JP2019197970A - 無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】送信機からの電波信号を中継機を経由して受信機に送信する無線通信システムにおいて、受信機が受信する信号強度の低下を適切に抑制する。【解決手段】無線通信システムは、電池ユニット２に対応して設けられる送信機（１０ａ）と、電池ユニット２の状態を監視するＥＣＵに接続された受信機（２０）と、送信機からの信号を中継して受信機に送信する中継機（３０）とを備える。中継機（３０）は、送信機（１０ａ）よりも受信機（２０）から離れた位置であって、かつ受信機（２０）が受信する合成波の振幅が送信波の振幅以上となる送信周波数が存在する位置に配置される。【選択図】図１

Description

本開示は、送信機と中継機と受信機とを備えた無線通信システムに関する。

国際公開第２０１５／０６３９４５号（特許文献１）には、複数の電池セルの状態を示す電波信号をそれぞれ送信する複数の送信機（セル管理装置）と、複数の送信機からの電波信号を受信する受信機（組電池管理装置）とを備える電池制御システムが開示されている。この電池制御システムにおいては、受信機と一部の送信機との間で無線通信することができない場合、他の送信機が中継機として利用されて、一部の送信機からの電波信号が他の送信機を中継して受信機に送信される。

国際公開第２０１５／０６３９４５号

上述のように、特許文献１に開示された電池制御システムにおいては、他の送信機が中継機として利用されて、一部の送信機からの電波信号が中継機（他の送信機）を経由して受信機に送信される場合がある。

しかしながら、中継機と受信機との距離が近い場合には、中継機から複数の経路をそれぞれ経由して受信機に到達した複数の伝送波が互いに干渉して打ち消し合う現象（いわゆるマルチパスフェージング）が生じ、その影響で受信機が受信する信号強度が低下することが懸念される。

マルチパスフェージングの対策としては、送信機あるいは中継機が送信する電波の周波数（以下「送信周波数」ともいう）を所定範囲でランダムに変更する処理（いわゆる周波数ホッピング）を行なうことが有効であることが知られている。しかしながら、中継機と受信機との距離が近い場合には、中継機が周波数ホッピングを行なったとしても、その効果は小さく、信号強度の低下を適切に抑制することができないおそれがある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、送信機からの電波信号を中継機を経由して受信機に送信する無線通信システムにおいて、受信機が受信する信号強度の低下を適切に抑制することである。

本開示による無線通信システムは、送信機と中継機と受信機とを備える。送信機は、中継機に電波信号を送信する。中継機は、送信機からの電波信号を受信して受信機に送信する。受信機は、中継機から送信された電波信号が複数の経路をそれぞれ経由して伝送された複数の伝送波が合成された合成波を受信する。中継機は、送信機よりも受信機から離れた位置であって、かつ合成波の振幅が複数の伝送波の各々の振幅以上となる電波信号の周波数が存在する位置に配置される。

上記システムによれば、中継機は、送信機よりも受信機から離れた位置であって、かつ合成波の振幅が複数の伝送波の各々の振幅以上となる電波信号の周波数が存在する位置に配置される。そのため、中継機が周波数ホッピングを行なって送信周波数を変化させることによって、少なくとも１つ以上の送信周波数において、受信機が受信する信号強度を増幅させることができる。その結果、受信機が受信する信号強度の低下を抑制しつつ、送信機からの情報を受信機に伝達することができる。

本開示によれば、送信機からの電波信号を中継機を経由して受信機に送信する無線通信システムにおいて、受信機が受信する信号強度の低下を適切に抑制することができる。

無線通信システムを含む電池制御システムの構成の一例を模式的に示す図（その１）である。 送信機から受信機に伝送される電波の経路および波形の一例を模式的に示した図である。 送信波、反射波、および合成波の波形の一例を示す図である。 伝送経路差が小さい場合の合成波の振幅変化を示す図である。 伝送経路差が大きい場合の合成波の振幅変化を示す図である。 伝送経路差と合成波の振幅変化量との対応関係の一例を示す図である。 中継機から受信機に伝送される電波の経路および波形の一例を模式的に示した図である。 送信機からの信号を中継機を経由して受信機に送信する際の処理手順の一例を示すフローチャートである。 無線通信システムを含む電池制御システムの構成の一例を模式的に示す図（その２）である。 送信タイミングの比較例を示す図である。 送信タイミングの一例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態による無線通信システムを含む電池制御システム１の構成の一例を模式的に示す図である。この電池制御システム１は、ハイブリッド自動車あるいは電気自動車等の電動車両に搭載される。なお、本開示による無線通信システムは、必ずしも車両用の電池制御システムに適用することに限定されず、車両以外の用途あるいは電池制御以外の用途で使用される無線通信システムにも適用可能である。

