CN109982439A - 基于蜂窝网络的d2d通信系统的信道资源分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,该信道资源分配方法包括:基站接收D2D通信系统中的所有D2D通信对的发送端所发起的D2D通信请求;基站向D2D通信对的接收端发送业务通知信号;基站接收D2D通信对的接收端所返回的应答信号;基站通知D2D通信对的发送端向接收端发送探测信号;基站接收所有D2D通信对的接收端所测量的D2D通信对对每个蜂窝用户的干扰值、D2D通信对的链路增益以及D2D通信对所接收到的链路噪声信息;基站根据所有D2D通信对对每个蜂窝用户的干扰值、D2D通信对的链路增益以及D2D通信对所接收到的链路噪声信息,以吞吐量最大化的算法对信道资源进行分配,该信道资源分配方法能够实现最大化吞吐量和最大化接入。
Description
技术领域
本发明是关于D2D通信技术领域,特别是关于一种基于蜂窝网络的D2D 通信系统的信道资源分配方法。
背景技术
D2D(Device to Device,终端直通)技术是指借助Wi-Fi、Bluetooth、 LTE-D2D等技术实现终端设备之间的直接通信。D2D技术主要目的是降低基 站的转发压力,并提高点到点间的传输速度,因此,如何优化系统吞吐量问 题是D2D通信技术中一个十分重要的问题。吞吐量优化问题涉及到D2D的一 些特性,例如D2D系统通常是复用蜂窝信道完成传输,这就意味着D2D不能 影响蜂窝用户的正常通信,必须要在一定的干扰限制下进行工作。在考虑系 统吞吐量最大化的同时,还要考虑系统干扰的实际情况,使得系统既要完成 最大化接入和最大化吞吐量目标,又要实现干扰控制。
D2D可以适用于室内的本地通信,比如家庭物联网,大型活动区,多用 户可以通过D2D直接传输数据,不需要通过固定网络接入核心网,随着D2D 的深入研究,其通信形式也开始多种多样,而D2D通信下的区域分发通信系 统就是重点研究对象。
图1是D2D通信对在某一个区域中分配的链路,其中DT是D2D通信信 道上的发送端,与接收端DR1~DRN组成了N个D2D通信对,DT绕过eNB (基站),直接向DR1~DRN发送数据。C1~CM是蜂窝用户,蜂窝用户与基 站之间的链路为蜂窝通信链路。
现有技术中,在D2D通信下的区域分发通信系统中实现系统吞吐量优化 的方法主要包括多播机会调度的方案,该方案是由Gopala、Gamal提出,可 以有效地提高网络的吞吐率,为了确保可以以户用接受成功时候的速度来设 定基站的发射速率,只有信道质量尚佳的户用群体(约50%)的用户可以被 基站所认可,同时基站会中断另外1/2的用户信号。在该方案下,多播和单播 的方案都无法达到相同的吞吐率,因此并无法确认这是否是最合理的分配。
另一种在D2D通信下的区域分发通信系统中实现系统吞吐量优化的方法 是基于喷泉码的机会多播调度算法,该方案中,最佳选择方式取决于平均信 噪比(SNR)。数据会由喷泉码对其信道进行打包编码,并不需要确保数据包 会以一定的顺序被接受。文中利用此特性来研究其它的调度技术,其准则是 吞吐率/户用。其思想为信道速率作为选取用户的先验计算值(时隙的最大吞 吐率),这是因为某一时隙的户用数会影响其他的时隙,其对网络吞吐率的影 响是不确定的。
因此,上述两种方案均无法保证最佳的资源分配,即无法保证最大化接 入和最大化吞吐量以及更少的干扰。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解, 而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员 所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分 配方法,其能够实现最大化吞吐量。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于蜂窝网络的D2D通信系统的信 道资源分配方法,所述基于蜂窝网络的D2D通信系统包括蜂窝用户和D2D通 信对,所述信道包括专用信道和蜂窝信道,所述专用信道用于分配给所述D2D 通信对专用,所述蜂窝信道能够被所述蜂窝用户和所述D2D通信对所复用, 该信道资源分配方法包括:基站接收所述D2D通信系统中的所有D2D通信对 的发送端所发起的D2D通信请求;所述基站向所述D2D通信对的接收端发送 业务通知信号;所述基站接收所述D2D通信对的接收端在接收到所述业务通 知信号后所向基站返回的应答信号;所述基站通知所述D2D通信对的发送端 向所述D2D通信对的接收端发送探测信号;所述基站接收所述所有D2D通信 对的接收端在收到所述探测信号后所测量的所述D2D通信对对每个所述蜂窝 用户的干扰值、D2D通信对的链路增益以及所述D2D通信对所接收到的链路 噪声信息;所述基站根据所述所有D2D通信对对每个所述蜂窝用户的干扰值、 D2D通信对的链路增益以及所述D2D通信对所接收到的链路噪声信息,以吞 吐量最大化的算法对信道资源进行分配。
