CN1201493C - 性能约束条件下编码数据块尺寸最佳化的方法 - Google Patents
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Abstract
使得要进行迭代译码的编码数据块的尺寸最佳化的方法,将在迭代译码的输出中的最大错误率提前固定,该方法在多个块尺寸(N/k)(这些块尺寸是正常块尺寸被大于或等于1的整数因子(k)除的约数)和给出能够对一个块实施所述迭代译码的最大迭代数目(niterations (k))的多个整数中间搜索约数尺寸和最大迭代数目,以使得它们与所述最大错误率相兼容,并使得对约数尺寸的块实施迭代译码的平均迭代数目(iterations (k))尽可能低。
Description
技术领域
本发明涉及使得要进行迭代译码的编码数据块的尺寸最佳化的方法,诸如在快速译码器(turbodecoder)或快速均衡器(turboequaliser)中实施的方法。该方法特别可应用于所谓的第三代电信系统。
背景技术
快速码(turbocode)的概念是由C.Berrou,A.Glavieux和P.Thitimajshima在他们的论文“Near Shannon Limit Error-Correcting Coding and Decoding:Turbo-codes(接近香农极限的纠错编码和译码:快速码)”,ICC-1993,Conference Proceedings,pp.1064-1070中引入的,正如已知的,它已获得了许多发展。
我们记得,快速编码(turbocoding)是利用交织(interleaving)步骤分开的基本码的级联产生的。这些基本码可以具有不同的类型:用于卷积快速码的递归系统码(表示为RSC)或用于块快速码的块码(RS,BCH)。后者是由R.Pyndiah,P.Combelles和P.Adde在题目为“A very low complexity block tubo decoder for product codes(用于乘积码的非常低复杂性的块快速译码器)”,pubeished in Proc.Of IEEE Globecom.,pp.101-105的论文中描述的。已经设想了不同类型的级联,诸如并行级联,在其中相同的信息在被交织后由每个编码器分开地编码,以及串行级联,其中将每个编码器的输出在被以后的编码器编码以前进行交织。详细的说明,对于并行级联,可以参考上述的、Berrou等的文章,而对于串行级联,可以参考S.Benedetto,G.Montorsi,D.Divsalar,和F.Pollara的文章,“Serialconcatenation of interleaved codes:Performance analysis,design and iterative decoding(交织码的串行级联:性能分析,设计和迭代译码)”,JPL TDA Progr.Rep.,Vol.42-126,Aug.1996。
快速码的译码传统上借助于迭代过程(也称为快速译码)来实施,包含一系列基本译码操作,每个基本译码操作接收加权的输入值和提供加权的输出值,分别关系到相应的基本编码操作的输入,以及对于串行快速码,关系到相应的基本编码操作的输出。这些加权的输入和输出值代表在相应的基本编码器的输入端和输出端(对于串行快速码)处的二进制和M进制的概率。去交织和交织操作作为在编码时执行的交织操作的功能而发生,并使得每个基本译码操作能够以与相应的编码操作的输入端处的相同次序考虑该数据。
图1a示意地显示快速编码器的例子。所显示的快速编码器是二维并行快速编码器。具有数据块形式的信息x被第一基本编码器110编码,以便提供第一输出值y1,以及在由交织器115交织后,被第二基本编码器120编码,以便提供第二输出值y2。系统信息在被信道交织器140交织之前,在130中与编码的信息y1和y2相乘。