電池制御システム１は、複数の電池ユニット２と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４と、複数の送信機１０と、受信機２０と、中継機３０とを備える。

複数の電池ユニット２は、電池パックの内部に規則的に配列される。図１に示す例では、８個の電池ユニット２が４個ずつ２列に分けて配列されている。

複数の電池ユニット２の各々には、走行用モータを駆動するための電力を蓄える電池（電池セルあるいは組電池）と、電池の電圧を検出するためのセンサなどが含まれる。

複数の送信機１０と中継機３０と受信機２０とは、互いに無線通信可能に構成される。各送信機１０ａ、中継機３０、受信機２０は、データを一時的に記憶するレジスタを備える。各送信機１０ａおよび中継機３０は、レジスタに記憶されたデータを所定の通信スケジュールに従って送信することができる。受信機２０は、所定の通信スケジュールに従って、各送信機１０ａあるいは中継機３０からの信号を受信することができる。

複数の送信機１０は、複数の電池ユニット２にそれぞれ対応して設けられる。各送信機１０は、対応する電池ユニット２に含まれる電池の電圧を示す電波信号を、直接的に、あるいは中継機３０を中継して、受信機２０に送信することができる。

中継機３０は、送信機１０から送信された電波信号を受信し、受信した信号を受信機２０に送信することができる。

受信機２０は、ＥＣＵ４に有線接続されている。受信機２０は、各送信機１０あるいは中継機３０から送信された電波信号を受信し、その情報をＥＣＵ４に出力する。ＥＣＵ４は、受信機２０からの情報に基づいて複数の電池ユニット２の状態を監視したり充放電を制御したりする。

中継機３０は、複数の送信機１０のいずれよりも受信機２０から離れた位置に配置される。言い換えれば、中継機３０と受信機２０との距離Ｄ３は、各送信機１０と受信機２０との距離のいずれよりも大きい値に設定される。

なお、本開示において、送信機１０の数は、必ずしも複数であることに限定されず、１つであってもよい。以下では、主に、複数の送信機１０のうち、受信機２０との距離が短い送信機１０ａ（図１において下側の列の右から２番目の送信機１０）について説明する。この送信機１０ａと受信機２０との距離Ｄ１は、中継機３０と受信機２０との距離Ｄ３の半分未満であって、かつ送信機１０ａと中継機３０との距離Ｄ２よりも短い。

このような送信機１０ａにおいては、受信機２０との距離Ｄ１が短いため、送信機１０ａから直接的に受信機２０に電波を送信すると、いわゆるマルチパスフェージングの影響で受信機２０が受信する信号強度が低下することが懸念される。

図２は、送信機１０ａから受信機２０に伝送される電波の経路および波形の一例を模式的に示した図である。図２には、送信機１０ａおよび受信機２０が、樹脂部材６と金属部材８との間に設けられる例が示されている。この例では、図２に示すように、送信機１０ａから送信された電波信号が、金属部材８で反射せずに直接的に伝送される経路Ａと、金属部材８で反射して伝送される経路Ｂとをそれぞれ経由して受信機２０に到達する。

ここで、経路Ｂを経由する伝送波の位相は、金属部材８で反射した際に反転する。そのため、経路Ａを経由して受信機２０に到達した伝送波（以下「送信波」ともいう）と、経路Ｂを経由して受信機２０に到達した伝送波（以下「反射波」ともいう）とが互いに干渉して打ち消し合う現象（マルチパスフェージング）が生じる。その結果、受信機２０が受信する合成波の強度レベル（振幅）は、送信波および反射波の強度レベル（振幅）よりも低下してしまう。

