CN111431573A - 一种csi单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，构建基于到达时间差与到达角的单接入点定位观测方程；给出天线资源分配策略与约束条件；给出不同功能天线位置分布策略与约束条件；给出天线位置分布范围的约束条件；给出天线摆放方向的策略与约束条件；基于定位观测方程与费雪信息矩阵的行列式，构建单接入点天线资源配置与阵列设计的优化目标函数；基于步骤二到步骤五给定的各类策略与约束条件，通过最大化步骤六的目标函数，寻找最优的单接入点定位天线资源配置与天线摆放位置。本发明有效提高天线资源配置效率，保证单接入点定位精度。本发明给出的各种天线资源配置策略与约束条件，能有效降低优化算法的计算复杂度。

Description

一种CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法

技术领域

本发明涉及一种天线资源配置与阵列设计方法，具体涉及一种CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，属于室内定位领域。

背景技术

室内定位是导航与位置服务、物联网等战略性新兴产业的核心技术之一，在应急救援、医疗保健、智能制造等领域都有着非常广阔的应用前景。Wi-Fi定位基于已有广泛存在的Wi-Fi基础设施和内嵌无线网卡的移动终端即能进行定位，无需任何额外基础设施或专用硬件，是实现低成本、大规模覆盖室内定位部署的最有效技术途径之一。单接入点Wi-Fi定位技术无需多个接入点信号，能显著提高Wi-Fi定位的可用性和信号覆盖范围，受到室内定位领域众多研究者和相关产业界的广泛关注。

单接入点Wi-Fi定位利用单个Wi-Fi接入点的天线阵列，利用信道状态信息(Channel State Information，CSI)的到达角和到达时间估计，基于几何原理实现终端目标定位。已有单接入点定位方法大多数只关注到达角、到达时间的估计算法设计，没有系统考虑单接入点定位的天线资源配置与阵列设计问题。由于单接入点的天线资源是有限的，到达角、到达时间估计等算法对天线资源配置需求也不同，因此有必要给出一种单接入点天线资源配置与阵列设计方法。

考虑到已有单接入点定位所采用的到达时间估计算法受CSI相位误差影响而导致定位精度不够，或者需要采用跳频技术影响Wi-Fi正常通信功能。到达时间差估计无需CSI相位校正或者跳频技术也能获得较高的估计精度。因此，本发明所涉及的单接入点定位技术，是一种结合到达时间差与到达角估计的单接入点定位技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决单接入点定位系统的天线资源配置问题，本发明在Wi-Fi系统下，提供一种CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，包括如下步骤：

步骤一：以单接入点各个天线获取的信道状态信息为输入信号，构建基于到达时间差与到达角的单接入点定位观测方程；

步骤二：将单接入点多天线分成分别用于获取到达时间差信息与到达角信息的两组天线，给出天线资源分配策略与约束条件；

步骤三：根据到达时间差信息与到达角信息获取与定位算法的不同特征，给出不同功能天线位置分布策略与约束条件；

步骤四：根据无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗，给出天线位置分布范围的约束条件；

步骤五：根据定位精度在空间均匀分布与解模糊原理，给出天线摆放方向的策略与约束条件；

步骤六：基于定位观测方程与费雪信息矩阵的行列式，构建单接入点天线资源配置与阵列设计的优化目标函数；

步骤七：基于步骤二到步骤五给定的各类策略与约束条件，通过最大化步骤六的目标函数，寻找最优的单接入点定位天线资源配置与天线摆放位置。

本发明还包括这样一些特征：

1、所述步骤二中所述的天线资源分配策略与约束条件，具体如下：

(1)分配给获取到达时间差信息的天线，要么是零个，要么必须至少有两个；

(2)用于到达角估计的天线阵列也可以同时用于获取到达时间差信息，整个阵列等效为一个天线；

(3)分配给获取到达角信息的天线，要么是零个，要么必须至少有两个；

(4)用于到达角估计的天线阵列，可以分成多个不同位置和摆放形式的天线阵列组。

2、所述步骤三中所述的不同功能天线的位置分布策略与约束条件，具体如下：

(1)用于获取到达时间差信息的天线距离设置为米级别，以保证基于到达时间差信息的定位精度几何因子性能；

(2)用于获取到达角信息的天线阵列相邻天线距离设置为与无线信号波长相当的量级(厘米级别)，以避免测向模糊问题；

(3)用于获取到达角信息的天线阵列组几何中心之间的距离设置为米级别。

3、所述步骤四中所述的天线位置分布范围的约束条件，具体如下：

(1)设无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗为L_允许dB，查表获得无线接入点信号频率下允许的最大线缆长度d_允许米；