在接收方面,通过图1b所示的快速译码器对信息进行译码。在信道去交织器145中去交织后,信息x,y1,和y2被多路分路器150分路。例如,Log MAP型的基本译码器160和170分别对应于基本编码器110和120。加权输入和输出型的译码器160接收x的先验信息和编码信息y1,以便由此得出x的后验信息。后验信息与先验信息之间的差值被称为外在信息。将x的先验信息与由第一译码器提供的外在信息e1交织,然后相加,以便将x的新的先验信息(或更精确地是x′的,即x的交织的版本)提供到译码器170。译码器170从这个先验信息和编码信息y2估值x的后验信息。通过在171中差值从中得出固有信息e′2,之后,在去交织器180中进行去交织,然后在151中被加到系统信息上,以便把x的新的先验信息提供到译码器160。然后将这些译码步骤重复进行预定数目niteration的迭代。译码器170的输出端处的适应性强的数值被提交到判决装置190,以便提供硬判决值。对190的输出操作的纠错检验195确定译码块是否无错误的,并在肯定的情形下,中断迭代而不必等待到达预定数目niteration。另外,为了决定迭代停止,快速译码器可以不使用CRC,而使用关于加权值的另一个停止准则,诸如在J.Hagenauer等的、题目为“Iterative decoding of binary blockand convolutional codes(二进制块和卷积码的迭代译码)”,IEEETransactions on Information Theory,vol.42,pp.429-445,March1996的文章或在M.Moher的、题目为“Decding via cross entropyminimization(通过熵最小化的译码)”,Proc.IEEE Globecom Conf.,Houston,TX,pp.809-813,Dec.1993的文章中揭示的准则。
迭代译码的原理由C.D等在题目为“Iterative Correction ofIntersymbol Interference:Turbo-equalization(符号间干扰的迭代校正:快速均衡)”,European Trans.Telecomm.,vol.6,No.5,Sept./Oct.,pp.507-511的文章中被更换为均衡。这种迭代均衡方法,也被称为快速均衡,是从以下原理出发的:受符号间干扰(ISI)影响的信道可被认为是等价于卷积编码器,因此,信道编码器、交织器和传输信道的级联本身可认为等价于快速编码器。
图2b示意地表示快速均衡器的结构。假设在与图2a所示的发射机相同的一侧,数据在编码器201中受到信道编码,之后在交织器202中被交织,并在调制器203中进行M进制的符号变换。将数据以被信道交织器204交织的符号块的形式进行发送。该快速均衡器首先包括信道去交织器210,后面跟有Log-MAP型加权输出均衡器,提供编码数据的适应性强的数值。这些数据在去交织器230中被去交织,之后由带有加权输出的Log-MAP型译码器进行译码。从译码器240发出的适应性强的数值被提交到判决装置250,提供相应的硬判决值。在译码器240的输入端处的加权值被从输出值中减去,以便提供外在信息e。在交织后,该外在信息一方面从均衡器220的输出中被减去,另一方面被重新调制,之后被发送到均衡器220。从接收的符号和被重新调制的固有信息,均衡器220进行新的先验估算。快速均衡器因此对符号块实行预定数目的迭代。在250的输出的纠错检验260诊断存在或是不存在错误,迭代过程被中断不再迭代,而不必等待到预定的数目。另外停机准则可以关系到加权值,正如在上面看到的。
关于设计,应当指出,对于快速编码和快速均衡可以在同一个处理器内或在被排列成流水线的专用电路中一个接一个地实行迭代,每个负责给定秩数的迭代。
在快速编码和快速均衡的情形下,用误码率(BET)或分组错误率(PET)来表示的性能越好,内部交织器(IL)的尺寸N的长度越大。这是因为内部交织器的尺寸增加,也就是说对其实行交织的块的尺寸增加,改进了快速码的汉明(Hamming)加权分布和迭代译码的效能。该交织增益随快速码类型而变化。此后,术语“性能”将与译码数据的BET或PET无差别地使用。
图3示例地显示图1a的快速编码器的交织增益,当块的尺寸N从200改变到1000时,它的基本编码器是多项式(13,15)oct的RSC(递归系统卷积)编码器。
