JP4140977B2 - データ送信方法及び無線システム - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、送信されるべき信号を多搬送波変調の副搬送波に変調し、そして多搬送波変調で形成された基準搬送波を使用することにより使用帯域において基準信号を送信する少なくとも１つのベースステーション及び加入者ターミナルを備えた無線システムに使用されるデータ送信方法に係る。
更に、本発明は、送信されるべき信号を副搬送波に多搬送波変調し、そして基準搬送波に多搬送波変調された基準信号を送信及び受信するよう構成された送信器及び受信器を有する少なくとも１つのベースステーション及び加入者ターミナルを備えた無線システムにも係る。
先行技術の説明
ＯＦＤＭＡ方法（直交周波数分割多重アクセス）においては、送信されるべき信号の記号の拡散コードストリングが、好ましくは広い周波数帯域に分散された副搬送波に変調される。ＯＦＤＭＡ変調は、通常、逆フーリエ変換を行うことにより遂行される。
公知の解決策では、無線システムにおいて基準搬送波を用いてパイロット信号も送信され、これにより、例えば、同期が容易になると共にチャンネル推定が形成される。基準搬送波は、送信されるべきデータの周波数帯域に追加される。所定の記号又は記号のシーケンスが基準搬送波において送信され、記号の数は、副搬送波の数に対応する。各副搬送波は、同じ基準記号を各タイムスロットにおいて送信し、これは、基準信号を、同時に送信されるデータのＯＦＤＭ記号から区別するのを容易にする。
ＯＦＤＭＡ信号を送信及び受信することは、差動コード化及び検出を使用できるようにし、従って、チャンネル推定を形成する必要がなくなる。しかしながら、差動検出の性能は、受信信号の位相へのロックが行なわれるコヒレントな検出より劣る。
コヒレントな受信では、副搬送波の周りのすぐ近くで送信される基準搬送波を時間及び周波数レベルにおいて補間することにより、データ信号の各副搬送波に対してチャンネル推定を形成することができる。しかしながら、チャンネル推定を形成するためのこのようなローカル補間は、理想的なチャンネル推定に比してビットエラー比を著しく低下させる。チャンネル特徴がデータ記号の巾に比してゆっくり変化するときには、手前の記号で行なわれた判断を、チャンネル推定を形成するときにも使用できる。しかしながら、判断のフィードバックによってチャンネル推定装置を動作することはできない。というのは、推定装置は、判断の実行が意味のあるものとするために推定に対して初期値を必要とするからである。更に、チャンネル推定装置は、周波数ホッピングを用いたシステムには適用できない。
発明の要旨
本発明の目的は、多搬送波変調を用いた無線システムにおいて以前の記号から補間又は推定を行なわずにチャンネル推定を形成するようなコヒレント信号受信を実施することである。別の目的は、周波数ホッピングを用いたシステムにおいてもコヒレント受信を行えるようにすることである。
これは、冒頭で述べた形式の方法において、基準搬送波が使用帯域内に実質的にランダムに配置されることを特徴とする方法により達成される。
本発明の無線システムは、無線システムの送信器が基準搬送波を使用帯域に実質的にランダムに配置するように構成されたことを特徴とする。
本発明の方法では顕著な効果が達成される。データ送信チャンネルのスペースを正確に推定し、受信器においてコヒレントな検出を使用できるようにする。
【図面の簡単な説明】
以下、添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
図１は、無線システムを示す図である。
図２は、ＯＦＤＭ記号の自動相関を示す図である。
図３は、送信器及び受信器のフローチャートである。
図４は、受信器のチャンネル推定装置のフローチャートである。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の解決策は、ＯＦＤＭＡ又はＯＦＤＭＡ／ＣＤＭＡ無線システムに特に適用できるが、これらに限定されるものではない。
ＣＤＭＡ方法（コード分割多重アクセス）においては、ユーザの狭帯域データ信号が、そのデータ信号より非常に高い周波数を有する拡散コードにより比較的広い周波数帯域へと乗算される。乗算については、データ信号が使用可能な帯域全体へと拡散する。全てのユーザは、同じ周波数帯域を用いて同時に送信する。拡散コードがそれら自身の間で実質的に直交し、即ち互いにできるだけ相関しないように拡散コードを選択することが目的である。
従来の方法で実施されるＣＤＭＡ受信器では、データ信号が、受信器において、送信段階と同じ拡散コードをそれに再び乗算することにより元の帯域へとシフトされる。他のユーザの信号は、受信信号を歪ませることにより所望信号の検出を複雑にする。ユーザが互いに引き起こすこの干渉は、多重アクセス干渉と称する。
図１は、ベースステーション１と、加入者ターミナル２−４と、ベースステーションコントローラ５とを備えた典型的なデジタル無線システムを示す。ベースステーション１は、信号６−８により加入者ターミナル２−４と通信する。ベースステーション１は、デジタル転送リンク９によりベースステーションコントローラ５と通信する。加入者ターミナル２−４は、通常、移動電話である。ベースステーション１と加入者ターミナル２−４との間の信号６−８は、加入者により形成されたスピーチ又はデータ情報であるか或いは無線システムにより形成された制御情報であるデジタル化情報を含む。
本発明の方法について詳細に述べると、この解決策は、ＣＤＭＡ／ＯＦＤＭＡ方法をベースとするものである。基準又はデータ信号のＣＤＭＡ型の拡散は、本発明の方法においては、例えば、ビット又はビットの組合せより成る送信されるべき各信号が、送信されるべき記号周波数より高い周波数を有する拡散コードＶで乗算されるように実施される。この拡散コードＶは、例えば、ワルシュ・ハダマード（Walsh-Hadamard）コードであるのが好ましく、これは、互いに実質的に直交し、即ちそれらの間の相関ができるだけ小さくされる。拡散コード化された基準及びデータ記号は、加算によって記号の連続的な拡散コード化ストリングに接続されるのが好ましい。これは、数学的に次のように示すことができる。