(2)天线位置分布范围在以接入点主机几何中心为圆心，半径为d_允许米的圆内。

4、所述步骤五中所述的天线摆放方向的策略与约束条件，具体如下：

(1)用于获取到达角信息的天线阵列都设置成线性阵列，以保证天线阵列测向得以利用空间平滑处理方法；

(2)用于获取到达角信息的各个天线阵列组的法线方向尽可能均匀分布在定位覆盖角度区间内；

(3)用于获取到达时间差信息的天线之间连线(基线)法线方向与各个天线阵列组的法线方向不能平行，且尽可能保证较大夹角。

5、所述步骤六中所述的优化目标函数，具体如下：

(1)设单接入点通过天线资源配置能提供m1个到达时间差估计信号，对应的距离差{Δτ₁,Δτ₂,…,Δτ_m1}，m2个到达角估计信号{θ₁,…,θ_m2}，其中方位角θ∈[0，π)，待定位目标位置向量表示为L＝[l_x,l_y]^T∈R²，而单接入点的M个天线位于已知位置

s_m＝[s_x,m,s_y,m]^T,m＝1,2,…,M；

(2)根据步骤一获得到达时间差与到达角的定位观测方程：

其中

是观测矢量，κ＝[Δτ₁,…,Δτ_m1,θ₁,…,θ_m2]^T是对应实际矢量：

θ_m＝arctan(l_y-s_y,m,l_x-s_x,m),m＝1,…,m2；

其中Δτ_m是目标位置到单接入点第m对天线之间的实际距离差，

和

分别为第m对天线1、天线2与目标位置实际距离，arctan(·)为考虑角度象限的反正切函数，ε是观测信号误差矢量，假设其服从彼此独立的零均值高斯分布，协方差矩阵为Q。

(3)构造优化目标函数：

其中，{s_m,m＝1,2,…,M}即为要优化的单接入点各天线位置，L_i＝[l_x,i,l_y,i]^T是定位覆盖区域内均匀选取的位置向量样本点，a(L_i)是根据应用需求设置的L_i样本点的权重，

N_L为选取位置向量样本的数量，FIM(L_i)是费雪信息矩阵：

其中[k₁ k₂ ... k_Nk]^T与[Δτ₁,…,Δτ_m1,θ₁,…,θ_m2]^T一一对应，N_k是κ中元素个数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明给出了单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法。单接入点的天线资源是有限的，到达角、到达时间估计等算法对天线资源配置需求也不同。本发明基于克拉美罗界理论，结合费雪信息矩阵行列式进行天线资源配置与阵列优化设计。通常情况下，费雪信息矩阵的行列式与对目标位置估计的不确定区域成反比。因此本发明通过最大化费雪信息矩阵的行列式来最小化定位误差，能有效提高天线资源配置效率，保证单接入点定位精度。同时，针对到达角、到达时间估计等算法特征，本发明给出的各种天线资源配置策略与约束条件，能有效降低优化算法的计算复杂度。

附图说明

图1是天线资源配置与阵列设计方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明所述的一种天线资源配置与阵列设计方法。具体包括以下步骤：

