JP2007159105A - 無線ネットワークにおいてトランスポートストリームのための帯域幅を動的に管理する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】方法は、無線ネットワークにおいてトランスポートストリームのための帯域幅を動的に管理する。
【解決手段】ネットワークのための利用可能な帯域幅が定義される。HCCAカテゴリ及びEDCAカテゴリに従って送信されるトランスポートストリームによって要求される瞬間帯域幅が確定される。利用可能な帯域幅が瞬間帯域幅と比較され、瞬間帯域幅が利用可能な帯域幅と異なる場合、優先度の低いトランスポートストリームの帯域幅が動的に調節される。
【選択図】図3A
【解決手段】ネットワークのための利用可能な帯域幅が定義される。HCCAカテゴリ及びEDCAカテゴリに従って送信されるトランスポートストリームによって要求される瞬間帯域幅が確定される。利用可能な帯域幅が瞬間帯域幅と比較され、瞬間帯域幅が利用可能な帯域幅と異なる場合、優先度の低いトランスポートストリームの帯域幅が動的に調節される。
【選択図】図3A
Description
本発明は、包括的には無線ローカルネットワークに関し、特に、無線ネットワークによるAV伝送のためのサービス品質(QoS)に関する。
局(STA)の無線ネットワークにおいて、データ、特にオーディオ・ビジュアル(AV)データをストリーミングすることは、帯域幅(ビットレート)が高く、レイテンシが短く、且つ誤り率が低いという要件のため、困難である。従来のストリーミング技法では、良質なAVストリームを局に配信することは不可能であることが多い。
IEEE802.11e標準規格は、WiFiネットワークとして知られるローカルエリアネットワーク(LAN)のための一組のサービス品質(QoS)向上を定義する。この標準規格は、音声、ビデオ及びマルチメディア等の帯域幅が高く、遅延の影響を受けるアプリケーションを可能にする。この標準規格はまた、たとえば11〜54Mbpsの範囲におけるさまざまな帯域幅要件も定義する。
こうしたネットワークにおけるチャネルアクセスは、定期的に、たとえば10回/秒でブロードキャストされるビーコン信号に従って調整される。ビーコン信号に関連する期間は、ビーコン間隔と呼ばれる。ビーコン間隔には、競合期間と非競合期間とがある。競合期間中、いかなる局も、何らかのランダムアクセス方法を使用してチャネルにアクセスすることができる。非競合期間中は、局は、干渉のない伝送を保証するために、厳密なスケジュールに従って割り当てられた送信機会(TXOP)又は「スロット」の間にのみチャネルにアクセスする。
IEEE802.11標準規格は、ビットストリーム又は「トラフィックフロー」に対するQoSを向上させるために、媒体アクセス(MAC)レイヤにおいて高度分散チャネルアクセス(EDCA)カテゴリ及びハイブリッド調整機能(HCF)制御チャネルアクセス(HCCA)カテゴリについて記述している。EDCAは、競合ベースの転送のためのものであり、HCCAは、非競合転送のためのものである。局は、これらのチャネル機構を使用してTXOPを取得することができる。
IEEE802.11はまた、対応する優先度にマップされる4つのアクセスカテゴリ(AC)を高いものから低いものへの順で提供する。すなわち、音声、ビデオ、ベストエフォート及びローである。
しかしながら、それらの優先度は、時間の経過により利用可能なビットレート又は帯域幅が変化する無線ネットワークでは不適当である。たとえば、帯域幅は、フェージングチャネル状態及びネットワーク過負荷のために低減する可能性がある。ネットワーク過負荷は、「ベストエフォート」転送中の場合であり得るように、ネットワークトラフィックが管理されない場合に発生する可能性がある。その場合、選択されたストリームの品質は、他のAVストリームの品質を保証するために低下する。
図1は、IEEE802.11ネットワークにおけるトラフィックフローのためのトラフィック仕様(TSPEC)100を示す。TSPECは、トラフィックフローの特性及びQoS期待値を定義するパラメータを含む。必須パラメータには、ユーザが割り当てた優先度、平均データレート、公称MACサービスデータユニット(MSDU)サイズ及び最大サービス間隔が含まれる。TSPECの主な目的は、後に、より詳細に説明するように、資源を割り当てることである。特に重要なものは、以下のフィールドである。すなわち、平均データレート101、公称MSDUサイズ102、TSInfo Ackポリシ103及びアクセスポリシ104である。
