TD和FD的波束赋形.docx
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TD和FD的波束赋形
1、对于TDD系统,可以方便地利用信道的互易性,通过上行信号估计信道传播向量或DoA(Direction-of-Arrival)并用其计算波束赋形向量。
对于FDD系统,也可以通过上行信号估计DoA等长期统计信息并进行下行赋形。
2、波束赋形通过预编码实现。
习惯上,一般把TDD系统下,基于信道互易性获得下行信道矩阵,计算得到预编码矩阵,进行与编码,称为波束赋形。
FDD系统,基于UE的码本反馈方式获得预编码矩阵,进行预编码。
3、所谓的预编码或是波束赋形,从来没有过严格的定义和界限
两者都是通过天线阵列的加权处理,产生具有特定空域分布特性的信号的过程。
从这一意义讲,两者是没有实质差别的
当然,之所以有很多人咬文嚼字地纠结于两者的差别,也是有一定的历史原因的:
·波束赋形源自阵列信号处理这一学术方向,比预编码概念的提出大概要早数十年。
在经典的阵列信号处理或早期的波束赋形方案中,出于避免相位模糊的考虑,一般都采用阵子间距不超过0.5lambda的阵列;这些早期波束赋形方案的目标基本都是瞄准期望方向,同时对若干干扰方向形成零限(用于电子对抗或军事通信);它们考虑的主要是LOS或接近LOS的场景;在民用移动通信领域,从实现波束赋形的便利性角度考虑,TDD系统有着较为天然的互易性优势,因此早期普遍认为波束属于一项TDD专属技术。
尤其是TD-SCDMA中率先大范围使用了波束赋形,更是留下了波束赋形=TDD技术的口实
·相对而言,预编码这一称谓的资历就浅的多了,这是十几年前MIMO兴起之后的概念(实质也不是什么新东西)。
由于在低相关、高空间自由度场景中,MIMO信道容量的优势才能得以体现,因此针对MIMO中的预编码的研究(尤其是早期)更多地偏重于大间距天线以及NLOS的情况。
当然,这也是由于小间距+LOS这一场景在阵列信号处理领域已经被掘地三尺,从做文章的角度考虑,缺乏新意(这一点也从侧面印证了预编码和波束赋形之间的联系)。
从实现的角度出发,最优化的预编码需要发端确知CSI,这对于TDD系统较为便利,但是对于FDD系统则成为了重要障碍。
因此,对TDD的预编码,可以做文章的点较少(互易性非理想、校准等),尤其是基于互易性假设的空域预处理在波束赋形这个阶段已经有很多成形的研究。
但是对FDD的预编码无论从后面的实现还是标准化,都有很多值得挖掘的问题。
因此,针对MIMO中的预编码的研究初期,基于有限反馈(码本)的预编码技术很快就成为了关注的焦点,特别是在LTE中对MIMO技术的标准化浪潮的推动下
在这种情况下,早期LTE标准化领域中逐渐形成了一种惯例(非正式的),即默认:
·预编码就是基于公共参考信号的(LTERel-8中,基于公共参考信号的传输方案主要是针对FDD设计的,当然TDD也可以用)
·基于专用参考信号的传输就称为波束赋形(LTERel-8中,这种传输方式主要是为TDD设计的)
但是这种非正式的划分随着LTEMIMO技术标准化的演进,已经趋于消失。
LTERel-9正是这一变化的转折点,因为从TM8开始(直至后续的所有TM),无论FDD还是TDD都采用基于专用参考信号的传输方式。
尽管TM8还被习惯性的称为双流波束赋形,但是从TM9开始,没有人会再去强调基于专用参考信号的传输到底是波束赋形还是预编码。
目前,至少在标准化领域不会有人继续深究两个名词的差别
从标准化和实践两方面考虑,无论用于TDD/FDD、大间距/小间距阵列、基于码本/互易性反馈,在基于专用参考信号进行传输的框架里,波束赋形和预编码的差异或许仅仅体现在算法的称谓这个肤浅的名分上
4、mimo为什么要预编码?