但し、Ｎ_sは拡散コードＶ_iの長さであり、そしてｂ_iはマッピングｂ_i∈［−１、１］による送信のビットを表す。
従って、ＯＦＤＭ信号は、次ぎの式で表わすことができる。

但し、

であり、Ｔ＝Ｔ_s＋δであり、δは保護時間であり、Ｎは多搬送波変調の副搬送波の全量であり、Ｔ_sは記号の巾であり、Ｎ（ｔ）は記号へと加算されるノイズであり、ｔ_sはサンプリング周波数であり、そしてｆ₀は最低搬送波の周波数である。セット

は、信号

のセットの離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）である。ＣＤＭＡ／ＯＦＤＭＡ無線システムの副搬送波は、送信されるべき信号から公知技術に基づいて形成され、例えば、離散的逆フーリエ変換により形成される。従って、ＤＦＴは、受信器においてフィルタバンクを実施し、バンクの各フィルタは、マルチプレクスされた副搬送波に対して構成される。ＤＦＴ変換は、公知技術に基づいて高速フーリエ変換即ちＦＦＴ変換として実施されるのが好ましい。従って、ＯＦＤＭＡ信号は、ＦＦＴ変換によって形成することができる。チャンネルインパルス応答よりも長い保護時間δが各記号間に好ましく指定されたときには、記号が受信において混合されない。というのは、チャンネル特徴が記号の巾に比してゆっくりと変化するからである。ＣＤＭＡ／ＯＦＤＭＡ技術は、例えば、参考としてここに取り上げる出版物「移動通信システム用のＣＤＭＡ／ＯＦＤＭＡの性能（Performance of CDMA/OFDMA for Mobile Communication System）」、Ｋｈａｌｅｄ Ｆａｚｅｌ、ＩＥＥＥ ＩＣＵＰ’９３、第９７５−９７９ページに詳細に説明されている。
本発明によるＣＤＭＡ／ＯＦＤＭＡ信号が受信されたときには、それが好ましくは例えばＦＦＴ変換としてＯＦＤＭＡ復調され、そして次の原理の解を用いて共通検出される。

但し、

は送信された基準又はデータ信号の記号／ビットであり、Ｈ^-1は拡散コードＶのクロス相関マトリクスの逆マトリクスであり、ｙは例えば整合フィルタの出力における受信信号であり、Ｒ^-1は正規化されたクロス相関マトリクスであり、そして