表Aは、アクセスカテゴリマッピングに対する従来技術による優先度を示す。
IEEE802.11標準規格は、IEEE 802.11 Std、「Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications」(1999)、IEEE Std. 802.11e-D8.0、「Draft Amendment to IEEE standard for Information Technology, Telecommunications and Information Exchange Between Systems - LAN/MAN Specific Requirements - Part 11: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications」(February 2004)、Y. Xiao著、「IEEE 802.11e: QoS Provisioning at the MAC layer」(IEEE Wireless Communications, vol.11, pp.72-79, June 2004)、Z. Kong、D.H.K. Tsang、B. Bensaou、D. Gao著、「Performance analysis of IEEE 802.11e contention-based channel access」(IEEE Selected Areas in Communications, vol.22, pp.2095-2106, December 2004)、Y. Xiao、H. Li著、「Evaluation of distributed admission control for the IEEE 802.11e EDCA」(IEEE Communications Magazine, vol.42, pp.S20-S24, September 2004)及びL.W. Lim、R. Malik、P.Y. Tan、C. Apichaichalermwongse、K. Ando、Y. Harada著、「A QoS scheduler for IEEE 802.11e WLANs」(First IEEE Consumer Communications and Networking Conference, pp.199-204, Jan 2004)においてさらに述べられている。
本発明の1つの実施の形態においては、局の無線ネットワークにおいてトラフィックストリームに対する帯域幅を動的に管理するQoS方法を提供する。本方法は、ISOデータレイヤの論理リンク制御(LLC)レイヤで動作する。データレイヤはまた、媒体アクセス(MAC)レイヤも含む。
QoS方法は、すべてのトラフィックストリームに対して十分な帯域幅がない場合にいつでも優先度の高い方のトラフィックストリームに対して必要な帯域幅を保証する。
帯域幅を管理するために、本発明はまた、使用されている帯域幅の量及び使用可能な帯域幅の量を動的に確定する方法も提供する。
QoS方法は、帯域幅状態を動的に監視する。帯域幅が十分である場合、何も行わない。帯域幅に対する要求が過剰となると、QoS方法は、帯域幅割当てが低減されることになるか又は帯域幅が割り当てられない1つ又は複数の優先度の低い犠牲ストリームを選択する。帯域幅が利用可能となるとすぐに、犠牲ストリームに対する帯域幅割当てを直ちに増大させる。
動的QoS方法の詳細な説明
本発明の1つの実施の形態は、局の無線ネットワークにおいて、ビットストリームに対するビットレート(帯域幅)を管理するQoS方法を提供する。図1に示すように、本方法は、ビットレート、パケットサイズ、ACKポリシ及び媒体アクセスカテゴリ(EDCA又はHCCA)等、IEEE802.11トラフィック仕様(TSPEC)100によって指定されるような情報を使用することができる。定義されるビットレート(帯域幅)を、標準規格によって要求される範囲、たとえば11〜54Mbps内にすることができる。
本発明の1つの実施の形態は、局の無線ネットワークにおいて、ビットストリームに対するビットレート(帯域幅)を管理するQoS方法を提供する。図1に示すように、本方法は、ビットレート、パケットサイズ、ACKポリシ及び媒体アクセスカテゴリ(EDCA又はHCCA)等、IEEE802.11トラフィック仕様(TSPEC)100によって指定されるような情報を使用することができる。定義されるビットレート(帯域幅)を、標準規格によって要求される範囲、たとえば11〜54Mbps内にすることができる。