1)多用户MIMO系统中,一个主要的问题就是消除各个用户信号之间的相互干扰。
在下行链路中,由于各个移动台之间地理位置上是分散的,移动台之间无法实现相互协作,因此不能利用上行链路中使用的接收算法联合检测出发射信号。
此时可以在发射端对信道状态信息CSI加以利用,采用多用户MIMO系统预编码技术,对发射信号进行预处理,使各用户接收到“纯净”的不受其它用户干扰的信号。
该技术有三个主要的优势:
一是通过发射端的预编码处理,可以有效地消除多用户干扰,从而大大提高系统容量;
二是可以大大简化接收机的算法,解决移动台的功耗和体积问题;
三是由于发射端能准确知道各用户的信道状态信息,所以在发射端采用反馈干扰抵消的方法不存在误码扩散问题,性能更优。
实际上难点在于如何得到当前的信道状态信息。
大部分文献中都是默认的室内静止或者平稳衰落,实际上高速移动和分频段衰落情况下的信道信息估计才是难点。
2)原则上说MIMO技术并不一定需要预编码!
使用预编码的前提是发射端可以及时获取信道信息,也就是CSIT.在通常情况下,只有接收端可以知道信道信息CSIR,在这个情况下,接收端通过复杂的信号处理算法(如MMSE-SIC)可以解调出多路的MIMO信号,在快衰落的信道中,即使只有接收端拥有信道信息(发射端不使用precoding),在高信噪比的情况下,MIMO技术一样可以获得复用效益(multiplex),其效益正比于发射端和接收端的最小天线数目。
那么为什么要采用precoding呢?
当发射端知道信道状态时,可以通过在发射端进行信号预处理,根据信道信息,动态的进行功率控制和相位调节,以便优化在接收端的某些性能目标,例如信噪比。
通过预编码,最大的好处就是为接收端提供功率增益(powergain),另一方面也可以降低接收端的信号处理难度。
MIMO预编码和波束赋形(最大化接受信号功率)有类似的地方,不同在于MIMO预编码问题更加复杂,优化目标更难更一般。
近年来,用户对移动数据业务需求的不断增长,推动了LTE网络商用进程的加速。
纵观全球,现阶段LTE商用网络仍以LTEFDD制式为主,但随着其网络建设逐步推进,用户和业务的增加,LTEFDD网络频率资源不足、容量不足等问题将逐渐凸显,而TD-LTE网络在频谱资源上拥有更多的资源,可以有效缓解FDD频谱紧张问题。
因此,TD-LTE和LTEFDD的融合组网将成为未来趋势。
然而,由于TD-LTE与LTEFDD网络在频段选择、天线类型、覆盖特性、容量特性等方面存在差异,TD-LTE与LTEFDD融合组网还面临一些挑战,尤其需要解决网络定位、频段选择、天线选择以及终端策略四大问题。
性能对比
TD-LTE与LTEFDD各有千秋
1、从覆盖性能上看,LTEFDD略优于TD-LTE网络。
根据3GPP关于TD-LTE与LTEFDD的频段分配,TD-LTE网络工作频段要高于LTEFDD网络,因此单从频段使用角度上看,鉴于LTEFDD网络频段优势,其在覆盖性能上会优于TD-LTE网络。
除频段外,信噪比也会在一定程度上影响LTE网络的覆盖性能。
在其他配置相同的情况下,基于20MHz带宽TD-LTE系统的热噪声比基于2×10MHz带宽的LTEFDD系统大3dB左右,在这一条件下,根据链路预算,LTEFDD网络的上行覆盖半径将比TD-LTE网络大18%左右。
TD-LTE网络可以采用8天线组网,而LTEFDD网络主要采用2天线组网。
使用8天线波束赋形时,TD-LTE网络在下行可以获得1dB~3dB的增益;TD-LTE利用8天线分集接收,在上行可获得3dB~5dB的分集增益。