は整合フィルタの正規化された出力であり、整合フィルタは、通常、チャンネルにより生じる信号歪を固定するために受信器に使用される。
本発明の解決策について詳細に述べる。基準搬送波は、使用帯域に実質的にランダムに配置される。ランダムであること、又はより正確には擬似ランダムであることは、使用帯域における考えられる搬送波の所望量を指すところのランダム指数を発生することにより実施される。基準搬送波は、コヒレントな受信に使用され、そしてそれらの周波数は、例えば、次のような線形合同発生（コングルエンシャルジェネレーション）方程式により決定される。
ｆ_n＝（ａｆ_n-1＋ｂ）ｍｏｄＮ （４）
但し、ａ及びｂは定数であり、Ｎは、使用帯域における搬送波の最大量であり、ｆ_nは、所望の基準搬送波の周波数を決定する参照番号であり、そしてｆ_n-1は、以前の繰り返し中に形成された所望の基準搬送波の周波数を決定する参照番号である。所定量Ｐの搬送波が選択され、この量は、搬送波の最大量Ｎより小さく、即ちＰ＜Ｎである。参照番号ｆ_n-1の初期値、即ち繰り返しの第１の値は、自由に選択することができる。異なる初期値は、使用帯域における基準周波数の異なる擬似ランダム配置を招く。使用されるべき全帯域から、参照番号が指すところのＮ個の別々の搬送波周波数を指示することができる。参照番号をいかに使用できるかの例として、８００ＭＨｚ−９００ＭＨｚの範囲における１００ＭＨｚの周波数領域を、特定の参照番号即ち８００ＭＨｚ（参照番号１）、８００．１ＭＨｚ（参照番号２）、…、９００ＭＨｚ（参照番号１００１）を有するＮ＝１００１個の考えられる異なる搬送波周波数に分割することができる。参照番号は、それが指す周波数について大きさ順である必要はなく、任意の順序で周波数を指すこともできる。どちらのやり方で参照がなされても、搬送波周波数は、１ないし１００１の参照番号を形成することにより決定できる。基準搬送波は、使用帯域内に均一に配置されるのが最も好ましく、従って、使用帯域の全ての部分は、統計学的に多数の搬送波を含む。これは、フェージングが周波数に依存するので接続の質を改善する。
ランダム性は、Ｍシーケンス（最大長さシーケンス）を用いて実施されてもよい。Ｍシーケンスは完全な直交ではなく、細い自動相関ピークを有する。Ｍシーケンスは、フィードバックタップを有するシフトレジスタにより公知技術に基づいて形成される。シフトレジスタの長さがｎであるときには、シーケンスの長さが２ⁿ−１である。基準搬送波は、使用帯域における基準搬送波の数が予め決定され、そしてＭシーケンスの所定の連続ビットが、線形合同発生方程式（４）を用いて同様に基準搬送波の周波数を決定する参照番号を形成するように、Ｍシーケンスを用いることにより使用帯域に配置される。
本発明の好ましい実施形態では、基準搬送波の周波数ホップも行なわれ、従って、基準搬送波の周波数は、線形合同方程式（４）に基づくやり方で形成されるか、又は所定の時間周期の後にＭシーケンスにより新たに形成される。基準搬送波の周波数は、周波数ホッピングにおいて好ましくは記号ごとに変更される。
本発明の解決策の受信は、次いで、例えばデータ信号を検出するところのコヒレントな検出に対して異なる基準搬送波を用いてチャンネル推定が形成されるように実施される。チャンネル推定を形成するために、基準搬送波で受信された記号と基準記号との間の相関が先ず計算される。この相関結果は、各副搬送波におけるインパルス応答を示すのが好ましい。受信される記号は、理想的な状態において、所定の基準記号に正確に対応しなければならないので、記号の互いの偏差が、基準周波数で送信された信号及びデータ信号に対してチャンネルにより生じる歪を推定する。チャンネル推定は、相関をスレッシュホールド処理し、そしてそのスレッシュホールド処理された相関からフーリエ変換を計算し、これにより、相関を周波数空間へ変換しそして周波数特有／副搬送波特有のチャンネル推定を得ることにより形成されるのが好ましい。チャンネル推定は、記号ごとに形成することもできるし、或いは多数の時間的に連続する記号にわたって平均化することもできる。コンボリューション積分変換は、ここでは、フーリエ変換と同等の変換として実現され、コンボリューション積分変換の例は、本発明の解決策を実施できるようにするラプラス及びＺ変換である。
図２は、周波数帯域内にＮ＝２０４８個の考えられる基準搬送波周波数がありそしてＰ＝１２８個の使用基準搬送波があるときのＯＦＤＭ記号の自動相関を示す。基準搬送波は、ａ及びｂを定数とする一般式ｆ_n＝（ａｆ_n-1＋ｂ）ｍｏｄＮによって発生されるのが好ましい。ここで、ａは１３であり、ｂは５１１であり、従って発生方程式は、ｆ_n＝（１３ｆ_n-1＋５１１）ｍｏｄ２０４８となる。初期値は、ｆ_n-1＝０である。自動相関ｒ_xxは、その一般的モードにおいて、ＯＦＤＭ記号である変数ｘから次のように計算される。

