JP5042189B2 - 無線通信装置および無線通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信装置および無線通信方法に関する。

無線ＬＡＮなどのＣＳＭＡ／ＣＡ（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式の通信では、電波の送信に先立ってチャンネルが空いているかを確認している。そして、チャンネルが空いていることが確認できてから、電波の送信を開始している。このように１つのチャンネルで通信が行われている間は、他の端末からの通信は待たされることになる。

したがって、電波の干渉を低減し通信環境を最適化させるために、受信強度に基づいて送信電力の制御が行われている（特許文献１）。また、受信強度以外にも、周囲の無線通信の混雑度や、相手端末との相対速度などに基づいて、送信電力を制御することが開示されている（特許文献２，３）。

なお、無線通信を開始する前に端末間で送信電力を決定するための処理を実行すると、この制御のために通信の開始が遅れるという問題がある。また、通信相手端末との受信強度に基づいて送信電力を決める場合には、あらかじめどの通信端末と通信を行うか分かっている必要がある。
特開２００４−２６０７５３号公報 特開２００５−０３９６６５号公報 特開２００７−００６３９５号公報

本発明は、電波の干渉を低減し、効率的な無線通信を実現することを目的とする。

本発明に係る無線通信装置は、複数のアンテナと伝搬損失算出手段と判断手段と通信制御手段とを有する。複数のアンテナは、それぞれ指向性を有し、通信範囲が異なる。伝搬損失算出手段は、アンテナを介して周囲の無線通信装置からの電波を受信し、その受信電波強度から送受信間の伝搬損失を算出する。判断手段は、周囲の無線通信装置のそれぞれについて、通信の対象とするか否かを、いずれのアンテナから電波を受信したかと伝搬損失から判断する。通信制御手段は、データ送信を行う際に、どのアンテナを用いて通信するか、およびどの程度の送信電波強度で送信するかを、通信対象と判断された無線通信装置について算出された伝搬損失に基づいて決定する。

なお、伝搬損失の算出は、たとえば、無線フレーム内に格納された送信電力と、受信の際の受信電力の差から求めることが可能である。また、判断手段による、どの無線通信装置を通信対象とすべきかの判断は、受信アンテナから相手装置の存在方位が分かり、伝搬損失から相対距離が分かるので、これらの情報に基づいて行うことができる。

このような本発明によれば、不要な電波送信を抑制し、干渉を抑えることが可能である。すなわち、通信範囲内に通信対象となる無線通信装置が存在しないアンテナからは無線送信を行わないことができる。また、送信電波強度を、通信対象の無線通信装置と通信するために最低限必要な電波強度とすることで、干渉を抑えることができる。

なお、伝搬損失算出手段は、定期的に周囲の無線通信装置からの受信電波強度を取得し、算出した伝搬損失を記憶しておくことが望ましい。また、判断手段も、電波を受信するたびに、その無線通信装置を通信対象とするか判断することが好ましい。こうすることで、どの無線通信装置が通信対象であるかを、常に把握することができる。したがって、データ送信の際に行うべき前処理を少なくでき、すぐにデータ送信を行えるようになる。このように定期的に受信電波強度を測定できるように、各無線通信装置は定期的に電波を発信することが望まれる。また、判断手段は、電波受信のたびに判断処理を行うことが好ましいが、受信頻度によっては、判断処理の頻度をそれよりも少なくしても構わない。

ここで、本発明に係る無線通信装置は、複数種別のデータ送信を行うものであり、データ送信の種別ごとに通信対象を決定することが好ましい。すなわち、判断手段および通信手段は、それぞれのデータ送信の種別ごとに、通信対象とするか否かの判断や、無線通信を行うアンテナおよび送信電波強度の決定を行うことが好ましい。

このようにすることで、データ送信の種別ごとに、通信対象を変えることができる。すなわち、データ種別に応じて適切な範囲の相手のみにデータ送信を行えるようになる。

本発明においては、データ送信の種別のそれぞれについて、通信対象範囲が定められており、判断手段はこの通信対象範囲に存在する無線通信装置を通信対象と判断することが好ましい。この場合、判断手段は、どのアンテナから電波を受信したかによって周囲の無線通信装置がどちらの方位に存在するかを算出し、伝搬損失から相対距離を算出し、算出した存在方位および相対距離に基づいて、通信対象範囲に位置しているかを判断することが好適である。このようにして、データ送信種別ごとに、通信対象とする無線通信装置を決定することができる。