在一优选的实施方式中,所述吞吐量最大化的算法为其中,k代表第k对D2D通信对,Ka代表能够分 配到信道资源的D2D通信对的总数,N代表所述信道的总数,m代表第m个 蜂窝信道,λ代表信道预分配变量,它的取值为0或1,Ck,m=Blog2(1+SINRk,m), 其中,B代表第m个蜂窝信道的带宽,SINRk,m代表所述D2D通信对的接收端 的信干燥比。
在一优选的实施方式中,所述D2D通信对的接收端的信干燥比SINRk,m的算法为其中,Pk,m代表第k对D2D通信对在使用第 m个蜂窝信道时的发送端的发射功率,T0代表D2D通信对能够通信的最小信 干噪比,Z代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的接收端所接收 到的噪声,Am,k代表第m个蜂窝信道对第K个D2D通信链路产生的干扰值。
在一优选的实施方式中,所述基站对Ka的求解包括:所述基站计算所述 D2D通信对在使用每个蜂窝信道时对所述基站的最小干扰值;所述基站将该 最小干扰值与基站接收信息的干扰门限进行比较,若该最小干扰值不超过门 限,则将该D2D通信对接入该蜂窝信道的接入准入参数置为1,否则将该D2D 通信对接入该蜂窝信道的接入准入参数置为0;所述基站统计所有所述接入准 入参数均为0的D2D通信对的个数Kr,其中,该Kr个D2D通信对均不能够 使用任何一个蜂窝信道;所述基站计算能够分配到信道资源的D2D通信对的 总数Ka,当Kr>N-M时,Ka=K;当Kr≤N-M时,Ka=K-[Kr-(N- M)],其中,M代表所述蜂窝信道的总数。
在一优选的实施方式中,所述最小干扰值的算法为:Ik,m=Pk,mHk,且其中,Ik,m代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道 时对所述基站的最小干扰值,Pk,m代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝 信道时的发送端的发射功率,Hk代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝 信道时的发送端和所述基站之间的信道增益,T0代表D2D通信对能够通信的 最小信干噪比,Z代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的接收端 所接收到的噪声,Am,k代表第m个蜂窝信道对第K个D2D通信链路产生的干 扰值。
在一优选的实施方式中,所述信道预分配变量λ的确定采用匈牙利算法。
在一优选的实施方式中,所述基站以吞吐量最大化的目标对信道资源进 行分配包括:当λk,mθk,m=1且1≤m≤M时,则第k个D2D通信对将被分配与第 m个蜂窝信道复用,其中,θk,m代表第k个D2D通信对接入第m个蜂窝信道 的接入准入参数;当λk,mθk,m=1且M+1≤m≤N时,则第k个D2D通信对将被分 配所述专用信道;将无法复用所述蜂窝信道的D2D通信对进行吞吐量排序, 按降序分配所述专用信道。
在一优选的实施方式中,所述基站以吞吐量最大化的目标对信道资源进 行分配包括:获取最大吞吐量的D2D通信对和复用的蜂窝信道的组合,检查 其干扰值,如果Ik,m≤I0,则将第k对D2D通信对分配复用第m个蜂窝信道, 之后重复以上步骤,直到min(Ik,m)>I0,剩余D2D通信对无法再复用任何一个 所述蜂窝信道,则停止分配所述蜂窝信道,将没被分配所述蜂窝信道的D2D 通信对做吞吐量排序,按照降序分配所述专用信道。
与现有技术相比,根据本发明的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资 源分配方法,基站根据所有D2D通信对对蜂窝用户的干扰值、D2D通信对的 链路增益以及D2D通信对所接收到的链路噪声信息,以吞吐量最大化的目标 对信道资源进行分配,由于最大化吞吐量,也实现了最大化接入的目标。实 现最大化吞吐量的算法中,一实施方式采用了匈牙利算法:当λk,mθk,m=1且 1≤m≤M时,则第k个D2D通信对将被分配与第m个蜂窝信道复用,其中,θk,m代表第k个D2D通信对接入第m个蜂窝信道的接入准入参数;当λk,mθk,m=1且 M+1≤m≤N时,则第k个D2D通信对将被分配所述专用信道;将无法复用所 述蜂窝信道的D2D通信对进行吞吐量排序,按降序分配所述专用信道,实现 了最大化吞吐量和最大化接入。一实施方式采用了启发式算法:获取最大吞 吐量的D2D通信对和复用的蜂窝信道的组合,检查其干扰值,如果Ik,m≤I0, 则将第k对D2D通信对分配复用第m个蜂窝信道,之后重复以上步骤,直到 min(Ik,m)>I0,剩余D2D通信对无法再复用任何一个所述蜂窝信道,则停止分 配所述蜂窝信道,将没被分配所述蜂窝信道的D2D通信对做吞吐量排序,按 照降序分配所述专用信道,该启发式算法可以实现最大化吞吐量和最大化接 入以及更少的干扰。