但し、Ｑは記号の数であるのが好ましく、そして＊は複素共役を表わす。クロス相関ｒ_xyは、式（５）に示すように計算されるが、変数ｘ_i又は

の式において変数ｘからずれた変数ｙ_i又は

に置き換えられる。記号が相関するときには、相関ピーク２１が形成され、相関ピークの値は、使用する副搬送波の数Ｐに直接依存する。記号間に遷移があり即ちΔ≠０であり、そして周波数ｆ_nが使用帯域に均一に分布される場合には、自動相関の予想値は、記号エレメントの数が大きくなったときに０に接近する。記号エレメントは、既に知られたやり方で値−１及び１へマップされるビットであるのが好ましい。０からの偏差即ちΔ≠０は、レベル２２として示された理論的なノイズ状特性を形成する。受信信号の形成される相関は、理論的ノイズ２２をカットオフするが、チャンネル後方に形成される実際のノイズは残すようにスレッシュホールド処理される。
一般的モードにおいて、フーリエ変換及び逆フーリエ変換は、次のように積分として計算される。

但し、Fは、フーリエ変換を表わし、F¹は逆フーリエ変換を表わし、ｆ（ｔ）は時間ｔの関数であり、Ｆ（ω）はフーリエ変換された関数であり、ωは周波数変数であり、ｉは虚数単位であり、そしてIIは数字パイを表わす。両フーリエ変換積分は、デジタルシステムにおいては、加算されるべきＮ個の項目が含まれた加算によって計算される。しかしながら、ＦＦＴ変換（高速フーリエ変換）及びＩＦＦＴ変換（逆高速フーリエ変換）における演算の数は、著しく減少される。フーリエ変換は、従来、Ｗ²個の演算を必要とするが、ＦＦＴ変換は、変換におけるエレメントの数をＷとすれば、Ｗ＊ｌｏｇ₂（Ｗ）個の演算（ダニエルソン−ランクゾス理論）で実行できるのが好ましい。相関により計算される副搬送波のインパルス応答の長さが制限されるので、チャンネル推定を計算するＦＦＴ入力データ信号にゼロを生じさせる。本発明の解決策ではこれを考慮に入れて、部分ＦＦＴ変換を計算できるのが好ましい。従って、不必要な演算が回避される。
又、計算されるべき第２の変数が定数であるときには、相関をＦＩＲフィルタ又はコンボリューションとして計算することができる。コンボリューションは、次いで、フーリエ変換された周波数空間において乗算として計算することができる。これは、特に基準搬送波の数が大きいときに好ましい。乗算後に、積が時間空間へ戻るように逆変換される。フーリエ変換の使用が好ましい理由は、アルゴリズムの複雑さ即ち「程度」を表わす演算子をＯとすれば、相関はＯ（Ｗ²）個の演算を必要とするが、フーリエ変換はＯ（ＷｌｏｇＷ）個の演算しか必要としないからである。
相関を計算するためのＦＩＲフィルタは、最も簡単な形態では、シフトレジスタであり、シフトレジスタにおける各レジスタエレメントの内容は、タップ乗数で重み付されそして加算される。時間レベルにおいて、ＦＩＲフィルタの出力ｙ（ｔ）は次ぎの式で表すことができる。

