ES2270366T3 - Procedimiento y emisor para la transmision de datos en un sistema multiportadora a traves de multiples antenas emisoras. - Google Patents

Procedimiento y emisor para la transmision de datos en un sistema multiportadora a traves de multiples antenas emisoras. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la transmisión de datos (S) por radio, - en el que para la transmisión se utiliza una banda de frecuencias dividida en múltiples subportadoras, así como múltiples antenas (TX1, TX2, TX3), - repartiéndose los datos (S) en una cantidad de elementos (S1, S2, S3) a transmitir en cada caso por cada antena (TX1, TX2, TX3) que se corresponde con la cantidad de las múltiples subportadoras, - asignándose para cada antena (TX1, TX2, TX3) cada elemento (S1, S2, S3) en cada caso a una subportadora para la transmisión, - transmitiendo al menos dos antenas (TX1, TX2, TX3) sobre al menos una subportadora distintos elementos (S1, S2, S3) caracterizado porque - antes de una modulación OFDM (OFDM) se multiplica para cada antena (TX1, TX2, TX3) cada elemento (S1, S2, S3) por un factor específico de la antena y del elemento.

Description

Procedimiento y emisor para la transmisión de datos en un sistema multiportadora a través de múltiples antenas emisoras.
La invención se refiere a un procedimiento para la transmisión de datos por radio según el concepto general de la reivindicación 1 y de la reivindicación 3.
Además se refiere la invención a un equipo emisor para la transmisión de datos por radio a través de múltiples antenas según el concepto general de la reivindicación 8.
En los sistemas de comunicación por radio se transmiten datos (por ejemplo voz, información de imagen, información de video, SMS (Short Message Service, servicio de mensajes cortos) u otros datos) con ayuda de ondas electromagnéticas a través de una interfaz de radio entre las estaciones emisora y receptora. La emisión de las ondas electromagnéticas se realiza entonces con frecuencias portadoras, que se encuentran en la banda de frecuencias previstas para el correspondiente sistema. Un sistema de comunicación por radio incluye entonces estaciones de abonado, por ejemplo estaciones móviles, estaciones de base, por ejemplo estaciones de base de nodos u otros equipos de acceso a radio, así como dado el caso otros equipos por el lado de la red.
Para asegurar una transmisión de datos lo más eficiente posible, se divide toda la banda de frecuencias disponible en varias subportadoras (procedimiento multiportadora). La idea que sirve de base a los sistemas multiportadora, también denominados OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, multiplexado con división de frecuencia ortogonal) es transformar la situación de partida de la transmisión de una señal de banda ancha en la transmisión de una cierta cantidad de señales ortogonales de banda estrecha.
En OFDM se utilizan para las subportadoras formas de pulsos que son a lo largo del tiempo aproximadamente rectangulares. La distancia entre frecuencias de las subportadoras se elige de tal manera que en el campo de frecuencias para aquella frecuencia en la cual se evalúa la señal de un subportador, las señales de los otros subportadores presentan un paso por cero. Así resultan las subportadoras ortogonales entre sí. Está permitido el solape espectral de las subportadoras y como consecuencia de ello se permite una alta densidad de empaquetamiento de las subportadoras, ya que la ortogonalidad asegura la posibilidad de diferenciación de las distintas subportadoras. Por lo tanto se logra una eficiencia espectral mejor
\hbox{que en el FDM (Frequency  Division
Multiplexing, multiplexado con división de frecuencia)
simple.}
Debido al comportamiento en dispersión de los canales de radio, es ventajoso introducir en los sistemas OFDM, para aumentar la fiabilidad de la transmisión de datos, una diversidad por ejemplo en el ámbito espacial. Para ello se utilizan por el lado emisor múltiples antenas, que transmiten en cada caso las mismas informaciones. En la recepción se combinan las señales sometidas a las distintas fluctuaciones. Ejemplos de tales procedimientos son el CDD (Cyclic Delay Diversity, diversidad de retardo cíclico), presentado en
A. Damman, S. Kaiser: Técnicas de diversidad de antenas conformables en estándar de baja complejidad para sistemas OFDM y su aplicación al sistema DVB-T, actas de la cuarta conferencia internacional ITG de codificación de fuente y canal, Berlín 2002,
en la que mediante las distintas antenas se generan ecos virtuales de la señal emitida a través de una antena. No obstante, se mostró en
A. Huebner, M. Bossert, F. Schuehlein, H. Haas, E. Costa: Diversidad de retardo cíclico en esquemas de transmisión basados en OFDM, actas del séptimo taller internacional OFDM, Hamburgo 2002
que este procedimiento sólo puede utilizarse en combinación con codificación de canal, como por ejemplo codificación de plegamiento, de manera razonable para reducir los errores de transmisión.