本方法はまた、変化するチャネル状態を動的に反映するために、帯域幅管理のために瞬間物理レイヤ(PHY)ビットレート割当てを適用することも可能である。QoS方法は、チャネル状態及びトラフィック負荷を動的に監視することにより帯域幅を効率的に管理する。
帯域幅を効率的に管理するために、解決されるべき1つの問題は、利用可能な帯域幅が十分であるか否かをいかに確定するかである。十分な帯域幅がない場合、いくつかのビットストリームの品質を低下させる必要のある場合がある。過度な帯域幅がある場合、いくつかのストリームの品質を向上させることができる。
本発明の実施の形態による方法は、「瞬間媒体時間」を確定することによって、この割当て問題を解決する。所与のトラフィックストリーム(TS)に対し、瞬間媒体時間は、瞬間PHYビットレートに従って所望の量のデータを送信するためにビーコン間隔中に必要な時間として定義される。瞬間媒体時間は、本質的に、TSの瞬間帯域幅要件を反映する。
無線リンクの品質が変化しやすいことにより、PHYビットレートは、迅速に変化する可能性がある。したがって、TSによって要求される瞬間媒体時間もまた、動的に変化する。すなわち、TSによって要求される帯域幅は、チャネル状態が変化するに従って変化する。
図2は、パケットに対する瞬間媒体時間208とビーコン間隔に対する瞬間媒体時間209とを確定する手続き200を示す。1つの実施の形態では、ネットワークは、IEEE802.11標準規格に従って設計される。
この手続きは、QoS方法により帯域幅を動的に管理するために使用される。各TSに対し、TSの平均データレート101は、時間の「瞬間」毎に送信されるデータの量、たとえばビット/秒201を示す。1秒当りに送信されるデータの量に基づいて、QoS方法は、ビーコン間隔毎に送信されるデータの量202を確定する。このデータ量とTS公称MSDUサイズ102とを使用して、QoS方法は、ビーコン間隔毎に送信されるパケットの数204を確定する(203)。TS ACKポリシ103、SIFS時間205、瞬間PHYレート及び他のPHYパラメータ206に基づいて、QoS方法は、各パケットに対する瞬間媒体時間208と、各ビーコン間隔内に所与のTSによって必要とされる瞬間媒体時間209とを確定する(207)。
解決すべき第2の問題は、「犠牲」TSをいかに選択するかである。犠牲TSは、チャネルにおける利用可能な全帯域幅がすべてのTSに対して不十分である間に、他より低いビットレートが割り当てられ、又は恐らくは完全に停止するストリームである。さらに、帯域幅の割当て解除及び再割当てを管理する必要がある。
この問題を解決するために、QoS方法は、各TSに対して追加の優先度を定義する。この新たな優先度は、IEEE802.11標準規格で述べられている従来の優先度とは異なる。そこでは、すべてのAVストリームに対してわずかな範囲の優先度が割り当てられる(表1を参照)。この新たな優先度は、アプリケーションによって決まる。
この新たな優先度を定義する1つの方法は、TSビットレートを、優先度が高いほどビットレートTSが高いように優先度を割り当て、ビットレートTSが低いほど低い優先度を割り当てる。すなわち、優先度は、帯域幅要件によって決まる。QoS方法は、この新たな優先度を使用して、帯域幅を保証すべきTSと、帯域幅が不足した場合に帯域幅を低減すべきTSとを確定する。
QoS方法は、瞬間媒体時間及び新たな優先度を用いて、帯域幅を動的に管理することができる。QoS方法は、チャネル状態及びトラフィック負荷に従って帯域幅割当てを動的に監視し且つ調節することにより、帯域幅管理動作を実行する。
目的は、帯域幅を効率よく使用して、優先度の高いTSに対する帯域幅を保証することである。
図3A乃至図3Dは、本発明の1つの実施の形態によるQoS方法によって実行される動的帯域幅管理を示す。
IEEE802.11標準規格によれば、時間は、ビーコン間隔と呼ばれる周期的間隔に分割される。各ビーコン間隔は、競合期間(CP)及び非競合期間(CFP)から構成され、競合期間中にはEDCAカテゴリが使用され、非競合期間中にはHCCAカテゴリが使用される。したがって、QoS方法は、アクセスポリシ104において指定されるカテゴリ、すなわちHCCAカテゴリ及びEDCAカテゴリに従ってTSを認識する。
