JP3757642B2 - 無線通信ネットワークシステム - Google Patents
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- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の機器が無線通信によってデータの送受を行う無線通信ネットワーク技術に関し、更に詳しくは無線通信ネットワークに接続された発信元の無線端末が種々の情報をパケット化して発信し、他の無線端末が中継を繰り返しながら着信先の無線端末まで転送するシステムで用いる技術に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、データ通信需要は飛躍的に増大し、又その使用目的も多様化している。これにより電話回線等の既存の設備を用いたり、あるいは新たなインフラによる様々なデータ通信方式が提案され、また実用化されている。しかしこれらは通信コストが高く、又インフラの整備や維持にも多大な費用を要する。
【0003】
しかし通信需要の増大に伴い、通信ネットワークの使用目的に応じて、既存のものより通信コストがより安価で、設備の導入や維持が容易な通信ネットワークが必要とされている。特に地方事業体などが公共サービスの一環として用いるための、設備の導入や維持が容易で運営が簡単なデータ通信システムへのニーズが高まっている。
【0004】
本発明は、無線通信を用い、設備の導入や整備が安価で、また通信コストやインフラの維持コストが安価で且つ容易なデータ通信を実現する通信ネットワークを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明による無線通信ネットワークシステムは、無線データ通信を行なう複数の無線端末によって構成され、前記無線端末のいずれも直接又は他の1以上の無線端末を介することで他の全ての無線端末と通信可能であることを前提とするものであって、上記複数の無線端末の各々が、自らの送出するデータパケットの着信先の無線端末と、自らが直接通信可能である隣接無線端末から前記着信先の無線端末に前記データパケットが着信するまでに要する最小の通信回数と、を互いに対応付けて示すシステム構成情報と、自己に設定された通信路の通信頻度を計測する通信頻度計測手段と、自己の受信したデータパケットを目的とする無線端末まで転送するための通信路として、該目的とする無線端末までの通信回数が最小となる通信路を前記システム構成情報に基づいて選択し、該選択された通信路が複数存在する場合、該複数の通信路のうち前記通信頻度の最小となる通信路に決定する通信路決定手段とを備えることを特徴とし、ネットワーク内の特定部分にトラヒックが集中するのを防止する。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態について説明する。
まず本実施形態における、ネットワーク構成について説明する。
【0017】
図1は、本実施形態に於ける無線通信ネットワークのイメージ図である。本実施形態では無線機を特定エリア内に、特定の間隔で分散設置する。各無線機は、互いに隣接した無線機と通信可能であり、パケット化されたデータを隣接する無線機間で受け渡し、これを繰り返すことで任意の端末間でのデータの受け渡しを行うことが出来る。以下の説明ではこの無線機群を無線メッシュという。また無線メッシュを構成している無線機を無線端末、使用者がネットワークと接続するのに用いる端末機器を端末装置という。
【0018】
個々のネットワーク使用者は、この自己の端末装置3、4から無線メッシュ1を構成している無線端末2の1つと無線あるいは有線によって接続することによりこのネットワークを用いることが出来る。また電話回線やインターネットと無線端末を接続し、この無線端末5を介することにより他のネットワークとのデータ通信も行うことも可能となる。
【0019】
この端末装置3、4と無線端末2との通信及び無線端末2同士の通信はパケット交換なので、端末装置3、4とネットワークとの接続は、電話回線の様に回線を専有し、繋ぎっぱなしにするものではないので、通信量が多くなると遅くはなるが、非常に多くの端末装置3、4を繋ぐことが出来る。
【0020】
この無線メッシュは、特定地域内に無線端末を300m程度の距離間隔でメッシュ状に電柱上等に設置することにより、例えば人口約15万人、面積約30km2 の日野市を想定した場合には、約300台程度の無線端末の設置により市内全域をカバーすることが出来る。