Además puede utilizarse para la transmisión OFDM con múltiples antenas el procedimiento Alamouti según
S. M Alamouti: Una técnica de diversidad de transmisión simple para comunicaciones inalámbricas, revista IEEE de áreas seleccionadas de comunicaciones, vol. 16, número 8, págs. 1451-1458, octubre 1998
en el cual se procesan dos símbolos sucesivos en el lado emisor de tal manera que dos antenas emisoras envían señales ortogonales entre sí. Resulta un inconveniente en el procedimiento de Alamouti que en el lado receptor debe ser utilizado un desmodulador costoso, modificado y que para la transmisión no puede utilizarse cualquier cantidad de antenas sin que resulten limitaciones relativas a la elección del procedimiento de modulación.
Además, puede utilizarse para la transmisión OFDM con múltiples antenas el procedimiento "Diversidad de transmisores de permutación", que se presenta por ejemplo en
Li, Y: "Diversidad de transmisores para sistemas OFDM y su impacto en redes inalámbricas de datos de alta velocidad", revista IEEE de áreas seleccionadas en comunicaciones, vol 17, número 7, julio 1999, págs 1233 - 1243.
Aquí se permutan las señales de una antena, antes de una transformación inversa de Fourier, por las señales de otra antena.
La invención tiene como tarea básica mostrar un procedimiento y un emisor del tipo citado al principio que permitan una transmisión eficiente de datos en un sistema multiportadora utilizando la diversidad espacial.
Esta tarea se resuelve en cuanto al procedimiento mediante un procedimiento con las particularidades de la reivindicación 1.
Ventajosos perfeccionamientos y mejoras son objeto de las reivindicaciones secundarias.
En el procedimiento correspondiente a la invención para la transmisión de datos por radio, se utiliza para la transmisión una banda de frecuencias dividida en múltiples subportadoras y múltiples antenas. Los datos se reparten en una cierta cantidad de elementos a trasmitir en cada caso por cada antena correspondiente a la cantidad de las múltiples subportadoras. Aquí se asigna para cada antena de cada elemento en cada caso a una subportadora para la transmisión. Al menos dos antenas transmiten sobre al menos una subportadora distintos elementos. En el marco de la invención, se multiplica antes de una modulación OFDM para cada antena cada elemento por un factor específico de la antena y del elemento.
La cantidad de elementos de los datos se corresponde con la cantidad de subportadoras. Cada antena transmite cada elemento sobre una subportadora, no transmitiendo todas las antenas los elementos sobre las mismas subportadoras. En particular es posible que un elemento sea transmitido por cada una de las antenas sobre otra subportadora. Esto puede ser así también para todos los elementos. La modulación OFDM sirve para la preparación de la señal para el envío e incluye una transformación inversa de Fourier en la cual se transforma la señal del dominio de frecuencia en el dominio de tiempo. Antes de la modulación OFDM se multiplica cada elemento a trasmitir por una antena por el factor específico de la antena y del elemento. Este factor se diferencia entre sí por lo general para todos los elementos a enviar por parte de una antena y también para cada elemento a enviar por las distintas antenas. No obstante, es también posible que el mismo sea igual para distintos elementos a enviar por una o también por varias antenas, debiendo participar no obstante básicamente en la prescripción a partir de la cual se determina el factor, el correspondiente elemento y la correspondiente antena.
En particular, el factor es un número complejo o real con el módulo 1. Esto puede realizarse mediante multiplicación por una función exponencial con un exponente correspondientemente complejo o real. Esta multiplicación se corresponde con un decalaje de fase de una señal.
