JP2010080991A - レピータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳの搭載なしで基地局及び無線端末と同期を確立し、通信を中継するレピータを提供する。
【解決手段】レピータは、基地局と通信するドナー部と、無線端末と通信するリモート部とからなる。ドナー部は、基地局からの信号を受信して、受信した信号中のプリアンブルを特定して、基地局との同期を図る。これにより、基地局とレピータ間での通信のフレームの先頭が決定される。基地局とドナー部との同期が確立するとリモート部は、無線端末との同期のための手順を開始する。リモート部は、ドナー部からフレームの先頭のタイミングの情報を受け付けて、同じタイミングをフレームの先頭と定めて、無線端末が同期を確立する際に参照するプリアンブルを発信する。
【選択図】図６

Description

本発明は、基地局からの信号を無線端末に中継するレピータに関し、特に同期の確立の技術に関する。

基地局と無線端末との通信において、いずれの基地局からの無線信号も受信しにくい位置にある無線端末との通信を実行するためにレピータを設置することがある。レピータは、基地局からの信号を無線端末に中継するものであり、通常、基地局から受信した信号を増幅して、無線端末に出力する。
基地局からレピータ、そしてレピータから無線端末との間で、通信を実行するには、基地局−レピータ間、及び、レピータ−無線端末間での同期を確立する必要がある。

基地局と無線端末で通信を実行する場合には、図８に示すように、通信を実行する。図８中、Ｔｘは送信を意味し、Ｒｘは受信を意味する。ここにレピータを挟んで、レピータに基地局からの信号を中継させることを考える。
ここで基地局と無線端末の間にレピータを置いてレピータに基地局と無線端末間の通信を中継させる場合に、ＷｉＭＡＸの通信規格では、干渉を抑え、通信品質の向上を図るため、図９に示すように、送受信のフレームの先頭（図９時刻Ｔ０、Ｔ２）が上位から下位、つまり、基地局から無線端末までの経路において、ダウンリンク（図９中のＤＬ）のタイミングと、アップリンク（図９中のＵＬ）のタイミングとがそれぞれ一致することが規定されている。このフレームの先頭のタイミングを通信機器間でそろえるように決定することを同期を確立するという。なお、１回分のＵＬとＤＬとＤＬの前に付加される同期用の信号であるプリアンブルとを併せて１フレームとし、１フレームの長さは５ｍｓｅｃとなる。

同期の確立を実施する手法としては、特許文献１に挙げる技術を用いることが考えられる。特許文献１の技術によれば、基地局、レピータ、無線端末それぞれにＧＰＳ（Global Positioning System）を搭載し、ＧＰＳから出力される超高精度時刻情報であるクロック(１clk/sec)の立ち上がりと所定数（２００フレーム）毎のフレームの先頭とが一致するように同期を確立することができる。

また、非特許文献１には、ＷｉＭＡＸにおける同期の確立についての記載がある。
特開２０００−１９７１０８号公報 インプレス標準教科書シリーズ ＷｉＭＡＸ教科書、庄納 崇編著

ところで、上記特許文献１の手法を用いるとＧＰＳを基地局及びレピータに設置しなければならないため、膨大なコストがかかるという問題がある。
そこで、本発明においては、ＧＰＳを搭載せずに、それでいてＷｉＭＡＸの通信規格に準拠した基地局、及び無線端末と同期を確立することができるレピータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、基地局と無線端末間の通信を中継するレピータであって、基地局と通信を実行するドナー部と、無線端末と通信を実行するリモート部とを備え、前記ドナー部は、前記基地局からのプリアンブルを含む信号を受信し、受信した信号に基づいて、データの送受信に係るフレームの開始のタイミングを決定するための同期を確立し、前記ドナー部は、前記リモート部にフレームの開始のタイミングを特定するための基準となるタイミングを通知し、前記リモート部は、通知されたタイミングに基づいて、前記ドナー部がプリアンブルを受信するタイミングで、リモート部が発信するプリアンブルが無線端末において受信されるように、プリアンブルを含む同期確立のためのフレームを発信することを特徴としている。

上述のような構成によって、レピータは、ＧＰＳを備えずとも基地局と同期を確立し、また、ＷｉＭＡＸの通信規格に反することなくプリアンブル信号を発信して、当該プリアンブル信号が無線端末で受信されることにより、無線端末との同期も確立し、通信を実行することができる。