また、本発明においてデータ送信の種別ごとに、利用する変調方式を決めておき、変調方式も考慮して送信電波強度を決定することが好ましい。通信効率の良い変調方式ほど、より強い受信強度が必要となるので、それに応じて送信電波強度を決定することが好ましい。

このようにすれば、データ種別に応じた変調方式を利用することができる。また、通信対象の受信感度が十分良好な場合は、データ種別にあらかじめ定められている変調方式よりも、さらに高効率な変調方式を利用してデータ送信を行っても良い。

なお、本発明は、上記手段の少なくとも一部を有する無線通信装置として捉えることができる。また、本発明は、上記処理の少なくとも一部を含む無線通信方法、または、かかる方法を実現するためのプログラムとして捉えることもできる。上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

たとえば、本発明は、それぞれが異なる通信範囲を有する複数のアンテナを備える無線通信装置における無線通信方法であって、
前記複数のアンテナによって周囲の無線通信装置からの電波を受信し、その受信電波強度から送受信間の伝搬損失を算出する伝搬損失算出工程と、
周囲の無線通信装置のそれぞれについて、通信の対象とするか否かを、いずれのアンテナから電波を受信したかと前記伝搬損失とから判断する判断工程と、
通信対象の無線通信装置についての前記伝搬損失に基づいて、無線送信を行うアンテナおよび送信電波強度を決定する通信制御工程と、
を含むことを特徴とする無線通信方法として捉えることができる。

本発明によれば、電波の干渉を低減して、効率的な無線通信を実現することができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

＜構成＞
本実施形態は、車両に無線通信装置が搭載され、車両間で無線通信を行う車車間通信システムである。各車両には、それぞれが異なる通信範囲を有する複数のアンテナを備える。本実施形態では、車両の前方と後方にそれぞれ１個ずつアンテナが配置され、それぞれ前方向および後ろ方向に指向性を有している。

本実施形態における車載の無線通信装置について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態における無線通信装置の機能ブロックを示す図である。無線通信装置は、上述したように車両前方を通信範囲とするアンテナ１と、車両後方を通信範囲とするアンテナ２を有する。送受信部３は、変復調処理やデジタル−アナログ変換処理、周波数変換処理などを行う。本実施形態においては、５ＧＨｚ帯でＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）方式を利用するＩＥＥＥ８０２．１１ｊに準拠した無線通信方式を採用する。なお、無線送信を行う際の変調方式（サブキャリア変調方式）および送信電力は、通信制御部８からの指示により決定される。

伝搬損失算出部４は、周囲の車両から送信される電波の受信電力強度を取得する。ここで、伝搬損失算出部４は、受信電波の強度から相手車両との距離を推定することを目的としている。したがって、伝搬損失算出部４は、取得した受信感度から電波の伝搬損失を算出する。本実施形態では、無線フレームの制御情報内に送信電力を格納して、情報を送信することとする。図２は、本実施形態で使用する無線フレームの構成を示す図である。図に示すように、本実施形態で使用する無線フレームは、プリアンブル１１、ユニークワード１２、制御情報１３およびデータ１４から構成され、制御情報１３に送信車両ＩＤ１５と送信電力１６が含まれる。そこで、伝搬損失算出部４は、送信車両ＩＤ１５を参照してどの車両からの電波であるかを判断するとともに、取得した無線フレーム内の送信電力情報と受信電波強度とを比較して伝搬損失を算出する。

伝搬損失記憶部５には、伝搬損失算出部４が算出した伝搬損失が車両ＩＤとともに格納される。図３は、伝搬損失記憶部５の構成例を示す図である。図に示すように、伝搬損失記憶部５には、車両ＩＤ５１、アンテナ５２および伝搬損失５３が格納される。このように、伝搬損失記憶部５を参照することで、各車両が、どちらのアンテナ方位に、どの程度離れた距離に位置しているかを把握することができる。