但し、ｈ（ｋ）は、タップｋのタップ乗数であり、Δｔは遅延であり、そしてｘは変数である。式（７）は、コンボリューション式と同様である。更に、基準信号におけるデータ搬送波の振幅としてゼロがセットされ、これにより、本発明の解決策では、データ信号において送られる実際の情報の、クロス相関結果に対する影響が回避される。
本発明の無線システムの送信器及び受信器について詳細に説明する。図３の送信器３０は、マルチプレクサ３２、ＯＦＤＭ変調手段３３及びアンテナ３４を備えている。図３の受信器３１は、アンテナ３４、ＯＦＤＭ復調手段３５、検出手段３６、チャンネル推定形成手段３７、及び制御手段３８を備えている。送信器３０及び受信器３１は、本発明の方法を実施する。送信されるべきシーケンスは、マルチプレクサ３２によって選択され、このシーケンスは、例えば、データ記号シーケンス又は基準記号シーケンスである。基準シーケンスの所定のＫ個の記号は、ＯＦＤＭＡ変調器である手段３３においてＫ個の副搬送波で変調される。本発明のＯＦＤＭＡ変調器は、本発明の方法を使用することにより基準搬送波を使用帯域にランダムに配置する。副搬送波によって変調された和の信号は、公知技術によりアンテナ３４を経て送信される。
受信器のアンテナ３４が信号を受信するときには、手段３５が好ましくはＦＦＴ変換により所望の信号又は信号の副搬送波変調を解除する。手段３６は、公知技術に基づいて復調された信号を指示する。手段３７は、手段３６において信号が検出されるときに使用されるチャンネル推定を形成する。制御手段３８は送信器３０及び受信器３１の動作を制御するのが好ましい。
図４は、手段３７の詳細なフローチャートである。手段３７、即ちチャンネル推定装置は、相関手段４１、スレッシュホールド手段４２及びフーリエ変換手段４３を備えている。信号と基準信号との間の相関は、相関手段４１において計算される。これは、式（５）で示すような直接相関計算として、又はフーリエ変換された信号の入力の逆フーリエ変換として、或いは式（７）で示すようなＦＩＲフィルタ動作として行なわれる。相関は、手段４２においてスレッシュホールド処理される。というのは、スレッシュホールド処理により理論的な干渉レベル２２を除去することができそして実際の干渉の数を検出できるからである。好ましくはＦＦＴ変換であるフーリエ変換は、手段４３により形成される。フーリエ変換された相関結果は、チャンネル推定を表わす。
添付図面の例を参照して本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、請求に範囲に記載する本発明の範囲内で種々の変更がなされ得ることが明らかであろう。

Claims (17)

