CN1897566B - 一种基于分类等级实现汇聚点服务质量保证的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种基于分类等级实现汇聚点服务质量保证的系统及方法，该系统包括调度器、分类器、定时器、参数输入接口和队列池，其中上述定时器向上述调度器输入两个周期的定时时钟，上述参数输入接口向上述调度器输入调度参数，上述队列池由n个分类队列组成，例如有4个分类队列。在本发明中，如果在下一个调度周期开始的时候，还没有调度到最后一个队列，则在当前数据包处理结束之后，返回上一步从一号队列开始重新调度；且调度周期pt、时间片周期ts和带宽分配比例能够动态地进行修改，修改完后，在下一个调度周期开始的时候起作用。本发明基于不同业务类型采用的不同的处理策略，满足了不同业务的要求，达到了更加理想的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于分类等级实现汇聚点服务质量(Quality ofService)(以下简称Qos)的系统及方法，本发明能够保证在汇聚点根据带宽预分配比例为各类业务提供Qos保证，且本发明主要应用于网际协议(Internet Protocol)(以下简称IP)技术领域以及第三代(the thirdGeneration)(以下简称3G)、正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexity)(以下简称OFDM)等移动通信领域。
背景技术
在3G移动通信系统以及OFDM移动通信系统中，通常采用IP作为系统的承载平台。IP分为网际协议版本4(Internet Protocol Version 4)(以下简称IPV4)和网际协议版本6(Internet Protocol Version 6)(以下简称IPV6)两个版本，其中IPV6对Qos的支持进行了比较全面的考虑，而IPV4对Qos的支持则比较有限。
在移动通信系统中，由于空中频率资源是珍贵资源，因此在OFDM、第三代码分多址(Code Division Multiple Access 2000)(以下简称CDMA2000)、宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access)(以下简称WCDMA)等标准中，为了提高空中频率资源的利用率，同时也为了在有限的资源条件下，为不同级别的用户提供不同类型和级别的服务，因此在上述各标准中都制定了相应的Qos策略。
对于空中的每个单个接入点来说，由于地面带宽成本比较低廉，可以为每个单个接入点提供非常充裕的传输带宽资源，这个传输带宽资源配置比较容易超过与上述接入点对应的空中无线带宽。这里指的地面传输和空中传输的关系如图1所示，其中地面传输是指图中接入点102与地面传输网络103之间的传输，空中传输是指图中空中无线网络101与接入点102之间的传输。因此对于单个接入点来说，地面传输带宽比较容易实现空中Qos，所以单个接入点上的地面传输对Qos的支持基本上可以考虑为比较简单，对整个无线通信系统来说，其对业务质量的影响可以忽略。在这种情况下，单个接入点的空中传输带宽与地面传输带宽的关系如图2所示，其中图形的宽度表示带宽，图中圆柱形的截面201表示地面传输带宽，其内部图形的宽度202表示空中传输带宽。
尽管单个接入点的地面传输带宽能够满足空中传输带宽的要求，但无线通信系统的一个最重要的特点是：无线网络都是一种蜂窝系统，以便提高频谱的复用率。现在的CDMA1X无线通信系统到3G、OFDM无线通信系统，都是通过在广域环境中布置成千上万的基站，以便利用有限的无线频率资源完成城域覆盖，甚至完成一个全国性的广域覆盖。多个接入点使得无线通信系统中出现传输中的汇聚点。通过对上述协议标准的分析，能够比较容易地发现系统中的这种汇聚点，如CDMA移动通信系统中的基站控制器(Base Station Controller)(以下简称BSC)和基站收发器(BaseTransceiver Station)(以下简称BTS)之间的接口，其中汇聚点和接入点的关系如图3所示。
汇聚点往往也是无线通信系统的瓶颈和关键点，由于其承载着数十个基站系统、对应着上万个用户，因此汇聚点的流量往往是接入点的几十倍，甚至上百倍。在网络规划的时候，出于成本的考虑，汇聚点的传输资源往往不能按照汇聚的最大需求配置，所以汇聚点的传输带宽也不能够像接入点那样，能够富余地承载业务流量，汇聚点的Qos的保证情况成为无线通信系统的关键点。此外，汇聚点的带宽和业务流量的关系如图4所示，其中截面401表示业务流量，截面402则表示汇聚点的带宽。
无线协议标准对汇聚点的Qos基本上不做规定，并把汇聚点的Qos保证看成是由地面承载系统来解决的问题，而地面承载系统和标准并没有像无线通信系统协议那样发展迅速，技术标准的推出周期也没有无线通信系统标准那样短，因此对无线通信系统汇聚点的Qos的保证不能及时满足。另外地面承载系统所考虑的范围往往对交换更为关注，而与无线协议标准的结合度则考虑地相对较少。
发明内容
为了克服现有无线通信系统中传输汇聚点的Qos的保证问题，本发明在充分地分析目前存在的各种无线通信系统(包括CDMA1X，WCDMA，CDMA2000)、地面承载系统，以及新一代无线通信系统(OFDM)的基础上，提出了一种基于分类等级实现汇聚点Qos保证的系统及方法，用于解决在无线通信系统中汇聚点的Qos问题，以便能够更好地实现无线协议标准的Qos。
本发明的一种基于分类等级实现汇聚点Qos保证的系统，所述系统包括调度器、分类器、定时器、参数输入接口和队列池，其中，上述定时器向上述调度器输入两个周期的定时时钟；
上述分类器根据数据包头的服务质量指示把接收到的数据包分类后并放到队列池的相应队列中，所述队列池有n个分类队列，分别为一号队列、二号队列、...、n-1号队列和n号队列，且上述分类队列的次序和队列编号一一对应，BW1∶BW2∶...∶BWn为每个分类队列所分配的带宽比例；
上述参数输入接口向上述调度器输入调度参数，该调度参数包括分配的带宽比例、调度周期pt和时间片周期ts；
调度器按照以下步骤执行：
步骤三：先从一号队列开始调度发送数据包，分配的时间片个数为：((BW1/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤四；
