TW201715902A - 無線網路管理方法與網路管理者節點 - Google Patents

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Abstract

無線網路管理方法，應用於一無線網路之中。考量該無線網路之一廣播需求及/或一資料傳輸需求，以評估一訊框之一訊框長度參數。調整該訊框長度參數，以互質於一可用頻道總數。進行時槽分配以滿足該廣播需求及/或該資料傳輸需求，並公告一訊框規劃。

Description

無線網路管理方法與網路管理者節點
本案是有關於一種無線網路管理方法與網路管理者節點。
無線感測網路採用分時跳頻(Time Slotted Channel Hopping，TSCH)技術，以具備低功耗、高可靠度封包傳遞能力。在採用分時跳頻的無線感測網路中，訊框(slotframe)中的時槽(timeslot)分配原則通常仰賴網路管理者節點與已加入無線感測網路之被管理節點來定期地廣播(advertise)，以讓新的被管理節點能動態加入無線感測網路。此外，網路管理者節點會分配時槽，讓已加入無線感測網路之被管理節點在所分配到的時槽內傳遞資料封包。
故而，需要有新的無線網路管理方法與網路管理者節點，以改善無線網路的效能。
本案係有關於一種無線網路管理方法與網路管理者節點，在計算出廣播需求及/或資料傳輸需求後，可以動態調整訊 框長度。
根據本案一實施例，提出一種無線網路管理方法，應用於一無線網路之中。考量該無線網路之一廣播需求及/或一資料傳輸需求，以評估一訊框之一訊框長度參數。調整該訊框長度參數，以互質於一可用頻道總數。進行時槽分配以滿足該廣播需求及/或該資料傳輸需求，並公告一訊框規劃。
根據本案另一實施例，提出一種網路管理者節點，應用於一無線網路之中。網路管理者節點包括：一時槽需求計算次模組，一訊框長度調整次模組與一時槽分配次模組。時槽需求計算次模組考量該無線網路之一廣播需求及/或一資料傳輸需求，以評估一訊框之一訊框長度參數。訊框長度調整次模組調整該訊框長度參數，以互質於一可用頻道總數。時槽分配次模組，進行時槽分配以滿足該廣播需求及/或該資料傳輸需求，並公告一訊框規劃。
為了對本案之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧網路管理者節點
110‧‧‧無線收發模組
120‧‧‧時槽管理模組
130‧‧‧時槽需求計算次模組
140‧‧‧訊框長度調整次模組
150‧‧‧時槽分配次模組
210-230‧‧‧步驟
301‧‧‧網路管理者節點
302-304‧‧‧被管理節點
第1圖揭露根據本案實施例之無線網路之網路管理者節點之功能方塊圖。
第2圖顯示根據本案一實施例之無線網路管理方法之流程圖。
第3圖顯示無線網路之一例。
第4A圖與第4B圖分別顯示訊框長度與可用頻道總數不互質，以及訊框長度與可用頻道總數互質的情況。
第5圖顯示根據本案一實施例中，經調整後的訊框示意圖。
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
現請參照第1圖，其揭露根據本案實施例之無線網路之網路管理者節點100之功能方塊圖。網路管理者節點100包括：無線收發模組110與時槽管理模組120。在本案一實施例中，無線網路例如為但不受限於，分時跳頻(TSCH)集中式(centralized)無線網路。
無線收發模組110具無線訊號接收與發送功能。無線收發模組110可接收由外界(如被管理節點)所傳來的無線訊號，並將無線訊號傳送出去。無線收發模組110可以硬體方式來實施。
時槽管理模組120用以管理與決定時槽的分配，並 調整訊框長度。在此，訊框長度所指的是訊框所包括的時槽數量，亦可稱為訊框長度參數。
時槽管理模組120包括時槽需求計算次模組130、訊框長度調整次模組140與時槽分配次模組150。時槽管理模組120及其次模組130-150可以硬體及/或軟體方式來實施。