なお、この伝搬損失記憶部５の内容は、できるだけ最新の情報を保持していることが好ましい。そこで、伝搬損失算出部４は、無線フレームが受信されるたびに伝搬損失記憶部５を更新することが好ましい。また、伝搬損失５３については、最新の１つのみの受信信号に基づいて決定するとフェージングなどの影響によりバラツキが大きくなってしまうおそれがある。そこで、直近の所定期間の伝搬損失を平均した値を利用することが好ましい。

通信情報データベース７は、送信するデータの種別に応じて、どの範囲にどのような変調方式で送信するかという設定情報と、現時点におけるデータの送信先車両を記憶する。図４に通信情報データベース７の構成例を示す。通信情報データベース７は、データ種別７１，アンテナ７２，所要伝達距離７３、変調方式７４、および対象車両ＩＤ７５を格納する。たとえば、データ種別「青信号発進促進」は信号が青に変わった際に前方車両にその旨を通知するものであり、前方アンテナを使って３０ｍ以内の範囲、すなわち前方３０
ｍ以内が通信範囲として設定されている。この際、変調方式としては６４ＱＡＭを利用するように設定されている。

なお、データ種別によっては、前方あるいは後方のみを通信範囲とするものもあれば、前方と後方のそれぞれを通信範囲とするものもある。前方と後方の両方を通信範囲とするデータ種別（図４では「車線変更」が相当）は、前方と後方のそれぞれについて、所要伝達距離や変調方式を変えても良いし、同じであっても良い。対象車両ＩＤ７５については、アンテナごとに対象の車両ＩＤが格納されるものとする。

ここで、データ種別７１、アンテナ７２、所要伝達距離７３および変調方式７４は、固定データであり変更がされないことを想定しているが、対象車両ＩＤ７５については随時更新される。

通信対象判断部６は、伝搬損失算出部４によって伝搬損失すなわち相対距離が取得できた車両について、各種データ送信についての通信対象車両として含めるか否かを判断する。伝搬損失と通信距離の関係は、伝搬損失推定式に基づいて推定することができる。ここで、伝搬損失推定式は、自由空間モデルや２波モデルあるいはその他の経験的な推定式などを利用することができる。伝搬損失推定式で利用されるパラメータがある場合、地図情報と関連付けて記憶しておき走行中の場所に応じてそのパラメータを利用しても良いし、路側機などの外部装置から無線通信によってそのパラメータを取得し利用しても良い。

このように、通信対象判断部６は、電波を受信した車両がどの範囲（方位および距離）に位置するかを推定し、その位置が想定される通信範囲内であるか否かを、データ種別ごとに判断する。そして、その車両がデータ種別の通信対象範囲内に位置する場合は通信情報データベース７の対象車両ＩＤ７５にその車両のＩＤを格納する。逆に、その車両が通信対象範囲内に位置しない場合であって、通信情報データベース７の対象車両ＩＤ７５その車両ＩＤが格納されている場合は、これを削除する。

通信制御部８は、データの送信を行う際に、伝搬損失記憶部５および通信情報データベース７を参照して、通信に利用するアンテナおよびその際の送信電波強度および変調方式を決定して、送受信部３に通知する。通信に利用するアンテナおよび変調方式については、通信情報データベース７を参照することでそのまま取得可能である。送信電波強度については、次のようにして決定する。

つまり、通信制御部８は、まず通信の対象となる車両を通信情報データベース７を参照して取得する。次に、通信対象の車両のうち最も遠くに位置している（伝搬損失の大きい）車両を、伝搬損失記憶部５を参照して求める。そして、送信強度を、この最も遠くに位置している車両が受信できる程度の強度として設定する。すなわち、変調方式によって定まる最低受信感度に、最も遠い車両の伝搬損失を加えた強度として送信電波強度を決定する。この際、多少の余裕を持たせてこのようにして求めた送信電波強度より多少強めの強度としても良い。