La tarea antes citada en cuanto al procedimiento se resuelve además mediante un procedimiento con las particularidades de la reivindicación 3.
Ventajosos perfeccionamientos y mejoras son objeto de las reivindicaciones secundarias.
En el procedimiento para la transmisión de datos por radio se utiliza para la transmisión una banda de frecuencias dividida en múltiples subportadoras así como múltiples antenas. Los datos se reparten en una cantidad de elementos a trasmitir por cada antena correspondiente a la cantidad de las múltiples suportadoras. Para cada antena se asigna cada elemento en cada caso a una subportadora para la transmisión. Al menos dos antenas transmiten distintos elementos sobre al menos una subportadora. En el marco de invención se realiza tras una modulación OFDM para al menos una antena una reordenación de la secuencia temporal de la señal dependiente del tiempo que resulta de la modulación OFDM.
Mientras en el primer procedimiento descrito la multiplicación por el factor específico de la antena y del elemento se realiza antes de la multiplicación OFDM, tiene lugar la reordenación de la secuencia en el tiempo en el procedimiento descrito en segundo lugar tras la modulación OFDM. No obstante ambas soluciones a la citada tarea son igualmente válidas. Así puede demostrarse matemáticamente que la reordenación de la secuencia temporal de la señal tras la modulación OFDM es equivalente a la multiplicación de la señal antes de la modulación OFDM por el correspondiente factor específico de la antena y del elemento.
En particular se realiza para al menos dos antenas la reordenación de la secuencia temporal según un patrón común. Es especialmente ventajoso que la reordenación de la secuencia temporal se realice para todas las antenas según un patrón común. Bajo un patrón se entiende aquí una prescripción según la cual se realiza la reordenación. El patrón común puede ser por ejemplo una permutación cíclica. En una permutación cíclica se intercambian partes de la señal de manera regular en su secuencia de tal manera que después de transcurrir un ciclo, en el caso citado tras la cantidad de permutaciones que se corresponde con la cantidad de antenas, se reproduce la secuencia inicial.
En un perfeccionamiento de la invención se realiza para al menos dos antenas la asignación de los elementos a subportadoras según un patrón común, como por ejemplo según una permutación cíclica. Es especialmente ventajoso que para todas las antenas se realice la asignación de los elementos a subportadoras según un patrón común.
El procedimiento correspondiente a la invención da lugar a una clara mejora respecto al estado de la técnica antes descrito.
La tarea antes citada relativa al dispositivo emisor se resuelve mediante un dispositivo emisor con las particularidades de la reivindicación 8.
El dispositivo emisor para la transmisión de datos por radio a través de múltiples antenas utiliza para la transmisión una banda de frecuencias dividida en múltiples subportadoras. El dispositivo emisor incluye medios para repartir los datos en una cantidad de elementos a trasmitir por cada antena que se corresponde con la cantidad de las múltiples subportadoras, así como medios para asignar los elementos en cada caso a una subportadora para la transmisión para cada antena, de tal manera que al menos dos antenas transmiten distintos elementos sobre al menos una subportadora.
En el marco de la invención presenta el dispositivo emisor además medios para multiplicar cada elemento para cada antena por un factor específico de la antena y del elemento antes de la modulación OFDM. Alternativamente puede presentar medios para la reordenación de la secuencia en el tiempo de la señal que depende del tiempo generada en base a la modulación OFDM para al menos una antena según la modulación OFDM.
El dispositivo emisor correspondiente a la invención es adecuado en particular para realizar un procedimiento correspondiente a la invención. Para ello puede disponer de otros medios.
A continuación se describirá la invención en base a un ejemplo de ejecución más en detalle. Al respecto se muestran
Figura 1: esquemáticamente la secuencia de un procedimiento correspondiente a la invención,
Figura 2a: un primer emisor correspondiente a la invención,
Figura 2b: un segundo emisor correspondiente a la invención.
El ejemplo ejecución se refiere a un sistema OFDM, por ejemplo según los estándares IEEE 802. 16a o bien HIPERLAN/2. Se considera la transmisión de datos utilizando tres antenas emisoras.
