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1、MIMO系統(tǒng)容量的計(jì)算方法上網(wǎng)時(shí)間:2007年11月06日打印版   推薦給同仁   發(fā)送查詢(xún)  用于多輸入多輸出結(jié)構(gòu)的天線(xiàn)單元會(huì)影響無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量并能對(duì)抗多徑效應(yīng)。提高性能的一個(gè)關(guān)鍵是為系統(tǒng)方案尋找MIMO優(yōu)化設(shè)計(jì),使得無(wú)需增加天線(xiàn)單元,只優(yōu)化現(xiàn)有天線(xiàn)就能達(dá)到目的。 Thaysen等人描述了互方向、位置以及互耦對(duì)在無(wú)限大地平面上兩個(gè)相同天線(xiàn)間包絡(luò)互相關(guān)性的影響,為確定包絡(luò)相關(guān)與固定方向上距離的關(guān)系以及互耦合同固定距離時(shí)天線(xiàn)方向旋轉(zhuǎn)的關(guān)系,他們還研究了使用兩個(gè)彼此靠近,在同一地平面的相同PIFA時(shí)的對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)耦合的情況,其結(jié)果(使用IE3

2、D仿真軟件仿真)闡明了如何確定天線(xiàn)指向與位置來(lái)使包絡(luò)相關(guān)最小。研究了兩種不同情形:一種是使用平行PIFA,另一種是天線(xiàn)間具有垂直關(guān)系,如圖1所示(水平距離d的定義使得圖1a的情形中,d為正值。)對(duì)于平行情況(圖1a),天線(xiàn)間距為10毫米,這時(shí)包絡(luò)相關(guān)系數(shù)是e=0.8,把其中一副天線(xiàn)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)180度,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)就降低到e=0.4。類(lèi)似結(jié)果對(duì)于垂直天線(xiàn)結(jié)構(gòu)(圖1b)也能觀(guān)察到,這時(shí)包絡(luò)相關(guān)系數(shù)從e=0.5下降到e=0.25。在垂直結(jié)構(gòu)中,當(dāng)開(kāi)路端與饋線(xiàn)垂直時(shí)包絡(luò)相關(guān)系數(shù)最大。 研究者們發(fā)現(xiàn)在平行天線(xiàn)情況下中心頻率偏移(|S11|最小)受影響最大,每副天線(xiàn)在相同端都有饋入點(diǎn),可觀(guān)察到12%的頻偏

3、變化。與單副P(pán)IFA單元相比,另一種情形(兩副天線(xiàn)互相垂直情況)變化量低于2%。平行結(jié)構(gòu)的最大包絡(luò)相關(guān)系數(shù)是e=0.8,當(dāng)天線(xiàn)彼此交疊垂直時(shí),饋線(xiàn)均在同一端的情況下包絡(luò)相關(guān)系數(shù)取得最大值。 此外,可發(fā)現(xiàn)互耦與包絡(luò)相關(guān)系數(shù)幾乎呈指數(shù)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),互耦極限為-10dB,在該極限以下,包絡(luò)相關(guān)系數(shù)幾乎為恒定值,達(dá)到e=0.15,因此,降低互耦的努力將受限于這個(gè)水平。 把天線(xiàn)置于有限平面會(huì)影響其性能。圖2給出的設(shè)計(jì),是按照平面倒F天線(xiàn)(PIFA)的輸入阻抗和帶寬來(lái)優(yōu)化天線(xiàn)(即改變饋入點(diǎn)跟到地點(diǎn)間的距離,這取決于PIFA在地平面的位置)。對(duì)一些性能參數(shù)(相關(guān)性和帶寬)組合優(yōu)化可選出最佳天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。不過(guò),

