JP4770525B2 - 動的帯域割当方法並びに局側装置及び宅側装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＯＮ（Passive Optical Network）システムにおける上り送信の動的帯域割当方法並びに、このＰＯＮシステムを構成する局側装置及び宅側装置に関する。

局側装置と、これに接続された光ファイバから光カプラを介して複数の光ファイバに分岐した構成を成す光ファイバ網と、分岐した光ファイバの終端にそれぞれ接続された宅側装置とを含むＰＯＮシステムにおいて、局側装置は、複数の宅側装置に対して、時分割で上り方向の帯域を動的に割り当てる。具体的には、局側装置は、宅側装置から予め上り方向に送出したいデータ量の要求（リクエスト）を受けて、割り当てるべき帯域を決定し、送信許可期間（グラント）の通知を行う。グラントは送信開始時刻と送信許可長とで構成される。これにより、宅側装置は上り方向に所定量のデータを送出することができる（例えば、特許文献１参照。）。

一方、上り方向の送信レートが互いに異なる複数の宅側装置を含むマルチレートＰＯＮシステムも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００４−１２９１７２号公報 特開平８−８９５４号公報（図２）

しかしながら、上り方向の送信レートが一種類に限定されない複数の宅側装置を含むＰＯＮシステムにおいて、単一の送信レートの場合と同じように送信許可期間を与えると、送信レートによっては残余期間が生じて帯域の有効利用が図れなかったり、逆に、送信許可期間が重複して信号が衝突するという問題を生じる。

上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、上り方向の送信レートが互いに異なる複数の宅側装置を含むＰＯＮシステムに適した動的帯域割当方法並びにそのための局側装置及び宅側装置を提供することを目的とする。

本発明は、局側装置と、この局側装置と光ファイバを介して接続された宅側装置とによって構成されるＰＯＮシステムにおける上り送信の動的帯域割当方法であって、前記宅側装置から前記局側装置に対して要求する、上り方向へ送出したいデータ量を、当該宅側装置の上り送信レートを考慮して送信時間相当値に変換する第１ステップと、前記送信時間相当値に基づいて、帯域を動的に割り当ててグラントを生成する第２ステップと、当該宅側装置の上り送信レートを考慮して前記グラントの送信許可長を、送信できるデータ量相当値に変換する第３ステップと、前記第３ステップにて変換されたグラントに基づいて前記データ量相当値のデータを上り方向に送出する第４ステップとを有する動的帯域割当方法である。

上記の動的帯域割当方法においては、宅側装置から上り方向へ送出したいデータ量に送信レートを考慮して送信時間相当値への変換が行われた後、これに基づいて、帯域の割当が行われる。従って、時間的に過不足のない量の送信許可を与えることができる。

また、上記動的帯域割当方法において、第１〜第３ステップは局側装置によって行われ、第４ステップは宅側装置によって行われるようにしてもよい。
この場合、宅側装置には、他の宅側装置との送信レートの違いに対応した特別な構成は不要である。

また、上記動的帯域割当方法において、第１，第３，第４ステップは宅側装置によって行われ、第２ステップは局側装置によって行われるようにしてもよい。
この場合、局側装置には送信レートの違いに対応した特別な構成は不要である。

一方、本発明は、上り送信レートが異なる複数の宅側装置と光ファイバを介して接続されることによりＰＯＮシステムを構成し、各宅側装置からの上り送信についての動的帯域割当機能を有する局側装置であって、宅側装置から要求された上り方向に送出したいデータ量を、当該宅側装置の上り送信レートを考慮して送信時間相当値に変換するリクエスト変換部と、変換して得られた送信時間に基づいて、帯域を動的に割り当ててグラントを生成する動的帯域割当算出部と、当該宅側装置の上り送信レートを考慮して、グラントの送信許可長を、送信できるデータ量相当値に変換するグラント変換部とを備えたものである。

上記のように構成された局側装置においては、宅側装置が上り方向へ送出したいデータ量に送信レートを考慮して送信時間相当値への変換が行われた後、これに基づいて、帯域の割当が行われる。従って、時間的に過不足のない量の送信許可を与えることができる。

