CN107222446A - 一种大规模mimo‑ofdm的峰均功率比降低系统及其方法 - Google Patents

一种大规模mimo‑ofdm的峰均功率比降低系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO‑OFDM的峰均功率比降低系统及其方法，包括信号矩阵输入端、预编码变换模块、IFFT变换模块、PAPR计算模块、寄存模块、判决模块、信号选择模块和信号矩阵输出端；信号矩阵输入端依次通过预编码变换模块、IFFT变换模块与PAPR计算模块连接；PAPR计算模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接，判决模块的输出端也与信号选择模块连接；所述信号选择模块的输出端分别于寄存模块和信号矩阵输出端连接；所述寄存模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接。本发明利用预编码技术，降低了信道引起的发射端各信号相互的干扰，确保可靠通信；同时加权系数在不造成信号畸变的情况下，有效的降低了系统的PAPR。

Description

一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统及其方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统及其方法。
背景技术
MIMO技术能够在不增加传输信道带宽的条件下成倍的提高无线信道的容量，因而被认为是现代通信技术中的重大突破之一，大规模MIMO作为传统MIMO技术的延伸,可以大幅度提升吞吐率和能量效率，并被认为是5G的关键技术之一。
OFDM技术作为一种多载波数字调制技术，采用频分复用的方法有效的利用了频谱，同时将OFDM技术将信道分成若干正交子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰。因此，OFDM技术也因其高频谱效率和抗码间串扰特性而被广泛应用于无线通信中。
基于OFDM技术的大规模MIMO系统(MIMO-OFDM)是5G的一项重要技术，它一方面利用MIMO提高频谱效率，另一方面又利用OFDM均衡技术克服了频率选择性衰落。然而，要把OFDM技术和MIMO多天线技术高效地结合尚需要解决一些问题，其中在信号处理方面要解决问题包括：发端信号如何合理预处理、收端信号如何检测、OFDM子载波分配等问题，这些都是预编码技术研究内容，因此说基于MIMO-OFDM系统的预编码也是新一代无线通信中的非常重要技术。对于常规MIMO系统，可以使用非线性和线性预编码技术，但对于大规模MIMO-OFDM系统，在大规模MIMO系统中，线性预编码技术不仅复杂度更低且性能更优。同时，规模MIMO-OFDM系统还面临着一个问题，即OFDM多载波引起的高峰均功率比PAPR。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统及其方法，利用预编码技术，降低了信道引起的发射端各信号相互的干扰，确保可靠通信；同时加权系数在不造成信号畸变的情况下，有效的降低了系统的PAPR。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统，包括信号矩阵输入端、预编码变换模块、IFFT变换模块、PAPR计算模块、寄存模块、判决模块、信号选择模块和信号矩阵输出端；信号矩阵输入端依次通过预编码变换模块、IFFT变换模块与PAPR计算模块连接；PAPR计算模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接，判决模块的输出端也与信号选择模块连接；所述信号选择模块的输出端分别于寄存模块和信号矩阵输出端连接；所述寄存模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接；
所述预编码变换模块，用于采用匹配滤波方式获取初始的预编码矩阵，对初始的预编码矩阵进行分组，并利用不同的系数集合对分组后的预编码矩阵进行加权，实现输入信号矩阵的预编码变换；具体地，所述预编码变换模块包括预编码子模块、分组子模块和系数集合子模块；所述信号矩阵输入端通过预编码子模块与IFFT变换模块连接；预编码子模块还分别与分组子模块和系数集合子模块连接；预编码子模块，用于采用匹配滤波方式获取初始的预编码矩阵，并在分组子模块和系数集合子模块对初始预编码矩阵进行处理，得到新的预编码矩阵后，利用新的预编码矩阵对输入的信号矩阵进行预编码变换；分组模块，用于对初始预编码矩阵对应的各个载波进行分组；系数集合子模块，用于依次选择各个系数集合，对分组后的初始预编码矩阵进行加权，得到新的预编码矩阵。