以下、本発明の一実施形態であるレピータについて図面を用いて説明する。
＜実施の形態＞
＜構成＞
図１は、本発明に係るレピータが含まれる通信システムのシステム構成を示したシステム構成図である。

図１を見れば分かるように、通信システムは、基地局１００と、中継器（以下「レピータ」という）２００と、無線端末３００とを含んで構成される。当該通信システムはＷｉＭＡＸ（ＩＥＥＥ８０２．１６）の通信規格に従って通信を実行する。なお、本システム図では、それぞれ１台ずつしか示していないが、実際には通信システムにはより多くの基地局、レピータ、無線端末が含まれる。

基地局は、レピータに信号を送信し、レピータは当該信号を中継して無線端末に送信する。また、無線端末はレピータに信号を送信し、レピータは当該信号を中継して基地局に信号を送信する。これにより、無線端末は、他の無線端末との通信が実行できる。
当該通信の実行には、基地局とレピータ間、及び、レピータと無線端末間での同期の確立が必須である。本実施の形態では、当該同期の確立にあたり、ＧＰＳを用いずに確立する手法を示す。なお、本実施の形態においては、同期の確立の仕方についてを詳細に説明し、通信については、ＷｉＭＡＸの規格に従った通信を実行するものとして説明を割愛する。

図２は、基地局１００の機能構成を示した機能ブロック図である。図２に示すように基地局１００は、上位通信部１１０と、制御部１２０と、下位通信部１３０と、記憶部１４０とを含んで構成される。
上位通信部１１０は、電話網と接続しており（図示せず）他の基地局と通信を実行する機能を有する。

制御部１２０は、基地局１００の各部を制御する機能を有する。
下位通信部１３０は、アンテナ１３１を含み、無線端末及びレピータと通信を実行する機能を有する。下位通信部１３０は、アンテナ１３１を介して、レピータ及び無線端末との同期を確立するために毎フレームごとにプリアンブル及びダウンリンク方向の通信に必要な周波数等の情報を含むＤＬ−ＭＡＰと、アップリンク方向の通信に必要な周波数等の情報を含むＵＬ−ＭＡＰとを含ませて発信している。

記憶部１４０は、基地局１００が動作上必要とするプログラムやデータを記憶する機能を有し、ネイバーリスト１４１を記憶している。ネイバーリスト１４１は、基地局１００が同期を確立している無線端末あるいはレピータが他の基地局にハンドオーバーを実行する際にハンドオーバー先の候補として参照する基地局ならびにレピータの情報を示す情報である。

以上が基地局１００の説明である。
次にレピータ２００について説明する。
図３は、レピータ２００の機能構成を示した機能ブロック図である。図３に示すように、レピータ２００は、ドナー部２１０とリモート部２２０とを含んで構成される。ドナー部２１０は、基地局１００と通信を実行する機能を有する。リモート部２２０は、無線端末３００と通信を実行する機能を有する。ドナー部２１０とリモート部２２０とは同一のクロックが供給されて動作している。

ドナー部２１０は、第１通信部２１１と、起動制御部２１４とを含んで構成される。
第１通信部２１１は、アンテナ２１２と第１同期確立部２１３とを含んで構成される。第１通信部２１１は、アンテナ２１２を介して基地局と通信する機能を有する。第１通信部２１１は、アンテナ２１２を介して基地局から受信した信号をリモート部２２０に伝達する機能を有する。また、リモート部２２０から伝達された信号をアンテナ２１２を介して基地局に送信する機能を有する。

第１同期確立部２１３は、プリアンブルの参照信号を保持し、基地局との同期が確立していない状態において第１通信部で受信した信号の中から保持している参照信号と一致する信号を検出してプリアンブルを特定し、プリアンブルに後続するＭＡＰ情報（ダウンリンクの周波数帯域や、下りバーストの割当、アップリンクの周波数帯域や、上りバーストの割当等の情報を含む）に基づいて、基地局との同期を確立する機能を有する。