En la figura 1 se forma a partir de los datos S a enviar un vector con elementos S_{1}, S_{2}, y S_{3}. Los elementos S_{1}, S_{2}, y S_{3} son símbolos que deben ser transmitidos en cada caso sobre una subportadora de la banda de frecuencias disponible para la transmisión de los datos. Al respecto, puede disponerse en el sistema OFDM de una cantidad mayor que tres subportadoras para la transmisión de datos, que no obstante no son relevantes para la invención.
El vector con elementos S_{1}, S_{2}, y S_{3} se alimenta en tres ramales que desembocan en las tres antenas TX1, TX2 y TX3. En una primera etapa se somete el vector con los elementos S_{1}, S_{2}, y S_{3} a un desplazamiento cíclico o bien permutación según el patrón a, significando el desplazamiento dentro del primer ramal una operación de identidad y por lo tanto no se ha representado en la figura 1, mientras que el desplazamiento en el segundo y el tercer ramal se realiza según las prescripciones a_{2} y a_{3}. De esta primera etapa resulta entonces la siguiente matriz:
1
La primera columna de la matriz S_{a} representa aquí los símbolos (S_{1}, S_{2}, S_{3}) que debe ser enviados a través de la primera antena TX1 y la segunda y la tercera columna incluyen correspondientemente aquellos símbolos (S_{2}, S_{3}, S_{1}) y (S_{3}, S_{1}, S_{2}), que han de ser enviados por la segunda y la tercera antena TX2 y TX3. En la primera fila de la matriz S_{a} se encuentran aquellos símbolos (S_{1}, S_{2}, S_{3}) que han de trasmitirse sobre la primera subportadora y en la segunda y tercera fila aquellos símbolos (S_{2}, S_{3}, S_{1}) y (S_{3}, S_{1}, S_{2}) que han de trasmitirse sobre la segunda y la tercera subportadora. Se observa que cada antena transmite cada elemento S_{1}, S_{2}, y S_{3} exactamente sobre una subportadora, no siendo transmitido ninguno de los elementos S_{1}, S_{2}, y S_{3}, por varias antenas sobre la misma subportadora.
El patrón a común que sirve de base a la asignación de los elementos S_{1}, S_{2}, y S_{3} a las subportadoras del desplazamiento cíclico en el campo de las frecuencias para las tres antenas TX1, TX2 y TX3, funciona de tal manera que para la primera antena TX1 se distribuyen los tres elementos S_{1}, S_{2}, y S_{3}, en su secuencia inicial sobre las subportadoras. Para la segunda antena TX2 asume el primer elemento S_{1} el último lugar en la representación matricial antes indicada, con lo cual el segundo y tercer elemento S_{2}, y S_{3} avanzan a las dos primeras subportadoras, con lo que en total respecto a la asignación de la primera antena TX1 cada elemento S_{1}, S_{2}, y S_{3} se ha desplazado en una subportadora hacia arriba. Para tercera antena TX3 tiene lugar en la representación matricial antes indicada otro desplazamiento de la secuencia de la segunda antena TX2 en una subportadora hacia arriba.
A continuación tiene lugar en la figura 1 la modulación OFDM. Aquí se someten las señales dependientes de la frecuencia de los distintos ramales de antena en cada caso a una transformación inversa de Fourier y una conversión de paralelo a serie.
De ello resulta una señal que es función del tiempo. En forma matricial puede representarse esta señal de la siguiente manera:
2
La primera columna de la matriz \hat{S}_{0FDM,} una vez realizada la modulación OFDM, representa aquí los símbolos (q_{1}, q_{2}, q_{3}) que deben ser enviados a través de la primera antena TX1, conteniendo correspondientemente la segunda y la tercera columna los símbolos (q_{4}, q_{5}, q_{6}) y (q_{7}, q_{8}, q_{9}) que han de ser enviados por la segunda y la tercera antena TX2 y TX3.
En la primera fila de la matriz \hat{S}_{0FDM} se encuentran aquellos símbolos (q_{1}, q_{4}, q_{7}) que han de ser transmitidos en un primer momento y en la segunda y tercera fila aquellos símbolos (q_{2}, q_{5}, q_{8}) y (q_{3}, q_{6}, q_{9}) que han de ser transmitidos en un segundo y un tercer momento.