附图说明
图1是根据现有技术的D2D通信对在某一个区域中分配的链路示意图;
图2是根据本发明一实施方式的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资 源分配方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本 发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分,而并未排除其它元件或其它组成部分。
本发明提供了一种基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法, 基于蜂窝网络的D2D通信系统包括蜂窝用户和D2D通信对,信道包括专用信 道和蜂窝信道,专用信道用于分配给D2D通信对专用,蜂窝信道能够被蜂窝 用户和D2D通信对所复用,如图2所示,在一实施方式中,该信道资源分配 方法包括步骤S1~步骤S6。
在步骤S1中,基站接收D2D通信系统中的所有D2D通信对的发送端所 发起的D2D通信请求。
在步骤S2中,基站向D2D通信对的接收端发送业务通知信号。
在步骤S3中,基站接收D2D通信对的接收端在接收到业务通知信号后 所向基站返回的应答信号。
在步骤S4中,基站通知D2D通信对的发送端向D2D通信对的接收端发 送探测信号。
在步骤S5中,基站接收所有D2D通信对的接收端在收到探测信号后所 测量的D2D通信对对每个蜂窝用户的干扰值、D2D通信对的链路增益以及 D2D通信对所接收到的链路噪声信息。
在步骤S6中,基站根据所有D2D通信对对每个蜂窝用户的干扰值、D2D 通信对的链路增益以及D2D通信对所接收到的链路噪声信息,以吞吐量最大 化的算法对信道资源进行分配。
具体地,吞吐量最大化的算法为其中,k代表 第k对D2D通信对,Ka代表能够分配到信道资源的D2D通信对的总数,N 代表信道的总数,m代表第m个蜂窝信道,λ代表信道预分配变量,它的取 值为0或1,Ck,m=Blog2(1+SINRk,m),其中,B代表第m个蜂窝信道的带宽,SINRk,m代表D2D通信对的接收端的信干燥比。
具体地,D2D通信对的接收端的信干燥比SINRk,m的算法为其中,Pk,m代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂 窝信道时的发送端的发射功率,T0代表D2D通信对能够通信的最小信干噪比, Z代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的接收端所接收到的噪声, Am,k代表第m个蜂窝信道对第K个D2D通信链路产生的干扰值。在一实施方 式中,基站对Ka的求解包括:基站计算D2D通信对在使用每个蜂窝信道时 对基站的最小干扰值;基站将该最小干扰值与基站接收信息的干扰门限进行 比较,若该最小干扰值不超过门限,则将该D2D通信对接入该蜂窝信道的接 入准入参数置为1,否则将该D2D通信对接入该蜂窝信道的接入准入参数置 为0;基站统计所有接入准入参数均为0的D2D通信对的个数Kr,其中,该 Kr个D2D通信对均不能够使用任何一个蜂窝信道;基站计算能够分配到信道 资源的D2D通信对的总数Ka,当Kr>N-M时,Ka=K;当Kr≤N- M时,Ka=K-[Kr-(N-M)],其中,M代表蜂窝信道的总数。其中,最小 干扰值的算法为:Ik,m=Pk,mHk,且其中,Ik,m代表第k 对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时对基站的最小干扰值,Pk,m代表第k 对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的发送端的发射功率,Hk代表第k 对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的发送端和基站之间的信道增益,T0代表D2D通信对能够通信的最小信干噪比,Z代表第k对D2D通信对在使用 第m个蜂窝信道时的接收端所接收到的噪声,Am,k代表第m个蜂窝信道对第 K个D2D通信链路产生的干扰值。