時槽需求計算次模組130考量/或計算該無線網路之廣播需求及/或資料傳輸需求。亦即，時槽需求計算次模組130決定所有節點(包括網路管理者節點與已加入的被管理節點)的總廣播需求及/或總資料傳輸需求。例如，在本案一實施例中，原則上，替各節點分配至少一次廣播的機會。例如，無線網路包括2個節點(包括1個網路管理者節點與1個已加入的被管理節點))的話，則為這2個節點各分配一個廣播時槽與一個接收時槽，總共需要4個時槽(這些時槽可合稱為廣播區間)。另外，根據各被管理節點的回傳資訊，網路管理者節點要計算各被管理節點的資料傳輸需求。例如，有一被管理節點告知網路管理者節點，其需要在每訊框內回傳一筆資料的話，則在各訊框內，網路管理者節點會分配一個資料時槽給該被管理節點，以讓該被管理節點能傳輸資料。以上述的例子而言，廣播需求及/或資料傳輸需求總共需要5個時槽(2個廣播時槽，2個接收時槽，1個資料時槽)。所以，時槽需求計算次模組130決定一訊框包括5個時槽(亦即，訊框長度參數為5)。
在廣播時槽內，網路管理者節點或已加入該無線網 路的被管理節點會發出廣播訊息。廣播訊息包括：訊框規劃相關資訊、時間同步資訊與跳頻表。透過時間同步資訊，被管理節點的時間同步於網路管理者節點的時間。
在接收時槽內，網路管理者節點會「傾聽」是否有新節點發出想要加入無線網路的請求。如果接收到新節點發出想要加入無線網路的請求與其資料傳輸需求的話，則網路管理者節點將該節點加入無線網路，並改變訊框規劃，以替所加入的新被管理節點來分配其廣播時槽與接收時槽。廣播時槽與接收時槽原則上是成對的，亦即，如果分配一個廣播時槽給網路管理者節點或被管理節點的話，則要分配相對應的接收時槽給網路管理者節點或被管理節點。成對之廣播時槽與接收時槽並非使用相同頻道，至於如何指定廣播時槽與接收時槽所使用之頻道，將於底下說明之。
在被管理節點接收到廣播訊息後，被管理節點可以跟網路管理者節點進行時間同步。在想要加入無線網路的節點以固定頻道接收到由網路管理者節點(A)301所發出的廣播訊息後(該廣播訊息包括：訊框規劃相關資訊、時間同步資訊與跳頻表)，收到廣播訊息的節點可進行對時並知道下一個時槽(接收時槽)的時槽編號)。想要加入無線網路的節點可利用後述的跳頻表與跳頻公式，計算出接收時槽所採用之頻道。想要加入無線網路的節點可在接收時槽透過該頻道將申請加入網路資料回傳。網路管理者節點(A)301可根據下述的跳頻表與跳頻公式，計算出於接收時槽 須採用之頻道，進而以該頻道聆聽是否有申請加入網路之資料送達。當網路管理者節點接收到申請加入網路請求後，網路管理者節點可允許新節點加入。如果有新的被管理節點加入無線網路的話，則網路管理者節點重新規劃訊框分配，並公告之。
另外，若同時有兩個以上想要加入無線網路的節點固定在相同頻道來接收廣播訊息，可能造成這兩個節點於相同的廣播時槽內接收到廣播訊息，並且在相同的下一個時槽(接收時槽)採用相同頻道來回傳申請加入網路之請求，而造成回傳衝突的問題。對此，每個想加入無線網路之節點可利用載波監聽多重存取/避免碰撞(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)機制，先監聽所採用的頻道是否已被占用，再決定是否回傳資料。若想加入無線網路的節點確認所採用的頻道已被占用，則想加入無線網路的節點可隨機等待一段時間(數個時槽後)再重新以固定頻道聆聽廣播訊息。
訊框長度調整次模組140調整該訊框長度參數，以互質於一可用頻道總數。訊框長度調整次模組140決定是否要調整時槽需求計算次模組130所決定出的訊框長度。細言之，訊框長度調整次模組140決定由時槽需求計算次模組130所決定出的訊框長度是否與可用頻道總數互質，其理由將於後述。如果不互質的話，則訊框長度調整次模組140調整訊框長度，直到訊框長度與可用頻道總數互質為止。
