CN113766526A - 基于ris的ofdm通信频谱资源管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统及方法，其中系统包括有可重构反射超表面；基站分别与可重构反射超表面和用户设备连接，所述基站将入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向可重构反射超表面和用户设备发送所述基站编码信息；可重构反射超表面与所述用户设备连接，对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备。本发明采取的可重构反射超表面作为传输天线，可重构反射超表面上接收到的信号能够直接反射到用户设备上，没有额外的硬件功耗产生，从而降低了功耗损失，提高了通信链路的质量。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯技术技术领域，特别是涉及一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统及方法。
背景技术
移动设备的数量爆炸式增长，引发了未来无线系统对高速且无缝数据服务的迫切需求，无线信道对无线多媒体业务的需求日益增长。然而，由于无线信道的时间色散特性，高速数据通信受到码间干扰的严重限制。为解决这一问题，正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)系统发展成为一种应用广泛的多载波系统。OFDM技术的原理是将一个高速率的数据流分割成多个低速率的数据流，然后这些数据流在多个正交子载波上同时传输。随着低速率并行流中符号持续时间的增加，由多径延迟扩展引起的时间分散的相对量减小。此外，应用OFDM系统，码间干扰几乎可以被完全消除从而提供可靠和高速率的数据通信。
但是现有技术中，对于OFDM系统多是采用传统天线进行目标信号的增强，依赖于传统天线例如相控阵天线发射的散射波进行信号的传输，这就不可避免的会带来高功耗的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统及方法，利用可重构反射超表面(Reconfigurable intelligent surface，RIS)，可重构反射超表面上接收到的信号直接反射到用户设备上，没有额外的硬件功耗产生，从而降低了功耗损失，提高了通信链路的质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统，包括：基站、可重构反射超表面、控制模块和至少一个用户设备；
所述基站分别与所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，所述基站用于将入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向所述可重构反射超表面和所述用户设备发送所述基站编码信息；所述可重构反射超表面与所述用户设备连接；所述可重构反射超表面用于对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备；
所述控制模块与所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，所述控制模块用于根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息，根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制。
优选地，所述控制模块包括：
获取单元，与所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，用于获取所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息；
第一确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息确定所述平均总数据速率；
第二确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述频谱信息确定第一约束条件；
第三确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述功率分配信息确定第二约束条件；
模型构建单元，分别与所述第一确定单元、所述第二确定单元和所述第三确定单元连接，用于根据所述系统总数据速率、所述第一约束条件和所述第二约束条件构建所述优化模型；
优化单元，与所述模型构建单元连接，用于以所述总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，得到所述最优变量信息；所述最优变量信息包括：优化后的频谱信息、优化后的功率分配信息和优化后的波束成形信息；
配置单元，分别与所述优化单元、所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备，用于根据所述最优变量控制所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备之间的信息传输，以使所述平均总数据速率达到最大值。
优选地，所述优化单元包括：
优化子单元，与所述模型构建单元连接，用于在所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息中任意两项优化变量不变的前提下，采用非凸优化算法对另一项优化变量进行优化。
一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理方法，包括：
控制基站对入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向可重构反射超表面和用户设备发送所述基站编码信息；
利用所述可重构反射超表面对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备；
根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息；
根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制。
优选地，所述根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息，包括：
获取所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息；
根据所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息确定所述平均总数据速率；
根据所述频谱信息确定第一约束条件；
根据所述功率分配信息确定第二约束条件；
根据所述系统总数据速率、所述第一约束条件和所述第二约束条件构建所述优化模型；
以所述总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，得到所述最优变量信息；所述最优变量信息包括：优化后的频谱信息、优化后的功率分配信息和优化后的波束成形信息。
优选地，所述根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制，以使所述平均总数据速率达到最大值，包括：
根据所述最优变量控制所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备之间的信息传输，以使所述平均总数据速率达到最大值。
优选地，所述采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，包括：
在所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息中任意两项优化变量不变的前提下，采用非凸优化算法对另一项优化变量进行优化。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统及方法，其中系统包括有可重构反射超表面；基站分别与可重构反射超表面和用户设备连接，所述基站将入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向可重构反射超表面和用户设备发送所述基站编码信息；可重构反射超表面与所述用户设备连接，对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备。本发明采取的可重构反射超表面作为传输天线，可重构反射超表面上接收到的信号能够直接反射到用户设备上，没有额外的硬件功耗产生，从而降低了功耗损失，提高了通信链路的质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例中的OFDM通信频谱资源管理系统示意图；