起動制御部２１４は、第１同期確立部２１３が基地局と同期を確立し、基地局からプリアンブルが到来するタイミングとその周期を自己の動作クロックにおけるタイミングと周期に換算し、そのタイミングと周期を第２同期確立部２２３に通知し、同期に必要なプリアンブルを含むフレームの発信を指示する。
リモート部２２０は、第２通信部２２１を含んで構成される。

第２通信部２２１は、アンテナ２２２と第２同期確立部２２３とを含んで構成される。第２通信部２２１は、アンテナ２２２を介して、リモート部に接続されている無線端末と通信を実行する機能を有する。第２通信部２２１は、第１通信部２１１から伝達された信号を、アンテナ２２２を介して指定される無線端末に送信する機能を有する。また、アンテナ２２２を介して受信した信号を第１通信部２１１に伝達する機能を有する。

第２同期確立部２２３は、起動制御部２１４から指示されたタイミングと同じタイミングでプリアンブルが発信されるように、第２通信部２２１が、各フレームごとに含ませるプリアンブルならびにＭＡＰ情報を生成し、生成された情報を含んだ信号を起動制御部２１４から通知されたタイミングで第２通信部２２１が発信する。当該プリアンブルならびにＭＡＰ情報が無線端末で受信されることにより、同期の諸手順が開始され、第２同期確立部２２３は、必要に応じて無線端末とネゴシエーションを行って同期を確立する。

以上がレピータ２００の説明である。
ここから、無線端末３００の機能構成について説明する。図４は、無線端末３００の機能構成を示した機能ブロック図である。
図４に示すように無線端末３００は、通信部３１０と、表示部３２０と、音声処理部３３０と、操作部３４０と、記憶部３５０と、制御部３６０とを含んで構成される。

通信部３１０は、アンテナ３１１から受け取った受信信号を受話音声信号及び受信データ信号に復調し、復調した受話音声信号や、受信データ信号を制御部３６０に出力する機能を有する。また、通信部３１０は、音声処理部３３０でＡ／Ｄ変換された送話音声信号、及び制御部３６０から与えられる電子メールなどの送信データ信号を変調し、通信用アンテナ３１１から出力する機能を有する。また、通信部３１０は、基地局もしくはレピータからの信号を受信し、基地局もしくはレピータと同期を確立する機能を有する。

表示部３２０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などによって実現されるディスプレイを含み、制御部３６０の指示による画像をディスプレイに表示する機能を有する。
音声処理部３３０は、通信部３１０から出力された受話音声信号をＤ／Ａ変換してスピーカ３３２に出力する機能と、マイク３３１から取得した送話音声信号をＡ／Ｄ変換し、変換された信号を制御部３６０に出力する機能を有する。

操作部３４０は、テンキー群、オンフックキー、オフフックキー、方向キー、決定キー、メールキー、サイドキーなどを含み、ユーザの操作を受け付け、受け付けた操作内容を制御部３６０に出力する機能を有する。
記憶部３５０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含んで構成され、小型ハードディスクや不揮発性メモリなどによって実現される。記憶部３５０は、無線端末３００の動作上必要な各種データやプログラムの他、音楽データや画像データなどを記憶する機能を有する。記憶部３５０は、同期を確立した基地局もしくはレピータから受信したネイバーリストを記憶している。ネイバーリストは、無線端末３００がハンドオーバーを実行する際に、通信部３１０により参照される。

制御部３６０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などにより実現され、無線端末３００の各部を制御する機能を有する。
以上が無線端末３００の説明である。
＜データ＞
ここから、同期に必要な各種データについて説明する。

図５は、基地局とレピータ間でやり取りする信号のフレーム構成の一例を示した概念図である。ＷｉＭＡＸでは、フレーム長は５ｍｓｅｃになることが規定されている。
図５に示すように、フレームは、下りサブフレームと上りサブフレームとを含んで構成される。下りサブフレームと上りサブフレームとの間には、それぞれ、ＴＴＧ（Transmit Transition Gap）、ＲＴＧ（Receive Transition Gap）という送受信の切替処理を行うためのガード時間が設けられる。フレームが連続する形式で基地局−レピータ間、レピータ−無線端末間の通信が実行される。