＜処理フロー＞
次に、本実施形態に係る無線通信装置が行う処理の流れについて説明する。

・電波受信時処理
まず、図５を参照して周囲の車両からの電波を受信したときに行う処理について説明する。送受信部３が電波を受信すると（Ｓ１０）、伝搬損失算出部４はそのときの受信電力強度を測定する（Ｓ１１）。そして、この受信電力強度と受信した無線フレーム内に格納されている送信電力強度とを比較して伝搬損失を算出して、伝搬損失記憶部５に車両ＩＤ
と関連付けて格納する（Ｓ１２）。通信対象判断部６は、伝搬損失の推定式より送信元の車両との相対距離を推定する（Ｓ１３）。受信したアンテナと相対距離から送信元の車両の存在位置が分かるので、各データ送信種別ごとに、そのデータの送信範囲内に車両が位置しているか判断する（Ｓ１４）。通信対象判断部６は、判断結果に基づいて通信情報データベースの更新を行う（Ｓ１５）。すなわち、送信元の車両があるデータ種別について送信範囲内に位置していれば、通信情報データベース７の対象車両ＩＤ７５にその車両のＩＤを格納する。一方、送信元の車両が送信範囲内に位置していなければ、対象車両ＩＤ７５からその車両のＩＤを削除する。

・電波送信時処理
次に、図６のフローチャートを参照して、データを送信する際に行う処理について説明する。まず、外部からの情報をトリガにするなどしてデータ送信が必要になると、送信するデータの種別を判断する（Ｓ２０）。通信制御部８は、通信情報データベース７を参照して、どのアンテナからどの車両を通信対象としてデータの送信を行うかを取得する（Ｓ２１）。次に、通信制御部８は、伝搬損失記憶部５を参照して、通信対象車両のうち、伝搬損失が最も大きい車両を決定する（Ｓ２２）。また、通信情報データベース７を参照して、変調方式を取得する（Ｓ２３）。変調方式ごとに必要となる最小受信感度が決まっているので、この最小受信感度にステップＳ２２で求めた最大の伝搬損失を加えた電波強度を、送信電力として決定する（Ｓ２４）。なお、複数のアンテナから電波を送信する場合には、それぞれのアンテナについて送信電力を決定する。

通信制御部８は、このようにして決定された送信電力でデータの送信を行う（Ｓ２５）。データ送信後には、通信相手がデータを正しく受信できたことを示すＡＣＫの受信を行う（Ｓ２６）。もし、通信対象車両のうちにＡＣＫが返さない車両が存在する場合（Ｓ２７−ＹＥＳ）には、送信電力を上げられるか判断する（Ｓ２８）。つまり、直近の送信出力から所定値（ＸｄＢ）だけ電波強度を上げても、送信出力の上限を超えないか判断する。送信出力を上げられる場合（Ｓ２８−ＹＥＳ）には、送信電力をこの所定値分だけ上げて（Ｓ２９）、再度データの送信を試みる。

＜動作例＞
図７に示すような状況での具体的な動作例を説明する。図７に示す状況では、自車両（車両ＩＤ１）の前方に車両ＩＤ２〜５が位置し、後方に車両ＩＤ６〜９が位置している。このような場合、車両ＩＤ２〜５については前方のアンテナのみから電波を受信し、車両ＩＤ６〜９については後方のアンテナのみから電波を受信する。そして、電波の減衰度合い（伝搬損失）は遠くの車両ほど大きくなるので、この例における伝搬損失記憶部５に格納されるデータは図３のようになる。伝搬損失の推定式として自由空間モデルを採用すると、たとえば、距離３０ｍでは損失が７６ｄＢ、距離５０ｍでは８０ｄＢ、距離１００ｍでは８６ｄＢとなる。このように、伝搬損失から各車両との距離が把握できる。

次に、本実施形態における各種のデータ送信の送信範囲が図４に定義されているとする。ここでは、５つのデータ種別が定義されている。たとえば、「青信号発進促進」は、信号が青に変わった際に他車両に発進を促すための通知であり、前方３０ｍ以内を送信範囲としている。ここで、「青信号発進促進」「正面衝突危険」は前方のみを送信範囲とし、「前方渋滞」「急ブレーキ制動」は後方のみを送信範囲として、「車線変更」は前方と後方の両方を送信範囲としている。

