CN111107597B - 一种通讯模组网络的可靠切换方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通讯模组网络的可靠切换方法及装置，该方法包括：将通讯模组的其中一个链路作为工作链路，其中一个链路作为探测链路，所述通讯模组为支持双卡双链路或者多卡多链路的通讯模组；工作链路用于通讯模组正常工作的数据通道，探测链路用于探测新运营商网络信号的质量，且无需实际登陆新运营商网络；当工作链路发生通讯异常时，由探测链路基于其探测结果选择合适的签约运营商作为选定运营商，并向该选定运营商主动发起连接，同时，将工作链路和探测链路的功能相互切换，使原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道；原探测链路变为工作链路，负责通讯模组正常的数据通讯。本申请解决了单卡模块通讯不稳定的问题。

Description

一种通讯模组网络的可靠切换方法和装置

技术领域

本发明涉及数字通讯领域中GSM 2G、3G、4G电信网络运营中的USIM应用，具体是一种实现通讯模组网络的可靠切换方法和装置。

背景技术

SIM/USIM卡是(Subscriber Identification Module)，也称为用户身份识别卡、智能卡，GSM/CDMA数字移动电话机必须装上此卡方能使用。

在电脑芯片上存储了数字移动电话客户的信息，加密的密钥以及用户的电话簿等内容，可供GSM/CDMA网络客户身份进行鉴别，并对客户通话时的语音信息进行加密。

SIM由CPU、ROM、RAM、EEPROM和I/O电路组成。用户使用SIM时，实际上是手机向SIM卡发出命令，SIM卡应该根据标准规范来执行或者拒绝；SIM卡并不是单纯的信息存储器。

所谓ESIM卡就是虚拟SIM卡，之所以称之为虚拟，是因为该卡采用嵌入式技术，在出厂时会被预装在设备里，由于本身并未锁定于某个运营商网络，因此用户可以通过系统界面切换运营商服务，省去了将SIM卡拿出和更换的环节。

虚拟SIM和实体SIM最大的区别就在于，虚拟SIM可以多次擦写，可以承载多个IMSI(用户识别码)，对于经常出差或变更地点使用流量服务的人来说，可擦写的IMSI意味着可以快速、自主切换所接的运营商，个性化地选择无线网络服务。

在虚拟ESIM卡的推动上，苹果是领头人，紧跟其后就是华为在14年推出的“天际通”，MIUI7发布时亮出了"小米漫游"功能，用户在境外无需购买其他硬件，就能获得当地资费的数据上网服务。还有263移动通信技术支持的360奇酷手机漫游，创新应用“空中下发”技术，系统直接下发当地虚拟SIM卡，使以当地服务价格直接提供36个热门国家地区的数据上网服务变为可能。

ESIM卡这个概念是GSMA提出来的，GSMA基本是全球运营商主导的一个组织，它的基本特征是运营商控制写入ESIM卡的信息，用户依然是从运营商处购买通信服务。在物联网应用中这很重要，所以运营商倾向于首先在物联网应用中使用这个。

SoftSim概念最开始是苹果提出，后来也有其他终端商跟进，它的基本特征是终端商控制写入SoftSim的信息，可以截断用户和运营商之间的联系，改为由终端商向用户出售通信服务。

目前SoftSim技术，多数是在手机的APP中实现，通过iOS或者Android的JNI接口，访问操作系统的RIL层，最终通过AT指令同手机通讯模组的modem进行通讯，完成网络信号的传送，个人身份识别。

由于iOS的封闭性，国内厂商在iOS系统上实现还存在较大难度，还没有看到除APPLE之外的其他形态。国内厂商多数是在Android上搭建自己的生态系统。

由于通讯模组已经从最初的feature phone，功能逐步完善，强大，大多数通讯模组已经是双CPU架构，AP处理器性能已经可以支持用户的二次开发，Open CPU模式使得SoftSim技术可以在更为底层的通讯模组上实现。从而达到最高的效率和最大的灵活度，为最终用户带来更好的体验。