4、移動(dòng)電話(huà)的外蓋、人手、和頭部的鄰近效應(yīng)也應(yīng)包括進(jìn)分析當(dāng)中。這樣,當(dāng)把外蓋、手、頭的影響考慮進(jìn)來(lái)時(shí),最優(yōu)結(jié)構(gòu)的結(jié)果就可能稍有不同。 在MIMO應(yīng)用中,低包絡(luò)相關(guān)是必要的,天線(xiàn)位置和方向不僅要根據(jù)包絡(luò)相關(guān)性,還要根據(jù)帶寬來(lái)優(yōu)化。已發(fā)現(xiàn)對(duì)于二元天線(xiàn)結(jié)構(gòu),優(yōu)化的位置和方向?qū)τ贛IMO性能,即帶寬和天線(xiàn)間的包絡(luò)相關(guān),并不是獲得最低包絡(luò)相關(guān)性的必要因素。某種帶寬也是必需的。把包絡(luò)相關(guān)性和帶寬同時(shí)考慮進(jìn)來(lái),就會(huì)發(fā)現(xiàn)B4結(jié)構(gòu)形式能給出最佳性能。這里頻帶以1.79GHz為中心,其寬度為為中心頻率的12.2%;包絡(luò)相關(guān)系數(shù)低于0.1,最強(qiáng)互耦為-7.7dB。 從Thaysen等人研究的十五種不同雙天線(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)看,包

5、絡(luò)相關(guān)性與互耦之間的關(guān)系顯示出低互耦會(huì)帶來(lái)低包絡(luò)相關(guān)性。不過(guò),低包絡(luò)相關(guān)性卻并非必然因?yàn)榈突ヱ?,還有,可觀(guān)察到低互耦會(huì)導(dǎo)致低帶寬,這主要是這些結(jié)構(gòu)中天線(xiàn)的阻抗匹配不好引起(高反射系數(shù))。產(chǎn)生高互耦的那些結(jié)構(gòu)也會(huì)帶來(lái)高帶寬。Thaysen等人斷定高耦合會(huì)降低對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的自由選擇范圍。 考慮到增加的復(fù)雜性,相對(duì)于添加額外天線(xiàn)單元,則對(duì)給定數(shù)目的天線(xiàn)單元進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化有可能列為首選。在參考文獻(xiàn)6里,對(duì)MIMO系統(tǒng)的評(píng)估完全基于天線(xiàn)性能,如包絡(luò)相關(guān)性、互耦、諧振頻率、帶寬和天線(xiàn)輻射效率,其中包絡(luò)相關(guān)性和帶寬特別受關(guān)注。然而,MIMO真正的優(yōu)勢(shì)應(yīng)當(dāng)是提高容量,因此,該對(duì)容量做出評(píng)估。為得到全部好處,也應(yīng)該

6、評(píng)估多徑環(huán)境下的容量。 計(jì)算MIMO系統(tǒng)的容量需要知曉傳播環(huán)境和天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的信息。對(duì)MIMO天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)評(píng)價(jià)要求在MIMO天線(xiàn)結(jié)構(gòu)下進(jìn)行多單元傳播測(cè)量。得到多單元傳播測(cè)量的一種方法是表征出真實(shí)散射環(huán)境下的實(shí)際原型。然而這是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程。此外,整個(gè)測(cè)量都必須針對(duì)所有天線(xiàn)方案反復(fù)進(jìn)行。 Thaysen等人提出基于MIMO天線(xiàn)性能評(píng)估的測(cè)量方法。給出的結(jié)果融合了采用MIMO耦合矩陣測(cè)試時(shí)的天線(xiàn)復(fù)雜輻射模式。MIMO耦合矩陣代表在赫爾辛基市區(qū)測(cè)得的一個(gè)小型宏單元MIMO環(huán)境(例如,見(jiàn)參考文獻(xiàn)39的地圖)。MIMO耦合矩陣由赫爾辛基技術(shù)大學(xué)Vainikainen博士領(lǐng)導(dǎo)的小組測(cè)量得到。 通過(guò)這些多

