WO2014131428A1 - Method for generating a time stamp in a wireless sensor network - Google Patents

Method for generating a time stamp in a wireless sensor network Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for generating a time stamp in a wireless sensor network with typically detected intermediate nodes between a respective transmitting node of the sensor data and a receiver node in which the sensor data converge for further processing, wherein the delays in the transmission from one network node to another are not negligible.
  • An entire wireless sensor network is time-synchronized and capable of timestamping the data at its origin.
  • There are systems with internal time ⁇ synchronization such as. HART or 802.15.4 TSCH organizing a media access with a synchronous TDMA. Due to the large drift that occurs in the typically used in drahtlo ⁇ sen sensor networks timers benöti- gen such systems periodically refresh data (updates) for time synchronization, which requires additional communication bandwidth and is a limitation of energy efficiency.
  • Other methods such as.
  • the Flooding Time syn ⁇ chronization protocol are general purpose overall thought but just as limited by the here also erfor ⁇ sary regular updates.
  • ⁇ rin to provide a method for generating a time stamp in a wireless sensor network in such a way that the abovementioned disadvantages are avoided.
  • ⁇ tri represents the transmission delay of a carried partly on the transmitter ⁇ node S and partly at the intermediate node Rl successful transmission
  • Etpi means the additional delay due to erroneous transmissions only at the transmitting node, here the transmitting node S.
  • the value in the additional extension field is then added in Next Tier ⁇ th transmission nodes of the local total delay, or formed along a transmission path of the accumulated local total delay.

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Abstract

The invention relates essentially to a method for generating a time stamp in a wireless sensor network, wherein in each network node (hop) along a transmission path the respective transmission time is detected and is co-transmitted and accumulated within an extension field belonging to the message packet, wherein a measurement at the last receiving node acquires a global time stamp which is formed from the current global time stamp at the last receiving node and from the total delay accumulated along the transmission path. The advantages lie in a lower overhead, in the applicability in highly energy-efficient networks, in the unsusceptibility to time drift, in the absence of an initialisation delay and in a shorter and simpler code than in the case of global time synchronisation.

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Erzeugung eines Zeitstempels in einem drahtlosen Sensornetzwerk Method for generating a time stamp in a wireless sensor network
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Zeitstempels in einem drahtlosen Sensornetzwerk mit typischerweise Zwischenknoten zwischen einem jeweiligen Sendeknoten der Sensordaten erfasst und einem Empfängerknoten in dem die Sensordaten zur weiteren Verarbeitung zusammenlaufen, wobei die Verzögerungen bei der Übertragung von einem Netzwerkknoten zum anderen nicht vernachlässigbar sind. The invention relates to a method for generating a time stamp in a wireless sensor network with typically detected intermediate nodes between a respective transmitting node of the sensor data and a receiver node in which the sensor data converge for further processing, wherein the delays in the transmission from one network node to another are not negligible.
Für typische Szenarien von Drahtlos-Sensor-Netzwerken und dem sogenannten „Internet der Dinge", wie bspw. in der Prozessau¬ tomation oder Umweltüberwachung, stellen eine große Flächenabdeckung und Energieeffizienz wichtige gemeinsame Eigenschaften dar. Dies führt zu Netzwerken die möglicherweise große Übertragungszeiten im Bereich von einigen Sekunden bis zu Minuten aufweisen. Die tiefere Ursache hierfür liegt in den multi-hop-Technologien und dem energieeffizienten Medienzugriff, z. B. einer großen Flächenabdeckung mit schlafenden Netzwerkknoten. Zusätzliche erneute Übertragungen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit vergrößern die Verzögerung mögli- cherweise noch weiter. For typical scenarios of wireless sensor networks and the so-called "Internet of Things", such as in Prozessau ¬ tomation or environmental monitoring, provide a large area coverage and energy efficiency important common properties. This leads to networks the possibly large transmission times in the area The root cause of this can be found in multi-hop technologies and energy-efficient media access, such as large area coverage with dormant network nodes, and additional retransmissions for increased reliability may further increase the delay further.