ここで、車両ＩＤ３からの電波を前方アンテナ１により受信し、その伝搬損失が７５ｄＢであったとする。この場合、車両ＩＤ３は自車両の前方３０ｍ以内に位置していることが分かるので、「青信号発進」、「正面衝突」および「車線変更」の前方アンテナ用の通信対象車両として通信情報データベース７に格納される。また、車両ＩＤ８については後
方アンテナから電波を受信し、その伝搬損失が８３ｄＢであったとする。この場合、車両ＩＤ８は自車両の後方６５ｍ程度に位置していることが分かるので、「急ブレーキ制動」の後方アンテナ用の通信対象車両として格納される。その他、図３に示す伝搬損失から、それぞれの車両がどのデータ送信の対象となるかが決定される。

次に、このようにして作成された通信情報データベース７を元に、それぞれのデータ送信を行う際の送信電力の決定方法について具体的に説明する。たとえば、「青信号発進促進」のデータを送信する場合は、通信情報データベース７を参照すると、前方アンテナ１のみから６４ＱＡＭ方式で送信すればよいことが分かる。また、通信対象の車両はＩＤ３，４，５であり、このうち最も遠い位置にいる車両は車両ＩＤ３であり、その伝搬損失が７５ｄＢであることが伝搬損失記憶部５を参照することで判断できる。６４ＱＡＭ方式で送信する場合の最小受信感度は−７４ｄＢｍであるから、車両ＩＤ３を通信範囲に含めつつ不要な電波の送出を抑えるためには、１ｄＢｍの出力で送信すればよいと決定できる。その他のデータ種別についても同様に送信出力を決定するが、前方と後方の両方を通信範囲とする「車線変更」の通知については、前方と後方のそれぞれのアンテナから送信する送信出力について個別に決定する。

＜実施形態の作用／効果＞
本実施形態によれば、無線通信を行う際に通信対象車両のみに電波が届くように送信出力を調整できるので、電波の干渉を減らし効率的な無線通信を実現することが可能となる。また、この通信範囲をデータ種別ごとに個別に設定可能であるので、データの重要度に応じて通信範囲を柔軟に設定することができる。

また、定期的に通信情報データベース７を更新しているので、データの送信を行う際にどの車両を対象として通信すればよいかは、このデータベースを参照するだけで容易に決定することができる。また、送信出力の計算も伝搬損失記憶部５に記憶された伝搬損失に基づいて簡単な計算で求めることができるので、データ送信前に行う処理が少なくてすむ。したがって、データを送信する必要が生じてから、迅速に送信を実行することができる。

＜変形例＞
なお、上記実施形態は本発明の一具体例を例示したものにすぎない。本発明の範囲は上記実施形態に限られるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。

たとえば、車両に搭載された無線通信装置はそれぞれ、車両前方と後方を通信範囲とする２本のアンテナを備えていたが、３本以上のアンテナを備えていても良い。たとえば、アンテナを４本備えて、前方、後方、右側、左側を通信範囲とすることも好ましい。

また、データ種別ごとに変調方式が固定であるとして説明したが、変調方式を適応的に変化させても良い。比較的遠くまで通信する必要のあるデータ種別については、必要な受信感度が低い変調方式を利用するように設定されている。たとえば、図４の例では、１００ｍ先まで通信する必要のある「正面衝突危険」や「急ブレーキ制動」を通知する際にはＱＰＳＫを利用している。しかし、通信対象の車両が自車両の近くにのみ存在するのであれば、より効率の良い変調方式を利用しても通信が可能である。

このように変調方式を適応的に変更するためには、通信制御部８が送信電力を決定する際（図６のステップＳ２４）に、自車両から最も離れた車両との間で、通信情報データベース７に定義された変調方式よりも多値数の大きい変調方式でも通信可能かを判断すればよい。

また、通信範囲も状況に応じて変更可能としても良い。たとえば、時間帯や周囲の交通状況などに応じて、通信範囲を広くしたり狭くしたりしても良い。これは、各車両がセンサなどにより周囲の状況を把握して自律的に変更しても良いし、路側機などからの変更指示を受信してそれに応じて変更しても構わない。