所述IFFT变换模块，用于对预编码转换得到的矩阵进行快速傅里叶逆变换；
所述PAPR计算模块，用于根据快速傅里叶逆变换得到的信号矩阵计算对应的峰均功率比PAPR；
所述寄存模块，用于保存初始的信号矩阵，并在接收到信号选择模块传输的新信号矩阵时，用接收到的新信号矩阵替换初始的信号矩阵，实现信号矩阵的更新；
所述判决模块，用于将寄存模块中当前保存的信号矩阵的PAPR与PAPR计算模块得到的PAPR进行比较；
所述信号选择模块，用于根据判决模块的比较结果，实现寄存模块中存储的信号矩阵更新；并实现最终的信号矩阵输出。具体地，所述的信号选择模块包括：选择子模块，用于在寄存模块中信号矩阵的PAPR不大于PAPR时，保持寄存模块存储的信号矩阵不变；在寄存模块中信号矩阵的PAPR大于PAPR时，将预编码变换模块得到的信号矩阵传输给寄存模块，实现寄存模块存储的信号矩阵更新；输出子模块，用于在所有的系数集合选择完毕后，信号选择模块输出最终的信号矩阵到信号矩阵输出端。
所述的一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统的降低方法，包括以下步骤：
S1.预编码变换模块根据矩阵输入端输入信号矩阵X，采用匹配滤波方式获取预编码矩阵，以降低各信号之间的相互干扰：
设MIMO-OFDM系统中信号的第k个载波X(k)对应的信道矩阵为w(k)，则对应的预编码矩阵为其共轭转置：
H(k)＝wH(k)，
其中，MIMO-OFDM系统中信号的第k个载波X(k)即信号矩阵X的第k列，k＝1，2，…，N；N表示信号矩阵X的总列数；
S2.预编码变换模块将信号矩阵X中各列对应的H(k)平均分为K组，每组包含个预编码矩阵H(k)；
S3.随机给出imax组不同的系数集合系数集合中每个系数为随机产生或任意选取的相位因子；预编码变换模块选定一个系数集合利用该系数集合中的各个系数对H(k)进行加权变换，相位因子不会导致信号发生畸变，得到新的预编码矩阵为Hi(k)：
其中，i表示预编码变换模块第i次选择的系数集合；
S4.利用预编码矩阵Hi(k)对输入的信号矩阵X的每一列进行预编码，得到矩阵Xi：
Xi(k)＝Hi(k)X(k)；
其中，Xi(k)表示矩阵Xi的第k列信号；
S5.IFFT变换模块对Xi每一行进行快速傅里叶逆变换得到矩阵xi：
xi＝(IFFT(Xi 1),IFFT(Xi 2),...IFFT(Xi M))T；
其中，M为信号矩阵Xi的行数，其对应于输入信号矩阵X相应的输入天线的数目；
S6.PAPR计算模块计算矩阵xi的PAPR：
对于xi的每一行分别求其对应的PAPRxi t，PAPRxi t表示矩阵xi中第t行对应的PAPR，其中1≤t≤M；
取各行中最大的PAPR作为矩阵xi的PAPR，即：
矩阵xi的PAPR即矩阵Xi对应的PAPR，也称之为MIMO-OFDM系统的PAPR；
S7.判决模块比较寄存模块中存储的信号矩阵对应的PAPR和矩阵Xi对应的PAPR；
设寄存模块中存储的信号矩阵为X'，X'对应的PAPR为PAPRx'，在比较判决过程中：
若则信号矩阵X'保持不变；
若则更新信号矩阵X'＝Xi；信号选择模型将新的信号矩阵X'反馈保存在寄存模块中；
S8.返回步骤S3，选择另一个系数集合，重复S3～S8步骤，直至所有的系数集合选择完毕后，信号选择模块输出最终的信号矩阵X'到信号矩阵输出端。
具体地，所述步骤S8包括以下子步骤：更新i的值，令i＝i+1；判断更新后的i是否大于系数集合的数目imax；若i＞imax,信号选择模块输出信号矩阵X'到信号矩阵输出端；若i≤imax,返回步骤S3，选择另一个系数集合，重复S3～S8步骤。
所述寄存模块中存储的信号矩阵X'所对应的PAPRx'，在进行寄存模块中信号矩阵X'初始设置时同步保存，并在进行信号矩阵X'更新时同步更新。
本发明的有益效果是：利用预编码技术，降低了信道引起的发射端各信号相互的干扰，确保可靠通信；同时加权系数在不造成信号畸变的情况下，有效的降低了系统的PAPR。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为本发明实施例中信号PAPR的CCDF曲线仿真图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统，包括信号矩阵输入端、预编码变换模块、IFFT变换模块、PAPR(峰均功率比)计算模块、寄存模块、判决模块、信号选择模块和信号矩阵输出端；信号矩阵输入端依次通过预编码变换模块、IFFT变换模块与PAPR计算模块连接；PAPR计算模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接，判决模块的输出端也与信号选择模块连接；所述信号选择模块的输出端分别于寄存模块和信号矩阵输出端连接；所述寄存模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接；