接收机的等待时间(是一段时间,在这个时间末尾,接收的数据块或符号块实际上是以译码的形式可供使用的)是应用项的关键参量,以及在使用低的N数值时从现有技术水平知道的。
接收机处的等待时间实际上可被写为:
其中Dd是每次迭代的译码速率,以及Trec是对于得到以去交织的形式的数据块所必须的时间。
等待时间的减小可以通过减小块的尺寸而达到,然而,代价是系统效能的相对降低,正如在图3上看到的。基于本发明的问题是在不恶化性能的条件下,确定有可能得到比起现有技术水平更低的等待时间的块尺寸N。
当迭代译码由快速处理器处理时,关键的资源不再是等待时间,而是用于执行计算所耗费的能量,它本身也是取决于译码时牵涉到的操作数量。
发明内容
本发明要解决的问题是在不恶化性能的条件下,确定允许比起现有技术水平更低的资源耗费的块尺寸N。
本发明给出的解决方案是通过使得将进行迭代译码的编码数据块的尺寸最佳化的方法来规定的,在迭代译码的输出中的最大错误率被提前固定,该方法在多个块尺寸(这些块尺寸是正常块尺寸的约数(submultiple),整数因子大于或等于1)和给出能够对一个块实施所述迭代译码的最大迭代数目的多个整数之中搜索约数尺寸和最大迭代数目,以使得它们与所述最大错误率相兼容,并使得对约数尺寸的块实行迭代译码的平均迭代数目是最低可能的。
有利地,对于给定的因子k的约数尺寸和给定的最大迭代数目,所述平均迭代数目是按照信号噪声比被确定为由迭代译码对于一系列次倍量尺寸的块的每个块实施的迭代数目的平均值,如果约数尺寸的块满足预定的可靠性准则,或如果对于这个块的迭代的数目达到所述给定的最大迭代数目,则停止进行迭代。
最好将对于不同的约数尺寸、不同的最大迭代数目和不同的信号噪声比的平均迭代数目存储在一个表中,这个表随着迭代译码的进行可被更新。通过从表上可获得的数值的内插将有利地选择平均迭代数目。
所述搜索能够被限制到具有大于预定值的数值的整数。
按照一个实施例,在搜索之前,确定与最大预定的译码时间相兼容的、对于正常块尺寸的最大迭代数目,在所述多个约数块尺寸和所述多个整数中间的搜索被限制到这样的数值,以使得对约数尺寸的块实施迭代译码的平均迭代数目小于所述最大迭代数目。
本发明也是由迭代译码编码的数据块的方法规定的,这些块具有初始尺寸,所述方法通过上面揭示的最佳化方法确定最佳块尺寸以及与这个尺寸相关的最大迭代数目。将在初始尺寸的块中的数据编码为一系列最佳尺寸的子块,通过迭代译码的一系列迭代,将这些子块逐个地译码,如果满足预定的可靠性准则,或如果迭代的数目达到与所述最佳尺寸相关的所述最大迭代数目,则对于子块停止进行迭代。
本发明也是由迭代译码编码的数据块的方法规定的,这些块具有初始尺寸,其中通过上面揭示的最佳化方法确定最佳块尺寸以及与这个尺寸相关的最大迭代数目。将初始尺寸的块的数据编码为一系列最佳尺寸的子块,通过对每个子块接连地实施迭代译码的迭代,将这些子块译码,如果满足预定的可靠性准则,或如果迭代的数目达到与所述最佳尺寸相关的最大迭代数目,则对于子块不实行迭代。
本发明涉及用于迭代译码由快速编码器编码的数据块的设备,具有用于实施以上所规定的最佳化方法的装置,所述装置提供最佳块尺寸和每个最佳尺寸块的最大迭代数目,该设备还包括用于将最佳块尺寸信息发送到快速编码器的装置。
本发明也涉及编码/译码系统,包括用来编码数据块的快速编码器和以上规定的迭代译码设备,用来译码由快速编码器编码的数据块,后者包括用于接收所述最佳块尺寸信息和用于按照所述接收的信息修正至少一个内部交织器的尺寸的装置。
本发明也涉及用于编码数据块的设备,该设备具有用于实施以上规定的最佳化方法的装置,所述装置提供最佳块尺寸,该设备还包括用于按照所述最佳块尺寸自适应地修正编码数据块的尺寸的装置。
最后,本发明涉及用于对利用编码器编码的和被调制的数据块进行快速均衡的设备,具有用于实施以上所规定的最佳化方法的装置,所述装置提供最佳块尺寸,所述设备还包括用于将最佳块尺寸信息发送到编码器的装置。
附图说明
通过阅读以下的对于示例性实施例的说明,将更清楚地了解上述的本发明的特征等等,所述说明是相对于附图给出的,其中:
图1a示意地显示现有技术水平的已知的快速编码器的例子;
图1b示意地显示用来译码由图1a的快速编码器编码的数据的、具有已知的结构的快速译码器的例子;