図３は、送信周波数を所定値ｆ１に固定した場合における、送信波、反射波、および合成波の波形の一例を示す図である。図３において、横軸は各電波の位相を示し、縦軸は各電波の振幅を示す。なお、図３および後述する図において、振幅は、送信波の振幅を「１」としている。

図３に示す例では、送信波と反射波との振幅はともに１であり、位相が反転している（１８０°ずれている）ため、送信波と反射波とを合成した合成波の信号強度（振幅）はほぼ０となってしまっている。

このようなマルチパスフェージングによる強度低下に対する対策として、送信周波数を所定範囲でランダムに変更する「周波数ホッピング」を行なうことが有効であることが知られている。しかしながら、送信機１０ａと受信機２０との距離Ｄ１が近いと、経路Ａの長さと経路Ｂの長さとの差（以下「伝送経路差」ともいう）が小さいため、周波数ホッピングの効果は小さく、マルチパスフェージングによる受信強度の低下を適切に抑制することができない。

図４は、伝送経路差が小さい所定値ＤＳ（たとえば数センチメートル程度）である場合に、周波数ホッピングを行なって送信周波数を最小値ｆｍｉｎから最大値ｆｍａｘまでの範囲で変化させたときの合成波の振幅変化を示す図である。図４に示すように、伝送経路差が小さい場合には、送信周波数を変化させても、合成波の振幅（信号強度）はあまり変化せず、いずれも「１」未満である。そのため、周波数ホッピングを行なったとしても、その効果は小さく、マルチパスフェージングによる受信強度の低下を適切に抑制することができない。

図５は、伝送経路差が大きい所定値ＤＬ（たとえば数メートル程度）である場合に、周波数ホッピングを行なって送信周波数を最小値ｆｍｉｎから最大値ｆｍａｘまでの範囲で変化させたときの合成波の振幅変化を示す図である。図５に示すように、伝送経路差が大きい場合には、送信周波数を変化させることによって、合成波の振幅（信号強度）は大きく変化し、「１」を超える場合も生じ得る。すなわち、伝送経路差が大きい場合には、周波数ホッピングを行なう効果は大きく、マルチパスフェージングによる受信強度の低下を適切に抑制することができる。

図６は、伝送経路差と合成波の振幅変化量との対応関係の一例を示す図である。図６に示す対応関係は、周波数ホッピングによって送信周波数を最小値ｆｍｉｎから最大値ｆｍａｘまでの範囲で変化させた場合の合成波の振幅変化量を、各伝送経路差ごとに計測する実験によって得られた結果である。この実験結果より、伝送経路差が基準値ｄｔｈを超える場合に、合成波の振幅変化量が概ね「１」を超えることが理解できる。

本実施の形態による送信機１０ａは、受信機２０との距離Ｄ１が小さいために、伝送経路差が基準値ｄｔｈ未満となる。そのため、送信機１０ａから直接的に受信機２０に電波を送信する場合には、仮に周波数ホッピングを行なってとしても、合成波の振幅変化量が「１」未満となってしまう。

そこで、本実施の形態においては、送信機１０ａからの信号を中継して受信機２０に送信する中継機３０が設けられる。

図７は、中継機３０から受信機２０に伝送される電波の経路および波形の一例を模式的に示した図である。中継機３０は、送信機１０ａから受信した電波信号を、受信機２０に送信する。中継機３０から送信された電波信号は、金属部材８で反射せずに直接的に伝送される経路Ａと、金属部材８で反射して伝送される経路Ｂとをそれぞれ経由して受信機２０に到達する。

ここで、中継機３０は、送信機１０ａよりも受信機２０から離れた位置であって、かつ受信機２０が受信する合成波の振幅が送信波の振幅以上となる送信周波数が存在する位置に配置される。具体的には、中継機３０と受信機２０との距離Ｄ３が、送信機１０ａと受信機２０との距離Ｄ１よりも大きい値であって、かつ「基準距離Ｄｔｈ」を超える値に設定されている。ここで、「基準距離Ｄｔｈ」は、周波数ホッピングによって送信周波数を変化させた場合における合成波の振幅変化量が送信波の振幅「１」となる距離、すなわち伝送経路差が図６に示す基準値ｄｔｈとなる距離である。