所述预编码变换模块，用于采用匹配滤波方式获取初始的预编码矩阵，对初始的预编码矩阵进行分组，并利用不同的系数集合对分组后的预编码矩阵进行加权，实现输入信号矩阵的预编码变换；具体地，所述预编码变换模块包括预编码子模块、分组子模块和系数集合子模块；所述信号矩阵输入端通过预编码子模块与IFFT变换模块连接；预编码子模块还分别与分组子模块和系数集合子模块连接；预编码子模块，用于采用匹配滤波方式获取初始的预编码矩阵，并在分组子模块和系数集合子模块对初始预编码矩阵进行处理，得到新的预编码矩阵后，利用新的预编码矩阵对输入的信号矩阵进行预编码变换；分组模块，用于对初始预编码矩阵对应的各个载波进行分组；系数集合子模块，用于依次选择各个系数集合，对分组后的初始预编码矩阵进行加权，得到新的预编码矩阵。
所述IFFT变换模块，用于对预编码转换得到的矩阵进行快速傅里叶逆变换；
所述PAPR计算模块，用于根据快速傅里叶逆变换得到的信号矩阵计算对应的峰均功率比PAPR；
所述寄存模块，用于保存初始的信号矩阵，并在接收到信号选择模块传输的新信号矩阵时，用接收到的新信号矩阵替换初始的信号矩阵，实现信号矩阵的更新；
所述判决模块，用于将寄存模块中当前保存的信号矩阵的PAPR与PAPR计算模块得到的PAPR进行比较；
所述信号选择模块，用于根据判决模块的比较结果，实现寄存模块中存储的信号矩阵更新；并实现最终的信号矩阵输出。具体地，所述的信号选择模块包括：选择子模块，用于在寄存模块中信号矩阵的PAPR不大于PAPR时，保持寄存模块存储的信号矩阵不变；在寄存模块中信号矩阵的PAPR大于PAPR时，将预编码变换模块得到的信号矩阵传输给寄存模块，实现寄存模块存储的信号矩阵更新；输出子模块，用于在所有的系数集合选择完毕后，信号选择模块输出最终的信号矩阵到信号矩阵输出端。
如图2所示，所述的一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统的降低方法，包括以下步骤：
S1.预编码变换模块根据矩阵输入端输入信号矩阵X，采用匹配滤波方式获取预编码矩阵，以降低各信号之间的相互干扰：
设MIMO-OFDM系统中信号的第k个载波X(k)对应的信道矩阵为w(k)，则对应的预编码矩阵为其共轭转置：
H(k)＝wH(k)，
其中，MIMO-OFDM系统中信号的第k个载波X(k)即信号矩阵X的第k列，k＝1，2，…，N；N表示信号矩阵X的总列数；
S2.预编码变换模块将信号矩阵X中各列对应的H(k)平均分为K组，每组包含个预编码矩阵H(k)；
S3.随机给出imax组不同的系数集合系数集合中每个系数为随机产生或任意选取的相位因子；预编码变换模块选定一个系数集合利用该系数集合中的各个系数对H(k)进行加权变换，相位因子不会导致信号发生畸变，得到新的预编码矩阵为Hi(k)：
其中，i表示预编码变换模块第i次选择的系数集合；
S4.利用预编码矩阵Hi(k)对输入的信号矩阵X的每一列进行预编码，得到矩阵Xi：
Xi(k)＝Hi(k)X(k)；
其中，Xi(k)表示矩阵Xi的第k列信号；
S5.IFFT变换模块对Xi每一行进行快速傅里叶逆变换得到矩阵xi：
xi＝(IFFT(Xi 1),IFFT(Xi 2),...IFFT(Xi M))T；
其中，M为信号矩阵Xi的行数，其对应于输入信号矩阵X相应的输入天线的数目；
S6.PAPR计算模块计算矩阵xi的PAPR：
对于xi的每一行分别求其对应的PAPRxi t，PAPRxi t表示矩阵xi中第t行对应的PAPR，其中1≤t≤M；
取各行中最大的PAPR作为矩阵xi的PAPR，即：
矩阵xi的PAPR即矩阵Xi对应的PAPR，也称之为MIMO-OFDM系统的PAPR；
S7.判决模块比较寄存模块中存储的信号矩阵对应的PAPR和矩阵Xi对应的PAPR；
设寄存模块中存储的信号矩阵为X'，X'对应的PAPR为PAPRx'，在比较判决过程中：
若则信号矩阵X'保持不变；
若则更新信号矩阵X'＝Xi；信号选择模型将新的信号矩阵X'反馈保存在寄存模块中；
S8.返回步骤S3，选择另一个系数集合，重复S3～S8步骤，直至所有的系数集合选择完毕后，信号选择模块输出最终的信号矩阵X'到信号矩阵输出端。
其中，所述步骤S8包括以下子步骤：更新i的值，令i＝i+1；判断更新后的i是否大于系数集合的数目imax；若i＞imax,信号选择模块输出信号矩阵X'到信号矩阵输出端；若i≤imax,返回步骤S3，选择另一个系数集合，重复S3～S8步骤。