图2a示意地显示现有技术水平的已知的发射机的例子;
图2b示意地显示现有技术水平的已知的快速均衡器的例子;
图3显示图1a的快速码编码器的交织增益,从第一块尺寸改变到第二块尺寸;
图4显示对于给定的最大的迭代数目和当使用完备的停机准则时,图1b的快速码译码器的平均的迭代数目;
图5显示对于满足完备的停止准则所必须的迭代数目的直方图;
图6显示由于本发明引起的、平均迭代数目的优点;
图7显示按照本发明的第一实施例的、确定最佳块尺寸的方法的流程图。
具体实施方式
基于本发明的一般概念利用这样的事实:在迭代译码器中,对于预定的迭代数目niterations,将被称为设置数,数据块可以在计划最后迭代以前被整个地译码。例如,如果迭代停机准则是完备的准则(零BET,也就是说,在块中完全不存在错误),则平均的迭代数目
niterations常常小于设置数,正如在图4上看到的。这个图显示对于不同的niterations,niterations按照信号噪声比的改变。可以看到,对于给定的数目niterations,平均迭代数目没有达到这个数值,当信号噪声比是很高时,这更是这种情形。自然,实际上,没有完备的停机准则:例如通过CRC测试到不存在错误,以及一旦CRC不再检测到错误,就停止迭代。有关
niterations相对于niterations,改变的结论无论如何总是保持正确的。
图5示意地显示为得到零BET(和因此PET)所必须的迭代数目的直方图。实际上,由于不可能实施无限大数目的迭代,正如以上看到的,由此得出按照(1)的、与等待时间和交织器的尺寸相兼容的、设置的迭代数目niterations。直方图的平均值
n∞相应于无限大设置数。对于给定的设置数,平均值
niterations被取为曲线的画阴影线的面积。
假设给定设置的等待时间T,以及已确定满足Tlatency≤T的一对数值(niterations,N),其中Tlatency由(1)给定。此后,niterations和Tlatency分别被表示为niterations (1)和Tlatency (1)。
现在假设块的尺寸N,从而假设快速编码器或快速均衡器的内部交织器的尺寸,被除以非零整数k。等待时间Tlatency (k)(在这个时间的末尾,减小的尺寸N/k的k个数据块被译码)然后被表示为:
其中Trec (k)是接收时间,在这个时间的末尾,尺寸N/k的k个数据块是在接收机中可供使用的,其中是以交织的形式可应用的。在不存在信道交织时,这个接收时间等于
其中N/(k·Du)是尺寸N/k的第一块的接收时间,以及δtrec (i)是接收机必须在第(i-1)块的译码的结尾与第(i)块的接收的结尾之间等待的时间。因此,这给出: 另一方面,当在发射机中实施具有Mk>N/k的尺寸Mk的信道交织时,这给出:
其中δrec (i)是在第(i-1)组的k·Mk/N块的去交织的结尾与一方面它们的译码以及另一方面第i组的接收的结尾之间的等待时间。实际上,将取Mk=N,所以Trec (i)=Mk/Du。
niterations(i)是使用预定的停机准则和对于给定的设置的迭代数目时,由译码器对尺寸N/k的第i块实施的迭代数目niterations (k)。
niterations (k)是在k个块的组上作出的平均的迭代数目。应当指出,
niterations (k)通常取决于对于块的尺寸N/k选择的设置的号码niterations (k)和信号噪声比。此后,项(N/k,niterations (k))将被使用于快速码,作用在尺寸N/k的块以及借助于每个块至多niterations (k)而被译码。
首先应当指出,通常,信道交织的尺寸Mk随k增加而减小(在广义上),所以是k的递减函数:Trec (k+1)≤Trec (k)是否应用信道交织。
还应当指出,停机准则可以容忍预定的残余误码率。如上所述,可以使用停机准则作用在加权输出或输出或外来信息,当达到预定的可靠性门限值时,可以触发迭代停机。在所有的情形下,停机准则关系到译码的数据块的可靠性,正因为这个原因,它也被称为可靠性准则。所使用的停机准则被选择成对于所有的k的数值都是相同的。
本发明是基于这样的事实:迭代译码过程通常在达到最大设置的迭代数目之前收敛,有可能找到整数k和设置的数目ninerations (k),以使得平均的迭代数目
