KR20090090231A - 무선 환경에서 거리를 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents

무선 환경에서 거리를 측정하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

무선 환경에서 거리를 측정하는 방법에 있어서, 거리를 측정하고자 하는 디바이스(Device) 사이의 거리측정신호를 송신하고 응답신호를 수신하는 과정과, 거리를 측정하고자 하는 디바이스(Device) 사이에서 수신된 응답신호와 수신된 응답신호 중 첫 응답신호를 검출하기 위한 기준 신호를 매칭하는 과정과, 매칭된 기준 신호 파형의 피크(Peak)값을 이용하여 상기 디바이스 사이의 상기 거리측정신호를 송신하고 상기 응답신호를 수신하는데 소요되는 시간을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
거리 측정, TOA, 응답신호

Description

무선 환경에서 거리를 측정하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURE DISTANCE IN WIRELESS ENVIRONMENT}
본 발명은 거리를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 신호의 도달 시간을 측정하여 거리를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
유비쿼터스 컴퓨팅이란 도로, 다리, 터널, 빌딩, 건물벽 등 모든 물리 공간과 객체에 컴퓨팅 기능을 추가하여 모든 사물과 대상이 지능화되고, 전자 공간에 연결되어 서로 정보를 주고받는 공간을 만드는 개념으로 기존 홈 네트워크, 모바일 컴퓨팅보다 한 단계 발전된 컴퓨팅 환경을 말한다.
또한, 유비쿼터스 컴퓨팅은 모든 컴퓨터가 서로 연결되고 이용자 눈에 보이지 않으면서도 언제 어디서나 사용 가능하고 현실 세계의 사물과 환경 속으로 스며들어 일상생활에 통합되는 것을 기본 전제로 한다. 이러한 유비쿼터스 환경 구현의 핵심 인프라 구조인 유비쿼터스 네트워크는 누구든지, 언제, 어디서나 통신 속도 등의 제약 없이 이용할 수 있고, 모든 정보나 컨텐츠를 유통시킨 수 있는 정보 통신 네트워크를 의미한다.
이러한 유비쿼터스 네트워크의 실현으로 기존 정보 통신 네트워크와 서비스 가 가지고 있었던 여러 가지 제약으로부터 벗어나 이용자가 자유롭게 정보 통신 서비스를 이용할 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 유비쿼터스 네트워크와 다양한 센서의 활용으로 시간과 공간의 제한을 뛰어넘는 커뮤니티를 형성할 수 있고, 이를 매개로 사람과 사물의 주변 상황 인식 및 위치 인식이 가능해 질 것으로 예측된다.
이러한 유비쿼터스 컴퓨팅과 유비쿼터스 네트워크를 통해 새롭고 다양한 서비스가 창출될 것이며, 언제 어디서나 사람과 사물과 같은 객체의 위치를 인식하고, 이를 기반으로 유용한 서비스를 제공하는 유비쿼터스 위치 기반 응용 서비스가 유비쿼터스 환경에서의 중요한 서비스로 대두되고 있다.
사용자가 현재 어디에 위치하고 있는지에 대한 위치 정보 습득을 위한 위치 기술은 특히 언제, 어디서나 사용자의 상황을 자율적으로 인식하고 상황에 적절한 서비스를 제공하는 유비쿼터스 컴퓨팅의 실현을 위해서 우선적으로 지원되어야 할 기반 기술이 될 것이며, 이러한 위치 인식 기술은 현재 선진 각국에서 활발한 연구로 진행되고 있다.
일반적으로 무선 위치 인식 기술은 무선 신호를 이용하여 다른 무선 통신 기기와의 무선 통신으로 현재의 위치를 측정하는 방식을 채택하고 있다. 이러한 무선 위치 인식 기술에 의해 획득된 위치 정보는 더욱 효율적인 네트워크 구성을 통해 무선 통신으로 얻은 정보를 효율적으로 활용하는데 있어 중요하게 활용되고 있다.
이와 같은 무선 위치 인식 기술에서 위치 인식의 정확도를 향상시키기 위하여 두 디바이스 사이의 거리를 정확하게 검출하는 것이 매우 중요하며, 통상적으로 거리 측정을 위해 두 디바이스 사이의 무선 통신에서 신호를 주고받는데 소요되는 시간(Time Of Arrival : TOA)을 검출하여 거리를 연산하는 기법을 적용하고 있다.