所述寄存模块中存储的信号矩阵X'所对应的PAPRx'，在进行寄存模块中信号矩阵X'初始设置时同步保存，并在进行信号矩阵X'更新时同步更新。并且，在具体实施过程中，寄存模块中信号矩阵X'初始化设定较大的PAPR，比如60dB。
在本申请的实施例中，对本发明进行仿真测试，仿真中的基本设置如下：
表一：
设置项目 设置值
发射天线数目 20
接收天线数目 2
调制方式 QPSK
子载波数目 64
过采样率 4
帧数目 30000
表二：
表二中预编码采用了匹配滤波，矩阵选取为每个载波对应信道w(k)的共轭转置，即H(k)＝wH(k)。由于分组数为4，即加权系数±1共有16种组合，但只有8组系数集合使得PAPR有所不同，分别是[1,1,1,1]，[-1,1,1,1]，[1,-1,1,1]，[1,1,-1,1]，[1,1,1,-1]，[-1,-1,1,1]，[-1,1,-1,1]，[1,-1,-1,1]，其余8组分别对应以上系数组合的反相，故有相同的PAPR特性。
图3为该实施例中信号PAPR的CCDF曲线仿真图，从图3中可以看到，在系数±1加权以后，系统的PAPR控制在10dB以内，比用原始的预编码矩阵编码的信号要好2dB，本发明可以明显地降低大规模MIMO-OFDM系统的PAPR。

Claims (6)

1.一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统，其特征在于：包括信号矩阵输入端、预编码变换模块、IFFT变换模块、PAPR计算模块、寄存模块、判决模块、信号选择模块和信号矩阵输出端；信号矩阵输入端依次通过预编码变换模块、IFFT变换模块与PAPR计算模块连接；PAPR计算模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接，判决模块的输出端也与信号选择模块连接；所述信号选择模块的输出端分别于寄存模块和信号矩阵输出端连接；所述寄存模块的输出端分别于判决模块和信号选择模块连接；
所述预编码变换模块，用于采用匹配滤波方式获取初始的预编码矩阵，对初始的预编码矩阵进行分组，并利用不同的系数集合对分组后的预编码矩阵进行加权，实现输入信号矩阵的预编码变换；
所述IFFT变换模块，用于对预编码转换得到的矩阵进行快速傅里叶逆变换；
所述PAPR计算模块，用于根据快速傅里叶逆变换得到的信号矩阵计算对应的峰均功率比PAPR；
所述寄存模块，用于保存初始的信号矩阵，并在接收到信号选择模块传输的新信号矩阵时，用接收到的新信号矩阵替换初始的信号矩阵，实现信号矩阵的更新；
所述判决模块，用于将寄存模块中当前保存的信号矩阵的PAPR与PAPR计算模块得到的PAPR进行比较；
所述信号选择模块，用于根据判决模块的比较结果，实现寄存模块中存储的信号矩阵更新；并实现最终的信号矩阵输出。
2.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统，其特征在于：所述预编码变换模块包括预编码子模块、分组子模块和系数集合子模块；所述信号矩阵输入端通过预编码子模块与IFFT变换模块连接；所述预编码子模块还分别与分组子模块和系数集合子模块连接；
所述预编码子模块，用于采用匹配滤波方式获取初始的预编码矩阵，并在分组子模块和系数集合子模块对初始预编码矩阵进行处理，得到新的预编码矩阵后，利用新的预编码矩阵对输入的信号矩阵进行预编码变换；
所述分组模块，用于对初始预编码矩阵对应的各个载波进行分组；
所述系数集合子模块，用于依次选择各个系数集合，对分组后的初始预编码矩阵进行加权，得到新的预编码矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统，其特征在于：所述的信号选择模块包括：
选择子模块，用于在寄存模块中信号矩阵的PAPR不大于PAPR时，保持寄存模块存储的信号矩阵不变；在寄存模块中信号矩阵的PAPR大于PAPR时，将预编码变换模块得到的信号矩阵传输给寄存模块，实现寄存模块存储的信号矩阵更新；
输出子模块，用于在所有的系数集合选择完毕后，信号选择模块输出最终的信号矩阵到信号矩阵输出端。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统的降低方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.预编码变换模块根据矩阵输入端输入信号矩阵X，采用匹配滤波方式获取预编码矩阵，以降低各信号之间的相互干扰：
设MIMO-OFDM系统中信号的第k个载波X(k)对应的信道矩阵为w(k)，则对应的预编码矩阵为其共轭转置：
H(k)＝wH(k)，