時槽分配次模組150根據調整後的訊框長度，來分 配時槽以滿足該廣播需求及/或該資料傳輸需求，並公告訊框規劃。亦即，時槽分配次模組150決定哪(些)時槽要當成廣播時槽，哪(些)時槽要當成接收時槽，哪(些)時槽要當成資料時槽，哪(些)時槽要當成空白時槽(如果需要的話)。在底下，廣播時槽與接收時槽可視為廣播區間，資料時槽可視為資料區間，而空白時槽可視為空白區間。
現請參照第2圖，其顯示根據本案一實施例之無線網路管理方法之流程圖。如第2圖所示，在步驟210中，考量該無線網路之一廣播需求及/或一資料傳輸需求，以評估一訊框之一訊框長度參數。步驟210例如由時槽需求計算次模組130所執行。在步驟220中，調整該訊框長度參數，以互質於一可用頻道總數。步驟220例如由訊框長度調整次模組140所執行。步驟230中，進行時槽分配以滿足該廣播需求及/或該資料傳輸需求，並公告訊框規劃。訊框規劃是指，在訊框中，哪(些)時槽被分配為廣播時槽，哪(些)時槽被分配為接收時槽，哪(些)時槽被分配為資料時槽。亦即，訊框規劃是指在訊框內的複數個時槽的配置情形。步驟230例如由時槽分配次模組150所執行。
現將參考附圖來詳細說明，本案一實施例中，如何調整訊框長度。
第3圖顯示無線網路之一例。無線網路可以包括網路管理者節點(A)301、被管理節點(B)302、被管理節點(C)303與被管理節點(D)304。網路管理者節點(A)301的架構例如是第1圖 所示。被管理節點(B)302、被管理節點(C)303與被管理節點(D)304例如但不受限於，無線感測器等無線網路節點，其能接收由網路管理者節點(A)301或由已加入無線網路之任意被管理節點所發出的廣播訊息，以加入此無線網路。以第3圖為例，被管理節點(B)302乃是中繼被管理節點，將被管理節點(C)303的資料回傳給網路管理者節點(A)301。
在本案實施例中，想要加入無線網路的節點(例如被管理節點(B)302與被管理節點(C)303)會以固定的頻道來接收由網路管理者節點(A)301所發出的廣播訊息。
現將說明，在本案實施例中，在無線網路之初始狀況(亦即，尚未有其他被管理節點加入該無線網路，該無線網路暫時包括網路管理者節點(A)301)下，如何決定訊框長度。
由於目前無線網路暫時只包括網路管理者節點(A)301，所以，為了讓網路管理者節點(A)301有一次廣播的機會，分配一個廣播時槽與一個接收時槽給網路管理者節點(A)301。為方便說明，在此以無線網路的可用頻道總數為4為例做說明，但當知本案並不受限於此。
如果訊框長度為2(一個廣播時槽與一個接收時槽)且可用頻道總數為4，則訊框長度與可用頻道總數不互質，這將造成，頻道使用效率不佳。在說明理由之前，現將說明跳頻原則。
請參照下表1，其顯示跳頻表。當知，底下的跳頻表乃為舉例做說明，實際所用的跳頻表可依實際情況做變化。
索引Index可表示如下：Index=(ASN+offset)%Nc。
ASN代表時槽編號，offset代表頻道偏移(CH_OFFSET)，Nc代表該無線網路所用的頻道總數量，數學運算子「%」代表餘數運算。在得到索引之後，根據上表1可查出所選頻道。
網路管理者節點(A)301在第1個廣播時槽A>*(時槽0)內廣播時，乃是對應到頻道偏移0，所以，其索引=(0+0)%16=0%16=0，索引0對應到頻道Ch 0。也就是說，在時槽0時，網路管理者節點(A)301以頻道Ch 0來廣播第1個廣播時槽A>*(時槽0)，而且，在時槽1時，網路管理者節點(A)301以頻道Ch 1來傾聽是否有被管理節點回應。相似地，在時槽2時，網路管理者節點(A)301會切換至頻道Ch 2來進行廣播，在時槽3時，網路管理者節點(A)301切換至頻道Ch3來傾聽是否有被管理節點回應。
現請參考第4A圖與第4B圖，其分別顯示訊框長度 與可用頻道總數不互質，以及訊框長度與可用頻道總數互質的情況。