中継機３０と受信機２０との距離Ｄ３が基準距離Ｄｔｈを超える値に設定されているため、中継機３０が周波数ホッピングを行なって送信周波数を変化させることによって、少なくとも１つ以上の送信周波数において、受信機２０が受信する信号強度を増幅させることができる。その結果、受信機２０が受信する信号強度の低下を抑制しつつ、送信機１０ａからのデータを受信機２０に伝達することができる。

さらに、中継機３０と送信機１０ａとの距離Ｄ２が短い場合には、中継機３０が送信機１０ａからの信号を受信する際にも受信強度低下の問題が生じ得る。この点に鑑み、本実施の形態においては、中継機３０と受信機２０との距離Ｄ３だけでなく中継機３０と送信機１０ａとの距離Ｄ２も上述の基準距離Ｄｔｈを超えるように、中継機３０の配置が決められている。そのため、送信機１０ａが信号を中継機３０に送信する際に周波数ホッピングを行なって送信周波数を変化させることによって、少なくとも１つ以上の送信周波数において、中継機３０が受信する信号強度が増幅される。その結果、中継機３０が送信機１０ａから受信する信号強度の低下についても適切に抑制することができる。

図８は、送信機１０ａからの信号を中継機３０を経由して受信機２０に送信する際の処理手順の一例を示すフローチャートである。図８において、送信機１０ａの処理が中央に示され、中継機３０の処理が右側に示され、受信機２０の処理が左側に示される。

まず、送信機１０ａの処理について説明する。送信機１０ａは、対応する電池ユニット２に含まれるセンサが検出した電池電圧の計測値を取得する（ステップＳ１０）。送信機１０ａは、取得された電池電圧の計測値のデータをレジスタに格納する（ステップＳ１１）。

次いで、送信機１０ａは、中継機３０に次回送信する予定のパケット（Ｑｕｅｕｅ）に空きがあるか否かを判定する（ステップＳ１２）。パケットに空きがない場合（ステップＳ１２においてＮＯ）、送信機１０ａは、レジスタに格納されたデータを棄却する（ステップＳ１６）。

パケットに空きがある場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）、送信機１０ａは、レジスタに格納されたデータ（電池電圧の計測値）をパケットに格納し（ステップＳ１３）、中継機３０との通信タイミングにおいてパケットデータを表わす電波信号を中継機３０に送信する（ステップＳ１４）。この際、送信機１０ａは、周波数ホッピングによって送信周波数を最小値ｆｍｉｎから最大値ｆｍａｘまでの範囲で変化させる。これにより、送信機１０ａからのデータが中継機３０に受信される。

なお、送信機１０ａは、受信機２０との通信タイミングにおいては、電波信号を送信しない。すなわち、送信機１０ａは、受信機２０へ直接的には電波信号を送信しない。

その後、送信機１０ａは、中継機３０からの返信信号Ａｃｋを受信したか否かを判定する（ステップＳ１５）。返信信号Ａｃｋを受信した場合（ステップＳ１５においてＹＥＳ）、送信機１０ａは、レジスタに格納されたデータを棄却する（ステップＳ１６）。

次に、中継機３０の処理について説明する。中継機３０は、送信機１０ａとの通信タイミングにおいて、送信機１０ａからのデータを受信したか否かを判定する（ステップＳ２０）。送信機１０ａからのデータを受信した場合（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、返信信号Ａｃｋを送信機１０ａに送信する（ステップＳ２１）。その後、中継機３０は、送信機１０ａから受信したデータをレジスタに格納する（ステップＳ２２）。

次いで、中継機３０は、受信機２０に次回送信する予定のパケットに空きがあるか否かを判定する（ステップＳ２３）。パケットに空きがない場合（ステップＳ２３においてＮＯ）、中継機３０は、レジスタに格納されたデータを棄却する（ステップＳ２７）。

