JP4846956B2 - 無線通信方式における基地局同期化方式 - Google Patents
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Description
【発明の分野】
この発明は概括的にはディジタル通信方式に関する。より詳細にはこの発明はセルラー通信回線網における複数の基地局の同期化システムおよび方法に関する。
【0002】
【従来技術の説明】
提案ずみの第三世代無線通信プロトコルでは、各基地局に極めて高精度の外部信号源への外部的同期化を求めるという、簡単ながらコストのかかる手順に基づくアプローチが必要となる。
【0003】
基地局同期化をサポートする技術は、一つの基地局が隣接局からの同期チャンネル(SCH)や共通物理制御チャンネル(CCPCH)などを経由した同期信号を受動的に受信し、ユーザー装置(UE)における同期化手順と同様の手順に従うことを必要とする。もう一つの手法では、各基地局が、送信タイミング設定のために自局送信信号を受信中の一つ以上の隣接局との協働の下に特定の同期信号バーストをときどき送信する必要がある。さらにもう一つの手法では、複数のユーザ装置で二つのセルの各々からの送信信号の受信時点の差(TDOA)を測定する必要がある。これらの手法では、基地局ごとに極めて高精度の信号源を備える必要がある。各基地局がそのような高精度の信号源を要するので、これら手法はコスト高であり有用でない。
【0004】
したがって、基地局相互間の同期化を余分のリソースに依ることなく高速度、高効率、低コストで可能にするシステムおよび方法が求められている。
【0005】
【発明の概要】
この発明は無線通信システムにおいて複数の基地局を互いに同期させるシステムおよび方法にある。このシステムは各基地局に関連するタイミング精度の推算値を算定する。一つの基地局のタイミング精度が閾値を超えると、このシステムはより高いタイミング精度を有する隣接基地局があるがどうかを判定する。閾値を超えたタイミング精度の基地局は、自局とそれより高いタイミング精度の隣接基地局との間の差の推算値に応じて調整する。
【0006】
このシステムおよび方法の上記以外の目的および利点は好適な実施例の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。
【0007】
【好ましい実施の形態】
全図を通じて同じ構成要素には同じ参照数字を付けて示した図面を参照してこの発明の好適な実施例を説明する。
【0008】
図1は無線スペクトラム拡散符号分割多元接続(CDMA)または時分割複信(TDD)通信システム18を単純化した形で示す。通信システム18は複数のノードB
26,32 および 34、複数の無線回線網コントローラ(RNC)36,38、… 40、複数のユーザ装置(UE)20,22,24およびコア回線網46から成る。通信システム18の中のノードB26は関連のユーザ装置(UE)20−24と交信する。ノードB26は、一つの基地局30または複数の基地局301、…30n に関連した一つのサイトコントローラ(SC)を有する。各基地局はセルと呼ばれる関連の地理的領域を有する。なお、この明細書では基地局の同期化について説明するが、セルの同期化もこの発明により達成される。
【0009】
ノードB26,32,34のグループは無線回線網コントローラ36に接続する。無線回線網コントローラ36、…、40はコア回線網46に接続する。説明を簡潔にするために以下の説明では一つのノードBのみについて述べるが、この発明は複数のノードBにも容易に適用できる。
【0010】
この発明の好適な実施例によれば、無線回線網コントローラRNC36はノードB26、32、34内およびこれらノード相互間での基地局同期を維持する。図2を参照すると、無線回線網コントローラRNC36は基地局301、…30n のうちの一局またはユーザ装置UE20、22、24のうちの一つからメッセージ発生器53経由で測定値要求を出し、その測定値受信装置54経由で測定値を受け、同期化コントローラ55を用いそれら測定値に基づきその状態推算値を最適に更新し、共分散行列57に蓄積された状態セットを管理する。これら蓄積された状態は同期化に用いられ、基準に対する各基地局30の時間差、各時間差の変化率および基地局30相互間の伝搬遅延を表す。
【0011】