总而言之,从国内频段分配情况上看,TD-LTE主要工作于2.6GHz频段,而LTEFDD目前尚未发放牌照,频段未定,我们预测其可能的频段是1.8GHz。
在这一背景下,LTEFDD的覆盖性能要优于TD-LTE网络。
2、在容量性能上,LTEFDD相对于TD-LTE在容量上有一定优势,但是差距有限。
LTE网络中衡量容量性能的指标主要有小区平均吞吐量、小区边缘吞吐量、同时在线用户数、同时调度用户数等,上述指标与LTE小区的信道配置、参数配置、调度算法、小区间干扰协调算法等因素有关。
TD-LTE与LTEFDD系统的容量的差异,主要表现在三个方面:
第一,TD-LTE与LTEFDD在上下行网络容量上互有优势;第二,TD-LTE与LTEFDD的同时在线用户数、同时调度用户数性能相近;第三,LTEFDD的小区吞吐量要大于TD-LTE网络。
融合组网
四大问题不容忽视
1.网络定位
TD-LTE与LTEFDD融合组网建设,首先要解决两种制式网络定位问题,通过合理定位,力争以最小投资满足用户和业务的发展需求。
从国际上TD-LTE与LTEFDD融合组网部署案例来看,一般根据工作频段来确定网络定位:
频段较低的系统发挥其广覆盖优势,主要解决网络覆盖;而频段较高的系统,由于覆盖能力不足,多用于热点区域的业务吸收。
目前我国只发放了TD-LTE一张牌照,TD-LTE网络需要重点考虑密集城区、一般城区和发达乡镇的覆盖和业务吸收问题。
随着TD-LTE与LTEFDD混合组网试验的推进,未来我国必将是TD-LTE与LTEFDD共同发展。
TD-LTE主要工作于2GHz以上频段,而LTEFDD预计将工作在1.8GHz频段,从长远的发展角度上看,LTEFDD网络将主要用于覆盖,TD-LTE网络则主要用于容量吸收。
由于GSM技术本身的局限性,对数据业务的承载能力较弱,不适应移动互联网时代的业务承载需求,在未来将逐渐退出。
在GSM退网后,其900MHz频段可以用于LTEFDD网络建设,以更好地发挥LTEFDD网络广覆盖优势。
2.频率策略
我国TD-LTE牌照发放时,相关频段已经确定。
从目前TD-LTE频段划分结果上看,主要有1.8GHz、2.3GHz和2.6GHz三个频段,其中2.3GHz频段用于室内覆盖,而1.8GHz和2.6GHz两个频段用于室外覆盖。
对于中国移动,由于其获得了1.8GHz和2.6GHz两个频段,从组网性能及投资上考虑,广覆盖以1.8GHz为主,可以发挥其广覆盖优势,减少站址需求,降低网络投资,而对于2.6GHz频段,为了发挥其频谱资源相对丰富的优势,主要用于热点区域的容量吸收。
对于LTEFDD网络,目前看来可能采用1.8GHz和2.1GHz两个频段,根据国际上的组网经验和产业链现状考虑,1.8GHz成熟度较高,有可能成为LTEFDD网络的主流频段,但1.8GHz频谱的匮乏和较小隔离带可能会带来系统间的干扰,尤其需要重点考虑对1.8GHzTD-LTE的干扰。
3.天线策略
3GPPR9版本规定了8种传输模式,但在实际应用中主要采用2天线和8天线两种技术,这两种天线技术互为补充,根据实际信道的变化灵活运用。
从国内相关TD-LTE试验网及商用网建设的测试结果来看,8天线和2天线组网存在区别:
首先,在成本上8天线比2天线单设备成本高;其次,在网络性能上,8天线TD-LTE网络的覆盖性和容量性能都优于2天线网络;再次,在工程施工以及运营维护难度上,8天线尺寸较大,施工难度相对较大,对站点天面资源要求较高,而2天线尺寸较小,施工难度较小,便于工程施工和快速建网。
对于LTEFDD系统建设而言,目前主要有2T2R和2T4R两种天线。