步骤一、以单接入点各个天线获取的信道状态信息为输入信号，构建基于到达时间差与到达角的单接入点定位观测方程；

步骤二、将单接入点多天线分成分别用于获取到达时间差信息与到达角信息的两组天线，给出天线资源分配策略与约束条件；

步骤三、根据到达时间差信息与到达角信息获取与定位算法的不同特征，给出不同功能天线位置分布策略与约束条件；

步骤四、根据无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗，给出天线位置分布范围的约束条件；

步骤五、根据定位精度在空间均匀分布与解模糊原理，给出天线摆放方向的策略与约束条件；

步骤六、基于定位观测方程与费雪信息矩阵的行列式，构建单接入点天线资源配置与阵列设计的优化目标函数；

步骤七、基于步骤二到步骤五给定的各类策略与约束条件，通过最大化步骤六的目标函数，寻找最优的单接入点定位天线资源配置与天线摆放位置。

步骤二中所述的天线资源分配策略与约束条件，具体如下：

(1)分配给获取到达时间差信息的天线，要么是零个，要么必须至少有两个；

(2)用于到达角估计的天线阵列也可以同时用于获取到达时间差信息，整个阵列等效为一个天线；

(3)分配给获取到达角信息的天线，要么是零个，要么必须至少有两个；

(4)用于到达角估计的天线阵列，可以分成多个不同位置和摆放形式的天线阵列组。

步骤三中所述的不同功能天线的位置分布策略与约束条件，具体如下：

(1)用于获取到达时间差信息的天线距离设置为米级别，以保证基于到达时间差信息的定位精度几何因子性能；

(2)用于获取到达角信息的天线阵列相邻天线距离设置为与无线信号波长相当的量级(厘米级别)，以避免测向模糊问题；

(3)用于获取到达角信息的天线阵列组几何中心之间的距离设置为米级别。

步骤四中所述的天线位置分布范围的约束条件，具体如下：

(1)设无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗为L_允许dB，查表获得无线接入点信号频率下允许的最大线缆长度d_允许米；

(2)天线位置分布范围在以接入点主机几何中心为圆心，半径为d_允许米的圆内。

步骤五中所述的天线摆放方向的策略与约束条件，具体如下：

(1)用于获取到达角信息的天线阵列都设置成线性阵列，以保证天线阵列测向得以利用空间平滑处理方法；

(2)用于获取到达角信息的各个天线阵列组的法线方向尽可能均匀分布在定位覆盖角度区间内；

(3)用于获取到达时间差信息的天线之间连线(基线)法线方向与各个天线阵列组的法线方向不能平行，且尽可能保证较大夹角。

步骤六中所述的优化目标函数，具体如下：

(1)设单接入点通过天线资源配置能提供m1个到达时间差估计信号，对应的距离差{Δτ₁,Δτ₂,…,Δτ_m1}，m2个到达角估计信号{θ₁,…,θ_m2}，其中方位角θ∈[0，π)，待定位目标位置向量表示为L＝[l_x,l_y]^T∈R²，而单接入点的M个天线位于已知位置s_m＝[s_x,m,s_y,m]^T,m＝1,2,…,M；

(2)根据步骤一获得到达时间差与到达角的定位观测方程：

其中

是观测矢量，κ＝[Δτ₁,…,Δτ_m1,θ₁,…,θ_m2]^T是对应实际矢量：

θ_m＝arctan(l_y-s_y,m,l_x-s_x,m),m＝1,…,m2；

其中Δτ_m是目标位置到单接入点第m对天线之间的实际距离差，

和

分别为第m对天线1、天线2与目标位置实际距离，arctan(·)为考虑角度象限的反正切函数，ε是观测信号误差矢量，假设其服从彼此独立的零均值高斯分布，协方差矩阵为Q。

(3)构造优化目标函数：

其中，{s_m,m＝1,2,…,M}即为要优化的单接入点各天线位置，L_i＝[l_x,i,l_y,i]^T是定位覆盖区域内均匀选取的位置向量样本点，a(L_i)是根据应用需求设置的L_i样本点的权重，

N_L为选取位置向量样本的数量，FIM(L_i)是费雪信息矩阵：

如图1所示，本发明公开的一种信道状态信息单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，主要包括如下步骤：