niterations (k)是达到
niterations (k)<niterations (1),所以必须Tlatency (k)<T。
图6显示两种情形之间的比较。迭代由在块的长度上延伸的水平线表示。如果在迭代后仍有错误,该线是虚线,否则是实线。错误的位置用打叉符号表示。图的顶部显示对尺寸N的块的迭代译码过程,对于设置的数目niterations (1)=3的迭代,满足等待时间约束条件3N/Dd<T(为了简化起见,假设没有信道交织以及接收时间是零)。迭代过程在第3次迭代的末尾没有收敛,以及译码的块具有残余误差。该图的底部显示当块的尺寸被除以10时的情形。设置的数目niterations (10)被选择为等于4。可以看到,对于大多数的块,迭代过程在四次迭代之前和甚至在三次迭代之前收敛。在本例中,只有块No.8在第4次迭代的末尾仍旧有错误。对于同样的错误,因此从3N/Dd的等待时间改变到2.6N/Dd的等待时间。
一般地,因子k和迭代数目niterations (k)的选择使得有可能从等待时间Tlentacy (1)变到更短的等待时间Tlentacy (k),而同时满足给定的性能约束条件。然后在k和niterations (k)的数值中间搜索它们的数值对,使得有可能得到最短的可能的等待时间Tlentacy (k)。所采用的k的数值必须足够大,以便对于减小的尺寸N/k的k个块进行等待时间的平均。
图7示意地给出按照本发明的第一实施例的、在性能约束条件下块尺寸最佳化的方法的流程图。710处显示的发送使用内部交织长度和块尺寸N。在接收方面,在720处,从N和最大等待时间T的估值721,借助于方程(1)确定最大迭代数目niterations (1)。在第二步骤730,系统接着在表731内选择k(k≥1以及是N的除数)的数值以及与需要的性能水平(level)(BET,PET)(关系到信号噪声比)相兼容的niterations (1)。按照本发明的变例,当使用固定尺寸的信道交织(所以Trec (k)是常数)时,搜索被提前限制于数值k的数值和niterations (k),以使得
niterations (k)<niterations (1)。然后在730,在所选择的数值中间确定给出最短的等待时间Tiatency (k)的数值对(N/k,niterations (k))。
在740,测试所采用的k的数值是否大于对于等待时间的平均所必须的数值kmin。在肯定的情形下,数值k和从而新的块的尺寸N/k通过返回信道被发送到发射机。然后,快速编码器调整块的尺寸和它的内部交织器的尺寸到这个新的数值。在否定的情形下,最佳化过程终结,以及块尺寸保持不变。
作为所描述的实施例的替换例,不实行测试740,对表731的搜索限制于大于kmin的k的数值。
表731可以从得到的性能和实际的迭代数目被提前或在事件后产生。它也可以在系统在使用时被提前产生或完成。表上没有提供的数值可以从已有的数值通过内插进行计算。
按照本发明的第二实施例,块的尺寸最佳化的过程在发射机处实施,以及系统在接收机与发射机之间没有返回信道。块的尺寸在发射机处被修正,每个块的最大迭代数目在接收机处在服从迭代译码的输出中的最大错误率的约束条件下尽可能被减小。这样,得到平均迭代数目,从而得到被减小的最大可能的限度的接收机等待时间。
无论哪个实施例,当块的尺寸N被除以因子k时,迭代过程可以以两个可能的方式实施。
按照第一变例,对于k个块的每个块,实施第一次译码迭代,然后在第一迭代后对于具有剩余错误的块实施第二次译码迭代,等等,直至分配给用于k个块的译码的可供使用的资源或时间用完为止。在每次过程,具有剩余的错误的块由停机准则被识别。这样,可以确信,可供使用的资源和分配的时间以最佳的方式被使用,以及避免在译码一个块时“拖延”太长,如果k不是足够大以确保迭代数目的足够的平均,它会有损于以后的块。
在图6的例子的情形下,这个变例的实施将是如下:
1.对于块1到10迭代#1
2.对于块1到10迭代#2 ->块1,2,5,6,10正确
3.对于块3,4,7,8,9迭代#3 ->块3,4,7,9正确
4.对于块8迭代#4