図3Aに示すように、QoS方法は、まずHCCAカテゴリにおいて各TSに対して瞬間媒体時間(IMT)を確定することによりその動作を開始する。そして、QoS方法は、THMTによって示される、HCCAカテゴリのすべてのTSに対する全瞬間媒体時間を計算する(301)。本方法は、THMTを非競合期間長(CFPL)302と比較して、HCCAカテゴリに対して割り当てられる帯域幅が不十分であるか又は余分の帯域幅が利用可能であるかを判断する(303)。これには、2つの場合がある。
場合1:THMTがCFPLより大きい。これは、HCCAカテゴリによる必要な帯域幅が割り当てられた帯域幅より大きいことを意味する。すなわち、HCCAカテゴリに対する帯域幅は不十分である。Dが、THMT−CFPLを示すものとする(304)。QoS方法は、変更されるものとしてマークされ、変更済みTSリスト(MTSL)に挿入される「犠牲」として、最低優先度のTSを選択する(305)。
QoS方法は、犠牲がHCCAカテゴリにあるか否かを判断する(306)。犠牲がHCCAカテゴリにあり、且つ割り当てられたその合計時間(TTA)がDより大きい場合(307)、QoS方法は、そのTTAをDだけ低減する(308)。これにより、HCCAカテゴリに対する帯域幅不足問題が、実際に解決する。QoS方法は、TEMTによって示される、EDCAカテゴリのすべてのTSに対する合計瞬間媒体時間を計算する(309)。
犠牲がHCCAカテゴリにあり、且つそのTTAがDより小さい場合、QoS方法は、犠牲が送信されるのを拒否し(310)、すなわち、送信が一時的に終了する。HCCAカテゴリに対する帯域幅が依然として不十分であるため、QoS方法は、HCCAカテゴリに対する帯域幅不足問題が解決するまで、送信における最低優先度のTSを選択し続ける(311)。
犠牲がEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより大きい場合(312)、QoS方法は、犠牲に対するEDCAパラメータを再計算し(313)、非競合期間の長さをDだけ増大させ(314)、HCCAカテゴリに対する帯域幅不足問題が解決したためTEMTを計算する(315)。
犠牲がEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより小さい場合、QoS方法は、犠牲が送信されるのを拒否してDを更新し(316)、非競合期間の長さをIMTだけ増大させ(317)、HCCAカテゴリに対する帯域幅不足問題がまだ解決していないため、最低優先度のTSを選択する(318)。犠牲ストリームが、HCCAカテゴリを使用して送信されている場合、QoS方法は、新たなTTAに従って犠牲をポーリングする。犠牲がEDCAカテゴリにある場合、QoS方法は、犠牲送信機に対し、EDCAパラメータの変更に関して通知する。送信機は、こうした通知を受け取ると、新たなEDCAパラメータを直ちに使用する。
場合2:図3Bに示すように、THMTは、CFPLより小さい。これは、HCCAカテゴリTSによる必要な帯域幅が割り当てられた帯域幅より小さいことを示す。すなわち、余分の非競合期間が利用可能である(319)。QoS方法は、この余分の時間を再分配する。
Dが、CFPL−THMTを示すものとする(320)。QoS方法は、MTSLが空であるか否かを検査する(321)。空である場合、QoS方法は、TEMTを計算する(322)。空でない場合、QoS方法は、MTSLにおける最高優先度のTSを選択する(323)。QoS方法は、選択されたTSがHCCAカテゴリにあるか否かを判断する(324)。TSがHCCAカテゴリにあり、且つそのTTA+DがそのIMTより小さい場合(325)、QoS方法は、そのTTAをDだけ増大させる(326)。TSは、その帯域幅要件が完全には満足されていないため、MTSLに残る。それ以上余分の非競合期間は残っていないため、QoS方法は、TEMTを計算する(327)。
TSがHCCAカテゴリにあり、且つそのTTA+DがそのIMTより大きい場合、QoS方法は、そのTTAをIMTまで増大させ(328)、MTSLからTSを除去する。余分の非競合期間が完全には使用されていないため、QoS方法は、MTSLを検査する(329)。
TSがEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより大きい場合(330)、QoS方法は、このTSに対してEDCAパラメータを再計算し(331)、CFPLをDだけ低減し(332)、TEMTを計算する(333)。TSは、MTSLに留まる。
TSがEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより小さい場合、QoS方法は、送信されるべきTSに通常のEDCAパラメータを使用させ(334)、MTSLからTSを除去し、CFPLをIMTだけ低減し(335)、余分の非競合期間が依然として残っているためMTSLを検査する(336)。QoS方法は、TS送信機に対し、EDCAパラメータの変更に関して通知する。
図3Cに示すように、QoS方法は、HCCAカテゴリに対して帯域幅割当てを調節した後、EDCAカテゴリに対して同様の帯域幅管理動作を実行する。QoS方法は、TEMTを計算し(337)、競合期間長(CPL)を計算する(338)。そして、方法は、TEMTをCPLと比較して(339)、EDCAカテゴリに割り当てられた帯域幅が十分であるか否かを判断し、必要な場合は帯域幅調節を実行する。このときも同様に、2つの場合が考えられる。
場合1:TEMTがCPLより大きい。これは、EDCAカテゴリによる必要な帯域幅が割り当てられた帯域幅より大きいことを意味する。すなわち、EDCAカテゴリに対する帯域幅が不十分である。
Dが、TEMT−CPLを示すものとする(340)。QoS方法は、変更されるものとしてマークされMTSLに追加される犠牲として、送信における最低優先度のTSを選択する(341)。QoS方法は、犠牲がHCCAカテゴリにあるか否かを判断する(342)。
犠牲がHCCAカテゴリにあり、且つそのTTAがDより大きい場合(343)、QoS方法は、そのTTAをDだけ低減し(344)、したがってCFPLをDだけ低減する(345)。これは、EDCAカテゴリに十分な帯域幅を提供し、QoS方法は終了する(346)。
犠牲がHCCAカテゴリにあり、且つそのTTAがDより小さい場合、QoS方法は、CFPLをTTAだけ低減し(347)、Dを更新し、犠牲が送信されるのを拒否する(348)。EDCAカテゴリに対する帯域幅が依然として不足しているため、QoS方法は、再び送信における最低優先度のTSを選択する(349)。
犠牲がEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより大きい場合(350)、QoS方法は、犠牲351に対しEDCAパラメータを再計算し、終了する(352)。
犠牲がEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより小さい場合、QoS方法は、犠牲が送信されるのを拒否し(353)、再び送信における最低優先度のTSを選択する(354)。
場合2:TEMTがCPLより小さい。これは、余分の競合期間が利用可能であることを示す(355)。QoS方法は、図3Dに示すように、余分の時間を再分配する。DがCPL−TEMTを示すものとする(356)。QoS方法は、MTSLが空であるか否かを検査する(357)。空である場合、帯域幅調節は必要でなく、QoS方法は終了する(358)。
空でない場合、QoS方法は、MTSLにおける最高優先度のTSを選択する(359)。QoS方法は、選択されたTSがHCCAカテゴリにあるか否かを判断する(360)。TSがHCCAカテゴリにあり、且つそのTTA+DがそのIMTより小さい場合(361)、QoS方法は、そのTTA及びCFPLをDだけ増大させ(362)、終了する(363)。
TSがHCCAカテゴリにあり、且つそのTTA+DがそのIMTより大きい場合、QoS方法は、そのTTAをIMTまで増大させ、したがってCFPLを増大させる(364)。TSは、MTSLから除去される。余分の競合期間が完全には使用されていないため、QoS方法は、再びMTSLを検査する(365)。
TSがEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより大きい場合(365)、QoS方法は、このTSに対してEDCAパラメータを再計算し(367)、終了する(368)。
しかしながら、TSは、依然としてMTSLに留まる。TSがEDCAカテゴリにあり、且つそのIMTがDより小さい場合、QoS方法は、送信されるべきTSに対しその通常のEDCAパラメータを使用させ(369)、MTSLからTSを除去し、Dを更新し(370)、余分の競合期間が依然として残っているためMTSLを再び検査する(371)。
発明の効果