他方、本発明は、局側装置と光ファイバを介して接続されることによりＰＯＮシステムを構成し、上り送信のリクエストに対する前記局側装置のグラントに従って、データの上り送信を行う宅側装置であって、上り送信レートを考慮して、上り方向に送出したいデータ量を送信時間相当値のリクエストに変換するリクエスト変換部と、前記局側装置から受け取ったグラントに対し、上り送信レートを考慮して、グラントの送信許可長を、送信できるデータ量相当値に変換するグラント変換部とを備えたものである。

上記のように構成された宅側装置においては、上り方向へ送出したいデータ量に送信レートを考慮して送信時間相当値への変換が行われた後、これに基づいて、局側装置に帯域の割当を行わせることができる。従って、時間的に過不足のない量の送信許可を得ることができる。

本発明の動的帯域割当方法、局側装置又は宅側装置によれば、時間的に過不足のない量の送信許可を与える（又は得る）ことができるので、送信レートの異なる複数の宅側装置からの上り送信において、帯域を有効に活用し、かつ、宅側装置同士の上り信号の衝突を防止することができる。

図１は、本発明の動的帯域割当方法を適用するＰＯＮシステムの一例を示す接続図である。図において、局側装置１は、複数の宅側装置２〜４に対する集約局として設置される。宅側装置２〜４はそれぞれ、ＰＯＮシステムの加入者宅に設置される。局側装置１に接続された１本の光ファイバ５から光カプラ６を介して複数の光ファイバ（支線）７〜９に分岐した構成を成す光ファイバ網（５〜９）が構成され、分岐した光ファイバ７〜９の終端にそれぞれ宅側装置２〜４が接続されている。さらに、局側装置１は上位ネットワーク１１と接続され、宅側装置２〜４はそれぞれのユーザネットワーク１２〜１４と接続されている。

なお、図１では３個の宅側装置２〜４を示しているが、１つの光カプラ６から例えば３２分岐して３２個の宅側装置を接続することが可能である。また、図１では光カプラ６を１個だけ使用しているが、分岐数の少ない光カプラを縦列に複数段配置することにより、広い地域に分散している宅側装置を短い光ファイバで局側装置１と接続することができる。

宅側装置２，３，４においてはそれぞれ、局側装置１への上り送信レートが互いに異なり、１Ｇｂｐｓ，２Ｇｂｐｓ，１０Ｇｂｐｓである。本例では、１ＧｂｐｓのＧＥ（Gigabit Ethernet（Ethernetは登録商標））−ＰＯＮをベースとして、２Ｇｂｐｓの信号及び１０Ｇｂｐｓの信号が図２に示すように時分割多重化され、局側装置１に送信される。

１Ｇｂｐｓの宅側装置２のアクセス制御は、基本的にＧＥ−ＰＯＮの通信方式に則って行われる。すなわち、リクエスト（又はレポート）は例えば宅側装置２が局側装置１に送りたいデータ量を２バイト単位で表現し、グラントは２バイト単位の送信許可長と送信開始時刻で表現される。時刻は１６ｎｓ毎にインクリメントされるカウンタ（図示せず。）で表現され、ＰＯＮシステム内で同期がとられている。他の宅側装置３，４においても同様である。

上記のように宅側装置２〜４の上り送信レートが複数レートである（以下、マルチレートという。）ＰＯＮシステムにおいて、第１実施形態による動的帯域割当方法及びそのための局側装置１の構成について説明する。なお、この場合、宅側装置２〜４の各々は他の宅側装置との送信レートの違いに対応した特別な構成を必要とせず、従来のものでよい。

図３は、局側装置１の内部機能を示すブロック図である。図において、局側装置１は、上位ネットワーク１１から宅側装置２〜４への下り信号処理用として、上位ネットワーク１１からの信号を受信する受信部１０１、受信した信号を一時記憶するバッファ１０２、及び、バッファ１０２に一時記憶された信号を宅側装置２〜４へ送信する送信部１０３を備えている。

また、局側装置１は、宅側装置２〜４から上位ネットワーク１１への上り信号処理用として、宅側装置２〜４からの信号を受信する受信部１０４、受信した信号を一時記憶するバッファ１０５、及び、バッファ１０５に一時記憶された信号を上位ネットワーク１１へ送信する送信部１０６を備えている。

