CN111711975A - 数据传输方法、系统、终端设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

数据传输方法、系统、终端设备及计算机可读存储介质 Download PDF

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CN111711975A CN202010498934.8A CN202010498934A CN111711975A CN 111711975 A CN111711975 A CN 111711975A CN 202010498934 A CN202010498934 A CN 202010498934A CN 111711975 A CN111711975 A CN 111711975A
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Abstract

本公开提供一种数据传输方法、系统、终端设备及计算机可读存储介质，其中，所述方法包括：分别为网络中每一分簇选择簇头；分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果；以及，基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。本实施例通过计算簇头之间的传输效益值，并基于传输效益值最大的相邻簇头传输数据，可以有效提高数据传输效率，同时均衡网络中能量。

Description

数据传输方法、系统、终端设备及计算机可读存储介质
技术领域
本公开涉及通信技术领域，尤其涉及一种数据传输方法、一种数据传输系统、一种终端设备以及一种计算机可读存储介质。
背景技术
在无线传感器网络中，节点通常都是通过电池来进行供电，由于节点的能量受限，部分节点在传输数据较多时容易导致能量消耗过快，从而出现节点提前死亡的现象，影响了整个网络的连通性。
目前常用的数据传输方法主要有：低功耗自适应簇头数据传输方法和中心化簇头数据传输方法。其中低功耗自适应数据传输方法的中心思想是节点产生随机数，并且与系统设定的阈值进行比较来选举簇头，该方法由于未考虑节点能量，有可能选择剩余能量低的节点成为簇头，导致节点提前死亡，影响网络的连通性；而中心化簇头数据传输方法的中心思想是由基站直接管理节点，通常选择剩余能量高的节点选举成为簇头节点，但该方法容易导致簇头在整个网络中分布不均。
当前的数据传输方法要么是让剩余能量低的节点成为簇头，导致节点过早死亡，影响网络连通性，要么使簇头在整个网络中分布不均。因此，提出一种既可以均衡网络中能量，又能保证网络连通性的数据传输方法是目前亟待解决的问题。
发明内容
本公开提供了一种数据传输方法、系统、终端设备及计算机可读存储介质，以至少解决上述问题。
根据本公开实施例的一方面，提供一种数据传输方法，包括：
分别为网络中每一分簇选择簇头；
分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果；以及，
基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。
在一种实施方式中，在分别为网络中每一分簇选择簇头之前，还包括：
将网络划分为若干层；以及，
分别计算每层网络的所有节点数目，并基于每层网络的所有节点数目将每层网络中所有节点划分为若干分簇。
在一种实施方式中，所述将网络划分为若干层，包括：
以基站为中心按不同半径将网络由内至外划分为若干层；
所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，包括：
基于各簇头所在层，分别计算各簇头与其靠近基站一侧的相邻层中所有邻居簇头之间的传输效益值。
在一种实施方式中，所述分别为网络中每一分簇选择簇头，包括：
分别获取网络中每一分簇内所有节点的剩余能量值及其到基站的距离；以及，
分别从网络中每一分簇内所有节点中选择剩余能量值与其到基站的距离的比值最大的节点作为该分簇的簇头。
在一种实施方式中，所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，包括：
分别获取各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头到其所有邻居簇头的距离；以及，
基于各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头到其所有邻居簇头的距离，分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值。
在一种实施方式中，所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，根据以下公式得到：
Figure BDA0002523975280000021
式中，i表示第i个簇头，j表示第i个簇头的第j个邻居簇头，costi,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的传输效益值，di,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的距离，Ej表示第i个簇头的第j个邻居簇头的剩余能量，d0表示自由空间信道模型和多径衰落信道模型的距离阈值，d表示节点间距离，εfs表示自由空间信道模型中的能量消耗放大因子，εmp表示多径衰落信道模型中的能量消耗放大因子。
根据本公开实施例的另一方面，提供一种数据传输系统，包括：
簇头选择模块，其设置为分别为网络中每一分簇选择簇头；
第一计算模块，其设置为分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果；以及，
传输模块，其设置为基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点