QoS制御は、特に無線AVネットワークの場合に重要である。本発明の実施の形態によるQoS方法は、MACレイヤより上のLLCレイヤで動作する。QoS方法は、帯域幅が不十分である場合に帯域幅を管理する効率的なメカニズムを提供する。
QoS制御は、特に無線AVネットワークの場合に重要である。本発明の実施の形態によるQoS方法は、MACレイヤより上のLLCレイヤで動作する。QoS方法は、帯域幅が不十分である場合に帯域幅を管理する効率的なメカニズムを提供する。
QoS方法により、優先度の高い方のAVストリームに対する帯域幅が保証され、帯域幅が不足している間は、優先度の低い方のAVストリームのみが影響を受ける。
Claims (16)
- 無線ネットワークにおいてトランスポートストリームのための帯域幅を動的に管理する方法であって、
無線ネットワークにおける利用可能な帯域幅を定義するステップと、
HCCAカテゴリ及びEDCAカテゴリに従って送信されるトランスポートストリームによって要求される瞬間帯域幅を確定するステップと、
前記利用可能な帯域幅と前記瞬間帯域幅とを比較するステップと、
前記瞬間帯域幅が前記利用可能な帯域幅と異なる場合に、優先度の低いトランスポートストリームの帯域幅を動的に調節するステップと
を含む帯域幅を動的に管理する方法。 - 前記トランスポートストリームは、オーディオ・ビジュアルデータを伝送する請求項1に記載の方法。
- 前記無線ネットワークは、IEEE802.11標準規格に従って動作する請求項1に記載の方法。
- 前記定義するステップ、前記確定するステップ、前記比較するステップ及び前記調節するステップは、前記ネットワークの論理リンク制御レイヤにおいて実行される請求項3に記載の方法。
- 前記瞬間帯域幅は、ビーコン間隔毎の各トランスポートストリームによって送信されるデータの量に関連する請求項1に記載の方法。
- 前記トランスポートストリームの優先度は、アプリケーションによって決まる請求項1に記載の方法。
- 前記トランスポートストリームの優先度は、該トランスポートストリームの帯域幅要件に従って割り当てられる請求項1に記載の方法。
- 前記EDCAカテゴリは、競合期間中に使用され、前記HCCAカテゴリは、非競合期間中に使用される請求項1に記載の方法。
- 前記瞬間帯域幅要件は、前記HCCAカテゴリに対して確定され、次いで前記EDCAカテゴリに対して確定される請求項1に記載の方法。
- 前記調節するステップは、まず前記HCCAカテゴリにおけるトランスポートストリームに対して実行され、次いで前記EDCAカテゴリにおけるトランスポートストリームに対して実行される請求項1に記載の方法。
- 前記ネットワークでの伝送は、ビーコン間隔に従って調整され、各ビーコン間隔は、競合期間及び非競合期間を含み、前記調節するステップでは、前記瞬間帯域幅が前記利用可能な帯域幅より大きい場合に前記非競合期間の長さを増大させる請求項1に記載の方法。
- 前記ネットワークでの伝送は、ビーコン間隔に従って調整され、各ビーコン間隔は、競合期間及び非競合期間を含み、各非競合期間は、各トランスポートストリームに対する送信機会を含み、前記調節するステップでは、前記瞬間帯域幅が前記利用可能な帯域幅より大きい場合に優先度の低い方のトランスポートストリームの前記送信機会の長さを低減させる請求項1に記載の方法。
- 前記ネットワークでの伝送は、ビーコン間隔に従って調整され、各ビーコン間隔は、競合期間及び非競合期間を含み、前記調節するステップでは、前記瞬間帯域幅が前記利用可能な帯域幅より小さい場合に前記非競合期間の長さを低減させる請求項1に記載の方法。
- 前記ネットワークでの伝送は、ビーコン間隔に従って調整され、各ビーコン間隔は、競合期間及び非競合期間を含み、各非競合期間は、各トランスポートストリームに対する送信機会を含み、前記調節するステップでは、前記瞬間帯域幅が前記利用可能な帯域幅より小さい場合に優先度の低い方のトランスポートストリームの前記送信機会の長さを増大させる請求項1に記載の方法。
- 前記調節するステップでは、前記瞬間帯域幅が前記利用可能な帯域幅より大きい場合に優先度の低いトランスポートストリームの前記帯域幅を低減させる請求項1に記載の方法。
- 前記調節するステップでは、前記瞬間帯域幅が前記利用可能な帯域幅より小さい場合に優先度の低いトランスポートストリームの前記帯域幅を増大させる請求項1に記載の方法。
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