TOA는 상대 기기에서 전송한 신호의 정확한 도착 시간을 알기 위하여 클럭(Clock)을 카운팅(Counting)하여 상대 디바이스에 대한 상대적인 도착 시간을 확인하는 방법이다.
도 1은 통상적으로 사용되는 TOA 방식을 이용한 응답신호 검출을 위한 블록 구성도이다. 도 1은 거리측정신호를 송신하는 제1 기기(13)와 거리측정신호를 수신하여 응답신호를 제1 기기로 송신하는 제2 기기(11)로 구성된다. 제1 기기는 제2 기기로 신호를 송수신하는 송수신부(101)와, 수신된 신호의 특성을 검출하는 신호검출부(103), 검출된 신호를 이용하여 제2 기기와의 거리를 계산하는 거리연산부(105)로 구성된다. 제1 기기의 신호검출부(103)는 원 신호 검출기(107)와, 피크 검출기(109)로 구성된다.
상기의 구성을 바탕으로 도 1을 살펴보면, 먼저 제1 기기(13)에서 제2 기기(11)로 거리측정신호를 송신한다. 거리측정신호를 수신한 제2 기기(11)는 제1 기기(13)로 응답신호를 송신한다. 제1 기기(13)의 신호의 송수신은 제1 기기(13)의 송수신부(101)에서 담당하게 된다.
제1 기기(13)의 송수신부(101)로 수신된 응답신호는 신호검출부(103)로 전송된다. 신호검출부(103)로 전송된 응답신호는 원 신호의 유무를 판단하게 되는데, 이를 신호검출부(103)의 원 신호 검출기(107)에서 담당하게 된다. 원 신호 검출기에서 원 신호로 판단되면, 응답신호는 피크 검출기(109)로 전송되어 응답신호의 피크값을 검출한다. 피크값이 검출된 응답신호는 거리연산부(105)로 전송되어 검출된 피크값을 이용하여 응답신호의 도착 시간을 연산하게 된다.
하기만, 상기에서 설명된 방법은 단일 패스(Single Path) 환경일 경우, 도착하는 응답신호의 도착 시간을 쉽게 얻을 수 있지만, 멀티 패스(Multi Path) 환경일 경우에는 한꺼번에 여러 패스를 통하여 들어오는 신호들의 출력 신호가 겹쳐 수신될 수 있다. 이러한 경우, 멀티패스 패이딩(Fading)에 의해 겹쳐진 여러 개의 신호를 포함하는 포괄적인 하나의 신호로 수신되며, 첫 도착 응답신호를 찾을 수 없게 된다. 이는 상대 기기의 정확한 위치를 인식하지 못하는 문제점이 된다. 도 2를 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 통상적으로 사용되는 TOA 방식을 이용한 응답신호의 신호 파형 그래프이다.
도 2의 (a)와 같이, 응답신호가 하나인 단일 패스 환경일 경우, 도 1에 도시된 블록 구성도를 이용하여 응답신호의 도착 시간을 계산할 수 있지만, 도 2의 (b)와 같이, 응답신호가 둘 이상인 멀티 패스 환경일 경우, 응답신호가 시간 순으로 겹쳐서 들어오게 되면 전체 신호의 파형의 폭이 수신되는 응답신호들을 모두 포함하는 하나의 파형의 폭이 넓은 응답신호로 수신된다. 이러한 경우, 구하고자 하는 첫 응답신호를 찾을 수 없게 된다. 만약, 하나의 파형으로 바뀐 응답신호의 피크값을 구하여 도착 시간을 연산할 경우, 원래 구하고자 하였던 첫 응답신호의 피크값과의 차이로 인하여 실제로는 큰 거리 측정 오차를 가져온다.