また、無線回線網コントローラRNC36はデータベース59に蓄積したひと組の測定値、すなわち、測定した波形(すなわち同期信号バースト)の到達時刻、ユーザ装置UE20が測定した二つの基地局からの送信信号の到着時間差および状態の不確定性および測定値の不確定性の推算値を含む測定値群を管理する。無線回線網コントローラRNC36はカルマンフィルターなどのフィルター処理を用いて、相対的なクロックドリフトを画定するパラメータを推算し、要素相互間の正確な距離などのパラメータを精測する。時間ドリフト推算値を基地局相互間の基準周波数不整合の推測、及び不正確な測定値によるプロセス崩れの確実な防止のための合理性チェックの推測に用いる。
【0012】
無線回線網コントローラRNC36は基地局301、…30nの各々に時間品質を割り当てる。この時間品質を、一つの基地局を全基地局に対するタイムベースの基準として選ぶことにより無線回線網コントローラ36で測定する。上記一つの基地局以外のすべての基地局には、測定値に基づき更新され補正される可変時間品質を割り当てる。この時間品質は整数(例えば0から10)で表すことができる。時間品質の値が低ければ低いほど高精度を示す。時間品質を連続変数(浮動小数点)で表すこともできる。基準とされた基地局(主幹基地局)には固定的に時間品質0を割り当てるのが好ましい。それ以外のすべての基地局の時間品質としては、可変であって主幹基地局に対して補正される値を割り当てる。この時間品質の階層構造を例示する図4において、主幹基地局と従属基地局1、2、3とを示し、これら従属基地局1、2、3が主幹基地局に対して変化する時間品質を割り当てられていることを示す。一つの実施例においては、従属基地局2には従属基地局1に対し変化する値の時間品質を割り当て、従属基地局3には従属基地局2に対し変化する値の時間品質を割り当てる。
【0013】
正常動作モードでは、無線回線網コントローラRNC36は、RNCデータベース59に蓄積ずみの状態についての共分散行列57を所定の単位時間あたり1回(例えば5秒ごとに1回またはオペレータ設定の時間ごとに1回)更新する。共分散行列57の一つの要素は各基地局の時間誤差の分散推算値である。
【0014】
或る基地局の時間誤差分散が所定の閾値を超えた場合は、RNC36はその基地局の時間誤差の更新をサポートするメッセージを出す。この更新は三つの方法のうちの一つ、すなわち、隣接基地局301、302、…、30nの一つからの同期信号バーストのその基地局への到達時間(BSTOA)を測定するようにその基地局に指示する方法、より高い品質を有する隣接基地局301、302、…、30nの一つにその基地局の送信信号のBSTOAの測定を指示する方法、およびその基地局及び隣接する基地局301、302、…、30nの一つの同期信号バーストのBSTOAをユーザ装置20で測定する方法のうちの一つによって行う。
【0015】
基地局相互間のBSTOAを用いる上記第1及び第2の方法では、一つの基地局の送信信号がもう一つの基地局に到達する時間を測定する。図3を参照すると、送信側基地局301が所定の時点で既知の送信信号パターンを送信する。この送信信号パターンは基地局301の同期信号バースト発生器62からの同期信号バーストで構成でき、アイソレータ64経由でアンテナ70から送信する。受信側基地局301は送信されてきた波形を測定装置60、すなわち受信した信号パターンが所定のシグネチャと一致したとき大きい値の出力を生ずる測定装置60を用いて検出する。送信機と受信機とが同じ位置にあり正確に同期したクロックを有する場合は、測定装置60の出力は送信信号波形と同時に生ずる。しかし、クロックの不整合と伝搬路遅延により時間誤差が生ずる。
【0016】
伝搬路遅延は次の式1で定義される。
【0017】
【式1】
R/c+x
ここでRは送信側と受信側間の距離、cは光速度、xは測定装置内遅延を表す。基地局相互間の距離が大きい場合は、この式1ではR/cが支配的になる。無線電磁波は光速、すなわち約1フィート/ナノ秒、すなわち3×108m/sで伝播する。基地局相互間の同期化の目的はそれら基地局を1乃至3マイクロ秒の範囲内に整合させることである。したがって、基地局間の距離が1/2マイル(1km)以上の場合は、その距離が有意な値になる。しかしながら、相互間間隔が数十メートル程度のピコセルまたはマイクロセルの場合は、測定装置精度xが支配的になり、それと比較して距離の重みは低下する。
【0018】