下りサブフレームは、プリアンブルと、ＦＣＨ（Frame Control Header）と、ＤＬ−ＭＡＰ（Down Link - MAP）と、ＵＬ−ＭＡＰ（Up Link - MAP）と、下りバーストとを含んで構成される。
プリアンブルは、同期確立のためにフレームの先頭を下位の装置、即ち基地局からみてレピータあるいは無線端末、レピータからみて無線端末にフレームの先頭を認識させるための信号である。

ＦＣＨは、後続するＤＬ−ＭＡＰのデータ構造を示すデータである。
ＤＬ−ＭＡＰは、レピータあるいは無線端末が下り方向の同期を確立するために必要とするデータである。
ＵＬ−ＭＡＰは、レピータあるいは無線端末が上り方向の同期を確立するために必要とするデータである。

下りバーストは、基地局がレピータあるいは無線端末に送信する実際のデータである。ここでいう実際のデータとは、例えば、通話音声データや、ＭＣＢＣＳの配信データなどがある。また、ＤＬ−ＭＡＰや、ＵＬ−ＭＡＰに含まれなかった拡張通信制御情報などが含まれることもある。
ＴＴＧは、基地局、レピータ、無線端末において、データの通信方向つまりダウンリンクからアップリンクへの切替処理のためのガード時間である。

上りサブフレームは、レンジング領域と、ＣＱＩＣＨ（Channel Quality Information Channel）領域と、ＡＣＫ（Acknowledgement）領域と、上りバーストとを含んで構成される。
レンジング領域は、帯域要求やレンジングを行う信号を送信するための領域である。帯域要求とは、無線端末がデータを基地局に送信するためのデータ領域の割当を要求する処理である。また、レンジングとは、基地局とレピータあるいは無線端末との間で時間と周波数の同期を確保するための処理である。

ＣＱＩＣＨ領域は、受信側におけるチャネル品質情報を送信するための領域である。
ＡＣＫ領域は、ハイブリッド自動再送要求に対するＡＣＫ／ＮＡＫのフィードバックを行うためのＡＣＫＣＨ（ACK Channel）に使用される領域である。
上りバーストは、無線端末から、レピータあるいは基地局に送信する実際のデータである。

ＲＴＧは、基地局、レピータ、無線端末において、データの通信方向つまりアップリンクからダウンリンクへの切替処理のためのガード時間である。
以上がフレームの説明である。
＜動作＞
ここから、本実施の形態における同期確立のための動作について説明する。

まず、同期の確立の一連の流れについて、図６のタイミングチャートに基づいて説明する。
まず、基地局１００は、プリアンブル信号やＤＬ−ＭＡＰ、ＵＬ−ＭＡＰを含む信号を毎フレームに含ませて発信している。当該プリアンブル信号を受けて、レピータのドナー部２１０は、基地局との同期を図る。

ドナー部２１０と基地局１００との間での同期が確立する（ステップＳ６０１）と、ドナー部２１０は、基地局１００からプリアンブルを受信する予定のタイミングを、プリアンブルを含むフレームの開始タイミングとしてリモート部２２０に通知する（ステップＳ６０２）。
リモート部２２０は、ドナー部２１０からフレームのタイミングを通知されると、通知されたタイミングと同じタイミングでプリアンブル信号やＤＬ−ＭＡＰ、ＵＬ−ＭＡＰを含む信号を毎フレームに含ませて発信する（ステップＳ６０３）。

無線端末３００は、リモート部２２０が発信するプリアンブル信号を受けて（ステップＳ６０４）、リモート部２２０との同期を確立する（ステップ６０５）。
基地局とレピータ間の同期が確立し、レピータと無線端末との間の同期が確立することで、無線端末はレピータ及び基地局を介して他の無線端末との通信が実行できるようになる。

次にレピータにおける同期の確立における動作を図７に示すフローチャートに従って説明する。
ドナー部２１０の第１通信部２１１は、各周波数をスキャニングして、基地局からの信号を受信する。第１同期確立部２１３は、基地局から受信した信号のプリアンブルを、保持している参照信号と比較することで特定し、フレームの長さが固定長（５ｍｓｅｃ）であることから、次のフレームの開始タイミングが特定でき、連続するフレームの開始タイミングを認識して、同期を確立する（ステップ７０１）。同期が確立すると、下りバーストの構成や上りバーストの構成をＤＬ−ＭＡＰや、ＵＬ−ＭＡＰから特定し、その後、基地局とネゴシエーションを実行しながら、ネットワークエントリの諸手順を実行する。ネットワークエントリの諸手順の詳細については、例えば、上記非特許文献１に記載されている。