现有的运营商切换实现方案，主要有两种，一种是利用实体芯片，按照GSM定义的ESIM卡，另一种是借助手机/通讯模组运行环境，利用APP实现GSM的USIM卡规范约定功能的SoftSim。这两种方案，都将涉及一个问题，就是对于要切换新的运营商网络情况知之甚少，直接切换过去。

实际使用中，经常出现下列场景，某地区，有多个运营商覆盖，由于各运营商基站覆盖差异，常出现A运营商网络信号较好，B运营商网络信号较差情况发生，C运营商网络信号较好。对于该场景，通讯模组在初始化时，选择了运营商A，使用一段时间后，由于A的基站发生变动，网络信号变差。通讯模组通讯时出现异常，启动运营商的切换，按照程序预先设计好的流程，切换到运营商B，依旧通讯能力较弱，还要启动新一轮切换。

另外一种场景，是通讯模组是处在一个运动状态中，网络状态时刻处于变换当中，如果按照常规的轮询切换，出现无效的切换或者是低效率切换，经常回发生。

通讯模组如果能够在根据当时、当地的信号强度，对要切换的运营商进行一个筛选，则可以大幅度提高这种主动切换的可靠性和实时性。

多卡多链路通讯模块是解决该问题的另一种方法，它可以插入多张SIM卡，支持多运营商网络，通过同时支持多个通讯通道，保证传输带宽的稳定性。选择信号强，质量高的链路传输数据。无需手动干预，内置智能切换算法自动实现。该方法存在另外一个问题，就是会占用多个号码资源，运行费用将会成倍增加。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本申请的一个方面，提供一种通讯模组网络的可靠切换方法，该方法包括：将通讯模组的其中一个链路作为工作链路，其中一个链路作为探测链路，所述通讯模组为支持双卡双链路或者多卡多链路的通讯模组；工作链路用于通讯模组正常工作的数据通道，探测链路用于探测新运营商网络信号的质量，且无需实际登陆新运营商网络；当工作链路发生通讯异常时，由探测链路基于其探测结果选择合适的签约运营商作为选定运营商，并向该选定运营商主动发起连接，同时，将工作链路和探测链路的功能相互切换，使原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道；原探测链路变为工作链路，负责通讯模组正常的数据通讯。

其中，工作链路和探测链路的切换具体是：由于是在同一个模组内进行，切换开始前，探测信道已经是处于就绪态，通过多任务的信号机制，通知原工作链路的业务层，将对外的通道接口转切到探测链路(也就是即将成为工作链路的线程)上，当这个裂解转换完成之后，原工作链路通道的数据就相当于完成了迁移。采用这种方法，工作链路在最理想的情况下，可以实现无缝切换，业务层没有感知。而实际应用中，无缝切换难以真正实现，因此，为了防止工作链路和探测链路的切换出现异常而导致业务层数据的丢失，工作链路和探测链路的切换之前，将各自的业务数据存储在通讯模组的存储空间内，可保证原业务数据不丢失。

进一步的，该通讯模组网络的可靠切换方法包括：

步骤1：通讯模组至少包括作为工作链路的第一虚拟USIM卡和作为探测链路的第二虚拟USIM卡；

步骤2：通讯模组上电初始化后，作为工作链路的第一虚拟USIM卡向通讯模组发送插入消息并交互，以完成网络鉴权，启动正常的数据通讯；

步骤3、作为探测链路的第二虚拟USIM卡当工作链路发生通讯异常时被加载启动；作为探测链路的第二虚拟USIM卡，网络身份识别码TMSI或IMSI、HLR或AuC密钥、鉴权密钥均可按照运营商的号段虚拟或者重用；探测链路仅作为探测网络信号质量，无需实际登陆网络；此外，作为探测链路的第二虚拟USIM卡也可始终运行；