当信道交织的持续时间Trec (k)=Mk/Du是固定时或当k很小时,这个第一译码变例是有利的。这是因为在第一种情形下在能够译码一个块之前必须等待一段时间Mk/Du,以及在第二种情形下,它使得有可能补救任何平均缺陷。
按照第二变例,k=10个块的每个块顺序地被译码。在最大niterations (10)=4时,使用停机准则对每个块顺序地实施译码迭代,以便在所有的10个块上进行平均,达到每个块
在图6的例子的情形下,这个变例的实施将是如下:
1.对于块1迭代1到2
2.对于块2迭代1到2
3.对于块3迭代1到3
4.对于块4迭代1到3
5.对于块5迭代1到2
6.对于块6迭代1到2
7.对于块7迭代1到3
8.对于块8迭代1到niterations (10)=4
9.对于块9迭代1到3
10.对于块10迭代1到2
当信道交织时间Trec (k)=Mk/Du是不固定时或当k很大时,这个第二译码变例是有利的。这是因为如果时间Mk/Du是不固定的,则它可被减小到相应于对k′<k个接连的尺寸k/N的块的交织的数值,这可能以性能损失为代价。结果,由(2)式给出的等待时间Tlatency (k)也减小。
必须指出,至今为止主要关心的最大等待时间只是对于实施迭代译码的可供使用的资源的一个例子。资源也意味着由处理器耗费的能量,本身是迭代数目的函数。更一般地,可供使用的资源将意味着易于被迭代译码耗费的附加物理量。
虽然本发明的描述是按性能约束条件下快速编码块的尺寸的最佳化过程来说明的,但它同样地也应用于在性能约束条件下快速均衡的块的尺寸最佳化过程,这个最佳化可以在快速均衡器中(第一实施例)或是在发射机中(第二实施例)实行。
Claims (8)
1.一种使编码数据块的尺寸最佳化的方法,其中将对所述编码数据块进行迭代译码,其特征在于,在迭代译码的输出中的最大错误率被提前固定,所述方法在多个块尺寸和给出能够对一个块实施所述迭代译码的最大迭代数目的多个整数之间搜索约数尺寸和最大迭代数目,以使得所述约数尺寸和最大迭代数目与所述最大错误率相兼容,其中所述多个块尺寸是正常块尺寸被大于或等于1的整数因子k除的约数;对于一个块尺寸和给定的最大迭代数目,根据信号噪声比的函数将平均迭代数目确定为对于一系列约数尺寸的块之中的每个块实施迭代译码的迭代数目的平均值;如果约数尺寸的块满足预定的可靠性准则,或如果对于这个块的迭代数目达到所述给定的最大迭代数目,则停止迭代。
2.按照权利要求1的最佳化方法,其特征在于,将对于不同的约数尺寸、不同的最大迭代数目和不同的信号噪声比的所述平均迭代数目存储在一个表中。
3.按照权利要求2的最佳化方法,其特征在于,这个表在迭代译码继续时被更新。
4.按照权利要求3的最佳化方法,其特征在于,利用从所述表中可获得的值的内插来得到所述平均迭代数目。
5.按照前面权利要求之一的最佳化方法,其特征在于,整数因子k大于一个预定值,其中该预定值对于所述块上平均等待时间是足够大的。
6.按照权利要求1-4之一的最佳化方法,其特征在于,在搜索之前,确定与预定的最大译码时间相兼容的、对于正常尺寸的块的最大迭代数目;并且在所述多个块尺寸和所述多个整数之间的搜索被限制到这样的值,以使得对约数尺寸的块实施迭代译码的平均迭代数目小于所述最大迭代数目。
7.一种用于编码数据块的迭代译码的方法,这些块具有初始尺寸,其特征在于,最佳块尺寸和与这个尺寸相关的最大迭代数目利用按照权利要求1-4之一的最佳化方法来确定;并将初始尺寸的块的数据编码为一系列最佳尺寸的子块;通过一系列的迭代译码的迭代,将这些子块逐个地译码;如果满足预定的可靠性准则,或如果迭代的数目达到与所述最佳尺寸相关的所述最大迭代数目,则对子块停止迭代。
8.一种用于编码数据块的迭代译码的方法,这些块具有初始尺寸,其特征在于,最佳块尺寸和与这个尺寸相关的最大迭代数目利用按照权利要求1-4之一的最佳化方法来确定;并将初始尺寸的块的数据编码为一系列最佳尺寸的子块;通过对每个子块连续地实施迭代译码的迭代,对这些子块进行译码;如果满足预定的可靠性准则,或如果迭代的数目达到与所述最佳尺寸相关的最大迭代数目,则不对子块实施迭代。
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