ドナー部２１０の起動制御部２１４は、自己の動作クロックにおいて、第１同期確立部２１３が基地局と同期を確立し、プリアンブルを受信するタイミングとその周期を検出する。そして、検出したタイミングと周期をリモート部に伝達する（ステップＳ７０２）。具体的には、起動制御部２１４は、自己の動作クロックのうちプリアンブルを受信する予定のタイミング以外ではクロックをマスクしたパルス信号を出力する。

リモート部２２０は、ドナー部２１０と同一のクロック信号発生器からクロックの供給を受けて動作しており、当該クロックにおいて、起動制御部２１４から通知されたタイミングと周期でプリアンブルを発信する（ステップＳ７０３）。これにより、リモート部２２０は、ドナー部２１０が基地局１００からプリアンブルを受信しているタイミングと同じタイミングで無線端末３００においてプリアンブルが受信されるようにプリアンブルを含むフレームを発信することができる。具体的には、起動制御部２１４から出力されたパルス信号と、自己の動作クロックとが一致するタイミングでプリアンブルを出力する。

これにより、図９に示したように、基地局−レピータ間、レピータ−無線端末間においてフレームのタイミングを統一して通信ができるようになる。なお、基地局から無線端末に信号を送信する際に、基地局がレピータのリモート部に時刻Ｔ０−Ｔ１間において送信した信号は、それ以降のフレームのダウンリンク、例えば、時刻Ｔ２−Ｔ３間においてレピータから無線端末に向けて送信される。また、逆に無線端末から基地局に信号を送信する場合にも、無線端末がレピータに時刻Ｔ１−Ｔ２間において送信した信号は、それ以降のフレームのアップリンク、例えば時刻Ｔ３−Ｔ４においてレピータのドナー部から基地局に送信される。

以上に説明してきたように、本実施の形態においては、ＷｉＭＡＸの通信規格に従った通信を実行できるように、基地局−レピータ間、レピータ−無線端末間での同期をＧＰＳを搭載することなしに実現できる。ＧＰＳを搭載していないことで、回路規模を小さくすることや、製作コストを低減することができる。
＜補足＞
上記実施形態において、本発明の実施の手法について説明してきたが、本発明の実施形態がこれに限られないことは勿論である。以下、上記実施形態以外に本発明の思想として含まれる各種の変形例について説明する。
（１）上記実施の形態においては、レピータをドナー部２１０とリモート部２２０が一体となり、一筐体内に収まるものを示した。しかしながら、レピータのドナー部２１０とリモート部２２０とを同一筐体内に収める必要はなく、例えば、図１０に示すようにドナー部２１０とリモート部２２０とを分離して設置してもよい。図１０は、屋内にレピータを設置する場合の一例を示した図である。図１０によれば、ドナー部２１０を屋外に近くなるように設置することで基地局との通信を実行しやすくするとともに、リモート部２２０を屋内に設置することで屋内にある無線端末との通信を実行しやすくすることができる。また、ドナー部２１０とリモート部２２０とを離して設置することで、ドナー部２１０の送受信する信号と、リモート部２２０の送受信する信号とが互いへの干渉となることをなるべく防ぐことができる。

ドナー部２１０とリモート部２２０間の通信は、例えば通信規格ＩＥＥＥ８０２．３に従って通信する。ここでの通信は通信遅延がないことが望ましい。しかし、ドナー部２１０−リモート部２２０間の通信の遅延がある場合には、その遅延時間を考慮した制御を実行する必要がある。特に、同期を確立する際において、ドナー部２１０が基地局と同期を確立しプリアンブルを発信すべきタイミングを通知する場合、リモート部２２０は、通知されたタイミングから遅延時間を引いてプリアンブルを発信しなければならない。
（２）上記実施の形態においては、無線端末と基地局との同期について説明し、レピータと無線端末の場合については、同様であるとして、説明しなかったが、図８におけるフローチャートのうち、位置登録については、無線端末は、レピータに位置登録するのではなく、無線端末が同期を図ろうとしているレピータが通信している基地局に位置登録を行うこととなる。
（３）上記実施の形態においては、基地局と無線端末の間には１台のレピータを挟むこととしたが、複数台のレピータを挟んでもよい。
（４）上記実施の形態においては、第１同期確立部２１１もしくは通信部３１０は、予めプリアンブルを特定するための参照信号を保持し、当該参照信号と一致する信号を検出してプリアンブルと特定することを示した。しかし、参照信号を用いずとも、以下の手法によってプリアンブルを特定することも可能である。