步骤四：从二号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BW2/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤五；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+2)：从n号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BWn/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤(n+3)；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+3)：根据队列状态的统计，对上述调度参数进行调整
先从一号队列开始调度发送数据包，分配的时间片个数为：((BW1/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再从二号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BW2/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+2)：从n号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BWn/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤(n+3)；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+3)：根据队列状态的统计，对上述调度参数进行调整。
上述两个周期的定时时钟中，其中一个周期的定时时钟为小粒度的分片定时时钟，即为周期较小的分片定时时钟，另一个周期的定时时钟为调度周期定时时钟；其中上述定时时钟的周期为时间片周期ts，上述分片定时时钟和调度周期定时时钟成倍数关系。上述队列池由n个分类队列组成，即为一号队列、二号队列、...、n号队列，其中上述每个分类队列具有队列的一般要素，即具有缓冲区、队列指针等。
本发明的一种基于分类等级实现汇聚点Qos保证的方法，有n个分类队列，分别为一号队列、二号队列、......、n号队列，且上述分类队列的次序和队列编号一一对应，BW1∶BW2∶...∶BWn为每个分类队列所分配的带宽比例，所述方法包括如下步骤：
步骤一：分类器把接收到的数据包根据数据包头的Qos指示，将其分类并放到队列池的相应队列中；
步骤二：调度器从参数输入接口得到调度需要的调度参数，其中该调度参数包括带宽分配比例、调度周期pt和时间片周期ts；
步骤三：先从一号队列开始调度发送数据包，分配的时间片个数为：((BW1/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤四；
步骤四：从二号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BW2/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤五；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+2)：从n号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BWn/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤(n+3)；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+3)：根据队列状态的统计，对上述调度参数进行调整。
其中上述步骤四、......、步骤(n+2)中分配的时间片个数均为向下取整。
在本发明中，如果在下一个调度周期pt开始的时候，还没有调度到最后一个队列，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包。
上述调度参数，即调度周期pt、时间片周期ts和带宽分配比例能够动态地进行修改，通过统计上述每个队列的丢包率、空闲率即剩余的时间片个数的平均值来确定增加和减少相应队列分配的时间片个数；修改完后，在下一个调度周期pt开始的时候起作用。
上述不同分类队列的调度机会与所分配的带宽相关联，响应延迟保证随着分类号的增大而逐渐增大，体现了不同类型的业务调度机会的平等性以及延迟的不同需要。
此外，在上述调度周期pt内允许存在误差，这主要是由于算法是基于数据包调度的限制的原因，其中二号队列调度的响应时间误差在1个数据包以内；n号队列调度的响应时间在(n-1)个数据包以内。
当高优先级的队列没有数据的时候，则马上进入次高优先级的队列进行处理，且该次高优先级的队列能使用上述高优先级的队列节省下来的带宽，其中上述一号队列为高优先级，其他队列的优先级依次降低。
本发明通过预分配时间片给每个队列预分配带宽，并通过调度满足每个队列的Qos，同时实现每个业务队列的公平性。与现有技术相比，采用本发明所述的系统及方法，具有以下特点：
1、对汇聚点的带宽具有预分配和根据统计动态适应，具有统计意义；
2、不同业务队列响应延迟和抖动控制在非常小的范围之内，其中一号队列响应延迟误差在一个MAC数据包之内；
3、对预分配带宽中的剩余带宽保证进行充分利用。
基于上述对不同业务类型的数据的Qos采用的不同的处理策略，满足了不同业务的要求，达到了更加理想的效果。由于时间片的调度策略，保证了不同业务类型之间的公平性。
下面结合附图，以较佳实施例对本发明所述方法的具体实施作进一步的详细说明。对于熟悉本技术领域的人员而言，从对本发明方法的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。
附图说明
图1为地面传输与空中传输的关系图。
图2为单个接入点的空中传输带宽与地面传输带宽的关系图。
图3为汇聚点与接入点的关系图。
图4为汇聚点的带宽与业务流量的关系图。