【0021】
この無線端末の設置は、単に無線端末を置いて回るだけで良いので、電話回線等有線ケーブルを施設する工事に比べると、工事費が安価に済む。また無線端末単体の値段も安価で同一規模の他のネットワークシステムに比してインフラの整備を安価に行える。
【0022】
更に電話回線などでは、故障や整備は素人には手に負えないが、本実施形態のネットワークでは、修理や整備は無線端末の交換だけですむので、保守管理用の特別な専門員を必要としない。よって維持の手間が殆どかからず、従って運用の費用が非常に安くすむので運用コストが安くなり、通信料金を低レベルに押さえることが可能となる。
【0023】
またこのネットワークシステムは、分散ネットワークシステムであり、特定部分に制御が集中する構成ではないので、たとえ無線メッシュの一部が欠損してもネットワーク全体がダウンすることはなく、正常に動作している無線メッシュの部分と接続している無線端末同士は通信可能である。よって、例えば各無線端末にバッテリーや太陽電池を搭載する等の方法で電力源を確保することにより、地震等の災害に対する非常用の通信システムとしても使用可能である。
1.ネットワークの基本動作
この無線メッシュによる通信方法について説明する。
【0024】
まず無線メッシュでの通信路の設定及び中継ルートの選定について説明する。図2は、設置された無線端末間での通信路の設定方法についての説明図である。同図において、A〜Jはエリア内に分散設置された無線端末を示している。
【0025】
各無線端末A〜Jは、それぞれ一定の周期で各送信元の端末を識別する識別子を含む存在通知パケットを送信し、これを受信した通信端末は、この通信端末と直接通信できる可能性が有ることを認識する。
【0026】
図2では、無線端末A、B、D、E、Fは、無線端末Cの送信する存在通知パケットを受信することによって、無線端末Cと直接通信できる可能性を有していることを認識する。同様に、無線端末F、G、H、Jは無線端末Iの送信する存在通知パケットを受信することによって、無線端末Iと直接通信できる可能性を有していることを認識する。
【0027】
このように、各無線端末A〜Jがそれぞれ一定の周期で存在通知パケットを送信し、これを隣接する無線端子が受信することにより、その時点での電波伝播状態に応じた直接通信の可能性を互いに認識することができる。
【0028】
次に各無線端末は、通信路診断パケットを送信して、存在通知パケットによって認識された直接通信の可能性を有する各無線端末間の通信路の信頼性を診断し、水準以上の信頼性を有するものを有効な通信路として設定する。
【0029】
その後各無線端末は、システムを構成する他の全ての無線端末が、自らと直接通信路を有するどの無線端末を経由して接続されているのかを認識するため、システム構成情報を格納する存在通知パケットを送信する。
【0030】
システム構成情報は端末からの通信回数と着信端末との関係情報であり、各端末は、自己に対するシステム構成情報と共に、直接通信が可能である隣接した無線通信端末のシステム構成情報を保持、管理する。
【0031】
図3に、ネットワーク構成が図4の様なトポロジーの場合の無線端末Aのシステム構成情報を示す。
図3のシステム構成情報には、図4の様なトポロジーのネットワーク回線が設定された場合において、各着信先の無線端末とその無線端末に到達するまでの最小の通信回数との関係が示されている。ここでの通信回数(ホップ数)とは、送信元である無線端末Aが送信するパケットが着信先の無線端末に到達するまでに各無線端末間で通信される回数を示しており、図3のシステム構成情報からは、無線端末Aが1回の通信でパケットを転送可能な無線端末にはB、C、Dがあることがわかり、また、中継無線端末による通信も含めてパケットを転送するためには少なくとも2回の通信を要する無線端末にはE、Fがあることがわかる。同様に、少なくとも3回の通信を要する無線端末にはG、H、Iが少なくとも4回の通信を要する無線端末にはJがあることがわかる。
【0032】
各無線端末は、この図3の様なシステム構成情報を、アイドル状態時に、存在通知パケットに格納して一定周期毎に隣接する無線端末に送信する。そして、隣接する無線端末から受信したシステム構成情報を基に自己のシステム構成情報を更新して行く。
【0033】