上述の観点から、相互間の距離の大きい(1 km 以上)基地局間同期化を達成しようとする場合、その距離が重要になる。間隔が50メートル程度以内の基地局相互間の同期をとる場合は、それら基地局の正確な位置はあまり重要でない。BSTOAの測定のあと、その測定値からRNCデータベース59に蓄積ずみの既知の伝搬距離を減算し、得られた差を基地局相互間の時間誤差とする。
【0019】
上述の三つ目の方法は、二つの互いに異なる基地局BSから送信されてきた二つの送信信号の一つのユーザ装置UEへの相対的到達時間差(TDOA)を測定する。UEはそれら二つの基地局からの送信信号間のTDOAを測定しリポートする。無線回線網コントローラRNC36は二つの基地局のTDOA測定のためのメッセージをユーザ装置20、22、・・・、24に送る。このメッセージに応答してそのユーザ装置20、22、・・・、24はアンテナ72およびアイソレータ64経由でそれら二つの基地局からの送信信号を受信し、そのユーザ装置の測定受信装置68を用いてTDOAを測定し、その測定値を関連する基地局に送信する。
【0020】
そのユーザ装置UEの位置が既知(すなわち、そのUEからそれら二つの基地局までの距離r1およびr2が既知)であって両基地局のタイミングが正しい場合は、到達時間差(TDOA)は次の式2で与えられる。
【0021】
【式2】
(r1−r2)/c
この値と測定値とのずれがタイムベースの不整合の指標になる。当業者には周知のとおり、ピコサイズのセルのように距離r1およびr2が充分に小さい場合はそれらの値を知る必要はない。到達時間差の測定値を送信信号時間差の尺度としてそのまま使うことが出来る。
【0022】
上記方法の一つを選んだあと、適切なメッセージを基地局301、…、30nの一つ或いはユーザ装置22、24および20の一つに送る。そのメッセージが基地局302に送られた場合は、モニターし測定すべき隣接装置をその基地局302に知らせる。そのメッセージがユーザ装置UE22に送られた場合は、自局が所属する基地局に加えて測定の対象とすべき基地局をそのUE22に知らせる。
【0023】
図2に戻ると、無線回線網コントローラRNC36はデータベース59に基地局301、…、30n相互間の距離を蓄積している。RNC36は、更新の対象となる基地局302よりも時間品質の良い隣接基地局301の有無の判定のためのチェックを行う。そのような隣接基地局301が見出された場合は、「同期はずれ」基地局302から測定を行うようにメッセージを隣接基地局301に送る。無線回線網コントローラRNC36から「同期はずれ」基地局302にメッセージを送り、隣接基地局301の測定を行うように要求することもできる。その要求を受けた基地局、すなわちこの実施例における「同期はずれ」基地局302は「同期確保中」の基地局301の測定を行い、その測定値をRNC測定装置54に送る。RNC測定装置54はその測定値を同期化コントローラ55に転送し、このコントローラ55が伝播時間R/cを減算することによってその測定値の伝送時間を計算する。
【0024】
RNC同期コントローラ55で伝送時間を計算したのち、その計算値をRNCデータベース59に蓄積ずみの値と比較する。次ぎにRNC同期コントローラ55はカルマンフィルタ利得を計算し、到達時間計算値と所定の到達時間との差および共通の利得を用いて共分散行列57の中の状態を更新する。上記の差が特定の閾値を超えている場合は、RNCメッセージ発生器53はもう一つのメッセージを「同期はずれ」基地局302に送り、RNC36の制御のもとでその基地局302をそれ以外の基地局303、…、30nと「同期」させるようにそのタイムベースまたはその基準周波数を調整する。
【0025】
基地局302は要求された調整を行ない、それをRNC測定装置54にリポートする。調整対象の基地局302の時間基準の修正、その時間変化率、その共分散行列57の更新(RMS時間誤差およびドリフト誤差推算値を含む)およびその時間品質の更新などの更新をRNC36の中のデータベースで行う。図4に戻ると、他の基地局との比較に基づきタイムベースを補正した基地局には、その基地局を従属局とする基地局の品質以上の品質が割り当てられることがないようにしなければならない。そうすることによって安定性を確保する。例えば、従属基地局2を補正の対象とする場合は、その従属基地局2には従属基地局1の時間品質の値より小さい値の時間品質のみを割り当てることができる。それによって、主幹基地局との間で「同期はずれ」の状態にある基地局群に入る可能性のあるレベルまたはそれより低いレベルの従属基地局に同期しないようにしている。