图5为本发明的具有4个分类队列的系统结构图。
图6为3G移动通信系统和OFDM移动通信系统中的ABIS接口结构示意图。
图7为本发明所述方法的实施例配置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的系统及方法的实施作进一步的详细说明。
图5为本发明的具有4个分类队列的系统结构图。如图5所示，该系统由调度器501、分类器502、定时器503、参数输入接口504和队列池505几个部分组成。其中定时器503向调度器501输入两个周期的定时时钟，一个周期的定时时钟为小粒度(周期较小)的分片定时时钟，另一个周期的定时时钟为调度周期定时时钟，其中上述定时时钟的周期即为时间片周期ts，上述分片定时时钟和调度周期定时时钟成倍数关系；参数输入接口504向调度器501输入调度参数；队列池505由4个分类队列组成，即一号队列、二号队列、三号队列和四号队列，且每个队列具有队列的一般要素，即具有缓冲区、队列指针等。
在3G移动通信系统或OFDM移动通信系统中，基站系统(Base StationSystem)(以下简称BSS)分为两个部分，即BSC和BTS两个部分。在网络规划的时候，一个BSC可以带几十个甚至上百个BTS。
BSC和BTS之间的接口(在3G移动通信系统中称为ABIS)传输介质为E1或同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy)(以下简称SDH)。BSC中的所有接点发向BTS的数据通过ABIS接口处理模块(AbisProcessing Module)(以下简称ABPM)进行汇聚和处理，然后发向ABIS接口；相反，BTS中的所有接点发向BSC的数据通过数据服务模块(DataService Module)(以下简称DSM)汇聚和处理，然后发向ABIS接口。3G和OFDM移动通信系统中的BSC和BTS的接口如图6所示。图6中ABPM601是BSC中的和BTS接口的接口板，是BSC的汇聚点；SDU602是需要通过汇聚点ABPM601和BTS进行通信的BSC中的单板；DSM603是BTS中的和BSC接口的接口板，是BTS的汇聚点；CHM604是信道板需要通过汇聚点DSM603和BSC进行通信的单板；605是BSC和BTS之间的ABIS接口。
在上述系统中，ABIS接口的传输介质是关键资源，出于成本和工程的限制，ABIS接口不可能铺设富余的传输资源，因此提高传输资源的利用率，以及在ABIS接口上保证各种业务的Qos是上述系统中的关键技术。相反，从ABIS接口反向出来的数据，由于使用本地传输网络，一般情况下其带宽相对ABIS接口来说是富余的，其基本特征和图2类似，因此业务的Qos比较容易保证，可以不必使用本发明所述的方法，只要实现简单的转发机制即可。
下面以DSM为例，说明本发明所述方法在系统具有4个分类队列时的处理和应用过程。
第一步，对ABIS接口的带宽进行分配，其支持4种业务类型，分别是：实时包服务(Unsolicited Grant Service)(以下简称UGS)队列，实时业务(Real-Time Polling Service)(RTPS)队列，非实时业务(NonReal-Time Polling Service)(NRTPS)队列，尽力而为业务(Best Effort)(BE)队列，其次序如图7中的705所示；对四种业务类型的初始分配比例为：8∶4∶2∶1(即BW1＝8，BW2＝4，BW3＝2，BW4＝1)；为ABIS接口的每个端口分配8个数据队列，其中接收为4个队列，发送为4个队列，并根据ABIS接口的物理带宽、突发要求等因素，为队列分配相应的缓冲区个数；
第二步，系统提供调度周期pt为10ms.提供时间片周期ts为100us，则在每个调度周期pt中有100个时间片；分类器把从CHM接收的数据根据数据包头中的分类指示将其放到队列池705的相应队列中；待这些数据经过处理后，再根据分类指示放到队列池705中的发送队列池；
第三步，在调度周期pt开始的时候，在100*8/15个时间片内，从UGS队列中发送数据，如果没有数据，则直接执行第四步；
第四步，在后面的(100*4/15+第三步节省下来的时间片个数)个时间片内，从RTPS队列中发送数据；如果没有数据，则直接执行第五步；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回第三步从UGS队列开始重新调度下一个数据包；
第五步，在后面的(100*2/15+第四步节省下来的时间片个数)个时间片内，从NRTPS队列中发送数据；如果没有数据，则直接执行第六步；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回第三步从UGS队列开始重新调度下一个数据包；
第六步，在后面的(100*1/15+第五步节省下来的时间片个数)个时间片内，从BE队列中发送数据；如果没有数据，则直接执行第七步；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回第三步从UGS队列开始重新调度下一个数据包；
第七步，通过监控所有队列的状态，例如是否有溢出、队列使用比例、各个队列的发送数据量等信息；如果某个队列丢弃的数据量达到一定的比例，则调整带宽分配比例BW1∶BW2∶BW3∶BW4。
以上详细说明了本发明的工作原理，但这只是为了便于理解而举的一个形象化的实例，不应被视为是对本发明范围的限制。同样，任何所属技术领域的普通专业人员均可根据本发明的技术方案及其较佳实施例的描述，做出各种可能的等同改变或替换，但所有这些改变或替换都应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于分类等级实现汇聚点服务质量保证的系统，其特征在于所述系统包括调度器、分类器、定时器、参数输入接口和队列池，其中，
上述定时器向上述调度器输入两个周期的定时时钟；
上述分类器根据数据包头的服务质量指示把接收到的数据包分类并放到队列池的相应队列中，所述队列池有n个分类队列，分别为一号队列、二号队列、...、n-1号队列和n号队列，且上述分类队列的次序和队列编号一一对应，BW1∶BW2∶...∶BWn为每个分类队列所分配的带宽比例；