Zur Datenanalyse ist es wichtig zu wissen wann die Daten er¬ fasst wurden, bspw. Beschrieben durch einen Zeitstempel. For data analysis, it is important to know when the data was ¬ him , for example. Described by a timestamp.
Mechanismen zur Erstellung eines gemeinsamen Zeitstandards für ein gesamtes drahtloses Sensornetzwerk existieren, erzeugen aber einen deutlich messbaren Zusatzaufwand sowohl hinsichtlich der benötigten Kommunikationsbandbreite als auch hinsichtlich der für die Datenübertragung verbrauchten elektrischen Energie. Mechanisms for establishing a common time standard for an entire wireless sensor network exist, but produce a clearly measurable overhead both in terms of the required communication bandwidth and in terms of the electrical energy consumed for data transmission.
Es gibt bereits einige Lösungsansätze für dieses Problem: 1. Die Daten erhalten in einem SCADA-System, also einer zentralen Datenbasis zum Speichern der Daten, einen Zeitstempel. Hierbei werden die Verzögerungen bezüglich der Zentralzeit vernachlässigt was jedoch, insbesondere bei großen Netzwer- ken, zu Ungenauigkeiten führt, wodurch die richtige zeitliche Abfolge der Messwerte nicht gewährleistet ist. There are already some solutions to this problem: 1. The data is timestamped in a SCADA system, ie a central database for storing the data. In this case, the delays with respect to the central time are neglected, which, however, leads to inaccuracies, in particular in the case of large networks, as a result of which the correct time sequence of the measured values is not ensured.
2. Ein gesamtes drahtloses Sensornetzwerk ist zeitsynchronisiert und in der Lage die Daten an ihrem Ursprung mit einem Zeitstempel zu versehen. Es gibt Systeme mit interner Zeit¬ synchronisation, wie bspw. HART oder 802.15.4 TSCH, die einen Medienzugriff mit einem synchronen TDMA organisieren. Auf Grund der großen Drift die bei den typischerweise in drahtlo¬ sen Sensornetzwerken verwendeten Zeitgebern auftritt, benöti- gen solche Systeme regelmäßig Auffrischungsdaten (updates) für die Zeitsynchronisation, was zusätzlich Kommunikationsbandbreite erfordert und eine Begrenzung der Energieeffizienz darstellt. Andere Methoden, wie bspw. das Flooding Time Syn¬ chronisation Protokoll (FTSP) , sind für allgemeine Zwecke ge- dacht aber genauso begrenzt durch die hier ebenfalls erfor¬ derlichen regelmäßigen Updates. 2. An entire wireless sensor network is time-synchronized and capable of timestamping the data at its origin. There are systems with internal time ¬ synchronization, such as. HART or 802.15.4 TSCH organizing a media access with a synchronous TDMA. Due to the large drift that occurs in the typically used in drahtlo ¬ sen sensor networks timers benöti- gen such systems periodically refresh data (updates) for time synchronization, which requires additional communication bandwidth and is a limitation of energy efficiency. Other methods, such as. The Flooding Time syn ¬ chronization protocol (FTSP) are general purpose overall thought but just as limited by the here also erfor ¬ sary regular updates.