겹쳐진 응답신호 중 첫 번째 응답신호를 찾기 위하여 SR(Super Resolution) 알고리즘을 적용하여 첫 번째 신호를 분리해 낼 수는 있으나, SR 알고리즘은 계산 의 복잡도가 너무 커 모바일 기기에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 무선 환경에서 간단한 구조를 이용하여 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호에서 첫 응답신호를 근사적으로 찾아 거리 측정의 정확도를 높일 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 견지에 따르면, 무선 환경에서 거리를 측정하는 방법에 있어서, 거리를 측정하고자 하는 디바이스(Device) 사이의 거리측정신호를 송신하고 응답신호를 수신하는 과정과, 상기 거리를 측정하고자 하는 디바이스(Device) 사이에서 상기 수신된 응답신호와 상기 수신된 응답신호 중 첫 응답신호를 검출하기 위한 기준 신호를 매칭하는 과정과, 상기 매칭된 기준 신호 파형의 피크(Peak)값을 이용하여 상기 디바이스 사이의 상기 거리측정신호를 송신하고 상기 응답신호를 수신하는데 소요되는 시간을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 무선 환경에서 거리를 측정하는 장치에 있어서, 거리를 측정하고자 하는 디바이스 사이의 거리측정신호를 송신하고 응답신호를 수신하는 송수신부와, 수신된 상기 응답신호에서 첫 응답신호 파형의 피크값을 검출하는 신호 검출부와, 상기 구하여진 첫 응답신호 파형의 피크값을 이용하여 상기 거리를 측정하고자 하는 디바이스 사이의 거리를 측정하는 거리 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 무선 환경에서 계산량이 많아 모바일 기기에 적용이 어려운 SR 알고리즘을 사용하지 않고, 간단한 구조로 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호의 첫 응답신호를 근사적으로 찾아 거리 측정의 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.
종래의 기술에서 언급한 바와 같이, 멀티 패스 환경일 경우, 응답신호가 시간 순으로 겹쳐서 들어오게 되면 전체 신호의 파형의 폭이 수신되는 응답신호들을 모두 포함하는 하나의 파형의 폭이 넓은 응답신호로 수신되고, 이러한 경우, 구하고자 하는 첫 응답신호를 찾을 수 없게 되어 정확한 거리 측정을 하지 못하는 문제점이 있었다. 따라서 종래 기술에서 언급한 문제를 해결하고자 본 발명에서는 멀티패스 환경에서 수신된 응답신호의 파형의 폭과 멀티 패스 없이 수신된 응답신호의 파형을 이용한 기준 신호의 파형의 폭을 매칭하여 첫 응답신호의 피크값을 검출하는 새로운 방법을 제안한다. 이하 본 발명의 내부 구성을 도시한 구성도와 흐름도를 참조하여 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 TOA 방식을 이용한 응답신호 검출을 위 한 블록 구성도이다. 도 3의 구성은 거리측정신호를 송신하는 제1 기기(33)와 거리측정신호를 수신하여 응답신호를 제1 기기로 송신하는 제2 기기(31)로 구성된다. 제1 기기는 제2 기기로 신호를 송수신하는 송수신부(301)와, 수신된 신호의 특성을 검출하는 신호검출부(303), 검출된 신호를 이용하여 제2 기기와의 거리를 계산하는 거리연산부(305)로 구성된다. 제1 기기의 신호검출부(303)는 원 신호 검출기(307)와, 피크 검출기(309)와, 펄스 폭 비교기(311)로 구성으로, 도 1의 구성의 신호검출부에 응답신호의 펄스 폭을 비교하는 펄스 폭 비교기(311)가 추가된 구성으로 이루어져 있다.
상기의 구성을 바탕으로 도 3을 살펴보면, 먼저 제1 기기(33)에서 제2 기기(31)로 거리측정신호를 송신한다. 거리측정신호를 수신한 제2 기기(31)는 제1 기기(33)로 거리측정신호에 대한 응답신호를 송신한다. 제1 기기(33)에서 거리측정신호를 송신하고 이에 대한 응답신호를 수신하는 과정은 제1 기기(33)의 송수신부(301)에서 담당하게 된다.
제1 기기(33)의 송수신부(301)로 수신된 응답신호는 신호검출부(303)로 전송된다. 신호검출부(303)로 전송된 응답신호는 원 신호의 유무를 판단하게 되는데, 이를 신호검출부(303)의 원 신호 검출기(307)에서 담당하게 된다. 원 신호 검출기에서 원 신호로 판단되면, 응답신호는 피크 검출기(309)로 전송되어 응답신호의 피크값을 검출한다. 피크값이 검출된 응답신호는 펄스 폭 비교기(311)로 전송된다. 펄스 폭 비교기(311)에서는 피크값이 검출된 응답신호와 멀티패스 없이 수신된 응답신호의 펄스 폭을 비교하여 첫 응답신호의 피크값을 계산할 수 있다. 이렇게 계 산된 첫 응답신호의 피크값은 거리연산부(305)로 전송되고, 전송된 첫 응답신호의 피크값을 이용하여 도착 시간을 연산하게 된다. 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호와 첫 응답신호의 검출을 위한 기준 신호의 매칭을 하기의 그래프를 이용하여 나타내었다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호와 첫 응답신호의 검출을 위한 기준 신호의 매칭을 나타낸 그래프이다.