【0026】
上述のとおり、「同期はずれ」基地局302の調整のための測定を行う他の方法はユーザ装置UE20、22、24の一つ、例えばユーザ装置UE22、を用いる。この方法をRNC36が選ぶと、「同期はずれ」基地局302および「同期確保中」基地局301の同期信号バーストを測定させるメッセージをユーザ装置22に送る。UE22はその測定を行うと、測定値はRNC36に送られ処理される。上述の方法の場合と同様に、それら測定値はRNCデータベース56および共分散行列57に蓄積ずみの既知の並びに「同期はずれ」基地局302に送られた調整値と比較される。
【0027】
この好適な実施例によるシステムの流れ図を図5aおよび図5bに示す。RNC36は単位時間ごとに一回、共分散行列57およびデータベース59を更新する(ステップ501)。基地局302、…、30nの一つの時間誤差分散が所定の閾値を超えたことをRNC36が検出すると(ステップ502)、「同期はずれ」基地局の時間誤差分散の更新のために、BSTOA測定用の基地局BSを使うかTDOA測定用のユーザ装置UEを使うかをRNC36が決める(ステップ503)。RNC36がBSTOAの測定を決定した場合は、基地局到達時間の測定のためのメッセージを「同期はずれ」基地局に隣接する基地局に送るか、またはその隣接基地局の到達時間の測定のためのメッセージを「同期はずれ」基地局に送る(ステップ504)。適切な基地局が必要な測定を行い(ステップ505)、その測定値をRNC36に送る(ステップ506)。RNC36がTDOAの測定を決めた場合は、「同期はずれ」基地局を含む二つの基地局の到達時間差の測定のためのメッセージをUEに送る(ステップ507a)。そのUEは各基地局のTDOAを測定し(ステップ507b)、それら測定値の差をRNC36に送る(ステップ507c)。RNC36は適切な測定値を受けると(ステップ508)、それら測定値をRNCデータベース59に蓄積ずみの値と比較する(ステップ509)。その差が或る閾値以上である場合は、RNC36はその差に従ってそのタイムベースまたはその基準周波数を調整するようにメッセージを「同期はずれ」基地局に送る(ステップ510)。この「同期はずれ」基地局は要求された調整を行ない(ステップ511)、その結果を無線回線網コントローラ36にリポートする(ステップ512)。次に、RNCデータベース59と共分散行列57を新たな値を組み入れるように更新する(ステップ513)。
【0028】
好適な実施例は各RNC36におけるシステムと方法である。従来技術では制御用無線回線網コントローラ(C−RNC)がその基地局と直接に通信を行い、サービス提供用無線回線網コントローラ(S−RNC)がそのユーザ装置と直接に通信を行う。隣接基地局が別のRNCの制御を受ける場合は、隣接の複数の基地局を制御する複数のC−RNCと複数のS−RNCとの間の通信を加える必要があろう。
【0029】
代わりの実施例では、基地局を対にし、それら対の各々の基地局が交信して相手局周波数に自局の周波数を近づけることができるようにする。相対的な調整量を、各基地局に割り当てられRNCデータベース59に蓄積ずみの一組の固有の重みで画定する。基地局の各々を調整するプロセスは、「同期確保中」及び「同期はずれ」基地局の両方をそれぞれの基地局への割当て重みにより調整することを除き、上記実施例の場合と同じである。互いに異なる重み付けにより、完全集中型から完全分布型まで多様な集中度を達成できる。
【0030】
最も好ましい実施例は、RNC36が基地局302、…、30nの一つに時間補正や周波数補正を送ることができる。主幹基地局は、それに従属する基地局の各々がその主幹基地局に従属する時間基準、すなわち所定の精度の時間基準を確実に持つようにする。RNC36は、そのアルゴリズムおよび補正において、主幹基地局とその従属基地局との間には無視できる誤差があり、したがってすべての基地局が同一の時間基準を持っているものと仮定している。
【0031】
その結果、RNC36は主幹基地局とその従属基地局との間の個々の時間誤差の推算を試みることはなく、主幹基地局が自局とそれ以外の基地局の各々との間のタイミング誤差を除去または補償しなければならない。すなわち、関連のRNC36は補正を行わないからである。この実施例はRNC36と主幹基地局との間に円滑なインタフェースを提供する。これによって、主幹基地局は従属基地局の同期化に自局の解決法を適用でき、これはピコセルに適している。