以第4A圖為例，對於第0個訊框(SF0)而言，其第1個時槽(時槽0)與第2個時槽(時槽1)分別對應於頻道Ch 0與Ch 1；第1個訊框(SF1)而言，其第1個時槽(時槽2)與第2個時槽(時槽3)分別對應於頻道Ch 2與Ch 3；對於第2個訊框(SF2)而言，其第1個時槽(時槽4)與第2個時槽(時槽5)分別對應於頻道Ch 0與Ch 1；以及，第3個訊框(SF3)而言，其第1個時槽(時槽6)與第2個時槽(時槽7)分別對應於頻道Ch 2與Ch 3。
如果訊框長度與可用頻道總數不互質的話，則對於每個訊框而言，同一位置的時槽(例如第1個時槽)在某些頻道(例如Ch 0與Ch 2)之間輪轉。如果將廣播時槽分配在各訊框的第1個時槽的話，則廣播訊息將透過頻道Ch 0與Ch 2廣播出去，但廣播訊息無法透過頻道Ch 1與Ch 3廣播出去。故而，如果有節點用頻道Ch 0或Ch 2來接收廣播訊息的話，則此節點可以接收到廣播訊息。但如果有節點用頻道Ch 1或Ch 3來接收廣播訊息的話，則此節點將無法接收到廣播訊息。
相反地，如果讓訊框長度與可用頻道總數互質的話，則可解決上述問題。
以第4B圖為例，訊框長度(其為3)與可用頻道總數(其為4)互質。對於第0個訊框(SF0)而言，其第1個時槽(時槽0)、第2個時槽(時槽1)與第3個時槽(時槽2)分別對應於頻道Ch 0、 Ch 1與Ch 2；對於第1個訊框(SF1)而言，其第1個時槽(時槽3)、第2個時槽(時槽4)與第3個時槽(時槽5)分別對應於頻道Ch 3、Ch 0與Ch 1；對於第2個訊框(SF2)而言，其第1個時槽(時槽6)、第2個時槽(時槽7)與第3個時槽(時槽8)分別對應於頻道Ch 2、Ch 3與Ch 0；以及對於第3個訊框(SF3)而言，其第1個時槽(時槽9)、第2個時槽(時槽10)與第3個時槽(時槽11)分別對應於頻道Ch 1、Ch 2與Ch 3。
如果訊框長度與可用頻道總數互質的話，則每個頻道都有機會被用於將廣播訊息廣播出去。詳言之，對於不同訊框而言，同一位置的時槽(例如第1個時槽)可以在4個頻道(Ch 0~Ch 4)之間輪轉。也就是說，如果將廣播時槽分配在各訊框的第1個時槽的話，則廣播訊息將透過頻道Ch 0(在訊框SF0)、頻道Ch 3(在訊框SF1)、頻道Ch 2(在訊框SF2)與頻道Ch 1(在訊框SF3)而被廣播出去。故而，如果不論節點是用這4個頻道(Ch 0~Ch 4)的哪一個頻道接收廣播訊息，則此節點都有機會可以接收到廣播訊息。
故而，在本案實施例中，如果訊框長度不互質於可用頻道總數的話，則可以在訊框內先增加1個空白時槽，看是否能讓訊框長度互質於可用頻道總數。如果仍不互質的話，則再增加1個空白時槽，直到訊框長度互質於可用頻道總數為止。當然，在本案其他可能實施例中，不受限於1次增加1個空白時槽，也可能是1次增加其他個數的空白時槽，此亦在本案精神範圍內。
現請參考第5圖，其顯示根據本案一實施例中，經調整後的訊框示意圖。請同時參考第3圖與第5圖。假設目前無線網路包括網路管理者節點(A)301、被管理節點(B)302、被管理節點(C)303與被管理節點(D)304，可用頻道總數為16。經調整訊框長度後，訊框包括9個時槽(9與16互質)。此例中所用的跳頻表如下表2。
在這9個時槽之中，時槽0與時槽1當成網路管理者節點(A)301的廣播時槽(A>ADV)與接收時槽(A RX)；時槽2與時槽3當成被管理節點(B)302的廣播時槽(B>ADV)與接收時槽(B RX)。在時槽4中，被管理節點(B)302透過頻道偏移0(例如對應至頻道Ch 15)而回傳本身資料給網路管理者節點(A)301(B>A)；被管理節點(D)304透過頻道偏移2(例如對應至頻道Ch 6)而來廣播出廣播訊息(D>ADV)。在時槽5中，被管理節點(C)303透過頻道偏移0(例如對應至頻道Ch 10)而回傳本身資料給被管理節點(B)302網(C>B)；被管理節點(D)304透過頻道Ch 9而來接收(D RX)。在時槽6中，被管理節點(B)302將被管理節點(C)303的資料回傳給網路管理者節點(A)301(B>A)。在時槽7中，被管理節點(D)304回傳本身資料給網路管理者節點(A)301(D>A)。時槽8為空白時槽。如上述般，加入空白的時槽8乃是為讓訊框長度互質於可用頻道總數。