在一种实施方式中，所述系统还包括：
分层模块，其设置为在簇头选择模块选择簇头之前将网络划分为若干层；以及，
第二计算模块，其设置为分别计算每层网络的所有节点数目，并基于每层网络的所有节点数目将每层网络中所有节点划分为若干分簇。
根据本公开实施例的又一方面，提供一种终端设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行所述的数据传输方法。
根据本公开实施例的再一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，所述处理器执行所述的数据传输方法。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开实施例提供的一种数据传输方法、系统、终端设备及计算机可读存储介质，通过分别为网络中每一分簇选择簇头以及各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果，然后基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。本实施例通过计算簇头之间的传输效益值，并基于传输效益值最大的相邻簇头传输数据，可以有效提高数据传输效率，同时均衡网络中能量。
本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本公开技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。
图1为本公开实施例提供的一种数据传输方法的流程示意图；
图2为本公开另一实施例提供的一种数据传输方法的流程示意图；
图3为本公开又一实施例提供的一种数据传输方法的流程示意图；
图4为本公开实施例提供的数据传输系统的结构示意图；
图5为本公开实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序；并且，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
其中，在本公开实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本公开的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
为解决上述问题，本公开实施例提出了一种数据传输方法，本实施例在保证网络连通性的同时，以均衡网络中的能量消耗为目标，利用网络分层、分簇以及传输效益值等因素来传输数据，可以最大限度的保证不同层中的能量的均衡消耗，延长网络生存时间。
请参照图1，图1为本公开实施例提供的一种数据传输方法的流程示意图，所述方法包括步骤S103-S105。
在步骤S103中，分别为网络中每一分簇选择簇头。
可以理解的是，本实施例对网络进行分簇并为每个分簇选择簇头，每个分簇中包括簇头节点和非簇头普通节点，非簇头的普通节点的数据基于簇头与其它簇头之间形成的传输链完成数据传输。
在步骤S104中，分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果。
需要说明的是，邻居簇头为簇头在其通信半径范围内可与之进行通信的其它簇头。
其中，传输效益值用于衡量数据传输的效益，本实施例中传输效益值根据簇头间距离以及簇头剩余能量计算获得，其中传输效益值越小，数据传输效率更大，网络中能量越均衡。
在步骤S105中，基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。
相较于相关技术中，采用低功耗自适应簇头数据传输方法和中心化簇头数据传输方法进行数据传输方法，基于产生随机数并与系统设定的阈值进行比较选举簇头，以及由基站直接管理节点选择簇头的方式，再基于簇头传输数据，本实施例通过先对网络进行分簇再选择簇头，然后基于簇头节点和邻居簇头之间的传输效益值，选择效益值最小的邻居簇头作为下一跳中继簇头节点传输数据，既可以保证数据传输效率，同时可以均衡网络中能量。
进一步地，在分别为网络中每一分簇选择簇头之前，还包括步骤S101和步骤S102。
在步骤S101中，将网络划分为若干层；以及，
在步骤S102中，分别计算每层网络的所有节点数目，并基于每层网络的所有节点数目将每层网络中所有节点划分为若干分簇。
本实施例中，首先进行网络初始化，随机部署不同类型的传感器节点，然后将网络分层K层，计算每一层中的节点总数以及每一层所对应的分簇数量，再选择簇头并计算传输效益值，每个簇头节点选择具有最小传输效益值的邻居簇头作为其下一跳的中继簇头节点。
具体地，根据以下公式计算第k层中的节点总数目nk：
Figure BDA0002523975280000061
其中，k＝1,...,K，N表示网络中的节点数量；然后，基于节点总数目nk根据以下计算网络中每一层所对应的分簇数量mk：
Figure BDA0002523975280000062
相较于相关技术中直接在网络中选择簇头，本实施例通过对网络进行分层，然后基于各层中的节点数据进行分簇，再在各个分簇中选择簇头，所选择的簇头更加均匀，例如，可以以基站为中心在同心圆维度按不同半径将网络由内至外划分为若干层，具体可见本公开后文其它实施例，此处不再赘述。
请参照图2，图2为本公开另一实施例提供的一种数据传输方法的流程示意图，与上一实施例不同的是，给出了簇头选择以及簇头间传输效益值的具体示例，具体地，本实施例在上一实施例的基础上，将步骤S103进一步划分为步骤S201和步骤S202，并将步骤S104进一步划分为步骤S203和步骤S204。
在步骤S201中，分别获取网络中每一分簇内所有节点的剩余能量值及其到基站的距离；以及，
在步骤S202中，分别从网络中每一分簇内所有节点中选择剩余能量值与其到基站的距离的比值最大的节点作为该分簇的簇头。
本实施例中，在每一分簇内所有节点中选择最大
Figure BDA0002523975280000063