步骤一、以单接入点各个天线获取的信道状态信息为输入信号，构建基于到达时间差与到达角的单接入点定位观测方程。

设单接入点通过天线资源配置能提供m1个到达时间差估计信号，对应的距离差{Δτ₁,Δτ₂,…,Δτ_m1}，m2个到达角估计信号{θ₁,…,θ_m2}，其中方位角θ∈[0，π)，待定位目标位置向量表示为L＝[l_x,l_y]^T∈R²，而单接入点的M个天线位于已知位置s_m＝[s_x,m,s_y,m]^T,m＝1,2,…,M。

观测方程可写成：

其中

是观测矢量，κ＝[Δτ₁,…,Δτ_m1,θ₁,…,θ_m2]^T是对应实际矢量：

θ_m＝arctan(l_y-s_y,m,l_x-s_x,m),m＝1,…,m2；

其中Δτ_m是目标位置到单接入点第m对天线之间的实际距离差，

和

分别为第m对天线1、天线2与目标位置实际距离，arctan(·)为考虑角度象限的反正切函数，ε是观测信号误差矢量，假设其服从彼此独立的零均值高斯分布，协方差矩阵为Q。

步骤二、将单接入点多天线分成分别用于获取到达时间差信息与到达角信息的两组天线，给出天线资源分配策略与约束条件。

根据到达时间与到达角估计算法的特点，分配给获取到达时间差信息的天线数必须至少有两个或者不分配；分配给获取到达角信息的天线阵列阵元数，必须至少有两个或者不分配；用于到达角估计的天线阵列也可以同时用于获取到达时间差信息，整个阵列等效为一个天线；用于到达角估计的天线阵列，可以分成多个不同位置和摆放形式的天线阵列组。

设单接入点的天线总数为N，用于天线阵列测向组数为m2，每组天线阵列的阵元数分别为N₁,N₂,...,N_m2，则用于到达时间差估计的单天线数为

可提供用于到达时间差估计信号的个数为

步骤三、根据到达时间差信息与到达角信息获取与定位算法的不同特征，给出不同功能天线位置分布策略与约束条件。

用于获取到达时间差信息的单天线距离、测向天线阵列之间(将天线阵列几何中心看作天线阵列的等效位置)的距离设置为米级别，以保证基于到达时间差信息的定位精度几何因子性能；用于获取到达角信息的天线阵列相邻天线距离设置为与无线信号波长相当的量级(厘米级别，对于线性阵列通常可设置为半波长)，以避免测向模糊问题。

步骤四、根据无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗，给出天线位置分布范围的约束条件。

设无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗为L_允许dB，查表获得无线接入点信号频率下允许的最大线缆长度d_允许米；天线位置分布范围在以接入点主机几何中心为圆心，半径为d_允许米的圆内。设接入点主机几何中心位置为坐标原点，天线的位置坐标s_m＝[s_x,m,s_y,m]^T,m＝1,2,…,M，则天线位置坐标应满足

步骤五、根据定位精度在空间均匀分布与解模糊原理，给出天线摆放方向的策略与约束条件。具体如下：

(1)用于获取到达角信息的天线阵列都设置成线性阵列，以保证天线阵列测向得以利用空间平滑处理方法。

(2)用于获取到达角信息的各个天线阵列组的法线方向尽可能均匀分布在定位覆盖角度区间。例如，设定位覆盖角度区间为(0,180)度，天线阵列组为两组，则两组天线阵列的法线方向可分别设置为45度与135度。

(3)用于获取到达时间差信息的天线之间连线(基线)法线方向与各个天线阵列组的法线方向不能平行，且尽可能保证较大夹角，以避免目标位置解算的对称性无法解模糊。例如，设单接入点有3个天线，其中两个天线构成天线阵列用于测向，且该天线阵列等效为一个可用于到达时间差估计的天线，剩余一个天线用于到达时间差估计，则三个天线位置点不能共线，否则对称于共线的两个目标位置无法解模糊。

步骤六、基于定位观测方程与费雪信息矩阵的行列式，构建单接入点天线资源配置与阵列设计的优化目标函数。

基于步骤一的假设和定位观测方程，可以构造优化目标函数：

其中，{s_m,m＝1,2,…,M}即为要优化的单接入点各天线位置，L_i＝[l_x,i,l_y,_i]^T是定位覆盖区域内均匀选取的位置向量样本点，a(L_i)是根据应用需求设置的L_i样本点的权重，