此外，以無線網路的初始狀況(亦即，無線網路除了網路管理者節點外，尚無其他被管理節點加入)來看，平均約連續等待24個時槽(假設可用頻道總數為16)，第一個節點便可加入。或者，以最佳情況來看，等待3個時槽(1個訊框)，第一個節點便可加入。因為如果該節點的頻道正好相同於網路管理者節點用於廣播第一個廣播訊息的頻道的話，則該節點就可在時槽0接收到 廣播訊息，在時槽1回應加入請求。以最差情況來看，等待48個時槽(16個訊框)，會有第一個節點加入。因為如果該節點的頻道正好相同於網路管理者節點用於廣播第16個廣播訊息的頻道的話，則該節點一直要到時槽45才會接收到廣播訊息，在時槽46回應加入請求(時槽47是空白時槽)。
由本案上述實施例可得知，本案基於分時跳頻無線傳輸技術以形成無線網路。為提高跳頻效果，讓訊框長度與可用頻道總數互質。如此一來，本案實施例以變動訊框長度為技術，以提高節點加入無線網路的效率，達到快速形成網路。由於按照廣播需求及/或資料傳輸需求來動態調整訊框長度，可縮短節點加入無線網路的平均等待時間，以減少節點的功率消耗。
另外，在本案實施例中，在綜合考量廣播需求、資料傳輸需求與跳頻效率下，所決定出的訊框長度可視為是最小長度，故而，不會造成過多的時槽浪費，能有效提高時槽使用效率。
另外，在本案實施例中，如果有新節點加入的話，可依上述原則為其分配廣播時槽，接收時槽與資料時槽。所以，本案實施例動態調整訊框長度的原因，對於節點增加的適應性較佳。
在本案上述該些實施例中，如果有新節點加入無線網路或者任一現有被管理節點退出無線網路，或者如果廣播需求及/或資料傳輸需求有變，則網路管理者節點可依上述原則來重新規劃訊框分配，並公告之。或者是，經過一段時間之後，網路管 理者節點可以統計網路狀況而決定是否要更新訊框規劃方案。在本案實施例中，節點退出無線網路可能是指，該節點在資料時槽內送出「退出網路申請訊息」給網路管理者節點，或是網路管理者節點自主發現該節點超過一段時間未按照所分配之資料時槽送回資料。如果發生這些情況的話，則網路管理者節點可將該節點從該無線網路退出，在將節點退出之後，網路管理者節點可依上述原則來重新規劃訊框分配，並公告之。
另外，在上述實施例中，於一訊框內，先後順序為：廣播區間、資料區間與空白區間。但本案並不受限於此。在本案其他可能實施例中，廣播區間、資料區間與空白區間的先後順序也可以有其他實現方式。例如，廣播區間也可位於資料區間之後。或者，這三個區間之間可彼此穿插。
另外，由上述可知，在一訊框內，如果沒有資料傳輸需求的話，則無需規劃資料區間。另外，在本案上述實施例中，空白時槽(空白區間)乃為選擇性加入。亦即，如果廣播區間與資料區間的總長度可互質於可用頻道總數的話，則不需要插入空白時槽(空白區間)於訊框內。
綜上所述，雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
210-230‧‧‧步驟

Claims (16)

  1. 一種無線網路管理方法，應用於一無線網路之中，該無線網路管理方法包括：考量該無線網路之一廣播需求及/或一資料傳輸需求，以評估一訊框之一訊框長度參數；調整該訊框長度參數，以互質於一可用頻道總數；以及進行時槽分配以滿足該廣播需求及/或該資料傳輸需求，並公告一訊框規劃。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路管理方法，其中，該訊框長度參數包括該訊框的一時槽數量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路管理方法，其中，考量該廣播需求及/或該資料傳輸需求之該步驟包括：為一網路管理者節點與已加入該無線網路之所有被管理節點各別分配至少一廣播機會。