1. 送信されるべき信号を直交多搬送波変調の副搬送波に変調し、そして多搬送波変調で形成された基準搬送波を使用することにより使用帯域において基準信号（6-8）を送信する少なくとも１つのベースステーション（１）及び加入者ターミナル（2-4）を備えた無線システムに使用されるデータ送信方法において、
   基準搬送波が使用帯域内に実質的にランダムに配置され、
   基準搬送波が、繰り返しに基づく線形合同発生方程式を用いることによって使用帯域に配置されることを特徴とする方法であって、
   基準搬送波は、参照番号を有し、そして
   前記線形合同発生方程式が、
   ｆn＝（ａｆ _n-1 ＋ｂ）ｍｏｄＮ
   であり、
   但し、ａ及びｂは定数であり、Ｎは、使用帯域における搬送波の最大量であり、ｆnは、所望の基準搬送波を決定する参照番号であり、そしてｆ _n-1 は、以前の繰り返し中に形成された所望の基準搬送波を決定する参照番号である、
   方法。
2. 基準搬送波を受信したときに、コヒレントな検出に対し基準搬送波を使用して副搬送波のチャンネル推定を形成する請求項１に記載の方法。
3. 基準搬送波は、使用帯域に均一に配置される請求項１に記載の方法。
4. 初期値として、参照番号ｆ_n-1は、自由に選択された値を有する請求項１に記載の方法。
5. 基準搬送波は、参照番号を有し、そして
   基準搬送波は、使用帯域に対し、Ｍシーケンスを使用することにより選択され、Ｍシーケンスの所定の連続ビットは基準搬送波を決定する参照番号を形成する請求項１に記載の方法。
6. 所定の基準記号より成るＯＦＤＭ信号が基準搬送波において送信されるときに、受信したＯＦＤＭ信号の記号と所定の基準記号との間の相関を計算し、その相関をスレッシュホールド処理し、そしてそのスレッシュホールド処理された相関からフーリエ変換を計算することにより、チャンネル推定を形成する請求項２に記載の方法。
7. 受信したＯＦＤＭ信号の記号及び基準記号をフーリエ変換し、基準搬送波のフーリエ変換された受信記号及び基準記号を互いに乗算し、そして基準搬送波のフーリエ変換され乗算された受信記号及び基準記号を逆フーリエ変換することにより、相関を計算する請求項５に記載の方法。
8. 基準搬送波は周波数ホップされる請求項１に記載の方法。
9. 直交多搬送波変調を用いて送信されるべき信号を副搬送波に変調し、そして基準搬送波に多搬送波変調された基準信号を送信及び受信するように構成された送信器（30）及び受信器（31）を有する少なくとも１つのベースステーション及び加入者ターミナルを備えた無線システムにおいて、
   無線システムの送信器（30）が基準搬送波を使用帯域に実質的にランダムに配置し、
   送信器（30）が、基準搬送波を、繰り返しに基づく線形合同発生方程式を用いることによって使用帯域に配置するよう構成されたことを特徴とする無線システムであって、
   基準搬送波は、参照番号を有し、そして
   前記線形合同発生方程式が、
   ｆn＝（ａｆ _n-1 ＋ｂ）ｍｏｄＮ
   であり、但し、ａ及びｂは定数であり、Ｎは、使用帯域における搬送波の合計量であり、ｆnは、所望の基準搬送波の周波数を決定する参照番号であり、そしてｆ _n-1 は、以前の繰り返し中に形成された所望の基準搬送波の周波数を決定する参照番号である、無線システム。
10. 送信器（30）は、基準搬送波を使用帯域に均一に配置するよう構成される請求項９に記載の無線システム。
11. 参照番号ｆn-1の初期値は自由に選択できる、請求項１０に記載の無線システム。
12. 基準搬送波は、参照番号を有し、そして
    送信器（30）は、Ｍシーケンスを使用することによって使用帯域に基準搬送波を配置するように構成され、Ｍシーケンスの所定の連続ビットは基準搬送波の周波数を決定する参照番号を形成する請求項９に記載の無線システム。
13. 受信器（31）は、コヒレントな検出に対し基準搬送波を用いて副搬送波のチャンネル推定を形成するよう構成される請求項９に記載の無線システム。
14. 送信器（30）が、所定の基準記号より成るＯＦＤＭ信号を基準搬送波において送信するときに、受信器（31）は、受信したＯＦＤＭ信号の記号と基準記号との間の相関を計算し、その相関をスレッシュホールド処理し、そしてそのスレッシュホールド処理された相関からフーリエ変換を計算することによりチャンネル推定を形成するよう構成された請求項１３に記載の無線システム。
15. 受信器（31）は、ＯＦＤＭ信号の記号及び基準記号をフーリエ変換し、フーリエ変換された基準搬送波の記号及び基準記号を互いに乗算し、そしてフーリエ変換され乗算された基準搬送波の記号及び基準記号を逆フーリエ変換することにより相関を計算するよう構成される請求項１４に記載の無線システム。
16. 送信器（30）は、基準搬送波を周波数ホップするように構成される請求項９に記載の無線システム。
17. 直交多搬送波変調の副搬送波で送信されるべき信号を変調するための変調器、及び、
    多搬送波変調によって形成された基準搬送波を用いることによって、使用帯域内で基準信号を送信するための送信機、
    を備え、
    基準搬送波が、繰り返しに基づく線形合同発生方程式を用いることによって、使用帯域内に配置されることを特徴とする装置であって、
    基準搬送波は、参照番号を有し、そして
    前記線形合同発生方程式が、
    ｆn＝（ａｆ _n-1 ＋ｂ）ｍｏｄＮ
    であり、但し、ａ及びｂは定数であり、Ｎは、使用帯域における搬送波の合計量であり、ｆnは、所望の基準搬送波の周波数を決定する参照番号であり、そしてｆ _n-1 は、以前の繰り返し中に形成された所望の基準搬送波の周波数を決定する参照番号である、装置。

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