与2T2R天线相比,2T4R天线在覆盖性能上,可以获得3.5dB~4.5dB的反向增益,但其工程造价和工程实施难度要高于2T2R天线,因此在实际建网过程中,应根据不同场景和需要,灵活选择2T2R和2T4R天线进行网络部署。
4.终端策略
目前LTE终端主要有数据卡、CPE、模块、平板电脑、上网本、智能手机等。
在网络初期,LTE终端将以数据卡为主,之后可能逐渐采用LTE智能手机、平板电脑等终端。
在TD-LTE与LTEFDD融合组网时,终端需要支持更多的制式。
考虑到国际漫游问题,融合终端至少要支持TD-LTE、LTEFDD、GSM、WCDMA、WiFi等制式。
3GPP定义的FDD频段有26个,TDD频段有12个,LTE频段离散、频率间跨距大,且没有集中的全球漫游频段,终端支持多模频段已经成为必然选择。
随着载波聚合技术的应用,对于TD-LTE与LTEFDD融合网络终端的多频段支持能力要求将更高,这也将增加TD-LTE与LTEFDD融合网络终端实现难度。
针对LTE终端,中国移动提出了五模十频的要求,加大了芯片厂商的实现难度,目前只有高通、海思、联发科等少数厂商的产品,可以满足五模十频的要求。
因此从芯片角度考虑,满足未来TD-LTE与LTEFDD融合组网要求,还有一段很长的路要走。
LTE双流波束赋形技术研究
2013-02-21作者:
董宏伟,张守霞(中兴通讯)
波束赋形(Beamforming,BF)是自适应阵列智能天线的一种实现方式,是一种在多个阵元组成的天线阵列上实现的数字信号处理技术。
它利用有用信号和干扰信号在DoA(到达角)等空间信道特性上的差异,通过对天线阵列设置适当的加权值,在空间上隔离有用信号和干扰信号,实现降低用户间干扰,提升系统容量的目的。
BF技术已经在TD-LTE、WiMAX、TD-SCDMA等无线网络中得到了广泛的应用。
在LTE标准R8版本中,引入了单流BF技术,对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。
但是单流BF仅限于单流传输,其层映射和预编码是一对一的映射,并且在标准中只定义了波束赋形所需的专用导频端口,即端口5以及相应的CQI(ChannelQualityIndicator)上报机制。
在LTE标准R9版本中,将BF技术扩展到双流传输,实现波束赋形和空分多址的结合,进一步增大系统吞吐量。
为了支持双流BF,在R9中定义了新的传输模式和两个新端口(端口7和端口8),并且增加了新的控制信令。
下面将对双流BF技术原理、应用场景、仿真和实测性能分析等内容进行详细说明。
双流BF技术原理
根据调度用户的情况不同,双流BF技术可以分为单用户双流BF技术和多用户双流BF技术。
单用户双流BF
单用户双流BF技术,由基站测量上行信道,得到上行信道信息后,基站根据上行信道信息计算两个天线赋形权值,利用该赋形权值对要发射的两个数据流进行下行赋形。
采用单用户双流BF技术,使得单个用户在某一时刻可以进行两个数据流传输,同时获得赋形增益和空间复用增益,可以获得比单流BF技术更大的传输速率,进而提高系统容量。
此时,根据多天线理论可知,接收天线数不能小于空间复用的数据流数,即接收端至少需要有2根天线。
多用户双流BF
多用户双流BF技术,基站根据上行信道信息或者UE反馈的结果进行多用户匹配。
多用户配对完成后,按照一定的准则生成天线赋形权值,利用得到的天线赋形权值为每一个UE进行赋形。
多用户双流BF技术,利用了智能天线的波束定向原理和空间信道的不相关性,实现多用户的空分多址。
此时,各用户占用相同的时频资源,但两个用户接收不同的数据流。
(不懂?