N_L为选取位置向量样本的数量，FIM(L_i)是费雪信息矩阵：

其中[k₁ k₂ ... k_Nk]^T与[Δτ₁,…,Δτ_m1,θ₁,…,θ_m2]^T一一对应，N_k是κ中元素个数。设单接入点有3个天线，其中两个天线构成天线阵列用于测向，且该天线阵列等效为一个可用于到达时间差估计的天线(等效天线位置为s₀＝[s_x,0,s_y,0]^T)，剩余一个天线(天线位置为s₁＝[s_x,1,s_y,1]^T)用于到达时间差估计。则由此可以求出费雪信息矩阵各个元素的表达式。

其中

c＝(L-s₁)/l₁-(L-s₀)/l₀，

其中，l₀＝[(l_y-s_y,0)²+(l_x-s_x,0)²]^1/2，l₁＝[(l_y-s_y,1)²+(l_x-s_x,1)²]^1/2。测量误差矢量的协方差矩阵为

到达角估计的误差方差

主要由天线阵列形式、通道相位误差、接收信号信噪比决定，

主要由信号带宽、各天线与目标相对位置决定，两个参数可以通过经验值或者一定的测量值设定。

将费雪信息矩阵各个元素代入，即为该定位方案的天线资源优化目标函数，其最优搜索结果即为所需天线资源分配方案。通常情况下，若定位覆盖区域内各个位置的重要性一致，则权重值a(L_i)设置为一个常数值。

步骤七、基于步骤二到步骤五给定的各类策略与约束条件，通过最大化步骤六的目标函数，寻找最优的单接入点定位天线资源配置与天线摆放位置。

单接入点天线资源分配与阵列设计的搜索优化变量可以分解为三个维度：单接入点用于到达角与到达时间差估计的天线数量分配，主要由步骤二给出分配策略；天线位置的设计与约束，主要由步骤三的天线距离与步骤四的天线位置分布范围的分配策略与约束条件给出；天线摆放方向的设计与约束，主要由步骤五给出。在这三个维度的分配策略与约束条件下，通过最大化步骤六的目标函数，即可寻找最优的单接入点定位天线资源配置与天线摆放位置。

综上所述：本发明提出一种信道状态信息单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，属于室内定位领域。具体涉及Wi-Fi单接入点定位的天线资源配置与阵列优化设计的实现。实现步骤如下：构建基于到达时间差与到达角的信道状态信息单接入点定位观测方程；将单接入点多天线分成分别用于获取到达时间差与到达角信息的两组天线，给出天线资源分配策略与约束条件；根据到达时间差与到达角信息获取算法特征，给出天线位置分布策略与约束条件；给出信号损耗约束下的天线位置分布范围；根据定位精度在空间均匀分布与解模糊原理，给出天线摆放方向的策略与约束条件；构建基于费雪信息矩阵行列式的天线资源配置优化目标函数；结合前述策略与约束条件，通过目标函数优化搜索，给出最优的单接入点定位天线资源配置与天线摆放位置。本发明给出了单接入点定位的天线资源配置与阵列优化设计方法，能有效综合利用有限的单接入点天线资源，保证单接入点定位精度。

Claims (6)

1.一种CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：以单接入点各个天线获取的信道状态信息为输入信号，构建基于到达时间差与到达角的单接入点定位观测方程；

步骤二：将单接入点多天线分成分别用于获取到达时间差信息与到达角信息的两组天线，给出天线资源分配策略与约束条件；

步骤三：根据到达时间差信息与到达角信息获取与定位算法的不同特征，给出不同功能天线位置分布策略与约束条件；

步骤四：根据无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗，给出天线位置分布范围的约束条件；

步骤五：根据定位精度在空间均匀分布与解模糊原理，给出天线摆放方向的策略与约束条件；

步骤六：基于定位观测方程与费雪信息矩阵的行列式，构建单接入点天线资源配置与阵列设计的优化目标函数；

步骤七：基于步骤二到步骤五给定的各类策略与约束条件，通过最大化步骤六的目标函数，寻找最优的单接入点定位天线资源配置与天线摆放位置。

2.根据权利要求1所述的CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，其特征是，所述步骤二中所述的天线资源分配策略与约束条件，具体如下：