En otra etapa del procesamiento se procesa la matriz \hat{S}_{0FDM} según el patrón b, que a su vez se corresponde con un desplazamiento cíclico. El desplazamiento dentro del primer ramal es una operación de identidad y por lo tanto no se ha representado en la figura 1, mientras que el desplazamiento en el segundo y el tercer ramal se realiza según las prescripciones b_{2}, y b_{3}. La realización del desplazamiento cíclico tiene lugar según la secuencia ya descrita antes, con lo que resulta la siguiente matriz:
3
Antes del envío de los datos S en forma de la matriz \hat{S}_{b}, se añade para cada antena TX1, TX2 y TX3 un tiempo de protección (guard period), para reducir interferencias relativas a los datos a enviar a continuación. Luego envían las antenas TX1, TX2 y TX3 los símbolos en la secuencia correspondiente, siendo para la primera antena TX1 por lo tanto, por ejemplo q_{1}, seguido de q_{2}, q_{3}, y el tiempo de protección.
Mediante el procedimiento correspondiente a la invención se combinaría así un desplazamiento cíclico en la gama de frecuencias, es decir, a través de las distintas subportadoras, con un desplazamiento cíclico en la gama de tiempos.
La segunda etapa del desplazamiento cíclico en la gama de tiempos según el patrón b puede, contrariamente a lo representado en la figura 1, lograrse también multiplicando las distintas inscripciones S_{a,kl} de la matriz S_{a} por un factor según
4
Por consiguiente, se multiplica cada inscripción S_{a},_{kl} de la matriz S_{a}, indexado con k y 1, por una función exponencial. La magnitud N en el exponente significa aquí la cantidad de antenas. El desplazamiento en un numero entero \delta_{k} está aquí sometido a la condición
0 \leq \delta_{k} \leq N - 1,
Para dos antenas puede ser el desplazamiento \delta_{k} por ejemplo 0 y N/2.
La función exponencial utilizada como factor es específica del elemento y de la antena, ya que ambos índices k y 1 son parte integrante del exponente. El desplazamiento \delta_{k} puede determinarse así de tal manera que en definitiva corresponde al patrón b. Entonces resulta mediante la transformación inversa de Fourier en la modulación OFDM a partir de la matriz \hat{S}_{k}^{vor\ OFDM} la matriz antes representada \hat{S}_{b},
En las figuras 2a y 2b se representa en cada caso un emisor S correspondiente a la invención con tres antenas TX1, TX2 y TX3. El mismo incluye medios M1 para repartir los datos en elementos y medios M2 para asignar los elementos en cada caso a una subportadora para cada antena. La asignación se realiza entonces según el desplazamiento cíclico antes descrito. En la figura 2a se representa el caso de que la segunda etapa de procesamiento tiene lugar antes de la demodulación OFDM. Para ello presenta el emisor S medios M3 para multiplicar los elementos para cada antena por el factor exponencial específico de la antena y del elemento. Por el contrario, tiene lugar en el emisor S de la figura 2b la segunda etapa del procesamiento, tal como se representa también en la figura 1, tras la demodulación OFDM. El emisor S de la figura 2b incluye para ello medios M4 para la reordenación en la secuencia en el tiempo de la señal obtenida mediante la modulación OFDM, correspondiéndose esta reordenación con el desplazamiento cíclico antes descrito. Para realizar la modulación OFDM presentan ambos emisores adicionalmente medios no representados.
Aun cuando en el ejemplo descrito el desplazamiento de las señales se realizó en el campo de las frecuencias y del tiempo en cada caso en forma de un desplazamiento cíclico, pueden utilizarse para ello también otros patrones, como por ejemplo patrones estadísticos aleatorios u otras prescripciones de desplazamiento.
El vector de señal R recibido en el receptor resulta de
R = H \cdot S+N,
representando H la matriz del esquema de transmisión representado en la figura 1, que se multiplica por los datos S y N un factor de ruido.
