CN105991170A - 一种信号发射方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种信号发射方法及装置，用于在毫米波段为载波频率的全双工无线通信系统中，消除发射天线阵列的发射信号对同一收发信机中接收天线阵列接收信号的干扰，消除发射天线阵列与接收天线阵列之间的自干扰。所述信号发射方法，包括：确定接收天线阵列的位置；通过发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以所述接收天线阵列的位置为零陷位置，且所述发射天线阵列与所述接收天线阵列位于同一收发信机中。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种信号发射方法及装置。
背景技术
全双工(Full-duplex)技术是近年来引起广泛关注的一种新技术，在应用全双工技术的情况下，全双工无线通信系统与频分双工(Frequency DivisionDuplex，FDD)或时分双工(Time Division Duplex，TDD)系统相比，由于发射信号和接收信号同时同频进行，因此，发射信号会对本地接收的接收信号产生干扰，具体来说：
图1示出了TDD无线通信系统中收发信机的结构示意图，如图1所示，在时分双工TDD方式下是相同频率不同时间进行发送信号和接收信号，发射信号链路和接收信号链路共用基带处理单元，发射信号链路包括：数模转换模块、同相正交(In-phase Quadrature，IQ)调制模块、上变频模块、滤波器、功率放大器(Power Amplifier，PA)，接收信号链路包括：模数转换模块、IQ调制模块、上变频模块、滤波器、低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，通常的方案是发射信号链路和接收信号链路的射频前端共用天线，通过开关切换发射信号和接收信号进行时分双工的转换。
图2示出了FDD无线通信系统中收发信机的结构示意图，如图2所示，在频分双工FDD方式下是采用不同的频率在相同时间进行发送信号和接收信号，发射信号链路和接收信号链路共用基带处理单元，发射信号链路包括：数模转换模块、IQ调制模块、上变频模块、滤波器、PA，接收信号链路包括：模数转换模块、IQ调制模块、上变频模块、滤波器、LNA，发射信号链路射频前端的发射天线和接收信号链路的射频前端的接收天线可以采用单独的天线，也可以采用双工器共用天线。
图3示出了全双工无线通信系统中收发信机的结构示意图，如图3所示，近端设备与远端设备的无线业务相互传输发生在同样的时间、相同的频率带宽上，其中，近端设备包括：基带单元302、数模转换器(Digital to AnalogConverter，DAC)304、模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)306、发射机射频单元308、接收机射频单元310，远端设备包括：基带单元312、DAC 314、ADC 316、发射机射频单元318、接收机射频单元320。虽然近端设备与远端设备的无线业务相互传输发生在同样的时间、相同的频率带宽上，与现有的TDD系统和FDD系统相比，理论频谱效率可以提升1倍，但是，从图3中可以看出，以近端设备为例，近端设备发射机射频单元308的发射信号不仅被远端设备接收机射频单元320所接收，还会被近端设备本地的接收机射频单元310接收，也即发射机射频单元的发射信号会对本地接收机射频单元的接收信号产生干扰，使用全双工无线通信系统需要防止发射信号直接进入本地接收机引起接收信道饱和甚至烧毁，同时避免发射机噪声对接收灵敏度的影响，因此，自干扰消除能力将直接影响同时同频全双工无线通信系统的通信质量。
为此，现有技术中提出了采用射频和数字两级干扰消除的方法、发射天线的发射信号在接收天线的相位差π/2的方法、巴伦无源抵消的方法来进行全双工无线通信系统的自干扰消除。近年来毫米波射频固态电路技术迅速发展，与3千兆赫兹(GHz)以下频段的传播损耗相比，以毫米波段为载波频率的全双工无线通信系统中，由于毫米波的载波频率较高，因此，毫米波带传播带来的高损耗是必须克服的，可以采用多阵元天线阵列进行波束赋形来补偿高载频带来额外的传播损耗。随着毫米波多天线的集成技术以及封装技术的进步，毫米波宽带无线通信中将更广泛地采用多阵元天线阵列，利用波束赋形技术提高远端设备接收信号增益，保证通信的服务质量(Quality of Service，QoS)。由于毫米波的波长λ小，天线阵元以半波长λ/2距离在一个非常小的面积内可以组成多天线阵列，例如：30GHz波长为1厘米(cm)，阵元间距为0.5cm，4行4列16阵元的面积大约4平方厘米(cm2)，8行8列64阵元的面积大约为16cm2。这样，在较小的空间内分离接收天线阵列和发射天线阵列，可以用较低的代价达到同时同频全双工通信的能力。