また各無線端末は、自己のシステム構成情報の他に、隣接する無線端末のシステム構成情報も保持し、管理する。図5は図1での無線端末Aが管理する、無線端末Aが直接通信路を有する無線端末B、C、Dの構成情報を示す。無線端末Aは、図3に示す自らのシステム構成情報の他に、図5に示すこの無線端末B、C、Dのシステム構成情報をも管理する。
【0034】
このシステム構成情報を用いた通信例として、無線端末Aが無線端末Eへパケットを送出する場合を考える。図5のシステム構成情報を参照すると、無線端末Eへパケットを転送するためには、無線端末Bからは1回の通信で転送可能であることがわかる。同様に、無線端末Cからは1回、無線端末Dからは2回の通信で転送可能であることがわかる。このことにより、無線端末Aは、着信先が無線端末Eであるパケットを無線端末BまたはCのいずれかに送出するようにする。無線端末Aからパケットを受信した無線端末B又はCは、自己が保持、管理しているシステム構成情報から、パケットの送信先に対して最も通信回数の少ない無線端末へ送り、以降同様の処理によりパケットはネットワーク内を中継されてゆき、着信先の無線端末へ届く。
2.輻湊処理
各無線端末は、ネットワーク内に流れるデータ量を調節するため、受信バッファを複数備えている。またデータの受信間隔を計測し、通信頻度が高く他の無線端末から頻繁にデータを受信するようになると、データの転送速度を落とし、データの転送間隔を空ける。
【0035】
図6は、この無線端末による転送速度の変更を示す図である。
各無線端末は、図6(a)の様に通常はデータを受信すると順次処理して送信出力する。しかし、データの受信間隔が狭まると、無線端末はネットワーク内に流れるデータ量が大きくなっていると判断し、受信バッファを用いて受信データの転送間隔を一定以上の大きさになるように調節する。またデータの受信間隔が空いてくると、無線端末はネットワーク内に流れるデータ量が少なくなったと判断し、送信速度を戻し、データを受信すると順次処理して転送する。
【0036】
この様に各無線端末がネットワーク内に流れるデータ量に応じてデータの転送速度を調節することにより、輻湊による通信障害が発生することを未然に防ぐことが出来る。
【0037】
また無線メッシュ内でのデータの転送速度は、データを転送する目的地によって決定する構成とすることも出来る。図7にその例を示す。
例えば無線メッシュと無線接続している端末装置がどの無線端末と接続されているかを示す位置情報を無線メッシュ内の1乃至複数の無線端末に登録する構成とした場合、この無線端末にトラヒックが集中する可能性が有る。或は図1の無線端末4の様に特定の回線と接続されてる無線端末に対しては通信データが集中する。この様な特定部分へのトラヒックの集中はネットワーク全体の能力の低下や通信障害の原因となる。
【0038】
この様にトラヒックの集中が発生する可能性がある通信端末に対しては、図7(a)の様に無線端末11に向かうデータと図7(b)の様に無線端末11から発せられるデータとで、図7(c)の様にデータの転送速度を変える。
【0039】
例えば無線端末11がインターネットに繋がっている場合、多くの場合この無線端末11に向かうデータはキーの押下等、小さくまた重要度が低いデータである。逆に無線端末11から隣接する他の無線端末へ発せられるデータは画像データや音声データ等のコンテンツ等大きなデータである。よって図7(a)の様な一つの無線端末11に集まってくるデータと、図7(b)の様なひとつの無線端末11から発して分散していくデータとで、データパケット内に特定符号を付ける等の方法で区別する。そして図7(c)の様に、無線端末11に集まるものは受信から送信までの間隔を空けてゆっくりとした速度で転送し、無線端末11から発せられるものは受信してから送信するまでの間隔を他の無線端末間での間隔より短くして転送速度を速くする。この様に無線端末11は受信から送信までの時間を調整することにより、特定部分へのトラヒックの集中に対処できる。
【0040】
また、輻湊に対する対処方式として、各通信路のデータの通過する頻度によって通信ルートを選択する方法が有る。
無線メッシュ内のデータの転送経路の選択は、前述したように各無線端末が保持しているシステム構成情報に基づいて、目的地までの通信回数(ホップ数)が最も少なくなるような経路が選択される。しかし、一般的に同一目的地への無線メッシュ内の経路は無数に有り、同一ホップ数の経路も多数存在する。そこで目的地までのホップ数が最も少ない通信ルートの中で最も通信頻度の少ないルートを選択してデータを中継するようにすることで、一定箇所にトラヒックが集中することを防ぐことが出来る。
【0041】