パケットに空きがある場合（ステップＳ２３においてＹＥＳ）、中継機３０は、レジスタに格納されたデータ（送信機１０ａから受信した電池電圧の計測値）をパケットに格納し（ステップＳ２４）、受信機２０との通信タイミングにおいてパケットデータを表わす電波信号を受信機２０に送信する（ステップＳ２５）。この際、中継機３０は、周波数ホッピングによって電波信号の周波数を最小値ｆｍｉｎから最大値ｆｍａｘまでの範囲で変化させる。これにより、中継機３０からの電波信号が受信機２０に受信される。

その後、中継機３０は、受信機２０からの返信信号Ａｃｋを受信したか否かを判定する（ステップＳ２６）。返信信号Ａｃｋを受信した場合（ステップＳ２６においてＹＥＳ）、中継機３０は、レジスタに格納されたデータを棄却する（ステップＳ２７）。

次に、受信機２０の処理について説明する。受信機２０は、中継機３０からの受信タイミングにおいて、中継機３０からのデータを受信したか否かを判定する（ステップＳ３０）。中継機３０からのデータを受信した場合（ステップＳ３０においてＹＥＳ）、返信信号Ａｃｋを送信機１０ａに送信する（ステップＳ３１）。その後、受信機２０は、中継機３０から受信したデータをレジスタに格納する（ステップＳ３２）。受信機２０のレジスタに格納されたデータはＥＣＵ４に出力され、ＥＣＵ４において電池ユニット２の監視および充放電制御に用いられる。

以上のように、本実施の形態においては、送信機１０ａからの信号を中継して受信機２０に送信する中継機３０が設けられる。この中継機３０は、送信機１０ａよりも受信機２０から離れた位置であって、かつ受信機２０が受信する合成波の振幅が送信波の振幅以上となる送信周波数が存在する位置に配置される。これにより、中継機３０が送信機１０ａから受信した信号を受信機２０に送信する際に周波数ホッピングを行なって送信周波数を変化させることによって、少なくとも１つ以上の送信周波数において、受信機２０が受信する信号強度を増幅させることができる。その結果、受信機２０が受信する信号強度の低下を抑制しつつ、送信機１０ａからのデータを受信機２０に伝達することができる。

＜変形例１＞
上述の実施の形態においては、送信機１０ａからの信号を中継して受信機２０に送信する専用の中継機３０が、複数の送信機１０とは別に設けられる例を示した。

しかしながら、受信機２０との距離が上述の基準距離Ｄｔｈ（周波数ホッピングによって送信周波数を変化させた場合における合成波の振幅変化量が送信波の振幅「１」となる距離、すなわち伝送経路差が図６に示す基準値ｄｔｈとなる距離）を超える送信機１０が存在する場合には、その送信機１０を中継機として利用するようにしてもよい。これにより、専用の中継機３０を省くことができ、コストの増加および設置スペースの増加を抑制することができる。

図９は、変形例１による無線通信システムを含む電池制御システム１Ａの構成の一例を模式的に示す図である。この電池制御システム１Ａにおいては、１０個の電池ユニット２が５個ずつ２列に分けて配列されている。１０個の電池ユニット２にそれぞれ対応して１１０個の送信機１０が設けられている。

１０個の送信機１０のうち、最左側の送信機１０ｂ（以下「第２送信機１０ｂ」ともいう）は、送信機１０ａ（以下「第１送信機１０ａ」ともいう）よりも受信機２０から離れた位置であって、かつ受信機２０が受信する合成波の振幅が送信波の振幅以上となる送信周波数が存在する位置に配置される。

そして、電池制御システム１Ａにおいては、専用の中継機３０が省かれ、第２送信機１０ｂが中継機として利用される。すなわち、第２送信機１０ｂは、自らに対応する電池ユニット２に含まれる電池電圧の計測値を受信機２０に送信するとともに、第１送信機１０ａからの信号を受信して受信機２０に送信する。この際、第２送信機１０ｂは、周波数ホッピングを行なって送信周波数を変化させることによって、少なくとも１つ以上の送信周波数において、受信機２０が受信する信号強度を増幅させることができる。

そのため、専用の中継機を設けることなく、第１送信機１０ａからの信号を第２送信機１０ｂが中継して受信機２０に送信することによって、受信機２０が受信する信号強度の低下を抑制しつつ、第１送信機１０ａからのデータを受信機２０に伝達することができる。