其中，MIMO-OFDM系统中信号的第k个载波X(k)即信号矩阵X的第k列，k＝1，2，…，N；N表示信号矩阵X的总列数；
S2.预编码变换模块将信号矩阵X中各列对应的H(k)平均分为K组，每组包含个预编码矩阵H(k)；
S3.随机给出imax组不同的系数集合系数集合中每个系数为随机产生或任意选取的相位因子；预编码变换模块选定一个系数集合利用该系数集合中的各个系数对H(k)进行加权变换，相位因子不会导致信号发生畸变，得到新的预编码矩阵为Hi(k)：
<mrow> <msup> <mi>H</mi> <mi>i</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>a</mi> <mi>n</mi> </msub> <mi>H</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mi>n</mi> <mfrac> <mi>N</mi> <mi>K</mi> </mfrac> <mo>,</mo> <mi>n</mi> <mfrac> <mi>N</mi> <mi>K</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mo>.</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mi>N</mi> <mi>K</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>
其中，i表示预编码变换模块第i次选择的系数集合；
S4.利用预编码矩阵Hi(k)对输入的信号矩阵X的每一列进行预编码，得到矩阵Xi：
Xi(k)＝Hi(k)X(k)；
其中，Xi(k)表示矩阵Xi的第k列信号；
S5.IFFT变换模块对Xi每一行进行快速傅里叶逆变换得到矩阵xi：
<mrow> <msup> <mi>x</mi> <mn>1</mn> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <msup> <mi>X</mi> <mi>i</mi> </msup> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>,</mo> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <msup> <mi>X</mi> <mi>i</mi> </msup> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <msup> <mi>X</mi> <mi>i</mi> </msup> <mi>M</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> <mo>;</mo> </mrow>
其中，M为信号矩阵Xi的行数，其对应于输入信号矩阵X相应的输入天线的数目；
S6.PAPR计算模块计算矩阵xi的PAPR：
对于xi的每一行分别求其对应的PAPRxi t，PAPRxi t表示矩阵xi中第t行对应的PAPR，其中1≤t≤M；
取各行中最大的PAPR作为矩阵xi的PAPR，即：
矩阵xi的PAPR即矩阵Xi对应的PAPR，也称之为MIMO-OFDM系统的PAPR；
S7.判决模块比较寄存模块中存储的信号矩阵对应的PAPR和矩阵Xi对应的PAPR；
设寄存模块中存储的信号矩阵为X'，X'对应的PAPR为PAPRx'，在比较判决过程中：
若则信号矩阵X'保持不变；
若则更新信号矩阵X'＝Xi；信号选择模型将新的信号矩阵X'反馈保存在寄存模块中；
S8.返回步骤S3，选择另一个系数集合，重复S3～S8步骤，直至所有的系数集合选择完毕后，信号选择模块输出最终的信号矩阵X'到信号矩阵输出端。
5.根据权利要求4所述的一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统的降低方法，其特征在于：所述寄存模块中存储的信号矩阵X'所对应的PAPRx'，在进行寄存模块中信号矩阵X'初始设置时同步保存，并在进行信号矩阵X'更新时同步更新。
6.根据权利要求4所述的一种大规模MIMO-OFDM的峰均功率比降低系统的降低方法，其特征在于：所述步骤S8包括以下子步骤：
更新i的值，令i＝i+1；
判断更新后的i是否大于系数集合的数目imax；
若i＞imax,信号选择模块输出信号矩阵X'到信号矩阵输出端；
若i≤imax,返回步骤S3，选择另一个系数集合，重复S3～S8步骤。
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