この実現方法としては、各無線端末で、自己に設定されている各通信路に対し特定時間内にデータが通過する回数を計測し、その値に基づいて各通信路に優先レベルを設定する。この優先レベルは、その通信路の通信頻度に基づいた値が設定され、データの通過量が少ない通信路には高い優先レベルが設定される。そして図8の様に、受信したデータの目的地へのルートとして、ホップ数から、無線端末22への通信経路25、無線端末23への通信経路26及び無線端末24への通信経路27の3つの通信路を通る場合が考えられる場合、各通信経路に設定されている優先レベルを調べ、最も高い優先レベルの通信経路を選択する。図9の場合、通信経路25、26、27にはそれぞれ優先レベル1、優先レベル3及び優先レベル3が設定されており、優先レベルが最も高い通信経路25が選択され、データの送信が行われる。
【0042】
この様にして、他の条件が同じ場合、データの通過する頻度によって通信路が選ばれるので、無線メッシュ内の特定部分にトラヒックが集中することを防ぐことが出来る。
3.通信路の多重化
図9(a)のように、ひとつの無線端末31に対して複数の隣接無線端末32及び33から同時にデータを送信した場合、これらの無線データは衝突し、無線端末31ではどの無線端末からのデータも受信できない可能性が強い。よってこれを回避するため各無線端末は、周波数、時間、又は拡散符号及びこれらのうち2以上を組み合わせて変化させた複数のチャネルをもつ。チャネルの分割方式は、周波数分割、時分割、拡散符号分割、あるいはその組み合わせなど任意である。
【0043】
複数のチャネルにより通信路が多重化されていると、図9(b)の様に送信側の無線端末32及び33は複数のチャネルからデータを送信出来る。送信側のチャネル選択方式は送信前キャリアセンスを行う方式、ランダム、特定の法則によるものなど任意である。チャネルの数を多くすれば、出力したデータが全て他の無線端末からの出力と衝突する可能性は殆ど無くなる。
【0044】
無線端末31のチャネル選択方式は、順に電波の有無を確認しながら受信チャネルを変更して行くもので、無線端末32、33が送信した複数のチャネルの内の1つで待ち受ければ、送信されたデータを確実に受信することができる。図9(b)では、無線端末32及び33が送信したデータは、無線端末31で、チャネル1から送信されたものは衝突して受信できないが、チャネル2及びチャネル3から送信されたデータは受信することができる。
【0045】
またデータの受信を確実に受信するために、図10の様にパケットの先頭部にプリアンブルを設ける。
無線端末31の受信方式は、受信チャネルを順次変更して行き、そのチャネルの電波が出力されているのを検出すると受信チャネルを固定して受信を行う方式なので、送信データのパケットを先頭から受信できるとは限らない。よって送信データの前に適当な大きさのプリアンブルを設けるパケット構成とすることにより、受信側の無線端末31は、パケットの先頭部分から受信できなくてもプリアンブル送信時に電波を検出できれば、この間にプリアンブルに続くデータの受信に備えることが出来、必要な送信データは全て受信できる。
4.各無線端末に於ける受信時の指向性
無線メッシュ内の各無線端末は、データの受信時は無指向性であり、送信時は指向性を持つ。
【0046】
図11(a)は無線端末のデータ受信時、図11(b)はデータ送信時の指向特性を示す図である。
無線メッシュを構成する無線端末41は、データ受信時は相手が特定出来ないので、図11(a)の様に指向性を持たせず、隣接する他の無線端末42、43、44の45どの方向からも一様にデータを受信する。
【0047】
データの送信時は、送信相手が特定できるので、図11(b)の様に、データ送信を行う無線端末41は、その送信相手の無線端末44の方向に指向性を持たせる。この無線端末41がデータを送信する相手は、データ送信の度に変わるため、送信アンテナとしてアダプティブ・アレイアンテナを使用して送信方向を変更したり、指向性アンテナを機械的に回転させて、送信方向を変更する。
【0048】
各無線端末が、データの送信時に指向性を持たせるためには、隣接する無線端末42〜44が設置されている方向を知らなければならない。以下にその検知方法について説明する。
【0049】
無線端末はアイドル状態時に存在通知パケットの送信を行うが、各無線端末は受信時の指向性を変化させながらこの存在通知パケットを受信することによって隣接する無線端末の方向を検知する。
【0050】