以毫米波段为载波频率的全双工无线通信系统，在频率为30-300GHz范围毫米波段，非常多的场景需要采用多阵元天线阵列利用波束赋形技术来补偿其高传播损耗，假设仍然使用射频与数字两级干扰抵消技术，m阵元的发射天线阵列与n阵元的接收天线阵列之间射频部分的相互连接，将会得到m乘n的矩阵，数字部分的复杂度也与发射天线阵列和接收天线阵列的数字通道数的乘积呈正比，显然两者的复杂度太大和成本过高，难以实用。而采用发射天线的发射信号在接收天线的相位差π/2的方法类进行自干扰消除，受天线的位置的不准确自干扰消除的效果会减弱；巴伦无源抵消的方法，5兆赫兹(Mega Hertz，MHz)带宽信号可以抵消52分贝(dB)，而100MHz信号可以抵消40dB的发送信号，抵消功率随着信号带宽增大而减少，对于毫米波效果将更差。
综上所述，以毫米波段为载波频率的全双工无线通信系统中，采用多阵元天线阵列利用波束赋形技术来补偿其高载频导致的高传播损耗，但是现有技术中全双工无线通信系统自干扰的消除方法在消除多阵元天线阵列的自干扰时均难以应用。
发明内容
本发明实施例提供了一种信号发射方法及装置，用于在毫米波段为载波频率的全双工无线通信系统中，消除发射天线阵列的发射信号对同一收发信机中接收天线阵列接收信号的干扰，消除发射天线阵列与接收天线阵列之间的自干扰。
本发明实施例提供的一种自干扰的消除方法，该方法包括：确定接收天线阵列的位置；通过发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以所述接收天线阵列的位置为零陷位置，且所述发射天线阵列与所述接收天线阵列位于同一收发信机中。
本发明实施例提供的上述方法中，通过确定接收天线阵列的位置，并在发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，能够降低发射天线阵列发射信号在接收天线阵列位置处的辐射功率，从而消除发射天线阵列发射信号对同一收发信机中接收天线阵列接收信号的干扰，消除发射天线阵列与接收天线阵列之间的自干扰，而且与使用射频和数字两级干扰消除的方法消除多阵元天线阵列自干扰，复杂度过大，成本过高相比，实现简单，成本较低。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述方法中，该方法还包括：确定所述发射天线阵列和所述接收天线阵列之间的距离，其中该距离大于或等于第一预设阈值。
本发明实施例提供的上述方法中，发射天线阵列和接收天线阵列的距离大于或等于第一预设阈值，以对发射天线阵列和接收天线阵列进行有效的隔离，从而较大地衰减发射天线阵列的发射信号，以减小发射天线阵列的发射信号对接收天线阵列接收信号的干扰。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述方法中，所述距离为所述发射天线阵列的边缘与所述接收天线阵列边缘之间的距离，其中，所述发射天线阵列的边缘为靠近所述接收天线阵列一侧的边缘，所述接收天线阵列边缘为靠近所述发射天线阵列一侧的边缘。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述方法中，所述第一预设阈值为10λ，其中λ为所述发射信号的波长。
本发明实施例提供的一种自干扰的消除装置，包括：位置确定单元，用于确定接收天线阵列的位置；处理单元，连接至所述位置确定单元，用于通过发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以所述接收天线阵列的位置为零陷位置，且所述发射天线阵列与所述接收天线阵列位于同一收发信机中。
本发明实施例提供的上述装置中，通过确定接收天线阵列的位置，并在发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，能够降低发射天线阵列发射信号在接收天线阵列位置处的辐射功率，从而消除发射天线阵列发射信号对同一收发信机中接收天线阵列接收信号的干扰，消除发射天线阵列与接收天线阵列之间的自干扰，而且与使用射频和数字两级干扰消除的方法消除多阵元天线阵列自干扰，复杂度过大，成本过高相比，实现简单，成本较低。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述装置中，所述位置确定单元还用于：确定所述发射天线阵列和所述接收天线阵列之间的距离，其中该距离大于或等于第一预设阈值。