图2为本发明提供的实施例中的OFDM通信频谱资源管理方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
本发明的目的是提供一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统及方法，利用了可重构反射超表面，可重构反射超表面上接收到的信号直接反射到用户设备上，没有额外的硬件功耗产生，从而降低了功耗损失，提高了通信链路的质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例中使用的天线介质为RIS，这是一种超平面天线，由许多亚波长大小的反射单元拼接而成。每个反射单元的反射系数可以通过施加不同的偏置电压来调节，因此整个反射面的反射系数是可以编程控制的，将每个RIS元件的电磁响应(如相移)可以通过编程进行控制，进而将入射信号以定向波束的形式反射，最终传播环境塑造成理想的形态。
为了进一步在复杂的时变无线环境中提高链路质量，一种新的传输技术RIS应运而生，该技术通过控制多个RIS单元的电磁响应，将传播环境塑造成理想的形态。不同于现有的用于增强目标信号的方法均依赖于额外的硬件，带来高功耗和高复杂度的信号处理等问题，RIS是一种超薄表面，嵌有多个RIS元件，它们的电磁响应(如相移)可以由简单的可编程二极管控制。与传统天线发射的散射波不同，在基于RIS的可编程传播环境中，接收信号直接反射到接收机，没有额外的硬件功耗产生，并且提高了链路质量和覆盖面积。
图1为本发明提供的实施例中的OFDM通信频谱资源管理系统示意图，如图1所示，本实施例中的一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统，包括：基站、可重构反射超表面、控制模块和至少一个用户设备。
所述基站分别与所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，所述基站用于将入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向所述可重构反射超表面和所述用户设备发送所述基站编码信息；所述可重构反射超表面与所述用户设备连接；所述可重构反射超表面用于对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备。
所述控制模块与所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，所述控制模块用于根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息，根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制。
优选地，所述控制模块包括：
获取单元，与所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，用于获取所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息；
第一确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息确定所述平均总数据速率；
第二确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述频谱信息确定第一约束条件；
第三确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述功率分配信息确定第二约束条件；
模型构建单元，分别与所述第一确定单元、所述第二确定单元和所述第三确定单元连接，用于根据所述系统总数据速率、所述第一约束条件和所述第二约束条件构建所述优化模型；
优化单元，与所述模型构建单元连接，用于以所述总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，得到所述最优变量信息；所述最优变量信息包括：优化后的频谱信息、优化后的功率分配信息和优化后的波束成形信息；
配置单元，分别与所述优化单元、所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备，用于根据所述最优变量控制所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备之间的信息传输，以使所述平均总数据速率达到最大值。
优选地，所述优化单元包括：
优化子单元，与所述模型构建单元连接，用于在所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息中任意两项优化变量不变的前提下，采用非凸优化算法对另一项优化变量进行优化。
可选地，在RIS辅助的OFDM系统中，RIS辅助基站与N个用户进行通信，传输时间线被划分为T个时隙，可用的频谱资源一共被划分为K个正交子信道，为了避免同一子信道中的严重干扰，在每个时隙中，一个子信道支持服务一个用户,用
表示每个时隙中的信道分配情况，其中
则表示在第t个传输时隙中子信道k被分配用于用户n的传输，
则表示在第t个传输时隙中子信道k没有被分配用于用户n的传输。
如图1所示，传输链路包括基站与用户之间的直接传输链路和经过RIS的反射传输链路，假设RIS上包含Nx×Ny个超材料辐射单元，每个单元对信号的相位改变(频响因子)为
每个RIS每个辐射单元与每个用户之间的传输信道可根据实际情况利用计算机进行模拟，基站向用户n发送的信号为sn,则基站与用户n在t时刻通过子信道K传输时的数据速率可以表示为：
其中，
为基站与用户之间的直射信道，
为基站到RIS各个反射单元的信道矩阵，
为RIS各个反射单元到用户的信道矩阵，
为基站的发射功率。
本发明考虑通过优化频谱分配方案，功率分配方案以及RIS波束成形方案使得系统在传输时间内平均总数据速率达到最大，该问题可建模为：
其中，第一个约束可保证在每个时隙中，一个子信道支持服务一个用户，第二个约束为基站每个时隙的总功率约束。
具体的，本实施例中采用非凸优化的数学方式来进行求解的。
本发明采用迭代优化法优化每个时隙的频谱分配方案，功率分配方案以及RIS波束成形方案，即保持其他两个优化变量不变的情况下，优化另一个变量。
具体优化的步骤如下：
(1)优化频谱分配方案
(2)优化基站功率分配方案
(3)优化RIS波束成形方案q。
(4)判断两次相邻迭代总数据速率之差是否小于阈值？若是，则迭代结束；若否则跳转步骤(1)。
图2为本发明提供的实施例中的OFDM通信频谱资源管理方法流程图，如图2所示，本实施例中还提供了一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理方法，包括：
步骤100：控制基站对入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向可重构反射超表面和用户设备发送所述基站编码信息；
步骤200：利用所述可重构反射超表面对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备；
步骤300：根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息；
步骤400：根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制。
优选地，所述根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息，包括：
获取所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息；
根据所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息确定所述平均总数据速率；
根据所述频谱信息确定第一约束条件；
根据所述功率分配信息确定第二约束条件；
根据所述系统总数据速率、所述第一约束条件和所述第二约束条件构建所述优化模型；
以所述总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，得到所述最优变量；所述最优变量包括：优化后的频谱信息、优化后的功率分配信息和优化后的波束成形信息。