【0032】
代わりの実施例では各基地局が互いに別々の時間基準及び周波数基準を有し、それに基づきRNC36が各々の基地局に時間補正値や周波数補正値を供給できるようにしている。RNC36はそのアルゴリズム及び補正法において各基地局の時間誤差及び周波数誤差を表す状態を推算する。
【0033】
その結果、RNC36は各基地局と主幹基地局との間の個々の時間誤差の推算を試み、一つの基地局についての測定値は他の基地局の状態の推定には役立たない。したがって、基地局製造業者は基地局のタイミングと時間ドリフトについて緩い範囲の誤差を供給するだけでよく、各基地局は無線回線経由で他の基地局(同一または異なる基地局)に許容可能な接続可能性を備えなければならない。
【0034】
この代替実施例は基地局相互間の距離が大きい大セルラー方式に有利である。主幹基地局の時間基準に従属する一つの基地局の補正を、同じ主幹基地局の時間基準に従属するもう一つの基地局に関する測定値に基づいて行う能力は限られている。
【0035】
この代替実施例における各基地局は互いに独立の時間基準を用いるが主幹基地局は一つの周波数基準を与える。RNC36は各基地局に個々に時間補正値を送り、あるいは一つの周波数補正値を主幹基地局に送る。RNC36は、各基地局のクロック周波数を主幹基地局のクロック周波数に従属するようにする。そのアルゴリズム及び補正法において、RNC36は主幹基地局と割当て基地局との間に無視できるドリフト誤差があるものと仮定するが、処理対象のオフセットは一定と推定する。
【0036】
その結果、RNC36は主幹基地局とその複数の基地局との間の個々の時間誤差と、主幹基地局に対する基地局の共通の周波数ドリフトとを推算する。
【0037】
この代替実施例の特徴は、主幹基地局から離れた基地局を有する上述の実施例の特徴と同様である。この実施例は、長距離通信における時間のずれを除くための機構を提供する。それら時間オフセットが安定であるという仮定を用いて、この実施例は主幹基地局のクロックに従属するクロックを有する任意の基地局の測定の利点をその同じ主幹基地局に従属するすべての基地局についてのドリフトレートの更新に用いる。
【0038】
もう一つの代替の実施例では、RNC36が主幹基地局にその主幹基地局に従属する基地局の同期化をサポートするための推算値を供給する。RNC36は関連の各基地局についての時間補正値や周波数補正値をそれぞれの主幹基地局に送る。主幹基地局は、自局に関連する各基地局が自局に従属する時間基準を特定の精度で確保できるようにする。主幹基地局は基地局同期化の支援のための基地局特有の推算値の使用を選ぶこともできる。そのアルゴリズム及び補正法においてRNC36は主幹基地局と関連の基地局との間の時間誤差及び周波数誤差の最も近い推算値を生ずる。状態推算を行なう際に、測定値と基地局誤差不確定性との間の相対的な確実性を比較検討する。
【0039】
その結果、RNC36は主幹基地局と関連の基地局との間の個々の時間誤差の推算を試み、主幹基地局はその主幹基地局と自局時間基準に従属する各基地局との間の時間誤差を解消または補償し、またはRNC36に支援を要求する。
【0040】
この発明を好ましい実施例について上に述べてきたが、特許請求の範囲記載の発明の範囲内にある上記以外の種々の変形は当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 通信システムのブロック図。
【図2】 本発明の好適な実施例による無線回線網コントローラ(RNC)のブロック図。
【図3】 本発明の好適な実施例による基地局およびユーザ装置UEのブロック図。
【図4】 本発明の好適な実施例による階層的時間品質設計を示す図。
【図5a】 本発明の好適な実施例によるシステムの流れ図。
【図5b】 本発明の好適な実施例によるシステムの流れ図。
【符号の説明】
18 通信システム
20、22、24 ユーザー装置(UE)
26,32,34 ノードB(NodeB)
SC サイトコントローラ
301、…、30n 基地局
36、…、40 無線回線網コントローラ(RNC)
46 コア回線網
53 メッセージ発生器
54 測定値受信装置
55 同期コントローラ
57 共分散行列
59 データベース