3. Jeder Sensorknoten ist mit einer präzisen Uhr ausgestattet, die nur gelegentlich einer Synchronisation bedarf. Dies führt an dieser Stelle zu einer verbesserten Energieeffizienz aber die Hardware hierfür wird wiederum teuerer und benötigt meist auch mehr Energie. Darüber hinaus ist weiterhin ein komplexer Mechanismus für eine netzwerkweite Zeitsynchronisa¬ tion erforderlich. 3. Each sensor node is equipped with a precise clock that requires synchronization only occasionally. At this point, this leads to improved energy efficiency, but the hardware for this in turn becomes more expensive and usually requires more energy. In addition, a complex mechanism for a network-wide Zeitsynchronisa ¬ tion is still required.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun da¬ rin, ein Verfahren zur Erzeugung eines Zeitstempels in einem drahtlosen Sensornetzwerk derart anzugeben, dass die oben genannten Nachteile möglichst vermieden werden. The object underlying the invention to now is as ¬ rin to provide a method for generating a time stamp in a wireless sensor network in such a way that the abovementioned disadvantages are avoided.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen be¬ vorzugte Ausgestaltungen der Erfindung. Die Erfindung betrifft im Wesentlichen ein Verfahren zur Erzeugung eines Zeitstempels in einem drahtlosen Sensornetzwerk, bei dem in jedem Netzwerkknoten (hop) entlang eines Übertragungspfades die jeweilige Übertragungszeit, d. h. die gesamte Zeit vom Empfang einer Nachricht in einem Knoten A bis zum Empfang der Nachricht in einem Folgeknoten B, erfasst und innerhalb eines zum Nachrichtenpaket gehörigen Erweite¬ rungsfeldes mitübertragen und akkumuliert wird, bei dem die die Messung enthaltende Nachricht am letzten Empfangsknoten, der über eine genaue synchronisierte Uhr verfügt, einen glo¬ balen Zeitstempel erhält, der berechnet wird, indem von der aktuellen globalen Zeit die in einem Erweiterungsfeld der Nachricht enthaltene akkumulierte Übertragungszeit subtra- hiert wird. Die Vorteile liegen in einem geringeren Overhead, in der Anwendbarkeit in hoch energieeffizienten Netzen, in der Unanfälligkeit bzgl. Zeitdrift, im Fehlen einer Initiali¬ sierungsverzögerung sowie in einem kürzeren und einfacheren Code als bei der globalen Zeit-Synchronisierung. This object is achieved by the features of claim 1 according to the invention. The other claims relate to ¬ preferred embodiments of the invention. The invention relates in general to a method for generating a time stamp in a wireless sensor network, in which in each network node (hop) along a transmission path, the respective transmission time, ie the total time from the receipt of a message in a node A to the receipt of the message in one is a result node B is detected, and also transmitted within one belonging to the message packet Extension C ¬ approximately field and accumulated in which the measurement message containing the last reception node, which has an accurate, synchronized clock, a glo ¬ balen time stamp is obtained that is calculated by starting from the current global time is subtracted the accumulated transmission time contained in an extension field of the message. The advantages are a lower overhead, the applicability in highly energy-efficient networks, in the susceptibility to time drift, in the absence of Initiali ¬ sierungsverzögerung and in a shorter and simpler code than in the global time synchronization.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing.
Die Zeichnung zeigt am Beispiel einer dreigliedrigen Daten- Übertragung ausgehend von einem Senderknoten S über einen ersten Zwischenknoten Rl und einen zweiten Zwischenknoten R2 hin zu einem Empfängerknoten R, wobei für die einzelnen Übertragungen 1, 2 und 3 zwischen den Knoten die jeweiligen Übertragungsverzögerungen erfasst werden. The drawing shows the example of a tripartite data transmission starting from a sender node S via a first intermediate node Rl and a second intermediate node R2 towards a receiver node R, wherein for the individual transmissions 1, 2 and 3 between the nodes, the respective transmission delays are detected.
Die drahtlose Datenübertragung selbst ist ziemlich schnell und die Übertragsverzögerung kann gut durch einen konstanten Wert angenähert werden, der im Wesentlichen die Verarbei¬ tungszeit der Sender- und Empfänger-Hardware repräsentiert. Diese Zeitkonstante ist charakteristisch für einen speziellen Typ von Hardware und kann deshalb als Konfigurations- Parameter für einen jeweiligen Netzwerkknoten betrachtet werden . Falls eine Übertragung misslingt, entsteht eine zusätzliche Verzögerung durch die Fehlerbehandlung und die Ausführung einer erneuten Übertragung. Dies findet explizit Berücksichti- gung in der entsprechenden zusätzlichen Verarbeitung im betreffenden Senderknoten. The wireless data transfer itself is quite fast and the transfer delay can be well approximated by a constant value which substantially represents the proces ¬ processing time of the transmitter and receiver hardware. This time constant is characteristic of a particular type of hardware and can therefore be considered as a configuration parameter for a particular network node. If a transfer fails, an additional delay will result from error handling and re-transmission. This explicitly takes into account the corresponding additional processing in the relevant sender node.