本发明实施例提供的上述装置中，发射天线阵列和接收天线阵列的距离大于或等于第一预设阈值，以对发射天线阵列和接收天线阵列进行有效的隔离，从而较大地衰减发射天线阵列的发射信号，以减小发射天线阵列的发射信号对接收天线阵列接收信号的干扰。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述装置中，所述距离为所述发射天线阵列的边缘与所述接收天线阵列边缘之间的距离，其中，所述发射天线阵列的边缘为靠近所述接收天线阵列一侧的边缘，所述接收天线阵列边缘为靠近所述发射天线阵列一侧的边缘。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述装置中，所述第一预设阈值为10λ，其中λ为所述发射信号的波长。
附图说明
图1为现有技术中TDD无线通信系统中收发信机的结构示意图；
图2为现有技术中FDD无线通信系统中收发信机的结构示意图；
图3为现有技术中全双工无线通信系统中收发信机的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种信号发射方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的毫米波全双工无线收发信机的结构示意图；
图6A-6B为本发明实施例提供的发射天线阵列波束主瓣方向的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种信号发射装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种信号发射装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的一种信号发射方法及装置的具体实施方式进行详细地说明。
本发明实施例提供的信号发射方法，应用于全双工无线通信系统中多阵元天线阵列之间，尤其是以毫米波段为载波频率的全双工无线通信系统中。本发明实施例中提到的发射天线阵列和接收天线阵列为位于同一收发信机中的发射天线阵列和接收天线阵列，例如：位于基站同一收发信机中的发射天线阵列和接收天线阵列，用户设备同一收发信机中的发射天线阵列和接收天线阵列。下面以毫米波段为载波频率的全双工无线通信系统为例对本发明进行详细说明。
本发明实施例提供的一种信号发射方法，如图4所示，该方法包括：
步骤402，确定接收天线阵列的位置；
步骤404，通过发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，且发射天线阵列与接收天线阵列位于同一收发信机中。
本发明实施例提供的方法中，通过确定接收天线阵列的位置，并在发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，能够降低发射天线阵列发射信号在接收天线阵列位置处的辐射功率，从而消除发射天线阵列发射信号对同一收发信机中接收天线阵列接收信号的干扰，消除发射天线阵列与接收天线阵列之间的自干扰，而且与使用射频和数字两级干扰消除的方法消除多阵元天线阵列自干扰，复杂度过大，成本过高相比，实现简单，成本较低。
具体实施时，在发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，可以在数字波束赋形时以接收天线阵列的位置为干扰点，采用零陷的方式以接收天线阵列为固定的“零点”，也即使得发射信号在接收天线阵列位置的功率为零，从而能够使得共面的±90度的方向“零深”达到40-50dB，有效消除发射天线阵列和接收天线阵列之间的自干扰。值得说明的是，采用零陷方式对发射天线阵列进行波束赋形可以采用现有技术的方式，此处不再赘述。
另外，同时同频的全双工无线收发信机使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍，与TDD方式相比，同时同频全双工可以因上行反馈时延减少而提高性能；可以提高接收机的灵敏度，降低因开关或双工器导致发射机额外的功耗。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的方法中，该方法还包括：确定发射天线阵列和接收天线阵列之间的距离，其中该距离大于或等于第一预设阈值。
本发明实施例提供的方法中，发射天线阵列和接收天线阵列的距离大于或等于第一预设阈值，以对发射天线阵列和接收天线阵列进行有效的隔离，从而较大地衰减发射天线阵列的发射信号，以减小发射天线阵列的发射信号对接收天线阵列接收信号的干扰。
作为较为具体的实施例，E波段(71-76GHz、81-86GHz)无线通信，发射天线阵列采用8x8天线面阵，采用固定方向零陷的算法，同时发射天线阵列和接收天线阵列之间的距离为20cm，使得接收天线阵列接收到的本地发射天线阵列发射信号的功率进一步地衰减和降低。