また、上記の例ではＩＥＥＥ８０２．１１ｊ準拠の無線通信方式を例に説明したが、ＩＥＥＥ８０２．１１ａ、ｂ、ｇ、ｎなどのその他の無線ＬＡＮの規格を利用しても良いし、ＩＥＥＥ８０２．１６や８０２．２０等のその他の無線通信方式を利用しても構わない。

実施形態に係る無線通信装置の機能ブロックを示す図である。 実施形態で利用される無線フレームの構造を示す図である。 受信強度記憶部のテーブル構造の例を示す図である。 通信情報データベースのテーブル構造の例を示す図である。 周囲の車両から電波を受信したときに行う処理の流れを示すフローチャートである。 データ送信を行う際の処理の流れを示すフローチャートである。 車両の位置関係の例を説明する図である。

符号の説明

１ 前方アンテナ
２ 後方アンテナ
３ 送受信部
４ 伝搬損失算出部
５ 伝搬損失記憶部
６ 通信対象判断部
７ 通信情報データベース
８ 通信制御部

Claims (10)

1. それぞれが異なる通信範囲を有する複数のアンテナと、
   前記複数のアンテナによって周囲の無線通信装置からの電波を受信し、その受信電波強度から送受信間の伝搬損失を算出する伝搬損失算出手段と、
   周囲の無線通信装置のそれぞれについて、通信の対象とするか否かを、いずれのアンテナから電波を受信したかと前記伝搬損失とから判断する判断手段と、
   通信対象の無線通信装置についての前記伝搬損失に基づいて、無線送信を行うアンテナおよび送信電波強度を決定する通信制御手段と、
   を備える無線通信装置。
2. 前記通信制御手段は、通信対象以外の無線通信装置に電波の干渉が生じないように、無線送信を行うアンテナおよび送信電波強度を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
3. 複数種別のデータ送信を行うものであり、
   前記判断手段および前記通信制御手段は、それぞれのデータ送信の種別ごとに、通信対象とするか否かの判断、および、無線通信を行うアンテナおよび送信電波強度の決定を行う
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の無線通信装置。
4. 前記複数種別のデータ送信のそれぞれについて、通信対象範囲が定められており、
   前記判断手段は、周囲の無線通信装置について、どのアンテナから電波を受信したかにより存在方位を算出し、伝搬損失から相対距離を算出し、算出した存在方位および相対距離が前記データ送信の通信対象範囲であるか否かを判断する
   ことを特徴とする請求項３に記載の無線通信装置。
5. 前記複数種別のデータ送信のそれぞれについて、利用する変調方式が定められており、
   前記通信制御手段は、変調方式も考慮して送信電波強度を決定する
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の無線通信装置。
6. それぞれが異なる通信範囲を有する複数のアンテナを備える無線通信装置における無線通信方法であって、
   前記複数のアンテナによって周囲の無線通信装置からの電波を受信し、その受信電波強度から送受信間の伝搬損失を算出する伝搬損失算出工程と、
   周囲の無線通信装置のそれぞれについて、通信の対象とするか否かを、いずれのアンテナから電波を受信したかと前記伝搬損失とから判断する判断工程と、
   通信対象の無線通信装置についての前記伝搬損失に基づいて、無線送信を行うアンテナおよび送信電波強度を決定する通信制御工程と、
   を含むことを特徴とする無線通信方法。
7. 前記通信制御工程では、通信対象以外の無線通信装置に電波の干渉が生じないように、無線送信を行うアンテナおよび送信電波強度を決定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の無線通信方法。
8. 複数種別のデータ送信を行うものであり、
   前記判断工程および前記通信制御工程は、それぞれのデータ送信ごとに実行される
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の無線通信方法。
9. 前記複数種別のデータ送信のそれぞれについて、通信対象範囲が定められており、
   前記判断工程では、周囲の無線通信装置について、どのアンテナから電波を受信したかにより存在方位を算出し、伝搬損失から相対距離を算出し、算出した存在方位および相対距離が前記データ送信の通信対象範囲であるか否かを判断する
   ことを特徴とする請求項８に記載の無線通信方法。
10. 前記複数種別のデータ送信のそれぞれについて、利用する変調方式が定められており、
    前記通信制御工程では、変調方式も考慮して送信電波強度を決定する
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の無線通信方法。

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