在一实施方式中,信道预分配变量λ的确定采用匈牙利算法。在匈牙利算 法中,基站以吞吐量最大化的目标对信道资源进行分配包括:当λk,mθk,m=1且 1≤m≤M时,则第k个D2D通信对将被分配与第m个蜂窝信道复用,其中, θk,m代表第k个D2D通信对接入第m个蜂窝信道的接入准入参数;当 λk,mθk,m=1且M+1≤m≤N时,则第k个D2D通信对将被分配专用信道;将无法 复用蜂窝信道的D2D通信对进行吞吐量排序,按降序分配专用信道。该算法 实现了最大化吞吐量和最大化接入的目标。
在另一实施方式中,基站以吞吐量最大化的目标对信道资源进行分配采 用启发式算法,该启发式算法比匈牙利算法能够获得更好的通信系统性能, 其能够有效降低系统给基站的总干扰,同时保留了最大化吞吐量和最大化接 入的优点。具体算法如下:搜索K×N吞吐量矩阵,获取最大吞吐量的D2D 通信对和复用的蜂窝信道的组合,检查其干扰值,如果Ik,m≤I0,则将第k对 D2D通信对分配复用第m个蜂窝信道,之后重复以上步骤,直到干扰矩阵中 mm(Ik,m)>I0,剩余D2D通信对无法再复用任何一个蜂窝信道,则停止分配蜂 窝信道,将没被分配蜂窝信道的D2D通信对做吞吐量排序,按照降序分配专 用信道。
综上,根据本实施方式的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配 方法,基站根据所有D2D通信对对蜂窝用户的干扰值、D2D通信对的链路增 益以及D2D通信对所接收到的链路噪声信息,以吞吐量最大化的目标对信道 资源进行分配,由于最大化吞吐量,也实现了最大化接入的目标。实现最大 化吞吐量的算法中,一实施方式采用了匈牙利算法:当λk,mθk,m=1且1≤m≤M时, 则第k个D2D通信对将被分配与第m个蜂窝信道复用,其中,θk,m代表第k 个D2D通信对接入第m个蜂窝信道的接入准入参数;当λk,mθk,m=1且 M+1≤m≤N时,则第k个D2D通信对将被分配所述专用信道;将无法复用所 述蜂窝信道的D2D通信对进行吞吐量排序,按降序分配所述专用信道,实现 了最大化吞吐量和最大化接入。一实施方式采用了启发式算法:获取最大吞 吐量的D2D通信对和复用的蜂窝信道的组合,检查其干扰值,如果Ik,m≤I0, 则将第k对D2D通信对分配复用第m个蜂窝信道,之后重复以上步骤,直到min(Ik,m)>I0,剩余D2D通信对无法再复用任何一个所述蜂窝信道,则停止分 配所述蜂窝信道,将没被分配所述蜂窝信道的D2D通信对做吞吐量排序,按 照降序分配所述专用信道,该启发式算法可以实现最大化吞吐量和最大化接 入以及更少的干扰。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或 计算机程序产品。因此,本申请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,本申请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、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。 这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述 教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在 于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实 现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (8)
1.一种基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,所述基于蜂窝网络的D2D通信系统包括蜂窝用户和D2D通信对,所述信道包括专用信道和蜂窝信道,所述专用信道用于分配给所述D2D通信对专用,所述蜂窝信道能够被所述蜂窝用户和所述D2D通信对所复用,其特征在于,该信道资源分配方法包括:
基站接收所述D2D通信系统中的所有D2D通信对的发送端所发起的D2D通信请求;
所述基站向所述D2D通信对的接收端发送业务通知信号;
所述基站接收所述D2D通信对的接收端在接收到所述业务通知信号后所向基站返回的应答信号;
所述基站通知所述D2D通信对的发送端向所述D2D通信对的接收端发送探测信号;
所述基站接收所述所有D2D通信对的接收端在收到所述探测信号后所测量的所述D2D通信对对每个所述蜂窝用户的干扰值、D2D通信对的链路增益以及所述D2D通信对所接收到的链路噪声信息;以及