具体来说，发射天线阵列和接收天线阵列空间分离，可以使发射天线阵列的信号在自由空间衰减，由于毫米波的载频较高(例如：26.5GHZ-300GHZ)，接收天线阵列实际接收到的信号的衰减很大，例如：30GHZ载频距离0.1米衰减为41.94dB。其中，第一预设阈值可以采用系统默认值或根据实际情况进行设定。
作为较为优选的实施例，第一预设阈值为10λ，其中λ为发射信号的波长。当然，本领域技术人员应当理解的是，由于发射天线阵列和接收天线阵列均位于网络侧，例如：位于同一基站内，因此，发射天线阵列和接收天线阵列之间的距离不可能没有限制，但只要发射天线阵列和接收天线阵列之间的距离大于10λ，便能够使得发射天线阵列的发射天线在接收天线阵列位置处有较大的衰减。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的方法中，发射天线阵列和接收天线阵列之间的距离为发射天线阵列的边缘与接收天线阵列边缘之间的距离，其中，发射天线阵列的边缘为靠近接收天线阵列一侧的边缘，接收天线阵列边缘为靠近发射天线阵列一侧的边缘。
具体实施时，如图5所示，本发明实施例提供的毫米波全双工无线收发信机包括：基带处理单元502、数模转换模块504、发送射频网络506、发射天线阵列508、接收天线阵列510、模数转换模块514、接收射频网络516，发射天线阵列508和接收天线阵列510之间的距离R为发射天线阵列508的边缘与接收天线阵列510边缘之间的距离，其中，发射天线阵列508的边缘为靠近接收天线阵列一侧的边缘，即图5中示出的边缘a，接收天线阵列510的边缘为靠近发射天线阵列一侧的边缘，即图5中示出的边缘b。当然，本领域技术人员应当理解的是，若发射天线阵列和接收天线阵列异面，则保证发射天线阵列和接收天线之间的距离能够使得发射信号和接收信号有效隔离即可。
当发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，且发射天线阵列和接收天线阵列之间的距离大于或等于第一预设阈值，能够更好的消除发射天线阵列和接收天线阵列之间的自干扰，具体来说：作为一个较为具体的实施例，假设毫米波的载频为41GHZ，发射天线阵列为4阵元天线阵列，且为均匀线性天线阵列，天线之间间距为半波长λ/2，与接收天线阵列共面，采用数字波束赋形技术在固定方向上(例如：接收天线阵列所在的方向)产生零陷的算法，使得发射天线阵列的发射信号在接收天线阵列位置的辐射功率最小化，同时，如图6A和图6B所示，当波束主瓣方向在0度至±30度方向，从图6A和6B中可以看出，在共面的±90度方向产生衰减非常大的“零点”，则可将接收天线阵列设置在图6A所示的±90度方向，另外，将发射天线阵列和接收天线阵列的距离设置为10cm，发射天线阵列发射信号的功率到接收天线阵列可衰减44.7dB，则可以进行同时同频的全双工无线通信。
作为另一较为具体的实施例，假设毫米波的载频60GHz，发射天线阵列采用4x4面阵天线阵列，采用水平极化，共面接收天线阵列可以设计在与水平极化方向垂直的方向，减少自干扰，同时采用固定方向零陷的算法，产生衰减非常大的“零点”，同时发射天线阵列和接收天线阵列之间的距离设置为8cm，可以使得发射天线阵列和接收天线阵列之间的隔离度增加到48dB。
本发明实施例提供的一种信号发射装置，如图7所示，包括：位置确定单元702，用于确定接收天线阵列的位置；处理单元704，连接至位置确定单元702，用于通过发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以所述接收天线阵列的位置为零陷位置，且所述发射天线阵列与所述接收天线阵列位于同一收发信机中。
本发明实施例提供的装置中，通过确定接收天线阵列的位置，并在发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，能够降低发射天线阵列发射信号在接收天线阵列位置处的辐射功率，从而消除发射天线阵列发射信号对同一收发信机中接收天线阵列接收信号的干扰，消除发射天线阵列与接收天线阵列之间的自干扰，而且与使用射频和数字两级干扰消除的方法消除多阵元天线阵列自干扰，复杂度过大，成本过高相比，实现简单，成本较低。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，位置确定单元702还用于：确定所述发射天线阵列和所述接收天线阵列之间的距离，其中该距离大于或等于第一预设阈值。