步骤4、通讯模组预置有运营商的网络信息列表，通讯模组基于该网络信息列表循环检测各运营商的网络信号强度，获得各运营商网络的性能列表，结果预存在通讯模组内；

步骤5、当工作链路发生通讯异常，或者通讯模组预置的网络切换条件满足时，通讯模组从步骤4获得的性能列表中，选择一个合适的切换运营商作为选定运营商，并获得该选定运营商的通讯参数信息；

步骤6、从通讯模组内预存的种子密钥集中，按照serial号离散，选取一组下载种子密钥对，生成下载通讯虚拟USIM卡，启动探测链路的数据通讯；

步骤7、利用探测链路通道，同选定运营商的服务器进行数据交互，发起签约会话或通讯密钥的OTA下载流程，将选定运营商的HLR或AuC初始密钥以及关键通讯参数从服务器远端下载到通讯模组本地；

步骤8、对通讯模组上的唯一标识Chip_ID等进行密钥分散，产生加密密钥，对下载到本地的密钥或数据进行加密，存储；

步骤9，将工作链路和探测链路的功能相互切换，使原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道；原探测链路变为工作链路，负责通讯模组正常的数据通讯。

本申请采用两张虚拟USIM卡(第一虚拟USIM卡和第二虚拟USIM卡)，均作为通讯密钥的存储主体。工作链路的第一虚拟USIM卡和探测链路的第二虚拟USIM卡，承担的角色和负责的流程分别有分工。工作链路的USIM卡，从功能上看，同普通的实体USIM卡差异性不大，探测链路的第二虚拟USIM卡，除具备第一虚拟USIM卡所具有的基本功能外，还可以通过运营商号段虚拟或者重用机制，仅登录运营商网路，但是不进行网络注册；同时，为配合通讯模组上的检测流程，需要在鉴权算法实现流程上增加计数器同步、重置流程，保证同鉴权中心的正常交互。

通讯模组创建有通讯流程和检测流程。检测流程是在通讯模组正常的通讯流程之外，附加的一个额外探测、监控的软件流程，该检测流程主要的目的就是实时或者当信号不好时被触发，检测当时、当地更好的运营商网络。

其中，所述通讯模组的处理流程符合如下协议和规范：3GPP TS21.111:USIM或IC标准规范(USIM and IC Card Requirements)、3GPP TS31.111:USIM应用工具箱(USIMApplication Toolkit(USAT))、3GPP TS33.102:USIM应用功能规范(Characteristics ofthe USIM application)。

并且，所述通讯模组的鉴权算法符合如下协议和规范：3GPP TS33.102:3GPP安全、安全架构(3GPP Security；Security Architecture)、3GPP TS 35.206:MILENAGE算法集的规范(Specification of the MILENAGE Algorithm Set)。

此外，所述通讯模组中预先存储包含有签约运营商的网络通讯参数的数据内容，数据内容由签约运营商获取，数据内容的数据存储格式符合：a、3GPP TS33.102:USIM应用的特性(Characteristics of the USIM application)。

根据本申请的另一方面，提供一种通讯模组网络的可靠切换装置，该装置执行上述可靠切换方法。具体的，该装置包括具有工作链路和探测链路的通讯模组、探测链路切换网络的切换单元以及工作链路和探测链路功能互换的功能互换单元；

其中，通讯模组是支持双卡双链路或者多卡多链路的通讯模组，通讯模组的其中一个链路作为工作链路，其中一个链路作为探测链路，工作链路用于通讯模组正常工作的数据通道，探测链路用于探测新运营商网络信号的质量，且无需实际登陆新运营商网络；

切换单元用于当工作链路发生通讯异常时，由探测链路基于其探测结果选择合适的签约运营商作为选定运营商，并向该选定运营商主动发起连接；

功能互换单元用于将工作链路和探测链路的功能相互切换，使原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道；原探测链路变为工作链路，负责通讯模组正常的数据通讯。