Die Aufzeichnung der Verzögerungen kann von einfachen Zugriffsmechanismen Gebrauch machen, wie sie bei globalen Zeit- Synchronisationsmechanismen verwendet werden, die ebenfalls einen vom Medienzugriff unabhängigen Zeitstempel benötigen. The recording of the delays can make use of simple access mechanisms, such as those used in global time synchronization mechanisms, which also require a time-stamp independent of media access.
Wenn beispielsweise die direkt vom Sender kommenden Daten den Zwischenknoten Rl erreichen hat sich bereits eine erste ört- liehe Gesamtverzögerung Xi= Ätri + Ätpi aufsummiert, wobei Ätri die Übertragungsverzögerung einer teilweise am Sender¬ knoten S und teilweise am Zwischenknoten Rl erfolgten erfolgreichen Übertragung repräsentiert und wobei For example, if the coming directly from the transmitter data reaches the intermediate node Rl a first Ört- Liehe total delay Xi already has accumulated = Ätri + Ätpi wherein Ätri represents the transmission delay of a carried partly on the transmitter ¬ node S and partly at the intermediate node Rl successful transmission, and wherein
+Ätpi die zusätzliche Verzögerung auf Grund von fehlerhaften Übertragungen nur am sendenden Knoten, hier der Sendeknoten S, bedeutet.  + Etpi means the additional delay due to erroneous transmissions only at the transmitting node, here the transmitting node S.
In entsprechender Weise wird nach dem ersten Zwischenknoten Rl eine zweite örtliche Gesamtverzögerung %i— + Äti2 In a corresponding manner, after the first intermediate node R1, a second local total delay% i- + eti2
+ÄtF2 und nach dem zweiten Zwischenknoten R2 eine dritte örtliche Gesamtverzögerung X3= X1 + X2 + AtT3 + ÄtF3 aufsum¬ miert . + Ät F 2 and by the second intermediate node R2, a third local total delay X 3 = X 1 + X 2 + 3 + Ät At T F 3 aufsum ¬ mized.
Der letzte Empfängerknoten R kann dann eine Ende-zu-Ende- Gesamtverzögerung, die in diesem Beispiel der dritten The last receiver node R may then have an end-to-end total delay, which in this example is the third
örtlichen Gesamtverzögerung X3 entspricht, mit Hilfe der Beziehung to = - X3 in einen globalen Zeitstempel to umwan¬ deln, wobei letzterer die Zeit wiedergibt, wann die Messung am Sender S stattfand, ausgedrückt im Zeitsystem des Empfän- gers R. Das Zeitsystem des Empfängers kann dabei ein lokales Zeitsystem oder ein globaler Zeitstandard sein. Zur Optimierung dieser existierenden einfachen Zugriffsmechanismen ist es von Vorteil, wenn die Übertragungs-Hardware selbst die Messung der im Übertragungs-Chip auftretenden zusätzlichen Verzögerung, bspw. durch das Warten auf den Medi- enzugriff, bewirkt bzw. unterstützt. local total delay X3 corresponds to using the relationship = - X3 in a global time stamp to umwan ¬ spindles, the latter representing the time when the measurement took place on the transmitter S, expressed in the time system of the receiver R. The timing system of the receiver can being a local time system or a global time standard. To optimize these existing simple access mechanisms, it is advantageous if the transmission hardware itself causes or supports the measurement of the additional delay occurring in the transmission chip, for example by waiting for the media access.
Diese zusätzliche Verzögerung kann sich als wesentlich herausstellen, wenn das Netzwerk stark belastet blockiert ist und kann optional in ein zusätzliches Erweiterungsfeld im Pa¬ ket-Header geschrieben werden, das nicht verschlüsselt und somit von der Übertragungs-Hardware lesbar ist. This additional delay may turn out to be substantial if the network is heavily loaded blocked and can optionally be written in an additional extension field in Pa ¬ ket header which is not encrypted and can be read by the communication hardware.