上述参数输入接口向上述调度器输入调度参数供调度器调度队列池的队列，该调度参数包括分配的带宽比例、调度周期pt和时间片周期ts；
系统按照以下步骤执行：
步骤一：分类器把接收到的数据包根据数据包头的服务质量指示，将其分类并放到队列池的相应队列中；
步骤二：调度器从参数输入接口得到调度需要的调度参数，其中该调度参数包括带宽分配比例、调度周期pt和时间片周期ts；
步骤三：先从一号队列开始调度发送数据包，分配的时间片个数为：((BW1/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤四；
步骤四：从二号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BW2/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤五；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+2)：从n号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BWn/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤(n+3)；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+3)：根据队列状态的统计，对上述调度参数进行调整。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于在上述两个周期的定时时钟中，其中一个周期的定时时钟为小粒度的分片定时时钟，即为周期小的分片定时时钟，另一个周期的定时时钟为调度周期定时时钟；其中上述定时时钟的周期为时间片周期ts，上述分片定时时钟和调度周期定时时钟成倍数关系。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于上述队列池由n个分类队列组成，即为一号队列、二号队列、...、n-1号队列和n号队列，其中上述每个分类队列具有队列的一般要素，即具有缓冲区和队列指针。
4.一种基于分类等级实现汇聚点服务质量保证的方法，有n个分类队列，分别为一号队列、二号队列、...、n-1号队列和n号队列，且上述分类队列的次序和队列编号一一对应，BW1∶BW2∶...∶BWn为每个分类队列所分配的带宽比例，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：分类器把接收到的数据包根据数据包头的服务质量指示，将其分类并放到队列池的相应队列中；
步骤二：调度器从参数输入接口得到调度需要的调度参数，其中该调度参数包括带宽分配比例、调度周期pt和时间片周期ts；
步骤三：先从一号队列开始调度发送数据包，分配的时间片个数为：((BW1/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤四；
步骤四：从二号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BW2/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤五；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+2)：从n号队列开始发送数据包，分配的时间片个数为：((BWn/(BW1+BW2+......+BWn))*(pt/ts))；如果时间片个数用完，当前数据包还没有发送完毕，则在发送完当前数据包后，再执行步骤(n+3)；如果当前队列还有数据包，并且还有剩余的时间片个数，则继续发送下一个数据包；如果当前调度周期pt已过，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包；
步骤(n+3)：根据队列状态的统计，对上述调度参数进行调整。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于上述步骤四、......和步骤(n+2)中分配的时间片个数均为向下取整。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于如果在下一个调度周期pt开始的时候，还没有调度到最后一个队列，则在当前数据包处理结束之后，返回上述步骤三从一号队列开始重新调度下一个数据包。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于上述调度参数，即调度周期pt、时间片周期ts和带宽分配比例能够动态地进行修改，通过统计上述每个队列的丢包率和空闲率即剩余的时间片个数的平均值来确定增加和减少相应队列分配的时间片个数；修改完后，在下一个调度周期pt开始的时候起作用。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于上述不同分类队列的调度机会与所分配的带宽相关联，响应延迟保证随着分类号的增大而逐渐增大。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于在上述调度周期pt内允许存在误差，即二号队列调度的响应时间误差在1个数据包以内；n号队列调度的响应时间在(n-1)个数据包以内。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于当高优先级的队列没有数据的时候，则马上进入次高优先级的队列进行处理，且该次高优先级的队列能使用上述高优先级的队列节省下来的带宽，其中上述一号队列为高优先级，其他队列的优先级依次降低。
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2005
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Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
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