完数据包2之后接着发送信道忙信号以保证两个数据传送同时完成;
步骤3.1.5)数据发送结束后半双工接收用户先回复ACK信息帧给全双工接入点,然后全双工接入点回复ACK信息帧给半双工发送用户。
情况2、当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点向半双工接收用户发信息,且半双工发送用户向全双工接入点发送信息的信息传输时间小于全双工接入点向半双工接收用户发送信息的信息传输时间时执行以下步骤:
步骤3.2.1)半双工发送用户先向全双工接入点发送一个RTS信息帧,RTS信号中的信号持续时间为:
DurationRTS=3×TSIFS+TCTS+TACK+T1
其中,T1为数据包1的传输时间;
步骤3.2.2)全双工接入点向双半工发送用户回复一个CTS信息之后向半双工接收用户传送数据包2;CTS信号中的信号持续时间为:
DurationCTS=T2+TSIFS+2×TACK,其中,T2为数据包2的传输时间;
步骤3.2.3)半双工发送用户在收到CTS信息后,半双工发送用户根据CTS信息中的信号持续时间大于半双工发送用户自己的信号持续时间,由此判断全双工接入点此刻在进行双重链路,为保证capture效应的成功,半双工发送用户在延迟:Delay=DurationCTS-T1-TSIFS-2×TACK之后向全双工接入点传送数据包1;
步骤3.2.4)数据发送结束后半双工接收用户先回复ACK信息给全双工接入点,然后全双工接入点回复ACK信息给半双工发送用户。
情况3、当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点不向其他用户发信息时,全双工接入点在收到半双工发送用户的RTS信息后只回复一个CTS信息帧,半双工发送用户通过CTS帧中的信号持续时间和RTS信息帧中的信号持续时间判断此时全双工接入点并未进行双重链路,因此半双工发送用户在TSIFS时间后直接向全双工接入点发送数据包,全双工接入点在接收完成后回复一个ACK信号,即按照非双重链路方式传输数据。
依据上述特征,当全双工接入点获取信道时,全双工接入点不建立双重链路,采用传统方法直接进行数据传输。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.提出了一个新的介质访问控制协议实现了全双工通信和半双工通信的共存。使用全双工AP在无线局域网中实现了半双工用户的双重链路。
2.大大提高了网络吞吐量。
3.有效降低数据包时延。
附图说明
图1为本发明中RTS帧结构示意图;
图2A为本发明中双重链路的一个实现协议示意图;
图2B为本发明中双重链路的一个实现协议示意图;
图3为本发明非双重链路的实现协议示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
1.先在全双工接入点(以下简称AP)上建立各用户信号干扰比映射表。具体的实现方式为:当一个半双工发送用户(以下简称用户A)获得信道时,其发送RTS信息,所有接收到该RTS信息的用户可以从MAC层获得来自用户A的干扰信号强度,AP在接收到RTS信息后发送CTS信息,所有接收到该CTS信息的用户获得AP发送信号的强度,并计算出信号干扰比。下一轮获得信道的用户将计算出的信号干扰比合并在RTS信号中发送给AP,由于AP同时知道上一轮获信道的用户,即为干扰来源,由此AP更新本地存储的信号干扰比映射表。如果同一个用户连续获得信道,则AP忽略RTS中信号干扰比的值。当AP获得信道的时候,所有用户更新自己与AP的信号强度值。
特别地,实时的信号干扰比值不能准确地反映信道质量,因此在AP中根据接收到的信号干扰比对本地存储的值进行移动加权平均更新,方法如下:
SIRNew=SIROld×(1-θ)+SIRupdate×θ
其中,θ为选定的权重因子,SIRold为本地存储的老信号干扰比,SIRupdate为接收到的信号干扰比,SIRNew为本地存储的新的信号干扰比。
在该方法中,对传统RTS信息帧进行了修改,如图1所示,在发送地址后增加一个字节存放信号干扰比的值,其中第一个比特位代表正负,后七个比特位代表信号干扰比的绝对值。
2.无线局域网中非对称双重链路的实现,主要分为以下两种情形:
1)情形1:当用户A向AP发信息,AP向半双工接收用户(以下简称用户B)发信息,且用户A向AP发信息的信息传输时间大于AP向用户B发信息的信息传输时间。此时采用双重链路的额外时间为:
Tadd=Tp-TSIFS+TACK
其中:TAP为AP单独为用户发送信息需要的总传输时间,包含发送数据包的时间以及一些辅助信息,如RTS,CTS,ACK,而下面的不等式:
Tadd<TAP
一定成立,故采用双重链路节省了传输时间。因此在这种情形下可以建立非对称双重链路。
2)情形2:当用户A向AP发信息,AP向用户B发信息,且用户A向AP发信息的信息传输时间小于AP向用户B发信息的信息传输时间。同样计算额外时间:
Tadd=T2-T1-TSIFS+TACK
在这种情况下:仅当额外时间满足:时采用双重链路,其中β为根据实际情况选定的大于1的参数。
3.针对用户成功获取信道的情况下,协议采用RTS/CTS帧交换和物理层capture效应的方法实现非对称全双工双重链路的建立,并根据无线局域网中的三个情形设计了不同的应对策略:
1)情形1:如图2A所示,当用户A向AP发信息,AP向用户B发信息,且用户A向AP发信息的信息传输时间大于AP向用户B发信息的信息传输时间。用户A先向AP发送一个RTS信息,AP向用户A回复一个CTS信息之后向用户B传送数据包2。在收到CTS信息后,用户A发现包含在该CTS信息中的信号持续时间大于用户A自己的信号持续时间,由此判断AP此刻在进行双重链路,为保证capture效应的成功,用户A在特定的延迟(物理层报头时间)之后向AP传送数据包1。由于数据包2的传输时间小于数据包1,AP在发送完数据包2之后接着发送信道忙(busytone)信号以保证两个数据传送同时完成。数据发送结束后用户B先回复ACK信息给AP,然后AP回复ACK信息给用户A。
在此过程中RTS信息中的信号持续时间为:
DurationRTS=3×TSIFS+TCTS+TACK+T1
其中,T1为数据包1的传输时间。
CTS信息中的信号持续时间为:
DurationCTS-DurationRTS-TCTS-2×TSIFS+Tp+TACK
其中,Tp为物理层报头时间,用户A上的时延:
Delay=DurationCTS-T1-TSIFS-2×TACK=Tp
2)情形2:如图2B所示,当用户A向AP发信息,AP向另一个用户B发信息,且用户A向AP发信息的信息传输时间小于AP向用户B发信息的信息传输时间。用户A先向AP发送一个RTS信息,AP向其回复一个CTS信息之后向用户B传送数据包2。在收到CTS信息后,用户A发现包含在该CTS信息中的信号持续时间大于用户A自己的信号持续时间,由此判断AP此刻在进行双重链路,为保证capture效应的成功,用户A在特定的延迟之后向AP传送数据包1。由于数据包2的传输时间大于数据包1,用户A在发送数据包1时等待一段足够长的时间以保证两个数据传送同时完成。数据发送结束后用户B先回复ACK信息给AP,然后AP回复ACK信息给用户A。
在此过程中RTS信息中的信号持续时间为:
DurationRTS=3×TSIFS+TCTS+TACK+T1
其中,T1为数据包1的传输时间。
CTS信息中的信号持续时间为:
DurationCTS=T2+TSIFS+2×TACK
其中,T2为数据包2的传输时间
用户A上的时延:Delay=DurationCTS-T1-TSIFS-2×TACK
3)情形3:如图3所示,当用户A向AP发信息,AP不向其他用户发信息。AP在收到用户A的RTS信息后只回复一个CTS信息,从该信息中,用户A通过CTS中的信号持续时间和RTS信号持续时间一样长知道此时并未进行双重链路,因此在TSIFS时间后直接向AP发送数据包,AP在接受完成后回复一个ACK信号。
值得注意的是,接收到AP的CTS信息的所有其他用户根据CTS中的信号持续时间信息更新其网络配置向量值,以此来避免数据冲突。
针对AP获取信道的情况下:AP不建立双重链路,采用传统方法直接进行数据传输。
4.特别地,AP使用改进的赤字轮询(deficit round-robin)算法选择双重链路的接收用户以保证网络资源分配的公平性,具体的改进措施为:传统的赤字轮询算法要求赤字为正数,且当赤字大于需求量才允许传输,在改进的方法中的赤字可以为负数。
当AP获得信道时,使用赤字轮询算法选择用户,被选中的用户的赤字必须大于传输时间。在这种情形下,AP从赤字中扣除传输时间。
当AP进行双重链路时,其从满足条件的接收用户中选择具有最大赤字的用户作为目标用户。在这种情况下,不考虑赤字是否大于传输时间,因此赤字可以为负数,传输完成后从赤字中减去传输时间。其中,扣除的传输时间由T=P/R确定,其中P为数据包长度,R为半双工链路情况下AP对该用户的传输速率。