即ち、同内容のデータを例えば１０シンボル分連続させたものをプリアンブルとし、受信側は受信した信号と、当該受信した信号を１シンボル分だけ遅延させた信号とを比較する。すると、９シンボル分一致する部分が検出されるので、その９シンボルとその１つ前のシンボルとを含めた部分をプリアンブルとして特定する。この手法によってもプリアンブルを特定することが可能である。
（５）上述の実施形態で示した同期に係る動作、レピータにおけるプリアンブルの発信タイミングの通知処理等をレピータ等のプロセッサ、及びそのプロセッサに接続された各種回路に実行させるためのプログラムコードからなる制御プログラムを、記録媒体に記録すること、又は各種通信路等を介して流通させ頒布させることもできる。このような記録媒体には、ＩＣカード、ハードディスク、光ディスク、フレキシブルディスク、ＲＯＭ等がある。流通、頒布された制御プログラムはプロセッサに読み出され得るメモリ等に格納されることにより利用に供され、そのプロセッサがその制御プログラムを実行することにより、実施形態で示したような各種機能が実現されるようになる。

本発明に係るレピータは、ＧＰＳなしで基地局及び無線端末と同期を確立し通信を中継する中継器として活用することができる。

通信システムのシステム構成図である。 基地局の機能構成を示した機能ブロック図である。 レピータの機能構成を示した機能ブロック図である。 無線端末の機能構成を示した機能ブロック図である。 基地局とレピータのドナー部間の同期確立のシーケンスを示したフローチャートである。 同期確立時のレピータの動作を示したフローチャートである。 レピータのリモート部と無線端末間の同期確立のシーケンスを示したフローチャートである。 基地局と無線端末とが通信することを示す図である。 基地局と、レピータと、無線端末との通信を示す図である。 レピータのドナー部とリモート部とを離して配置する場合の配置例を示した図である。

符号の説明

１００ 基地局
１１０ 上位通信部
１２０ 制御部
１３０ 下位通信部
１３１ アンテナ
１４０ 記憶部
１４１ ネイバーリスト
２００ レピータ
２１０ ドナー部
２１１ 第1通信部
２１２ アンテナ
２１３ 第１同期確立部
２１４ 起動制御部
２２０ リモート部
２２１ 第２通信部
２２２ アンテナ
２２３ 第２同期確立部
３００ 無線端末
３１０ 通信部
３１１ アンテナ
３２０ 表示部
３３０ 音声処理部
３３１ マイク
３３２ スピーカ
３４０ 操作部
３５０ 記憶部
３５１ ネイバーリスト
３６０ 制御部

Claims (2)

1. 基地局と無線端末間の通信を中継するレピータであって、
   基地局と通信を実行するドナー部と、
   無線端末と通信を実行するリモート部とを備え、
   前記ドナー部は、前記基地局からのプリアンブルを含む信号を受信し、受信した信号に基づいて、データの送受信に係るフレームの開始のタイミングを決定するための同期を確立し、
   前記ドナー部は、前記リモート部にフレームの開始のタイミングを特定するための基準となるタイミングを通知し、
   前記リモート部は、通知されたタイミングに基づいて、前記ドナー部がプリアンブルを受信するタイミングで、リモート部が発信するプリアンブルが無線端末において受信されるように、プリアンブルを含む同期確立のためのフレームを発信する
   ことを特徴とするレピータ。
2. 前記ドナー部と前記リモート部とは同一周期のクロックで動作し、
   前記ドナー部は、前記クロックにおける前記フレームのプリアンブル信号を受信する予定のタイミングを前記リモート部に通知し、
   前記リモート部は、通知されたタイミングと同じタイミングでプリアンブルを含む前記フレームを発信する
   ことを特徴とする請求項１記載のレピータ。

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