また、局側装置１は動的帯域割当部１０７として、リクエスト受信部１０８、リクエスト変換部１０９、動的帯域割当算出部１１０、グラント変換部１１１、グラント送信部１１２、及び、送信レート記憶部１１３を備えている。送信レート記憶部１１３は、全ての宅側装置２〜４の上り送信レート（図１の例では１Ｇｂｐｓ，２Ｇｂｐｓ，１０Ｇｂｐｓ）を記憶している。

図４の（ａ）はリクエストのフレーム構成例を示す図であり、（ｂ）は、グラントのフレーム構成例を示す図である。図示のように、リクエストするデータ量は２Ｂ（２バイト）単位のバイト数で表される。同様に、グラントの送信許可長も、２Ｂ単位のバイト数で表される。

上記のように構成された局側装置１において、宅側装置２〜４が上り方向に送出したいデータ量（２Ｂ単位）をリクエストすると、このリクエストは、受信部１０４、バッファ１０５を経てリクエスト受信部１０８により、受信される。リクエスト変換部１０９は、送信レート記憶部１１３に記憶されている宅側装置２〜４の上り送信レートを参照し、これを考慮して、データ量を送信時間相当値（１６ｎｓ単位）に変換する。

具体的には、各宅側装置２〜４からリクエストされたデータ量が互いに等しいとした場合、１Ｇｂｐｓの宅側装置２からリクエストされたデータ量が送信時間相当値Ｔに変換されるとすると、２Ｇｂｐｓの宅側装置３からリクエストされたデータ量は送信時間相当値Ｔ／２、１０Ｇｂｐｓの宅側装置４からリクエストされたデータ量は送信時間相当値Ｔ／１０となる。また、仮に、各宅側装置２〜４からリクエストされたデータ量が１：２：１０の比であれば、送信時間相当値は同一値となる。

上記送信時間相当値に基づいて、動的帯域割当算出部１１０は、帯域を動的に割り当ててグラントを生成する。続いて、グラント変換部１１１は、送信レート記憶部１１３に記憶されている宅側装置２〜４の上り送信レートを参照し、これを考慮して、グラントの送信許可長（時間）を、送信できるデータ量相当値に変換する。このデータ量相当値のグラントは、グラント送信部１１２により、バッファ１０２及び送信部１０３を介して、対応する宅側装置宛に送出される。グラントによる指示を受けた宅側装置は、グラントに基づいて上り方向にデータを送出する。

図５は、上記の動的帯域割当について、局側装置と任意の１台の宅側装置との間で見た処理の流れを示す図である。図において、局側装置は、宅側装置からリクエスト（データ量）を受けた後、送信時間相当値への変換、帯域割当・グラント生成、データ量相当値への変換を順次行い、宅側装置にデータ量でのグラント送信を行う。

このように、上り方向へ送出したいデータ量に送信レートを考慮して送信時間相当値への変換が行われた後、これに基づいて、帯域の割当が行われるので、時間的に過不足のない量の送信許可を与えることができる。従って、送信レートの異なる複数の宅側装置からの上り送信において、帯域を有効に活用し、かつ、宅側装置同士の上り信号の衝突を防止することができる。

一方、グラントはデータ量に変換されて送信されるので、宅側装置は、送出したいデータ量をリクエストすれば、その後、局側装置１からグラントをデータ量で受信して、上り方向へデータの送出を行うことができる。すなわち、宅側装置には、他の宅側装置との送信レートの違いに対応した特別な構成は不要であり、従来の簡素な構成で足りる。

なお、複数の宅側装置からのリクエストに対してどのように帯域を割り当てるかについては、例えば、一の宅側装置からリクエストが届き次第、当該宅側装置に対して随時、帯域を割り当てていく分散型ＤＢＡ（Dynamic Bandwidth Assignment）と、複数（典型的には全数）の宅側装置からリクエストを集め、それらを基に総合的に帯域を割り当てる集中型ＤＢＡとがある。

図６は、分散型ＤＢＡを示すシーケンス図である。分散型ＤＢＡは、宅側装置からリクエストが届き次第、当該宅側装置に対し随時、帯域を割り当てていくＤＢＡである。分散型ＤＢＡの一例としては、接続される宅側装置の台数に応じて決められる１宅側装置あたりの最大帯域と、リクエストされた帯域との小さなほうを割り当てていくようなものが挙げられる。なお、説明の簡略化のため、宅側装置は２台（Ａ，Ｂ）としている。