Claims (10)

1.一种无线局域网中基于全双工接入点的介质访问控制方法,包含以下步骤:
步骤一、在全双工接入点根据半双工用户发送的RTS信息帧和全双工接入点发送的CTS信息帧建立各半双工用户的信号干扰比映射表;
步骤二、全双工接入点根据半双工发送用户向全双工接入点发送信息的信息传输时间和全双工接入点向各下行半双工接收用户发送信息所需要的信息传输时间的相对关系,选择符合建立双重链路条件的半双工接收用户授予下行信道使用权;
步骤三、在半双工发送用户成功获取上行信道的情况下,若步骤二成功选取半双工接收用户,协议采用RTS/CTS帧交换和物理层capture效应的方法实现非对称全双工双重链路的数据传输,并根据上行信道的信息传输时间和下行信道的信息传输时间针对半双工发送用户选择合适的延长策略以保证双边信息传输时间相同,若步骤二没能成功选取半双工接收用户,协议按照非双重链路方式传输数据。
2.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于所述步骤一中建立各半双工用户的信号干扰比映射表包含以下步骤:
步骤1.1)当一个半双工用户获得信道时,发送RTS信息帧,所有接收到该RTS信息帧的半双工用户从MAC层获得来自该半双工用户的干扰信号强度,全双工接入点在接收到RTS信息帧后发送CTS信息帧,所有接收到该CTS信息帧的用户获得全双工接入点发送信号的强度,并计算出信号干扰比;
步骤1.2)下一轮获得信道的半双工用户将计算出的信号干扰比合并在RTS信息帧中发送给全双工接入点,由于全双工接入点同时知道上一轮获取信道的用户,即为干扰来源,由此全双工接入点更新本地存储的信号干扰比映射表;
步骤1.3)如果同一个用户连续获得信道,则全双工接入点忽略RTS信息帧中信号干扰比的值;
步骤1.4)当全双工接入点获得信道的时候,所有半双工用户更新自己与全双工接入点的信号强度值。
3.根据权利要求2所述的介质访问控制方法,其特征在于所述步骤1.2)中更新本地存储的信号干扰比映射表的方法为根据接收到的信号干扰比对本地存储的老信号干扰比值进行移动加权平均更新,公式如下:
SIRNew=SIRold×(1-θ)+SIRupdate×θ,
其中,θ为选定的权重因子,SIRold为本地存储的老的信号干扰比,SIRupdate为接收到的信号干扰比,SIRNew为本地存储的新的信号干扰比。
4.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于所述RTS信息帧包含一个存放信号干扰比的值的字节,其中第一个比特位代表正负,后七个比特位代表信号干扰比的绝对值。
5.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于所述步骤二中符合建立双重链路的条件为:
条件一、当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点向半双工接收用户发信息,且半双工发送用户向全双工接入点发信息的信息传输时间大于全双工接入点向半双工接收用户发信息的信息传输时间,建立双重链路;
条件二:当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点向半双工接收用户发信息,且半双工发送用户向全双工接入点发信息的信息传输时间大于全双工接入点向半双工接收用户发信息的信息传输时间,计算额外时间:
Tadd=T2-T1-TSIFS+TACK
当额外时间满足:时建立双重链路,其中β为根据实际情况选定的大于1的参数,T1为半用工发送用户向全双工接入点发送数据包1的数据传输时间,T2为全双工接入点向半双工接收用户发送数据包2在双重链路情况下的数据传输时间,TAP为全双工接入点向该半双工接收用户发送数据包2在半双工链路情况下需要的总传输时间,所述总传输时间包含数据传输时间以及辅助信息传输时间。
6.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于所述步骤二中在选择半双工接收用户时进一步还包含改进的赤字轮询算法,具体为:
为每个半双工接收用户设置赤字,允许赤字为负数;
当全双工接入点获得信道时,全双工接入点使用赤字轮询算法选择半双工接收用户,被选中的半双工接收用户的赤字必须大于传输时间,全双工接入点从赤字中扣除传输时间;