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路管理方法，其中，考量該廣播需求及/或該資料傳輸需求之該步驟包括：根據各被管理節點的各別回傳資訊，計算各被管理節點的各別資料傳輸需求。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路管理方法，其中，調整該訊框長度參數之該步驟包括：一次加入至少一空白時槽於該訊框中，直到該訊框長度參數互質於該可用頻道總數為止。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路管理方法，其中，進行時槽分配之該步驟包括：決定該訊框內的複數個時槽中，哪(些)時槽用於廣播，哪(些)時槽用於接收，哪(些)時槽用於資料傳輸，哪(些)時槽為空白(如果需要的話)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路管理方法，其中，於該訊框中，一廣播區間，一資料區間及/或一空白區間彼此穿插。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之無線網路管理方法，其中，如果該廣播需求及/或該資料傳輸需求有變，或者有一新被管理節點加入該無線網路，或者有任一現存被管理節點退出該無線網路，則更新該訊框規劃並公告。
  9. 一種網路管理者節點，應用於一無線網路之中，包括：一時槽需求計算次模組，考量該無線網路之一廣播需求及/或一資料傳輸需求，以評估一訊框之一訊框長度參數；一訊框長度調整次模組，調整該訊框長度參數，以互質於一可用頻道總數；一時槽分配次模組，進行時槽分配以滿足該廣播需求及/或該資料傳輸需求，並公告一訊框規劃。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之網路管理者節點，其中，該訊框長度參數包括該訊框的一時槽數量。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之網路管理者節點，其中，該時槽需求計算次模組： 為該網路管理者節點與已加入該無線網路之所有被管理節點各別分配至少一廣播機會。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之網路管理者節點，其中，該時槽需求計算次模組：根據各被管理節點的各別回傳資訊，計算各被管理節點的各別資料傳輸需求。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之網路管理者節點，其中，調整該訊框長度參數之該步驟包括：一次加入至少一空白時槽於該訊框中，直到該訊框長度參數互質於該可用頻道總數為止。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之網路管理者節點，其中，該時槽分配次模組：決定該訊框內的複數個時槽中，哪(些)時槽用於廣播，哪(些)時槽用於接收，哪(些)時槽用於資料傳輸，哪(些)時槽為空白，如果需要的話。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之網路管理者節點，其中，於該訊框中，一廣播區間，一資料區間及/或一空白區間彼此穿插。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之網路管理者節點，其中，如果該廣播需求及/或該資料傳輸需求有變，或者有一新被管理節點加入該無線網路，或者有任一現存被管理節點退出該無線網路，則該時槽分配次模組更新該訊框規劃並公告。
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