時間は、図の左側から右側へ進行する。まず、局側装置は、宅側装置Ａ，Ｂに対してそれぞれ、グラントＧａ０，Ｇｂ０を順次送出する。グラントＧａ０を受け取った宅側装置Ａは、送信許可された量のデータＤａ０を、次に送信したいデータ量のリクエストＲａ１と共に局側装置に送信する。また、グラントＧｂ０を受け取った宅側装置Ｂは、送信許可された量のデータＤｂ０を、次に送信したいデータ量のリクエストＲｂ１と共に局側装置に送信する。

局側装置はこれらを受信し、リクエストＲａ１に基づくグラントＧａ１及び、リクエストＲｂ１に基づくグラント（図示せず。）を順次送信する。グラントＧａ１を受け取った宅側装置Ａは、送信許可された量のデータＤａ１を、次に送信したいデータ量のリクエストＲａ２と共に局側装置に送信する。
なお、図６では、宅側装置（例えばＡ）は、リクエスト（例えばＲａ１）、データ（例えばＤａ０）の順に送出しているが、データ、リクエストの順に送出してもよく、また、データの途中にリクエストを挿入してもよい。

集中型ＤＢＡは、複数の宅側装置(典型的には全宅側装置)からのリクエストを集め、それらをもとに総合的に帯域割当を行うＤＢＡである。図７に示すのは、典型的な集中型ＤＢＡの動作である。この例では、１つのグラントで、リクエスト用およびデータ用の帯域割当を同時に行っている(ＧＥ−ＰＯＮ規約上、１つのグラントで同時に４回分までの帯域割当を行うことができる)。宅側装置Ａ，Ｂは、このグラントに従って、リクエストとデータとを別々に送信している。局側装置は、データとは別に、リクエストだけを最初にかためて受信し、各宅側装置のリクエストを受信し終わった時点で帯域割当処理を始めている。集中型ＤＢＡの一例としては、予め定めておいたサイクル長の範囲で、帯域割当の不足している宅側装置からのリクエストに対して優先的に帯域を割り当てていくようなものが挙げられる。

次に、第２実施形態による動的帯域割当方法及びそのための宅側装置２〜４の構成について説明する。なお、この第２実施形態では、局側装置１はマルチレート対応の動的帯域割当のための特別な構成を必要とせず、例えば図８に示す構成でよい。すなわち、図８に示す局側装置１において、動的帯域割当部１０７Ａを構成するのは、リクエスト受信部１０８、動的帯域割当算出部１１０及びグラント送信部１１２のみであり、マルチレートに対応した、時間への変換機能は設けられていない。

図９は、宅側装置３の内部機能を示すブロック図である（なお、他の宅側装置２，４についても同様である。）。図において、宅側装置３は、ユーザネットワーク１３から局側装置１への上り信号処理用として、ユーザネットワーク１３からの信号を受信する受信部３０１、受信した信号を一時記憶するバッファ３０２、及び、バッファ３０２に一時記憶された信号を局側装置１へ送信する送信部３０３を備えている。

また、宅側装置３は、局側装置１からユーザネットワーク１３への下り信号処理用として、局側装置１からの信号を受信する受信部３０４、受信した信号を一時記憶するバッファ３０５、及び、バッファ３０５に一時記憶された信号をユーザネットワーク１３へ送信する送信部３０６を備えている。

また、宅側装置３はリクエスト・グラント処理部３０７として、リクエスト変換部３０８、リクエスト送信部３０９、グラント受信部３１０、及び、グラント変換部３１１を備えている。リクエスト変換部３０８及びグラント変換部３１１は、当該宅側装置３の上り送信レートを記憶している。

図１０の（ａ）はリクエストのフレーム構成例を示す図であり、（ｂ）は、グラントのフレーム構成例を示す図である。図示のように、リクエストするデータ量は１６ｎｓ単位の時間で表される。同様に、グラントの送信許可長も、１６ｎｓ単位の時間で表される。