図12は、この隣接無線端末の方向の検出を説明する図である。
存在通知パケットには、その無線端末を識別する識別子を含んでいるので、これを受信した無線端末51はこの存在通知パケットの送信元が無線端末52で有ることを認識できる。よって、無線端末51は、無線端末52が出力する存在通知パケットを追跡することが出来るので、受信時の指向性を変化させながらこの存在通知パケットの電波強度を測定することにより、電波強度がもっとも高い指向性の方向に、この存在通知パケットの出力元である無線端末が存在することを判断出来る。
【0051】
この様にして求めた隣接無線端末の方向を用いて、上述したデータ送信時に目的の隣接無線端末に向けて送信データを出力する。
この様に送信時に指向性を持たせることにより、同一出力の場合より遠くまで電波を届課せることが出来るので、無線メッシュを構成する無線端末の間隔を大きく取ることが出来る。また同一距離に電波を届かせる場合、小さい出力で済むので、データ出力時の消費電力を押さえることが出来る。
5.目的地が複数有る場合の目的地の選択
目的地が複数有る場合の目的地の選択について、図13を用いて説明する。
【0052】
例えば本ネットワークを用いてインターネット接続を行う場合において、無線メッシュ61が複数箇所でインターネットと接続していた場合、そのうちのどの接続点を介してインターネットと接続してもかまわない。
【0053】
例えば図13において、無線端末63、64及び65の3つの無線端末がインターネットとのゲートウエイと接続されている場合、無線端末62と通信接続している端末装置69からは、この内のどの無線端末を介してもインターネットと接続できる。
【0054】
この様な場合、端末装置62は、自己が保持しているシステム構成情報から端末装置63、64及び65までのホップ数を調べ、データの転送先としてこの内最もホップ数の少ないものを送信先として設定する。図13では、無線端末63、64及び65間でのホップ数は、それぞれ4、4、3なので最もホップ数が少ない無線端末65がデータの送信先として選択される。これにより複数の目的地の中で、最も近いものが自動的に選択される。
【0055】
また無線端末62から無線端末65間での通信ルートとして、無線端末62から無線端末67、68及び69への3つの通信路が有る。これら3つのどれを通過しても無線端末65まではホップ数3で到達できる。この様な場合、上述した通信路に設定された、通信頻度による優先レベルによって通信路が選択される。
【0056】
図14は、その通信路の選択を説明する図である。
無線端末67、68及び69への通信路71、72及び73にはそれぞれそのデータの通過量に基づいて優先レベル3、2、2が設定されている。無線端末62はこの優先レベルに基づき、通信路71を選択してデータを送信する。
6.ネットワークの保守管理機能
本実施形態の無線通信ネットワークでは、更にネットワークの保守管理用のサーバを備える構成とすることが出来る。
【0057】
図15はこの保守管理サーバを備えた無線通信ネットワークの構成を示す。この保守管理サーバ83は、無線メッシュを構成する無線端末の1つと接続されており、各無線端末は、この保守管理サーバに自己の運転記録を定周期に通知する。
【0058】
保守管理サーバ83では、無線端末84を介して集まってきた運転記録のデータを解析し、ネットワーク内のトラヒックの集中部分や故障した無線端末を検出し、トラヒックが集中した無線端末や故障した無線端末へのデータの転送を回避するよう他の無線端末に指示する。また故障の場合は、ネットワークの保守管理人に故障箇所や故障内容等を通知し、保守管理人はこれに基づいて故障した無線端末の修理、交換等を行う。
【0059】
またこの保守管理サーバの機能は、無線通信機能を備えたノートパソコン等の携帯移動出来、無線通信が可能なモバイルコンピュータ85に移管することが出来る。
【0060】
保守管理サーバ83は、ネットワークからの通信が出来なくなった場合、これがネットワーク全体がダウンしているのか、サーバが接続している無線端末の故障等別の要因なのか判断できない。そこでこのモバイルコンピュータ85を適当な場所に移動してネットワークに接続し、各無線端末に運転記録を自己に通知するよう指示して、モバイルコンピュータ85をネットワークの保守管理サーバとして用いることにより、上述したネットワーク全体がダウンしているのか、或は他の要因によって保守管理サーバが通信できなくなったのかを判断することができる。またこのモバイルコンピュターによる保守管理機能にを用い、エリア内を移動して故障箇所の検出を行うことにより、ネットワークの故障箇所をより細かく限定することも可能となる。