本发明实施例提供的装置中，发射天线阵列和接收天线阵列的距离大于或等于第一预设阈值，以对发射天线阵列和接收天线阵列进行有效的隔离，从而较大地衰减发射天线阵列的发射信号，以减小发射天线阵列的发射信号对接收天线阵列接收信号的干扰。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，所述距离为所述发射天线阵列的边缘与所述接收天线阵列边缘之间的距离，其中，所述发射天线阵列的边缘为靠近所述接收天线阵列一侧的边缘，所述接收天线阵列边缘为靠近所述发射天线阵列一侧的边缘。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，所述第一预设阈值为10λ，其中λ为所述发射信号的波长。
本发明实施例提供的信号发射装置可以作为收发信机的一部分集成在收发信机中，其中，位置确定单元702可以采用存储设备，在发射天线阵列和接收天线阵列设置完成后记录发射天线阵列和接收天线阵列的方向及位置，处理单元704可以采用CPU处理器等。
如图8所示，本发明实施例提供的另一种信号发射装置，包括：处理器81、存储器82和收发信机83，具体来说：
处理器81，用于读取存储器82中的程序，执行下列过程：
确定接收天线阵列的位置；
通过发射天线阵列采用波束赋形技术在收发信机83上发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以所述接收天线阵列的位置为零陷位置，且所述发射天线阵列与所述接收天线阵列位于同一收发信机83中。
收发信机83，用于在处理器81的控制下接收和发送数据。
其中，在图8中，总线架构可以包括任意数量的互联的总线和桥，具体由处理器81代表的一个或多个处理器和存储器82代表的存储器的各种电路链接在一起。总线架构还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口提供接口。收发信机83可以是多个元件，即包括发送机和收发机，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。处理器81负责管理总线架构和通常的处理，存储器82可以存储处理器81在执行操作时所使用的数据。
综上所述，本发明实施例提供的一种信号发射方法及装置，通过确定接收天线阵列的位置，并在发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号时以接收天线阵列的位置为零陷位置，能够降低发射天线阵列发射信号在接收天线阵列位置处的辐射功率，从而消除发射天线阵列发射信号对同一收发信机中接收天线阵列接收信号的干扰，消除发射天线阵列与接收天线阵列之间的自干扰，且实现简单，成本较低。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种信号发射方法，其特征在于，该方法包括：
确定接收天线阵列的位置；
通过发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以所述接收天线阵列的位置为零陷位置，且所述发射天线阵列与所述接收天线阵列位于同一收发信机中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
确定所述发射天线阵列和所述接收天线阵列之间的距离，其中该距离大于或等于第一预设阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述距离为所述发射天线阵列的边缘与所述接收天线阵列边缘之间的距离，其中，所述发射天线阵列的边缘为靠近所述接收天线阵列一侧的边缘，所述接收天线阵列边缘为靠近所述发射天线阵列一侧的边缘。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一预设阈值为10λ，其中λ为所述发射信号的波长。
5.一种信号发射装置，其特征在于，包括：
位置确定单元，用于确定接收天线阵列的位置；
处理单元，连接至所述位置确定单元，用于通过发射天线阵列采用波束赋形技术发射信号，其中采用波束赋形技术发射信号时以所述接收天线阵列的位置为零陷位置，且所述发射天线阵列与所述接收天线阵列位于同一收发信机中。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述位置确定单元还用于：
确定所述发射天线阵列和所述接收天线阵列之间的距离，其中该距离大于或等于第一预设阈值。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述距离为所述发射天线阵列的边缘与所述接收天线阵列边缘之间的距离，其中，所述发射天线阵列的边缘为靠近所述接收天线阵列一侧的边缘，所述接收天线阵列边缘为靠近所述发射天线阵列一侧的边缘。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一预设阈值为10λ，其中λ为所述发射信号的波长。
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