도 4를 살펴보면, 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호에서 기준 신호를 매칭하여 첫 응답신호를 근사하게 도출하고 있다. 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호의 첫 시작점과 기준 신호의 시작점을 동일하게 설정하여, 기준 신호의 피크값을 이용하여 첫 응답신호의 위치를 근사적으로 찾을 수 있다. 기준 신호의 결정 방법은 하기의 흐름도를 이용하여 자세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 TOA 방식을 이용한 응답신호 검출을 위한 흐름도이다. 도 3의 구성을 참조하여 첫 응답신호에 대한 검출 과정을 설명한다.
도 5를 살펴보면, 501단계에서 응답신호를 수신하는 기기의 송수신부에서 응답신호를 수신하고, 원 신호인지의 유무를 판별한다. 멀티패스 환경인 경우, 응답신호가 둘 이상으로 겹쳐서 들어올 수 있는데, 이 응답신호들은 멀티패스 패이딩에 의하여 서로 겹쳐져서 하나의 큰 신호로 수신된다. 원 신호 유무의 판별이 끝나면, 503단계에서 판별된 원 신호를 미리 설정된 임계값과 비교하여, 임계값 보다 작은 신호는 잡음으로 분류하여 신호에 섞여 있는 잡음을 걸러낸다. 다음으로 잡음이 제 거된 응답신호의 가장 높은 피크값을 찾아 수신된 응답신호의 펄스 폭을 검출한다. 통상적으로 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호는 여러 응답신호가 겹쳐져서 전체 펄스 폭이 단일 신호의 펄스 폭보다 넓게 검출된다.
이 후, 505단계로 진행하여 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호의 펄스 폭과 기준 신호의 펄스 폭을 비교한다. 만약 기준 신호의 펄스 폭이 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호의 펄스 폭보다 크다면, 멀티패스 환경에 의해 겹쳐진 응답신호가 아닌 단일 응답신호로 수신된 것이므로, 503단계에서 구하여진 응답신호의 피크값을 이용하여 실제 거리를 측정하게 된다.
만약, 기준 신호의 펄스 폭이 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호의 펄스 폭보다 작다면, 여러 응답신호들이 겹쳐진 응답신호로 수신된 것이므로, 기준 신호의 펄스 폭과 매칭하여 첫 응답신호의 피크값을 도출한다. 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호와 기준 신호의 펄스 폭 매칭은 수신신호강도(Received Signal Strength Indication : RSSI)값을 이용하여 수행된다.
RSSI값은 수신기로부터 수신되는 신호의 전력의 수치값을 의미하며 거리의 제곱에 반비례한다. 수신기로부터 들어오는 신호의 전력값을 의미하므로 안테나의 이득이나 회로 내부의 손실은 고려하지 않는다. 이 RSSI값은 고정된 위치에서 매번 신호를 수신하여도 그 수치값이 달라질 수 있으며, 이는 신호의 수신 거리 및 주위 환경에 따라 달라진다.
이러한 RSSI값을 이용하여 기준 신호의 펄스 폭을 하기의 수학식으로 결정할 수 있다.
기준 펄스 폭 = α ㅧ 단일 펄스 폭
수학식 1에서 α는 거리의 제곱에 반비례하는 RSSI값에 비례하는 값으로, 0에서 1 사이의 값으로 정하여지며, 단일 펄스 폭은 기준 지점, 즉 기준 RSSI에서 측정한 펄스 폭으로 정의된다. 단일 펄스 폭의 측정은 직접 측정 또는 시뮬레이션을 통한 측정 어느 것을 사용해도 무방하다.
수학식 1을 통하여 구하여진 기준 펄스 폭의 시작점과 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호의 펄스 폭이 시작하는 지점을 매칭하여 근사적으로 첫 응답신호의 피크값을 계산할 수 있다. 509단계에서 이렇게 근사적으로 계산된 첫 응답신호의 피크값을 이용하여 첫 응답신호의 위치를 계산 할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 실내 측위 시스템에서 위치 좌표 결정 장치 및 방법의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.