【0061】
【発明の効果】
本発明に拠れば、設備費、工事費、維持費とも安価で、設備維持に手間がかからない通信ネットワークを提供することが出来る。よって通信料金を低レベルに押さえることが可能となる。
【0062】
またこの無線通信ネットワークは、分散型ネットワークであるので、部分的にネットワークが欠損してもネットワーク全体がダウンすることはなく、正常に動作している無線メッシュの部分と接続している無線端末同士は通信可能である。よって、地震等の災害に対する非常用の通信システムとしても使用可能である。
【0063】
更に本発明による無線通信ネットワークでは、ネットワークを構成する各無線端末が、自己に設定された通信路の通信頻度を計測し、その通信頻度に基づいて、受信データを転送する通信路を決定するので、ネットワーク内の特定部分にトラヒックが集中するのを防止することができる。
【0066】
またネットワーク内に保守管理用サーバを設ける構成とすることにより、ネットワーク内の通信状態や故障についての情報を収集することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に於ける無線通信ネットワークのイメージ図である。
【図2】無線端末C、Iが存在通知パケットを送信する様子を示す図である。
【図3】無線端末Aのシステム構成情報を示す図である。
【図4】無線通信ネットワークのトポロジー例を示す図である。
【図5】無線端末Aが管理する、無線端末Aと直接通信路を有する無線端末B、C、Dの構成情報を示す図である。
【図6】無線端末による転送速度の変更を示す図である。
【図7】転送する目的地によるデータの転送速度の変更を説明する図である。
【図8】通信頻度による通信路の選択を説明する図である。
【図9】通信路の多重化を説明する図である。
【図10】通信路の多重化時のパケットの構成例を示す図である。
【図11】(a)は無線端末のデータ受信時、(b)はデータ送信時の無線端末の指向特性を示す図である。
【図12】隣接無線端末の方向の検出を説明する図である。
【図13】目的地が複数有る場合の目的地の選択方法についての説明図である。
【図14】通信路の選択を説明する図である。
【図15】保守管理サーバを備えた無線通信ネットワークシステムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
1、61、81 無線メッシュ
A〜J、2、5、11、21、22、23、31、32、33、41、42、43、44、45、51、52、62、63、64、65、66、67、68、82、84 無線端末
3、4、69 端末装置
25、26、27、71、72、73 通信路
83 保守管理サーバ
85 モバイルコンピュータ
Claims (2)
- 無線データ通信を行なう複数の無線端末によって構成され、前記無線端末のいずれも直接又は他の1以上の無線端末を介することで他の全ての無線端末と通信可能である無線通信ネットワークシステムにおいて、
前記複数の無線端末の各々は、
自らの送出するデータパケットの着信先の無線端末と、自らが直接通信可能である隣接無線端末から前記着信先の無線端末に前記データパケットが着信するまでに要する最小の通信回数と、を互いに対応付けて示すシステム構成情報と、
自己に設定された通信路の通信頻度を計測する通信頻度計測手段と、
自己の受信したデータパケットを目的とする無線端末まで転送するための通信路として、該目的とする無線端末までの通信回数が最小となる通信路を前記システム構成情報に基づいて選択し、該選択された通信路が複数存在する場合、該複数の通信路のうち前記通信頻度の最小となる通信路に決定する通信路決定手段と、
を備えることを特徴とする無線通信ネットワークシステム。 - 前記通信頻度計測手段は、前記自己に設定された各通信路に対し特定時間内にデータが通過する回数を前記通信頻度として計測し、
前記通信路決定手段は、前記自己に設定された各通信路に、前記通信頻度の少ない順に優先レベルを設定し、前記選択された通信路が複数存在する場合は、該複数の通信路のうち最も高い優先レベルの通信路に決定する、
ことを特徴とする請求項1記載の無線通信ネットワークシステム。
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