本申请通过上述两个链路的实现方案，解决单卡模块通讯不稳定的问题，增加其它运营商的切换机制，同时对要切换的网络信号进行简单的预判，避免不必要的无效切换，提高实时性。同时，还解决多卡多链路通讯模块同时需要插入多张SIM卡、占用多个号码资源、资费成倍增加的问题，降低了客户的使用成本。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1为本发明的通讯模组网络的可靠切换方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

本申请是解决单卡模块通讯不稳定的问题，并增加其它运营商的切换机制，同时对要切换的网络信号进行简单的预判，避免不必要的无效切换，提高实时性。同时，解决多卡多链路通讯模块同时需要插入多张SIM卡，占用多个号码资源，资费成倍增加的问题，从而降低客户的使用成本。

本实施例中，通讯模组满足如下前置条件：

前置条件1，通讯模组中预置符合下列规范的流程实现：

a、3GPP TS 21.111:"USIM and IC Card Requirements"

b、3GPP TS 31.111:"USIM Application Toolkit(USAT)"

c、3GPP TS 33.102:"Characteristics of the USIM application"

前置条件2，通讯模组中预置符合下列规范的算法实现：

a、3GPP TS 33.102:"3GPP Security；Security Architecture"

b、3GPP TS 35.206:"Specification of the MILENAGE Algorithm Set"

前置条件3，通讯模组中预置签约运营商的网络通讯参数存储实现，数据内容由签约运营商获取，数据存储格式符合：

a、3GPP TS 33.102:"Characteristics of the USIM application"

具体的，参见图1，本申请的通讯模组网络的可靠切换方法包括：

步骤1、在支持双卡双链路或者多卡多链路的通讯模组中，确定一个工作链路，一个探测链路。工作链路用于通讯模组正常工作的数据通道，探测链路作为异常情况发生时，探测新运营商网络信号的质量使用。

步骤2、在通讯模组内模拟出一张虚拟USIM卡：

2.1、从预存在通讯模组中的运营商网络信息列表中，顺序选择其中之一，将下列信息：运营商的网络信息具体可以包括公共陆地移动网络(Public Land Mobile Network，简称PLMN)信息、归属位置寄存器(Home Location Register，简称HLR)中、用户签约信息国际移动用户识别码(International Mobile SubscriberIdentification Number，简称IMSI)和业务类型等信息，读取并按照3GPP TS 33.102:"Characteristics of the USIMapplication"要求，在通讯模组中动态生成一张虚拟USIM卡实现。

2.2、通过ISO7816逻辑接口或远程USIM客户端接口，向Modem发送USIM卡上电复位请求，当接收到Modem的复位应答Reset Request后，回送ATR信息。之后，响应每一个Modem的APDU Request请求，直至网络鉴权流程结束。自此，通讯模组登陆网络过程结束，通讯模组具备数据通讯能力。

步骤3、探测链路是另外一个线程，可以作为一直运行，也可以在工作链路发生通讯异常时被加载启动。

同样按照步骤2的过程，在探测链路虚拟USIM卡出另外一张USIM卡，尝试登陆网络。差异是网络身份识别码TMSI或IMSI、HLR或AuC密钥鉴权密钥按照运营商的号段虚拟或者重用。这样既可以接入网络(但无法登录)，又无需占用号码资源和费用。

步骤4、获取该运营商网络信号信息SGCELLINFO，包括接收信号强度指示<rssi>、参考信号接收功率<RSRP>、参考信号接收功率<RSRP>等。将这些信息打包，作为后续的运营商网络信号上报报文，放入暂存列表。