值的节点j作为簇头节点，其中，Ej表示簇内节点j的当前剩余能量，dj簇内节点j到基站的距离。节点的剩余能量越大，到基站的距离越短，传输数据的能力越强，效率越高，可进一步保证网络连通性。
进一步的，所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值(即，步骤S104)，包括：
在步骤S203中，分别获取各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头到其所有邻居簇头的距离；以及，
在步骤S204中，基于各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头到其所有邻居簇头的距离，分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值。
具体地，所述分别计算各簇头与其邻居簇头之间的传输效益值，根据以下公式得到：
Figure BDA0002523975280000071
式中，i表示第i个簇头，j表示第i个簇头的第j个邻居簇头，costi,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的传输效益值，di,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的距离，Ej表示第i个簇头的第j个邻居簇头的剩余能量，d0表示自由空间信道模型和多径衰落信道模型的距离阈值，d表示节点间距离，εfs表示自由空间信道模型中的能量消耗放大因子，εmp表示多径衰落信道模型中的能量消耗放大因子。
可以理解的是，上述公式，Ej簇头节点剩余能量越大，di,j簇头节点间的距离越小，costi,j簇头节点间的传输效益值越小。
请参照图3，图3为本公开又一实施例提供的一种数据传输方法，与上一实施例不同的是，本实施例公开了网络分层的进一步示例，然后基于各簇头的所在层与其靠近基站一侧的相邻层的邻居簇头之间的传输效益值，选择相邻簇头节点进行数据传输，以进一步均衡网络中能量，具体地，本实施例将步骤S101进一步划分为了步骤S101a。
在步骤S101a中，以基站为中心按不同半径将网络由内至外划分为若干层。
通常情况下，远离基站侧的最外层为最靠近用户发出消息的一层，靠近基站侧的最内层为靠近基站接收消息的一层，为了保证数据可以高效传输至基站，本实施例通过以基站为中心，在同心圆维度按不同半径将网络由内至外划分为若干层，并在各层中选择相应的簇头，实现数据的高效传输。
与相关技术相比，本实施例考虑了网络分层、分簇以及传输效益值等因素来传输数据，在保证网络连通性的前提下，保证了不同层中的能量的均衡消耗。
所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值(即，步骤S104)，具体为：
基于各簇头所在层，分别计算各簇头与其靠近基站一侧的相邻层中所有邻居簇头之间的传输效益值。
具体地，与上一实施例中的步骤S203和S204相对应的步骤为步骤S203a和步骤S204a：
在步骤S203a中，基于各簇头所在层，分别获取各簇头与其靠近基站一侧的相邻层中的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头到与其靠近基站一侧的相邻层中所有邻居簇头的距离；以及，
在步骤S204a中，基于所述各簇头与其靠近基站一侧的相邻层中的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头节点到与其靠近基站一侧的相邻层中的邻居簇头的距离，分别计算各簇头与其靠近基站一侧的相邻层中所有邻居簇头之间的传输效益值。
可以理解的是，本实施例中，用于分别计算各簇头与其邻居簇头之间的传输效益值的公式中，costi,j表示第k层中的第i个簇头节点与第(k-1)层中第i个簇头节点的第j个邻居簇头之间的传输效益值，i表示第k层中的第i个簇头节点，j表示在第(k-1)层中第i个簇头的邻居簇头。
基于相同的技术构思，本公开实施例相应还提供一种数据传输系统，如图4所示，所述系统包括簇头选择模块41、第一计算模块42以及传输模块43，其中，
所述簇头选择模块41，其设置为分别为网络中每一分簇选择簇头；
所述第一计算模块42，其设置为分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果；以及，
所述传输模块43，其设置为基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。在一种实施方式中，所述系统还包括：
分层模块，其设置为在簇头选择模块选择簇头之前将网络划分为若干层；以及，
第二计算模块，其设置为分别计算每层网络的所有节点数目，并基于每层网络的所有节点数目将每层网络中所有节点划分为若干分簇。
在一种实施方式中，所述分层模块具体设置为，
以基站为中心按不同半径将网络由内至外划分为若干层；
所述第一计算模块，包括：
第一计算单元，其设置为分别基于各簇头所在层，计算各簇头与其靠近基站一侧的相邻层中所有邻居簇头之间的传输效益值。
在一种实施方式中，所述簇头选择模块，包括：
第一获取单元，其设置为分别获取网络中每一分簇内所有节点的剩余能量值及其到基站的距离；以及，
选择单元，其设置为分别从网络中每一分簇内所有节点中选择剩余能量值与其到基站的距离的比值最大的节点作为该分簇的簇头。
在一种实施方式中，所述第一计算模块，包括：
第二获取模块分别获取各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头节点到其所有邻居簇头的距离；以及，
第二计算单元，其设置为基于所述各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头节点到其所有邻居簇头的距离，分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值。