60 測定装置
62 同期信号バースト発生器
64,66 アイソレータ
68 測定値受信装置
70,72 アンテナ
ステップ501 RNCが共分散行列およびデータベースを更新する
ステップ502 RNCが基地局時間誤差共分散が閾値以上であることを検出する
ステップ503 RNCが同期はずれ基地局の更新のために用いるべき方法を決める
ステップ504 RNCがBSTOAを測定するよう基地局にメッセージを送る
ステップ505 基地局が要求のあった測定を行う
ステップ506 測定をRNCに移す
ステップ507 RNCが適切な測定値を受ける
ステップ507a RNCが基地局のTDOAを測定するようUEにメッセージを送る
ステップ507b UEが指定の基地局のTDOAを測定する
ステップ507c UEが基地局TDOA間の差を送る
ステップ509 RNCが測定値とデータベース中の蓄積値とを比較する
ステップ510 RNCが同期はずれ基地局にタイムベースまたは周波数を調節するよう
メッセージを送る
ステップ511 同期はずれ基地局が要求のあった調節を行う
ステップ512 基地局がRNCに通知する
ステップ513 RNCを上記調節した値で更新する
Claims (3)
- 無線通信システムにおいて複数の基地局の時間を同期させるための方法であって、
少なくとも1つのマスタセルにおける第1の基地局が同期バーストを送信するステップと、前記マスタセルは他のセルよりも良好な時間同期品質を有していて、
前記マスタセル以外の少なくとも1つのセルにおける少なくとも1つの第2の基地局のために、前記少なくとも1つのマスタセルからの同期バーストを測定し、前記同期バーストと関連するタイミングを無線回路網コントローラ(RNC)に示すステップと、前記測定は前記RNCが前記マスタセル以外のセルへ基地局到着時間(BSTOA)値の要求を送信し、前記BSTOA値を送信することをさらに含み、
前記マスタセル以外の少なくとも1つのセルにおける基地局へタイミング調節を送信するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 無線通信システムにおいて複数の基地局の時間を同期させるための方法であって、
少なくとも1つのマスタセルにおける第1の基地局が同期バーストを送信するステップと、前記マスタセルは他のセルよりも良好な時間同期品質を有していて、
前記マスタセル以外の少なくとも1つのセルにおける少なくとも1つの第2の基地局のために、前記少なくとも1つのマスタセルからの同期バーストを測定し、前記同期バーストと関連するタイミングを無線回路網コントローラ(RNC)に示し、前記マスタセル以外の前記少なくとも1つのセルを測定するために前記RNCが複数のユーザ装置(UE)の少なくとも1つに基地局到着時間(BSTOA)値の要求を送信するステップと、
前記BSTOA値を送信するステップと、
前記RNCが前記マスタセル以外の前記少なくとも1つのセルにおける基地局へタイミング調節を送信するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 基地局であって、
前記基地局が少なくとも1つのマスタセル内にある場合に少なくとも1つのマスタセルから同期バーストを送信するように構成された回路と、前記マスタセルがある前記基地局の条件で前記マスタセルは他のセルよりも良好な時間同期品質を有していて、
前記マスタセル以外の少なくとも1つのセルのために、前記基地局が前記マスタセル以外の少なくとも1つのセル内にある場合に前記少なくとも1つのマスタセルからの同期バーストを測定し、前記マスタセル以外の前記セルにある前記基地局の条件で前記同期バーストと関連するタイミングを無線回路網コントローラ(RNC)に示すように構成された回路と、
前記マスタセル以外のセル内にある基地局へ、前記マスタセルにある前記基地局の条件で基地局到着時間(BSTOA)値の要求を送信するように構成された回路と、
前記マスタセル以外のセルにある前記基地局の条件でマスタセル内にある基地局へ前記BSTOA値を送信するように構成された回路と、
前記RNCから、前記マスタセル以外の少なくとも1つのセルへの前記マスタセル以外のセルにある前記基地局の条件でタイミング調節を受信するように構成された回路と、
を備えた基地局。
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