上記のように構成された宅側装置３において、リクエスト変換部３０８は、上り方向に送出したいデータ量のリクエストを、当該宅側装置３の送信レートを考慮して、送信時間相当値（１６ｎｓ単位）に変換する。具体的には、各宅側装置２〜４からリクエストされるデータ量が互いに等しいとした場合、１Ｇｂｐｓの宅側装置２からリクエストされるデータ量が送信時間相当値Ｔに変換されるとすると、２Ｇｂｐｓの宅側装置３からリクエストされるデータ量は送信時間相当値Ｔ／２、１０Ｇｂｐｓの宅側装置４からリクエストされるデータ量は送信時間相当値Ｔ／１０となる。また、仮に、各宅側装置２〜４からリクエストされるデータ量が１：２：１０の比であれば、送信時間相当値は同一値となる。

リクエスト送信部３０９は、送信時間相当値に変換されたリクエストを、バッファ３０２及び送信部３０３を介して、図８に示す局側装置１に送信する。リクエストを受信した局側装置１では、動的帯域割当部１０７Ａが帯域を動的に割り当ててグラントを生成する。このグラントによる送信許可長（時間）は、グラント送信部１１２により、バッファ１０２及び送信部１０３を介して、宅側装置３宛に送出される。

このグラントは、宅側装置３のグラント受信部３１０により受信される。グラント変換部３１１は、当該宅側装置３の上り送信レートを考慮して、グラントの送信許可長（時間）を、送信できるデータ量相当値に変換する。送信部３０３は、このデータ量相当値のデータを、上り方向に送出する。

図１１は、第２の実施形態による動的帯域割当について、局側装置と任意の１台の宅側装置との間で見た処理の流れを示す図である。図において、局側装置は、宅側装置から送信時間相当値に変換されたリクエストを受けた後、帯域割当・グラント生成及びグラント送信を行う。宅側装置は、グラントを受信し、当該宅側装置の上り送信レートを考慮して、データ量相当値への変換を行い、データを局側装置に送出する。

このように、上り方向へ送出したいデータ量に送信レートを考慮して送信時間相当値への変換が行われた後、これに基づいて、帯域の割当が行われるので、時間的に過不足のない量の送信許可を得ることができる。従って、送信レートの異なる複数の宅側装置からの上り送信において、帯域を有効に活用し、かつ、宅側装置同士の上り信号の衝突を防止することができる。
一方、リクエストは宅側装置で送信時間相当値に変換されて送信され、また、グラント受信後のデータ量相当値への変換も宅側装置で行われるので、局側装置の帯域割当部にはマルチレートに対応した特別な構成は不要である。

なお、図５や図１１に示した上記各実施形態の動的帯域割当において、局側装置及び宅側装置のいずれか一方においてマルチレート対応の処理（送信時間相当値への変換、データ量相当値への戻し変換）を行っているが、この処理を局側装置と宅側装置とで分け合う（共同で行う）ことも可能である。

また、以上の説明では、１Ｇｂｐｓと２Ｇｂｐｓと１０Ｇｂｐｓの３種類の送信レートがある場合を例に挙げた。ところが、後からシステムの拡張に伴って、例えば２０Ｇｂｐｓの送信レートを追加する、という具合に、上り方向の送信レートの種類が増えることもある。かかる場合であっても、本発明によれば送信時間相当値に変換した後にグラントを生成するので、送信レートによらず画一的な扱いが可能であり、システムを容易に拡張しやすいという格別の利点がある。

さらに、ＧＥ−ＰＯＮにおいては、イーサネット（登録商標）フレームを途中で分割できないということと、単一のリクエストに内包されるフレーム列の区切りに関する情報を局側装置は知り得ないという理由から、局側装置がグラントの送信許可長をリクエストより小さくして宅側装置に与える場合、帯域ロスが発生する恐れがある。

この帯域ロスを発生させないようにした従来の帯域割当方法の一つの例として、宅側装置は、ある時点の上りバッファの状態について、フレームの区切りに合致しつつ要求量が異なる複数のリクエストを局側装置に通知し、局側装置は、複数リクエストの中から、その時点の輻輳状態に適したものを選択し、グラントの送信許可長とすることを基本とするものがある。本発明のリクエスト送信部および動的帯域割当算出部は、このような複数リクエストに対応したものでもよい。その他、動的帯域割当方法には多くの態様があり、本発明の動的帯域割当部をそれらに対応したものに置き換えても、同様の作用効果が得られる。