所述基站根据所述所有D2D通信对对每个所述蜂窝用户的干扰值、D2D通信对的链路增益以及所述D2D通信对所接收到的链路噪声信息,以吞吐量最大化的算法对信道资源进行分配。
2.如权利要求1所述的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,其特征在于,所述吞吐量最大化的算法为其中,k代表第k对D2D通信对,Ka代表能够分配到信道资源的D2D通信对的总数,N代表所述信道的总数,m代表第m个蜂窝信道,λ代表信道预分配变量,它的取值为0或1,Ck,m=Blog2(1+SINRk,m),其中,B代表第m个蜂窝信道的带宽,SINRk,m代表所述D2D通信对的接收端的信干燥比。
3.如权利要求2所述的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,其特征在于,所述D2D通信对的接收端的信干燥比SINRk,m的算法为其中,Pk,m代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的发送端的发射功率,T0代表D2D通信对能够通信的最小信干噪比,Z代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的接收端所接收到的噪声,Am,k代表第m个蜂窝信道对第K个D2D通信链路产生的干扰值。
4.如权利要求2所述的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,其特征在于,所述基站对Ka的求解包括:
所述基站计算所述D2D通信对在使用每个蜂窝信道时对所述基站的最小干扰值;
所述基站将该最小干扰值与基站接收信息的干扰门限进行比较,若该最小干扰值不超过门限,则将该D2D通信对接入该蜂窝信道的接入准入参数置为1,否则将该D2D通信对接入该蜂窝信道的接入准入参数置为0;
所述基站统计所有所述接入准入参数均为0的D2D通信对的个数Kr,其中,该Kr个D2D通信对均不能够使用任何一个蜂窝信道;以及
所述基站计算能够分配到信道资源的D2D通信对的总数Ka,当Kr>N-M时,Ka=K;当Kr≤N-M时,Ka=K-[Kr-(N-M)],其中,M代表所述蜂窝信道的总数。
5.如权利要求4所述的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,其特征在于,所述最小干扰值的算法为:
Ik,m=Pk,mHk,且其中,Ik,m代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时对所述基站的最小干扰值,Pk,m代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的发送端的发射功率,Hk代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的发送端和所述基站之间的信道增益,T0代表D2D通信对能够通信的最小信干噪比,Z代表第k对D2D通信对在使用第m个蜂窝信道时的接收端所接收到的噪声,Am,k代表第m个蜂窝信道对第K个D2D通信链路产生的干扰值。
6.如权利要求5所述的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,其特征在于,所述信道预分配变量λ的确定采用匈牙利算法。
7.如权利要求6所述的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,其特征在于,所述基站以吞吐量最大化的目标对信道资源进行分配包括:
当λk,mθk,m=1且1≤m≤M时,则第k个D2D通信对将被分配与第m个蜂窝信道复用,其中,θk,m代表第k个D2D通信对接入第m个蜂窝信道的接入准入参数;当λk,mθk,m=1且M+1≤m≤N时,则第k个D2D通信对将被分配所述专用信道;将无法复用所述蜂窝信道的D2D通信对进行吞吐量排序,按降序分配所述专用信道。
8.如权利要求5所述的基于蜂窝网络的D2D通信系统的信道资源分配方法,其特征在于,所述基站以吞吐量最大化的目标对信道资源进行分配包括:
获取最大吞吐量的D2D通信对和复用的蜂窝信道的组合,检查其干扰值,如果Ik,m≤I0,则将第k对D2D通信对分配复用第m个蜂窝信道,之后重复以上步骤,直到min(Ik,m)>I0,剩余D2D通信对无法再复用任何一个所述蜂窝信道,则停止分配所述蜂窝信道,将没被分配所述蜂窝信道的D2D通信对做吞吐量排序,按照降序分配所述专用信道。
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