)在多用户的双流BF模式下,多用户UE的配对可以是两个RANK=1的UE配对;也可以是两个RANK=2的UE配对;也可以是一个RANK=1和一个RANK=2的UE的配对。
后两种情况中UE通过DM-RS端口的加扰来区别。
双流BF技术应用场景
双流BF技术的出现,不仅能够最大限度地发挥BF在覆盖容量上的优势,而且能够进一步提升系统的频谱效率,适合于各类室外场景(如城区、郊区)的覆盖,最大限度地满足运营商对覆盖性能和频谱效率提升的双重需求,同时有效降低网络内的干扰。
常用的调度方法是,基站同时对2个用户发送数据,每用户各占一流。
当用户间的空间隔离度很好的情况下,基站侧可以同时对2个用户发送数据,每用户均使用两流BF,充分利用空分特性,进一步提高系统的峰值流量。
在低负载的情况下,可配对用户较少,所以可采用SU-MIMO(单用户MIMO)使系统获得更高数据峰值流量。
MU-MIMO(多用户MIMO)可在高负载时增加同时调度的用户数,同样可提高系统峰值流量。
双流BF的性能分析
为了比较双流BF与单流BF之间的频谱效率提升差异,我们进行了详细的系统仿真来评估其性能。
为了进一步验证双流BF与其他传输模式间的性能差异,选择在某TD-LTE外场进行实测分析。
仿真性能分析
仿真使用3GPP定义的宏小区仿真场景,仿真条件如表1所示。
仿真时只在中心小区进行均匀撒点,所有用户使用相同的传输机制。
同时假设干扰小区仅进行单流传输,从而计算其对中心小区用户的干扰。
此外用户端基于最小均方误差(MMSE)估计算法计算SINR,得到吞吐量。
双流BF的频谱效率CDF曲线如图1所示。
单流BF与双流BF仿真结果对比见表2。
从图1和表2中可以看出,相对于单流BF,双流BF形大约有16%的平均频谱效率提升,而且小区边缘频谱效率并没有损失。
(不懂?
)此外,相对于基于PMI(预编码矩阵指示)反馈模式的双流BF,非基于PMI反馈模式的双流BF可获得更高的频谱效率,更能提高小区吞吐量。
外场性能分析
在某TD-LTE外场中,对双流BF(TM8)的性能进行验证。
在一个主测小区中选择10个测试点(近点、中点、远点),每个测试点两部终端,分别记录邻接小区空扰和加扰情况下,每个测试点采用不同传输模式(TM3、TM7、TM8、自适应)的小区吞吐量。
系统关键参数设置如表3所示。
基站在不同传输模式下,小区平均吞吐量结果如表4所示。
从表4的测试结果看,空扰下的吞吐量TM3和TM3/7自适应基本相同,加扰下TM3/7自适应比TM3略高,而TM8的流量要高于TM3/7自适应。
主要是由于TM8和TM3/7自适应相比,TM8为双流BF,在信道质量好的测试点和信道质量一般的测试点能带来一定的双流BF增益。
另外TM8中双流BF和单流BF的切换是模式内切换,切换能够及时进行。
而TM3/7自适应的双流和BF单流切换为模式间切换,切换周期长,而且在切换的过程中需要空口信令交互,对流量会造成一定的损失。
从测试结果看,双流BF在定点的小区吞吐量测试中,在空扰和加扰的情况下,TM8优于TM3、TM3/7,比TM7模式更优,因此双流BF可以提高小区吞吐量。
随着无线通信系统的频率资源趋于饱和,频谱资源越来越宝贵,靠增加空口带宽来提升空口数据传输速率的方法极大地制约运营商无线网络的发展。
因此在频谱资源有限的情况下,如何解决有效提升频谱效率是众多无线运营商面临的难题。
从理论和实测结果看,双流BF技术不仅能够最大限度地发挥BF在覆盖容量上的优势,而且能够进一步提升系统的频谱效率,适合于各类室外场景的覆盖。
因此,双流BF最大限度地满足运营商对覆盖性能和频谱效率提升的双重需求。
波束赋形(XX百科)
波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术,波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束,从而能够获得明显的阵列增益。
因此,波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。
由于波束赋形带来的空间选择性,使得波束赋形与SDMA之间具有紧密的联系。
实际系统中应用的波束赋形技术可能具有不同的目标,如侧重链路质量改善(覆盖范围扩展、用户吞吐量提高)或者针对多用户问题(如小区吞吐量与干扰消除/避免)。
1、技术背景
波束赋形的目标是根据系统性能指标,形成对基带(中频)信号的最佳组合或者分配。