＜変形例２＞
上述の変形例１のように第２送信機１０ｂを中継機として利用する場合、第２送信機１０ｂは、第１送信機１０ａから受信したデータ（以下「第１データＤＡ１」ともいう）と、第２送信機１０ｂに対応する電池ユニット２に含まれる電池電圧のデータ（以下「第２データＤＡ２」ともいう）との両方を保持することになる。そのため、仮に、受信機２０への送信頻度が全ての送信機１０で同じである場合、第１データＤＡ１と第２データＤＡ２との送信チャンスは他のデータの半分になってしまい、通信信頼性が低下してしまうことが懸念される。

図１０は、本変形例１に対する比較例として、受信機２０への送信頻度が全ての送信機１０で同じである場合の送信タイミングの一例を示す図である。図１０には、送信頻度として、データ取得周期（あるデータ取得タイミングから次のデータ取得タイミングまでの期間）毎に３回のデータ送信タイミングが用意されている例が示されている。この場合、第１送信機１０ａおよび第２送信機１０ｂには、１回のデータ取得周期において３回のデータ送信チャンスが存在する。

第１送信機１０ａは、３回のデータ送信チャンスのうちで１つのデータ（第１データＤＡ１）を第２送信機１０ｂに送信すればよい。ところが、第２送信機１０ｂは、３回のデータ送信チャンスのうちで２つのデータ（第１データＤＡ１および第２データＤＡ２）を第２送信機１０ｂに送信することになる。そのため、１つのデータあたりの送信チャンスが半分になってしまい、通信信頼性が低下してしまうことが懸念される。

そこで、本変形例２においては、第２送信機１０ｂの送信頻度を他の送信機１０の送信頻度よりも増加させる。

図１１は、本変形例２による送信タイミングの一例を示す図である。図１０に示す例では、第２送信機１０ｂの送信頻度を、他の送信機１０の送信頻度の２倍にした例が示される。より具体的には、第１送信機１０ａの送信チャンスはデータ取得周期毎に３回用意されているのに対し、第２送信機１０ｂの送信チャンスはデータ取得周期毎に６回用意されている。そのため、第１送信機１０ａは、３回のデータ送信チャンスのうちで１つのデータ（第１データＤＡ１）を第２送信機１０ｂに送信すればよい。一方、第２送信機１０ｂは、６回のデータ送信チャンスのうちで２つのデータ（第１データＤＡ１および第２データＤＡ２）を第２送信機１０ｂに送信すればよい。これにより、１つのデータあたりの送信チャンスが均一となり、通信信頼性の低下を抑制することができる。

＜変形例３＞
上述の変形例２のように第２送信機１０ｂの送信頻度を他の送信機１０の送信頻度よりも増加させる場合、受信機２０で備えておく通信スケジュールが増加し、全データの通信が完了するまでの時間（以下「更新時間」ともいう）が延びてしまうことが懸念される。電池の過充電を防止するためには、電池情報の迅速な通信が不可欠なため、少しでも更新時間を短縮することが求められる。

そこで、本変形例３においては、第１送信機１０ａの受信機２０への送信を無くし、かつ受信機２０側の通信スケジュールからも第１送信機１０ａとの通信を除外する。これにより、第２送信機１０ｂの送信頻度を増加させたことによって更新時間が長期化することを抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ 電池制御システム、２ 電池ユニット、４ ＥＣＵ、６ 樹脂部材、８ 金属部材、１０ 送信機、１０ａ 第１送信機（送信機）、１０ｂ 第２送信機、２０ 受信機、３０ 中継機。

Claims (1)

1. 送信機と中継機と受信機とを備えた無線通信システムであって、
   前記送信機は、前記中継機に電波信号を送信し、
   前記中継機は、前記送信機からの前記電波信号を受信して前記受信機に送信し、
   前記受信機は、前記中継機から送信された前記電波信号が複数の経路をそれぞれ経由して伝送された複数の伝送波が合成された合成波を受信し、
   前記中継機は、前記送信機よりも前記受信機から離れた位置であって、かつ前記合成波の振幅が前記複数の伝送波の各々の振幅以上となる前記電波信号の周波数が存在する位置に配置される、無線通信システム。

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