Cuando se utilizan más de dos antenas emisoras, se reduce mediante el procedimiento correspondiente a la invención las tasas de errores de Bit (BER, Bit Error Rate) de la transmisión de datos en comparación con el procedimiento de Alamouti. Otra ventaja del procedimiento correspondiente a la invención reside en que puede utilizarse para cualquier cantidad de antenas. También es posible la utilización de cualquier alfabeto de modulación en combinación con el procedimiento correspondiente a la invención. Por lo demás, puede utilizarse el procedimiento correspondiente a la invención con una estructura del receptor simplificada en comparación con el estado de la técnica.

Claims (8)

1. Procedimiento para la transmisión de datos (S) por radio,
-
en el que para la transmisión se utiliza una banda de frecuencias dividida en múltiples subportadoras, así como múltiples antenas (TX1, TX2, TX3),
-
repartiéndose los datos (S) en una cantidad de elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3}) a transmitir en cada caso por cada antena (TX1, TX2, TX3) que se corresponde con la cantidad de las múltiples subportadoras,
-
asignándose para cada antena (TX1, TX2, TX3) cada elemento (S_{1}, S_{2}, S_{3}) en cada caso a una subportadora para la transmisión,
-
transmitiendo al menos dos antenas (TX1, TX2, TX3) sobre al menos una subportadora distintos elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3})
caracterizado porque
-
antes de una modulación OFDM (OFDM) se multiplica para cada antena (TX1, TX2, TX3) cada elemento (S_{1}, S_{2}, S_{3}) por un factor específico de la antena y del elemento.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque
el factor es un número complejo o real con el módulo 1.
3. Procedimiento para la transmisión de datos (S) por radio,
-
utilizándose para la transmisión una banda de frecuencias dividida en múltiples subportadoras y múltiples antenas (TX1, TX2, TX3),
-
repartiéndose los datos (S) en una cantidad de elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3}) a transmitir en cada caso por cada antena (TX1, TX2, TX3) correspondiente a la cantidad de las múltiples subportadoras,
-
asignándose para cada antena (TX1, TX2, TX3) cada elemento (S_{1}, S_{2}, S_{3}) en cada caso a una subportadora para la transmisión,
-
transmitiendo al menos dos antenas (TX1, TX2, TX3) sobre al menos una subportadora distintos elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3}),
caracterizado porque
-
tras una modulación OFDM (OFDM) para al menos una antena (TX1, TX2, TX3) se realiza una reordenación de la secuencia en el tiempo de la señal que depende del tiempo generada en base a la modulación OFDM (OFDM).
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque
para al menos dos antenas (TX1, TX2, TX3) se realiza la reordenación de la secuencia en el tiempo según un patrón común (b).
5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque
el patrón común (b) es una permutación cíclica.
6. Procedimiento una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque
para al menos dos antenas (TX1, TX2, TX3) la asignación de los elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3}) a subportadotas se realiza según un patrón común (a).
7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque
el patrón común (a) es una permutación cíclica.
8. Dispositivo emisor (S) para la transmisión de datos (S) por radio a través de múltiples antenas (TX1, TX2, TX3),
-
utilizándose para la transmisión una banda de frecuencias dividida en múltiples subportadoras,
-
con medios (M1) para repartir los datos (S) en la cantidad de elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3}) a transmitir en cada caso por cada antena (TX1, TX2, TX3) correspondiente a la cantidad de las múltiples subportadoras,
-
con medios (M2) para asignar los elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3}) a en cada caso una subportadora para la transmisión para cada antena (TX1, TX2, TX3) de tal manera que al menos dos antenas (TX1, TX2, TX3) transmiten sobre al menos una subportadora distintos elementos (S_{1}, S_{2}, S_{3}),
caracterizado porque
-
dispone de medios (M3) para multiplicar cada elemento (S_{1}, S_{2}, S_{3}) para cada antena (TX1, TX2, TX3) por un factor específico de la antena y del elemento antes de la modulación OFDM (OFDM),
-
porque dispone de medios (M4) para reordenar la secuencia en el tiempo de la señal que depende del tiempo generada en base a la modulación OFDM (OFDM) para al menos una antena (TX1, TX2, TX3) según la modulación OFDM (OFDM).
ES04721156T 2003-04-16 2004-03-17 Procedimiento y emisor para la transmision de datos en un sistema multiportadora a traves de multiples antenas emisoras. Expired - Lifetime ES2270366T3 (es)

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