(1)分配给获取到达时间差信息的天线，要么是零个，要么必须至少有两个；

(2)用于到达角估计的天线阵列也可以同时用于获取到达时间差信息，整个阵列等效为一个天线；

(3)分配给获取到达角信息的天线，要么是零个，要么必须至少有两个；

(4)用于到达角估计的天线阵列，可以分成多个不同位置和摆放形式的天线阵列组。

3.根据权利要求1所述的CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，其特征是，所述步骤三中所述的不同功能天线的位置分布策略与约束条件，具体如下：

(1)用于获取到达时间差信息的天线距离设置为米级别，以保证基于到达时间差信息的定位精度几何因子性能；

(2)用于获取到达角信息的天线阵列相邻天线距离设置为与无线信号波长相当的量级(厘米级别)，以避免测向模糊问题；

(3)用于获取到达角信息的天线阵列组几何中心之间的距离设置为米级别。

4.根据权利要求1所述的CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，其特征是，所述步骤四中所述的天线位置分布范围的约束条件，具体如下：

(1)设无线接入点信号强度所允许的最大线缆损耗为L_允许dB，查表获得无线接入点信号频率下允许的最大线缆长度d_允许米；

(2)天线位置分布范围在以接入点主机几何中心为圆心，半径为d_允许米的圆内。

5.根据权利要求1所述的CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，其特征是，所述步骤五中所述的天线摆放方向的策略与约束条件，具体如下：

(1)用于获取到达角信息的天线阵列都设置成线性阵列，以保证天线阵列测向得以利用空间平滑处理方法；

(2)用于获取到达角信息的各个天线阵列组的法线方向尽可能均匀分布在定位覆盖角度区间内；

(3)用于获取到达时间差信息的天线之间连线(基线)法线方向与各个天线阵列组的法线方向不能平行，且尽可能保证较大夹角。

6.根据权利要求1所述的CSI单接入点定位的天线资源配置与阵列设计方法，其特征是，所述步骤六中所述的优化目标函数，具体如下：

(1)设单接入点通过天线资源配置能提供m1个到达时间差估计信号，对应的距离差{Δτ₁,Δτ₂,…,Δτ_m1}，m2个到达角估计信号{θ₁,…,θ_m2}，其中方位角θ∈[0，π)，待定位目标位置向量表示为L＝[l_x,l_y]^T∈R²，而单接入点的M个天线位于已知位置s_m＝[s_x,m,s_y,m]^T,m＝1,2,…,M；

(2)根据步骤一获得到达时间差与到达角的定位观测方程：

其中

是观测矢量，κ＝[Δτ₁,…,Δτ_m1,θ₁,…,θ_m2]^T是对应实际矢量：

θ_m＝arctan(l_y-s_y,m,l_x-s_x,m),m＝1,…,m2；

其中Δτ_m是目标位置到单接入点第m对天线之间的实际距离差，

和

分别为第m对天线1、天线2与目标位置实际距离，arctan(·)为考虑角度象限的反正切函数，ε是观测信号误差矢量，假设其服从彼此独立的零均值高斯分布，协方差矩阵为Q。

(3)构造优化目标函数：

其中，{s_m,m＝1,2,…,M}即为要优化的单接入点各天线位置，L_i＝[l_x,i,l_y,i]^T是定位覆盖区域内均匀选取的位置向量样本点，a(L_i)是根据应用需求设置的L_i样本点的权重，

N_L为选取位置向量样本的数量，FIM(L_i)是费雪信息矩阵：

其中[k₁ k₂ ... k_Nk]^T与[Δτ₁,…,Δτ_m1,θ₁,…,θ_m2]^T一一对应，N_k是κ中元素个数。

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