なお、局側装置１の送信レート記憶部１１３（図３）は、全ての宅側装置２〜４の上り送信レートを記憶しているものとしたが、各宅側装置からのリクエストで示される送信レート（リクエストに用いる送信レートと同じ送信レートであるとする。又は、リクエストに送信レートの情報を記載しておく）を、その都度記憶し直すことにより、記憶を随時更新するようにしてもよい。この場合、宅側装置の送信レートが変わっても、局側装置はそれを即座に把握することができる。また、リクエストに送信レートの情報を記載するようにすれば、送信レート記憶部１１３を省略することも可能である。

本発明の動的帯域割当方法を適用するＰＯＮシステムの一例を示す接続図である。 送信レートの異なる上り送信の時分割による波形図である。 本発明の一実施形態による局側装置の内部機能を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による動的帯域割当方法に用いられるリクエスト及びグラントのフレーム構成例を示す図である。 本発明の第１実施形態による動的帯域割当方法について、局側装置と任意の１台の宅側装置との間で見た処理の流れを示す図である。 分散型ＤＢＡを示すシーケンス図である。 集中型ＤＢＡを示すシーケンス図である。 本発明の一実施形態による宅側装置との組み合わせで用いられる局側装置の内部機能を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による宅側装置の内部機能を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による動的帯域割当方法に用いられるリクエスト及びグラントのフレーム構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態による動的帯域割当方法について、局側装置と任意の１台の宅側装置との間で見た処理の流れを示す図である。

符号の説明

１ 局側装置
２〜４ 宅側装置
５，７〜９ 光ファイバ
１０９ リクエスト変換部
１１０ 動的帯域割当算出部
１１１ グラント変換部
３０８ リクエスト変換部
３１１ グラント変換部
Ａ，Ｂ 宅側装置

Claims (5)

1. 局側装置と、この局側装置と光ファイバを介して接続された宅側装置とによって構成されるＰＯＮシステムにおける上り送信の動的帯域割当方法であって、
   前記宅側装置から前記局側装置に対して要求する、上り方向へ送出したいデータ量を、当該宅側装置の上り送信レートを考慮して送信時間相当値に変換する第１ステップと、
   前記送信時間相当値に基づいて、帯域を動的に割り当ててグラントを生成する第２ステップと、
   当該宅側装置の上り送信レートを考慮して前記グラントの送信許可長を、送信できるデータ量相当値に変換する第３ステップと、
   前記第３ステップにて変換されたグラントに基づいて前記データ量相当値のデータを上り方向に送出する第４ステップと
   を有することを特徴とする動的帯域割当方法。
2. 前記第１〜第３ステップは前記局側装置によって行われ、前記第４ステップは前記宅側装置によって行われる請求項１記載の動的帯域割当方法。
3. 前記第１，第３，第４ステップは前記宅側装置によって行われ、前記第２ステップは前記局側装置によって行われる請求項１記載の動的帯域割当方法。
4. 上り送信レートが異なる複数の宅側装置と光ファイバを介して接続されることによりＰＯＮシステムを構成し、各宅側装置からの上り送信についての動的帯域割当機能を有する局側装置であって、
   宅側装置から要求された上り方向に送出したいデータ量を、当該宅側装置の上り送信レートを考慮して送信時間相当値に変換するリクエスト変換部と、
   変換して得られた送信時間に基づいて、帯域を動的に割り当ててグラントを生成する動的帯域割当算出部と、
   当該宅側装置の上り送信レートを考慮して、グラントの送信許可長を、送信できるデータ量相当値に変換するグラント変換部と
   を備えたことを特徴とする局側装置。
5. 局側装置と光ファイバを介して接続されることによりＰＯＮシステムを構成し、上り送信のリクエストに対する前記局側装置のグラントに従って、データの上り送信を行う宅側装置であって、
   上り送信レートを考慮して、上り方向に送出したいデータ量を送信時間相当値のリクエストに変換するリクエスト変換部と、
   前記局側装置から受け取ったグラントに対し、上り送信レートを考慮して、グラントの送信許可長を、送信できるデータ量相当値に変換するグラント変換部と
   を備えたことを特徴とする宅側装置。

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