Der Wert im zusätzlichen Erweiterungsfeld wird dann im nächs¬ ten Übertragungsknoten der örtlichen Gesamtverzögerung hinzuaddiert bzw. eine längs des Übertragungspfads akkumulierte örtliche Gesamtverzögerung gebildet. The value in the additional extension field is then added in Next Tier ¬ th transmission nodes of the local total delay, or formed along a transmission path of the accumulated local total delay.
Die Erfindung kann auf Nachrichten angewendet werden, die innerhalb eines Netzwerkes nur jeweils zwischen zwei Knoten ausgetauscht werden. In diesem Fall, konvertiert der empfan¬ gende Knoten den Zeitstempel in sein lokales Zeitsystem das üblicherweise nicht mit dem globalen Zeitsystem synchronisiert ist. Relative Zeitstempel stellen eine ausreichende Ba¬ sis für eine zeitliche Korrelation und Zusammenführung von Sensordaten dar, da hier für diese Art der Analyse nur Zeitdifferenzen erforderlich sind. Da nur Zeitunterschiede be- rücksichtigt werden müssen, stellen Abweichungen zwischen den Uhren (clock drifts) für derartige Berechnungen kein Problem dar . The invention can be applied to messages that are exchanged within a network only between two nodes. In this case, the node are received, ¬ constricting converts the timestamp in its local system time that is usually not synchronized with the global time system. Relative time stamp provide sufficient Ba ¬ sis is a temporal correlation and combination of sensor data, as only time differences are necessary here for this type of analysis. Since only time differences have to be taken into account, deviations between the clocks (clock drifts) are no problem for such calculations.
Die Erfindung ist für nahezu alle Fälle anwendbar, bei denen Zeitstempel in drahtlosen Sensornetzwerken vorkommen, und kann dort eine globale Zeitsynchronisation ersetzen. The invention is applicable to almost all cases where timestamps occur in wireless sensor networks and can replace global time synchronization there.
Die Vorteile liegen in einem geringeren Overhead, in der Anwendbarkeit in hoch energieeffizienten Netzen, in der The advantages lie in a lower overhead, in the applicability in highly energy efficient networks, in the
Unanfälligkeit bzgl. Zeitdrift, im Fehlen einer Initialisie¬ rungsverzögerung sowie ein kürzerer und einfacherer Code als bei der globalen Zeit-Synchronisierung. Der geringere Overhead resultiert z. B. daraus, dass nicht alle Knoten synchro- nisiert werden müssen und dass keine zusätzlichen Pakete zur Synchronisierung gesendet werden müssen. Die Anwendbarkeit in hoch energieeffizienten Netzen ist bspw. deshalb möglich, weil die erforderlichen Zeitangaben in den übertragenen Da- tenpaketen mitgeführt werden und unabhängig von der Häufigkeit der Datenpakete sind. Da die angesammelten Verzögerungen relativ klein sind, besteht praktisch keine Zeitdriftanfäl¬ ligkeit. Bei einem global synchronisierten System muss nach einer Initialisierung erst ein stationärer Zustand abgewartet werden - diese Wartezeit entfällt bei der Erfindung. Immunity with respect. Term drift in the absence of an initialization ¬ approximate delay and a shorter and simpler code than the global time synchronization. The lower overhead results z. From the fact that not all nodes are synchro- and that no additional packets need to be sent for synchronization. The applicability in highly energy-efficient networks is, for example, possible because the required time information is carried in the transmitted data packets and is independent of the frequency of the data packets. Since the accumulated delays are relatively small, there is virtually no Zeitdriftanfäl ¬ ligkeit. In a globally synchronized system, a steady state must first be awaited after an initialization - this waiting time is eliminated in the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung eines Zeitstempels in einem drahtlosen Sensornetzwerk, 1. A method for creating a time stamp in a wireless sensor network,