在一种实施方式中，所述第一计算模块，根据以下公式得到：
Figure BDA0002523975280000091
式中，i表示第i个簇头，j表示第i个簇头的第j个邻居簇头，costi,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的传输效益值，di,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的距离，Ej表示第i个簇头的第j个邻居簇头的剩余能量，d0表示自由空间信道模型和多径衰落信道模型的距离阈值，d表示节点间距离，εfs表示自由空间信道模型中的能量消耗放大因子，εmp表示多径衰落信道模型中的能量消耗放大因子。
需要说明的是，本实施例提供的系统中的各模块分别用于执行上述方法实施例中的各个步骤，其原理已在上述方法实施例中详述，此处不再赘述。
基于相同的技术构思，本公开实施例相应还提供一种终端设备，如图5所示，所述终端设备包括存储器51和处理器52，所述存储器51中存储有计算机程序，当所述处理器52运行所述存储器51存储的计算机程序时，所述处理器52执行所述的数据传输方法。
根据本公开实施例的再一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，所述处理器执行所述的数据传输方法。
综上所述，本公开实施例提供的数据传输方法、系统、终端设备及计算机存储介质通过通过分别为网络中每一分簇选择簇头以及各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果，然后基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。本实施例通过计算簇头之间的传输效益值，并基于传输效益值最大的相邻簇头传输数据，可以有效提高数据传输效率，同时均衡网络中能量；进一步的，本实施例考虑了网络分层、分簇以及传输效益值等因素来传输数据，在保证网络连通性的前提下，保证了不同层中的能量的均衡消耗。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种数据传输方法，其特征在于，包括：
分别为网络中每一分簇选择簇头；
分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果；以及，
基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在分别为网络中每一分簇选择簇头之前，还包括：
将网络划分为若干层；以及，
分别计算每层网络的所有节点数目，并基于每层网络的所有节点数目将每层网络中所有节点划分为若干分簇。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将网络划分为若干层，包括：
以基站为中心按不同半径将网络由内至外划分为若干层；
所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，包括：
基于各簇头所在层，分别计算各簇头与其靠近基站一侧的相邻层中所有邻居簇头之间的传输效益值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别为网络中每一分簇选择簇头，包括：
分别获取网络中每一分簇内所有节点的剩余能量值及其到基站的距离；以及，
分别从网络中每一分簇内所有节点中选择剩余能量值与其到基站的距离的比值最大的节点作为该分簇的簇头。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，包括：
分别获取各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头到其所有邻居簇头的距离；以及，
基于各簇头的所有邻居簇头的剩余能量以及各簇头到其所有邻居簇头的距离，分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，根据以下公式得到：
Figure FDA0002523975270000021
式中，i表示第i个簇头，j表示第i个簇头的第j个邻居簇头，costi,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的传输效益值，di,j表示第i个簇头与其第j个邻居簇头之间的距离，Ej表示第i个簇头的第j个邻居簇头的剩余能量，d0表示自由空间信道模型和多径衰落信道模型的距离阈值，d表示节点间距离，εfs表示自由空间信道模型中的能量消耗放大因子，εmp表示多径衰落信道模型中的能量消耗放大因子。
7.一种数据传输系统，其特征在于，包括：
簇头选择模块，其设置为分别为网络中每一分簇选择簇头；
第一计算模块，其设置为分别计算各簇头与其所有邻居簇头之间的传输效益值，并得出计算结果；以及，
传输模块，其设置为基于所述计算结果，对于每一簇头将与其之间的传输效益值最小的邻居簇头作为该簇头进行传输消息的下一跳簇头节点。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：
分层模块，其设置为在簇头选择模块选择簇头之前将网络划分为若干层；以及，
第二计算模块，其设置为分别计算每层网络的所有节点数目，并基于每层网络的所有节点数目将每层网络中所有节点划分为若干分簇。
9.一种终端设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据权利要求1至6中任一项中所述的数据传输方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，所述处理器执行根据权利要求1至6中任一项所述的数据传输方法。
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