按照通讯模组内预置的签约运营商列表，循环检测，获得当时或当地各运营商网络的性能列表，结果预存在通讯模组内。

步骤5、当工作链路发生通讯异常，或者预置的网络切换条件满足时，通讯模组从步骤4获得的性能列表中，选择一个合适的切换运营商，进而获得该运营商的通讯参数信息。

步骤6、从通讯模组内预存的种子密钥集中，按照serial号离散，选取一组下载种子密钥对，生成下载通讯虚拟USIM卡，启动探测链路的数据通讯。

预存的种子密钥集，数目不宜过小，也不宜过大。如果数目过小，则该批通讯模组将面临比较大的种子号冲突问题，数目过大，则失去种子号的优势。具体计算方法，可以参考概率经典问题：学生的生日问题和抽屉问题，进行求解。或者使用计算机模拟获得。

步骤7、利用探测链路通道，同服务器进行数据交互，发起签约会话或通讯密钥的OTA下载流程，该数据包包含选定运营商的HLR或AuC初始密钥以及关键通讯参数。该数据包经过RSA或ECC加密后，通过socket接口，下载到通讯模组上。RSA或ECC加密是为抵御中间人攻击。

步骤8、通讯模组接收到OTA下载数据包，经过RSA或ECC非对称解密，获得明文。对通讯模组上的唯一标识Chip_ID或Mac等标识进行3DES或AES密钥分散，产生加密密钥，步骤6获得的关键通讯密钥(Ki或Opc或A_Key或SSD)进行加密，存储。

步骤9，工作链路和探测链路互换，两个链路的功能相互切换。原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道。原探测通道变为工作通道，负责通讯模组正常的数据通讯。

由于采用了支持多卡多链路的通讯模组，其中的一个通讯链路用于工作的数据通讯，另一个链路用于网络信号检测，两路相当于并行。通讯链路和检测链路的功能设计成交叉互换，可以最大限度提高网络的切换速度。根据实测，在4G通讯模组上，在被切换网络信号较强RSSI>20时，两路信号切换时间小于15秒，典型值在12～13秒。如果采用暂存的数据进行切换，两路信号切换时间小于5秒，典型值在2～3秒。

如果两路工作在串行状态下，在被切换网络信号较强RSSI>20时，包括通讯数据下载，两路信号切换时间小于60秒，典型值在<45秒。

由上可见，相对于现有技术的方案，本申请的方案具有非常好的时效性和实用性。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

此外，本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种通讯模组网络的可靠切换方法，其特征在于：该方法包括：

将通讯模组的其中一个链路作为工作链路，其中一个链路作为探测链路，所述通讯模组为支持双卡双链路或者多卡多链路的通讯模组；工作链路用于通讯模组正常工作的数据通道，探测链路用于探测新运营商网络信号的质量，且无需实际登陆新运营商网络；

当工作链路发生通讯异常时，由探测链路基于其探测结果选择合适的签约运营商作为选定运营商，并向该选定运营商主动发起连接；

该通讯模组网络的可靠切换方法具体包括如下步骤：

步骤1：通讯模组至少包括作为工作链路的第一虚拟USIM卡和作为探测链路的第二虚拟USIM卡；

步骤2：通讯模组上电初始化后，作为工作链路的第一虚拟USIM卡向通讯模组发送插入消息并交互，以完成网络鉴权，启动正常的数据通讯；

步骤3、作为探测链路的第二虚拟USIM卡当工作链路发生通讯异常时被加载启动；作为探测链路的第二虚拟USIM卡，网络身份识别码TMSI或IMSI、HLR或AuC密钥、鉴权密钥均按照运营商的号段虚拟或者重用；

步骤4、通讯模组预置有运营商的网络信息列表，通讯模组基于该网络信息列表循环检测各运营商的网络信号强度，获得各运营商网络的性能列表，结果预存在通讯模组内；

步骤5、当工作链路发生通讯异常，或者通讯模组预置的网络切换条件满足时，检测流程从步骤4获得的性能列表中，选择一个合适的切换运营商作为选定运营商，并获得该选定运营商的通讯参数信息；

步骤6、通讯模组连接选定运营商；

步骤7，将工作链路和探测链路的功能相互切换，使原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道；原探测链路变为工作链路，负责通讯模组正常的数据通讯。