- bei dem entlang mindestens eines Übertragungspfades (1, 2, 3) in einem jeweiligen empfangenden Netzwerkknoten (Rl, R2, R) eine jeweilige örtliche Gesamtverzögerungszeit (Xi, X2, X3) dadurch ermittelt wird, dass die am zugehörigen jeweiligen sendenden Vorgängerknoten (S, Rl, R2) und am jeweiligen emp- fangenden Netzwerkknoten (Rl , R2, R) auftretende Übertragungsverzögerung (Ätri , Äti2 Δτ>τ3 ) im Falle einer erfolgreichen Übertragung, eine zusätzliche Verzögerung (ÄtFi, ÄtFi , ÄtFi) auf Grund von fehlerhaften Übertragungen am zugehörigen jeweiligen sendenden Vorgängerknoten und eine zu einer vom zu- gehörigen jeweiligen sendenden Vorgängerknoten übertragene akkumulierte Gesamtverzögerungszeit aller jeweiligen Vorgän¬ gerstufen addiert werden, sofern Letztere vorhanden sind, und- Wherein along at least one transmission path (1, 2, 3) in a respective receiving network node (Rl, R2, R) a respective local total delay time (Xi, X2, X3) is determined by the at the respective respective transmitting predecessor node (S , Rl, R2) and on the respective recom- scavenging network node (Rl, R2, R) occurring transmission delay (Ätri, Äti2 Δτ> τ3) i m the event of a successful transmission, an additional delay (AET F i, Ät F i, Ät F i) are added due to respective repeat procedure ¬ gerstufen of faulty transmissions on the associated respective transmitting parent node and transmitted to a sending from the associated respective parent node accumulated total delay time of all, if the latter are present, and
- bei dem der Zeitstempel mit Hilfe einer örtlichen Gesamt¬ verzögerungszeit gebildet wird. - in which the time stamp is formed using a local ¬ total delay time.
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
- bei dem eine jeweilige akkumulierte Gesamtverzögerungszeit entlang des mindestens einen Übertragungspfades gebildet und an einen letzten Empfangsknoten (R) weitergeleitet wird und - bei dem die Messung am letzten Empfangsknoten (R) einen globalen Zeitstempel ( to ) erhält, der im Zeitsystem dieses letzten Empfangsknotens ausgedrückt ist, wobei dessen Wert dadurch gebildet wird, dass der Wert des örtlichen Zeitstempels ( tß ) am Startknoten um den Wert der akkumulierten Ge- samtverzögerung (X3) des letzten Empfangsknotens (R) vermindert wird.  in which a respective accumulated total delay time along the at least one transmission path is formed and forwarded to a last receiving node (R) and - in which the measurement at the last receiving node (R) receives a global time stamp (to) expressed in the time system of this last receiving node the value of which is formed by reducing the value of the local time stamp (tβ) at the start node by the value of the accumulated total delay (X3) of the last receiving node (R).
3. Verfahren nach Anspruch 2, 3. The method according to claim 2,
bei dem die jeweilige örtliche Gesamtverzögerung innerhalb eines Erweiterungsfeldes eines zu übertragenden Nachrichten¬ pakets an einen jeweils folgenden Netzwerkknoten übermittelt wird, sofern ein solcher vorhanden ist. wherein the respective local total delay is transmitted within an extension field of a message to be transmitted ¬ packet to a following each network node, if such is present.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an einem jeweiligen Netzwerkknoten die 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein at a respective network node the
Übertragsverzögerung durch einen konstanten für die jeweilige Netzwerkknoten-Hardware typischen Konfigurations-Parameter ersetzt wird.  Transfer delay is replaced by a constant configuration parameters typical for the respective network node hardware.
5. Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an einem jeweiligen Netzwerkknoten die zusätzliche Verzögerung von der Netzwerkknoten-Hardware gemessen wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein at a respective network node, the additional delay is measured by the network node hardware.
6. Netzwerkknoten zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. network node for carrying out the method according to one of the preceding claims,
bei dem die Übertragungs-Hardware derart ausgebildet ist, dass sie selbst eine Messung der im zugehörigen Übertragungs- Chip auftretenden zusätzlichen Verzögerung bewirkt bzw. unterstützt . in which the transmission hardware is designed such that it itself causes or supports a measurement of the additional delay occurring in the associated transmission chip.
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