도 1은 통상적으로 사용되는 TOA(Time Of Arrival) 방식을 이용한 응답신호 검출을 위한 블록 구성도
도 2는 통상적으로 사용되는 TOA 방식을 이용한 응답신호의 파형을 도시한 그래프
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 TOA 방식을 이용한 응답신호 검출을 위한 블록 구성도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티패스 패이딩에 의해 겹쳐진 응답신호 파형과 첫 응답신호의 검출을 위한 기준 신호 파형의 매칭을 도시한 그래프
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 TOA 방식을 이용한 응답신호 검출을 위한 흐름도

Claims (8)

  1. 무선 환경에서 거리를 측정하는 방법에 있어서,
    거리를 측정하고자 하는 디바이스(Device) 사이의 거리측정신호를 송신하고 응답신호를 수신하는 과정과,
    상기 거리를 측정하고자 하는 디바이스(Device) 사이에서 상기 수신된 응답신호와 상기 수신된 응답신호 중 첫 응답신호를 검출하기 위한 기준 신호를 매칭하는 과정과,
    상기 매칭된 기준 신호 파형의 피크(Peak)값을 이용하여 상기 디바이스 사이의 상기 거리측정신호를 송신하고 상기 응답신호를 수신하는데 소요되는 시간을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 응답신호를 수신하는 과정은
    상기 수신된 응답신호가 상대 디바이스로부터 수신된 원 신호인지를 검출하는 단계와,
    검출된 상기 원 신호는 미리 설정된 임계값을 이용하여 신호에 섞여있는 잡음을 제거한 상기 응답신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 미리 설정된 임계값을 이용하는 것은
    상기 미리 설정된 임계값과 상기 응답신호 파형의 폭을 비교하여, 상기 응답신호 파형의 폭이 상기 미리 설정된 임계값보다 작은 파형의 폭은 잡음(Noise)으로 분류되어 제거되고, 상기 미리 설정된 임계값보다 큰 파형의 폭은 원 신호로 검출되어 지는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 수신된 응답신호의 펄스 폭(Pulse Width)과 기준 신호의 펄스 폭을 매칭하는 과정은
    수신된 상기 응답신호 파형의 펄스 폭이 시작되는 시점과 상기 기준 신호 파형의 펄스 폭이 시작되는 시점을 동일하게 하여 상기 수신된 응답신호 중 상기 첫 응답신호를 구분하는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 기준 신호 파형의 펄스 폭은
    하기의 수학식을 이용하여 구하여지며, 상기 기준 신호 파형의 펄스 폭을 이용하여 피크값을 검출하는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 방법.
    기준 신호 파형의 펄스 폭 = α ㅧ 단일 신호 파형의 펄스 폭
    상기 수학식 2에서 α는 거리의 제곱에 반비례하는 RSSI(Received Signal Strength Indication)값에 비례하는 값으로, 0에서 1사이의 값으로 정하여지며, 단일 신호 파형의 펄스 폭은 기준 지점, 즉 기준 RSSI에서 측정한 펄스 폭으로 정의된다.
  6. 무선 환경에서 거리를 측정하는 장치에 있어서,
    거리를 측정하고자 하는 디바이스 사이의 거리측정신호를 송신하고 응답신호를 수신하는 송수신부와,
    수신된 상기 응답신호에서 첫 응답신호 파형의 피크값을 검출하는 신호 검출부와,
    상기 구하여진 첫 응답신호 파형의 피크값을 이용하여 상기 거리를 측정하고자 하는 디바이스 사이의 거리를 측정하는 거리 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 신호 검출부는
    상기 수신된 응답신호가 거리를 측정하고자 하는 상대 디바이스로부터 수신된 신호인지를 검출하는 원 신호 검출기와,
    상기 원 신호로 검출된 상기 응답신호 파형의 피크값을 검출하는 피크 검출기와,
    상기 수신된 응답신호 파형의 펄스 폭과 기준 신호 파형의 펄스 폭을 매칭하는 펄스 폭 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 펄스 폭 비교기는
    상기 수신된 응답신호가 단일 신호 파형의 펄스 폭보다 크면, 상기 수신된 응답신호와 상기 기준 신호의 파형의 펄스 폭을 비교하고, 상기 수신된 응답신호가 상기 단일 신호 파형의 펄스 폭보다 작으면, 첫 응답신호로 인식하여 상기 거리 검출부로 전송되는 것을 특징으로 하는 거리를 측정하는 장치.
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