优选地，所述根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制，以使所述平均总数据速率达到最大值，包括：
根据所述最优变量控制所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备之间的信息传输，以使所述平均总数据速率达到最大值。
优选地，所述采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，包括：
在所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息中任意两项优化变量不变的前提下，采用非凸优化算法对另一项优化变量进行优化。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明中的RIS辅助OFDM通信功耗低，硬件成本也很低，相对相控阵天线有很大的优势。
(2)本发明综合考虑了OFDM频谱，RIS相位配置，基站发射功率分配方案之间的耦合关系，更具有普适性，符合实际场景。
(3)本发明考虑了在OFDM系统中整段传输时间内的平均总数据速率，考虑了每个不同时隙之间的影响，效果更好。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统，其特征在于，包括：基站、可重构反射超表面、控制模块和至少一个用户设备；
所述基站分别与所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，所述基站用于将入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向所述可重构反射超表面和所述用户设备发送所述基站编码信息；所述可重构反射超表面与所述用户设备连接；所述可重构反射超表面用于对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备；
所述控制模块与所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，所述控制模块用于根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息，根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于RIS的OFDM通信频谱资源管理系统，其特征在于，所述控制模块包括：
获取单元，与所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备连接，用于获取所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息；
第一确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息确定所述平均总数据速率；
第二确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述频谱信息确定第一约束条件；
第三确定单元，与所述获取单元连接，用于根据所述功率分配信息确定第二约束条件；
模型构建单元，分别与所述第一确定单元、所述第二确定单元和所述第三确定单元连接，用于根据所述系统总数据速率、所述第一约束条件和所述第二约束条件构建所述优化模型；
优化单元，与所述模型构建单元连接，用于以所述总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，得到所述最优变量信息；所述最优变量信息包括：优化后的频谱信息、优化后的功率分配信息和优化后的波束成形信息；
配置单元，分别与所述优化单元、所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备，用于根据所述最优变量控制所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备之间的信息传输，以使所述平均总数据速率达到最大值。
3.根据权利要求2所述的基于可重构反射超表面的D2D通信系统，其特征在于，所述优化单元包括：
优化子单元，与所述模型构建单元连接，用于在所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息中任意两项优化变量不变的前提下，采用非凸优化算法对另一项优化变量进行优化。
4.一种基于RIS的OFDM通信频谱资源管理方法，其特征在于，包括：
控制基站对入射信号进行编码，得到基站编码信息，并分别向可重构反射超表面和用户设备发送所述基站编码信息；
利用所述可重构反射超表面对所述基站编码信息进行模拟波束成形，得到超表面编码信息，并将所述超表面编码信息以定向波束的形式发射至所述用户设备；
根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息；
根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制。
5.根据权利要求4所述的基于RIS的OFDM通信频谱资源管理方法，其特征在于，所述根据所述基站与所述用户设备进行通信时的频谱信息、所述基站的功率分配信息和所述可重构反射超表面的波束成形信息构建优化模型，并以所述基站与所述用户设备之间的总数据速率最大为优化目标，对所述优化模型进行优化，得到最优变量信息，包括：
获取所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息；
根据所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息确定所述平均总数据速率；
根据所述频谱信息确定第一约束条件；
根据所述功率分配信息确定第二约束条件；
根据所述系统总数据速率、所述第一约束条件和所述第二约束条件构建所述优化模型；
以所述总数据速率最大为优化目标，采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，得到所述最优变量信息；所述最优变量信息包括：优化后的频谱信息、优化后的功率分配信息和优化后的波束成形信息。
6.根据权利要求4所述的基于RIS的OFDM通信频谱资源管理方法，其特征在于，所述根据所述最优变量信息对所述基站和所述可重构反射超表面进行控制，以使所述平均总数据速率达到最大值，包括：
根据所述最优变量控制所述基站、所述可重构反射超表面和所述用户设备之间的信息传输，以使所述平均总数据速率达到最大值。
7.根据权利要求4所述的基于RIS的OFDM通信频谱资源管理方法，其特征在于，所述采用迭代优化法对所述优化模型中的所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息进行优化，包括：
在所述频谱信息、所述功率分配信息和所述波束成形信息中任意两项优化变量不变的前提下，采用非凸优化算法对另一项优化变量进行优化。
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|---|---|---|---|---|
| CN114844539A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-08-02 | 杭州腓腓科技有限公司 | 一种基于全息多址接入的资源分配方法及装置 |
| CN114845397A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-08-02 | 杭州腓腓科技有限公司 | 基于可重构全息超表面的频率资源管理方法及装置 |
| WO2023220978A1 (en) * | 2022-05-18 | 2023-11-23 | Huawei Technologies Co., Ltd. | Systems and methods for control signaling for using a reconfigurable intelligent surface in communication systems |
-
2021
- 2021-09-07 CN CN202111044855.0A patent/CN113766526A/zh not_active Withdrawn
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