2.根据权利要求1所述的通讯模组网络的可靠切换方法，其特征在于：步骤6中，通讯模组连接选定运营商具体包括：

步骤61：从通讯模组内预存的种子密钥集中，按照serial号离散，选取一组下载种子密钥对，生成下载通讯虚拟USIM卡，启动探测链路的数据通讯；

步骤:62、利用探测链路通道，同选定运营商的服务器进行数据交互，发起签约会话或通讯密钥的OTA下载流程，将选定运营商的HLR或AuC初始密钥以及关键通讯参数从服务器远端下载到通讯模组本地；

步骤63、对通讯模组上的唯一标识Chip_ID进行密钥分散，产生加密密钥，对下载到本地的密钥或数据进行加密，存储。

3.根据权利要求1所述的通讯模组网络的可靠切换方法，其特征在于：步骤7中，将工作链路和探测链路的功能相互切换之前，首先将各自的业务数据存储在通讯模组的存储空间内。

4.一种通讯模组网络的可靠切换装置，其特征在于：包括具有工作链路和探测链路的通讯模组、探测链路切换网络的切换单元以及工作链路和探测链路功能互换的功能互换单元；

其中，通讯模组是支持双卡双链路或者多卡多链路的通讯模组，通讯模组的其中一个链路作为工作链路，其中一个链路作为探测链路，工作链路用于通讯模组正常工作的数据通道，探测链路用于探测新运营商网络信号的质量，且无需实际登陆新运营商网络；

切换单元用于当工作链路发生通讯异常时，由探测链路基于其探测结果选择合适的签约运营商作为选定运营商，并向该选定运营商主动发起连接；

功能互换单元用于将工作链路和探测链路的功能相互切换，使原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道；原探测链路变为工作链路，负责通讯模组正常的数据通讯；

具体的，该可靠切换装置执行如下过程：

步骤1：通讯模组至少包括作为工作链路的第一虚拟USIM卡和作为探测链路的第二虚拟USIM卡；

步骤2：通讯模组上电初始化后，作为工作链路的第一虚拟USIM卡向通讯模组发送插入消息并交互，以完成网络鉴权，启动正常的数据通讯；

步骤3、作为探测链路的第二虚拟USIM卡当工作链路发生通讯异常时被加载启动；作为探测链路的第二虚拟USIM卡，网络身份识别码TMSI或IMSI、HLR或AuC密钥、鉴权密钥均按照运营商的号段虚拟或者重用；

步骤4、通讯模组预置有运营商的网络信息列表，通讯模组基于该网络信息列表循环检测各运营商的网络信号强度，获得各运营商网络的性能列表，结果预存在通讯模组内；

步骤5、当工作链路发生通讯异常，或者通讯模组预置的网络切换条件满足时，检测流程从步骤4获得的性能列表中，选择一个合适的切换运营商作为选定运营商，并获得该选定运营商的通讯参数信息；

步骤6、通讯模组连接选定运营商；

步骤7，将工作链路和探测链路的功能相互切换，使原工作链路变为探测链路，作为下一轮的切换的探测通道；原探测链路变为工作链路，负责通讯模组正常的数据通讯。

5.根据权利要求4所述的通讯模组网络的可靠切换装置，其特征在于：步骤6中，通讯模组连接选定运营商具体包括：

步骤61：从通讯模组内预存的种子密钥集中，按照serial号离散，选取一组下载种子密钥对，生成下载通讯虚拟USIM卡，启动探测链路的数据通讯；

步骤:62、利用探测链路通道，同选定运营商的服务器进行数据交互，发起签约会话或通讯密钥的OTA下载流程，将选定运营商的HLR或AuC初始密钥以及关键通讯参数从服务器远端下载到通讯模组本地；

步骤63、对通讯模组上的唯一标识Chip_ID进行密钥分散，产生加密密钥，对下载到本地的密钥或数据进行加密，存储。

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