具体地说,其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真,同时降低同信道用户间的干扰。
因此,首先需要建立系统模型,描述系统中各处的信号,而后才可能根据系统性能要求,将信号的组合或分配表述为一个数学问题,寻求其最优解。
关于波束赋形的基本原理,可以首先考虑自由空间中电磁波的远场辐射情况。
(1)当只存在单个天线振子时,以同极化方向从各个角度对电场振幅进行观测时,信号是各向同性衰减的,即不存在方向选择性。
(2)如果增加一个同极化方向的振子,且两个振子处于同一位置时,即使两个天线发射信号可能存在一定的相差,但从任何角度观测,两列波的相差并不随观测角度的变化而发生变化,因此信号仍然不存在方向选择性。
(3)如果增加一个同极化方向的振子,且两个振子保持一定间隔,则两列波之间会发生干涉现象,即某些方向振幅增强,某些方向振幅减弱(振幅增强部分的能量来自于振幅减弱部分)。
出现上述现象的原因可由图3-23解释,假设观测点距离天线振子很远,可以认为两列波到达观测点的角度是相同的。
此时两列波的相位差将随观测角度的变化而变化,在某些角度两列波同相叠加导致振幅增强,而在某些方向反相叠加导致振幅减小。
图3-23
因此,如果能够根据信道条件,适当地控制每个阵元的加权系数,就有可能在增强期望方向信号强度的同时,尽可能降低对非期望方向的干扰。
对于TDD系统,可以方便地利用信道的互易性,通过上行信号估计信道传播向量或DoA(Direction-of-Arrival)并用其计算波束赋形向量。
对于FDD系统,也可以通过上行信号估计DoA等长期统计信息并进行下行赋形。
传统意义上的波束赋形或智能天线特指基于小间距(如阵元间距为波长/2)的单数据流空域预处理过程,而预编码则更多地偏重于基于大间距天线阵的多数据流空间复用预处理过程。
实际上,从广义角度考虑,波束赋形和预编码都属于阵列信号的预处理技术,它们所使用的算法可以是完全相同的,而波束赋形技术在无线接入网中也不再仅限于单流传输。
在TD-LTER8和R9中,一般习惯于将基于专用导频进行业务信道解调的传输方式称为波束赋形(如传输模式7和8),而将基于公共导频和下行控制信息中的PrecodingInformation域进行业务信道解调的传输方式称为预编码。
波束赋形技术已经在TD-SCDMA系统中得到了成功的应用,在TD-LTER8中也采用了波束赋形技术。
在TD-LTER8的PDSCH传输模式7中定义了基于单端口专用导频的波束赋形传输方案。
TD-LTER9中则将波束赋形技术扩展到了双流传输方案中,通过新定义的传输模式8引入了双流波束赋形技术,并定义了新的双端口专用导频与相应的控制、反馈机制。
2、波束赋形原理
在发射端,波束赋形器控制每一个发射装置的相位和信号幅度,从而在发射出的信号波阵中获得需要相长和相消干涉模式。
在接收端,不同接收器接收到的信号被以一种恰当的方式组合起来,从而获得期盼中的信号辐射模式。
以水下声纳发射为例,我们希望向远处的船只发送一束集中尖锐的声纳信号。
如果声纳发射装置的每个声纳发生器同时向一艘船发声纳信号,由于远方船只的方位角度,有的声纳发射器的信号先到达船只,有的声纳发射器的信号后到达船只,无法做到让所有声纳信号发生器的信号同时到达这条船只。
有了波束赋形技术,就可以调整不同声纳发生器的信号发射时间(离船远的先发信号,离船近的后发信号),这样,所有的声纳信号就能同时击中船只,获得一个强大的声纳脉冲信号击中船只的效果。
在被动式声纳系统或者主动式声纳的接收端,波束赋形技术为不同的水下听音器收集到的信号加上不同的时延(离开目标最近的水下听音器加上最长的时延),这样就能同时听到所有水下听音器的声音,就像声音是来自同一个水下听音器,从而获得最佳的效果。
1).系统模型
根据应用场合的不同,一般可以将波束赋形算法分为上行链路应用以及下行链路应用。
无论是哪种情况,总可以用一个时变矢量(MIMO)信道来描述用户端与基站端的信号关系。
对于上行链路,多个发射信号实质上是K个用户设备同时发送的信号,基站则使用多个天线单元接收信号,对其进行处理和检测,这时发送端的信号分配仅在各个支路分别进行;对于下行链路,基站仍可能使用多个天线单元向特定用户发射信号,但用户设备使用单天线检测与其有关的信号,这时接收部分降为一维,信号组合也仅对于单路信号进行。
根据系统模型,就可以描述发送端的原始信号与接收端实际接收信号之间的关系,通常根据
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