当全双工接入点进行双重链路时,全双工接入点从满足建立双重链路条件的半双工接收用户中选择具有最大赤字的半双工接收用户作为目标用户,传输完成后从赤字中减去传输时间;其中,扣除的传输时间由T=P/R确定,其中P为数据包长度,R为半双工链路情况下全双工接入点给该接收用户的传输速率。
7.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于所述步骤三中的延长策略包含以下策略:
当半双工发送用户向全双工接入点发送信息,全双工接入点向半双工接收用户发送信息,且半双工发送用户向全双工接入点发送信息的信息传输时间大于全双工接入点向半双工接收用户发送信息的信息传输时间时执行以下步骤:
步骤3.1.1)半双工发送用户先向全双工接入点发送一个RTS信息帧,其中RTS信息帧中的信号持续时间为:
DurationRTS=3×TSIFS+TCTS+TACK+T1
其中,T1为半用工发送用户向全双工接入点发送数据包1的数据传输时间;
步骤3.1.2)全双工接入点向半双工发送用户回复一个CTS信息帧之后全双工接入点向半双工接收用户传送数据包2;CTS信息帧中包含的信号持续时间为:
DurationCTS=DurationRTS-TCTS-2×TSIFS+Tp+TACK
其中,Tp为物理层报头时间;
步骤3.1.3)在半双工发送用户收到CTS信息帧后,根据CTS信息帧中的信号持续时间大于半双工发送用户自己的信号持续时间,由此判断全双工接入点此刻在进行双重链路,为保证capture效应的成功,半双工发送用户在延迟:
Delay=DurationCTS-T1-TSIFS-2×TACK=Tp之后向全双工接入点传送数据包1;
步骤3.1.4)全双工接入点在发送完数据包2之后接着发送信道忙信号以保证两个数据传送同时完成;
步骤3.1.5)数据发送结束后半双工接收用户先回复ACK信息帧给全双工接入点,然后全双工接入点回复ACK信息帧给半双工发送用户。
8.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于所述步骤三中的延长策略包含以下策略:
当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点向半双工接收用户发信息,且半双工发送用户向全双工接入点发送信息的信息传输时间小于全双工接入点向半双工接收用户发送信息的信息传输时间时执行以下步骤:
步骤3.2.1)半双工发送用户先向全双工接入点发送一个RTS信息帧,RTS信号中的信号持续时间为:
DurationRTS=3×TSIFS+TCTS+TACK+T1
其中,T1为半双工发送用户向全双工接入点发送数据包1的数据传输时间;
步骤3.2.2)全双工接入点向半双工发送用户回复一个CTS信息之后向半双工接收用户传送数据包2;CTS信号中的信号持续时间为:
DurationCTS=T2+TSIFS+2×TACK,其中,T2为数据包2的传输时间;
步骤3.2.3)半双工发送用户在收到CTS信息后,半双工发送用户根据CTS信息中的信号持续时间大于半双工发送用户自己的信号持续时间,由此判断全双工接入点此刻在进行双重链路,为保证capture效应的成功,半双工发送用户在延迟:
Delay=DurationCTS-T1-TSIFS-2×TACK之后向全双工接入点传送数据包1;
步骤3.2.4)数据发送结束后半双工接收用户先回复ACK信息给全双工接入点,然后全双工接入点回复ACK信息给半双工发送用户。
9.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于所述步骤三中的延长策略包含以下策略:
当半双工发送用户向全双工接入点发信息,全双工接入点不向其他用户发信息时,全双工接入点在收到半双工发送用户的RTS信息帧后只回复一个CTS信息帧,半双工发送用户通过CTS信息帧中的信号持续时间和RTS信息帧中的信号持续时间判断此时全双工接入点并未进行双重链路,因此半双工发送用户在TSIFS时间后直接向全双工接入点发送数据包,全双工接入点在接收完成后回复一个ACK信号,即按照非双重链路方式传输数据。
10.根据权利要求1所述的介质访问控制方法,其特征在于还包含:
步骤四、当全双工接入点获取信道时,全双工接入点不建立双重链路,采用传统方法直接进行数据传输。
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