7、單元傳播測(cè)量方法可以得到天線(xiàn)單元輻射模式下測(cè)得的傳播路徑組合。不過(guò),這要求提取全雙向傳播信道參數(shù)。測(cè)量建立了一個(gè)線(xiàn)性發(fā)射天線(xiàn)陣和球形接收天線(xiàn)陣,構(gòu)成信道探測(cè)器用來(lái)測(cè)量無(wú)線(xiàn)信道的空間和時(shí)間特征,天線(xiàn)陣均采用雙極化轉(zhuǎn)接天線(xiàn)。 發(fā)射天線(xiàn)陣由八個(gè)定向雙極化天線(xiàn)單元組成,它們彼此相距半個(gè)波長(zhǎng)(0.5),對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理時(shí)要從天線(xiàn)陣選出不同數(shù)目的單元。天線(xiàn)發(fā)射功率被限制到+26dBm。球形接收天線(xiàn)陣由32個(gè)單元組成,每個(gè)單元都跟發(fā)射天線(xiàn)陣的天線(xiàn)單元相似。位于球面的單元被用于接收端移動(dòng)站。一個(gè)雙極化單元由兩個(gè)正交的通道組成,即與極化饋接。入射角測(cè)量的均方根(RMS)誤差大致為1度。該測(cè)量系統(tǒng)最初是為SI

8、MO系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的,但被擴(kuò)展到MIMO測(cè)量。 基站信號(hào)與接收端移動(dòng)臺(tái)信號(hào)通過(guò)矩陣H相關(guān)聯(lián),矩陣H代表多徑環(huán)境中在某個(gè)時(shí)刻以及天線(xiàn)空間位置的傳輸關(guān)系,表示為: 這里y(t)是基站傳輸信號(hào),可表示為: s(t)則是移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào): 矩陣H從下式得到: 這里i,j是從天線(xiàn)i到天線(xiàn)j的復(fù)傳輸系數(shù)。這些結(jié)果僅限于頻率扁平衰落信道,因此相應(yīng)的輸入輸出關(guān)系可被簡(jiǎn)化成B=H(t)A,這里H是窄帶矩陣,它描述了多徑環(huán)境中在給定時(shí)間t和天線(xiàn)空間位置的MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)從第m個(gè)發(fā)射天線(xiàn)到第n個(gè)接收天線(xiàn)的復(fù)雜信道。聯(lián)合測(cè)量得到的天線(xiàn)輻射模式和測(cè)量得到的MIMO信道,可以計(jì)算出MIMO系統(tǒng)容量。為計(jì)算容量,測(cè)量值必須是單個(gè)天

9、線(xiàn)單元的輻射模式,這時(shí)仍需考慮其它所有單元的存在(但需要端接表示其端口電源阻抗的負(fù)載)。文獻(xiàn)8中,復(fù)雜輻射模式在屏蔽室測(cè)量得到。分別在自由空間和更接近實(shí)際情況的環(huán)境下進(jìn)行各種測(cè)量,更接近實(shí)際情況的環(huán)境即指天線(xiàn)貼近假手和頭部來(lái)確定近似的效果。為了使MIMO評(píng)估獲得盡量真實(shí)的結(jié)果,結(jié)果包括測(cè)量的宏單元MIMO環(huán)境,并結(jié)合了所研究的MIMO系統(tǒng)天線(xiàn)的輻射模式。 在SISO系統(tǒng)中,只有一個(gè)發(fā)射通道,用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)信道的香農(nóng)容量是: 這里,SNR是信號(hào)噪聲比。在未知信道特征的條件下,分配發(fā)射功率的最好辦法是把功率平均分配給所有的發(fā)射天線(xiàn)單元。在信道未知和均勻分配功率的條件下,這樣一個(gè)MIMO系統(tǒng)的容

10、量定義為: 這里I是單位矩陣、(*)表示共軛轉(zhuǎn)置、H是MIMO系統(tǒng)信道矩陣。 已經(jīng)證明,當(dāng)m=min(M, N)時(shí)等式6中的容量會(huì)線(xiàn)性增長(zhǎng),而不是像分集情況那樣呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。 容量公式在窄帶假定下有效,即假定為頻率扁平衰落MIMO信道。如果信道是頻率選擇性的,矩陣H依賴(lài)于頻率,這種情形下,應(yīng)當(dāng)在整個(gè)傳輸帶寬內(nèi)作積分來(lái)計(jì)算此種情況的容量。 假定發(fā)射信道已知,信號(hào)傳輸按照優(yōu)化信道容量的方式被分配到所有傳輸天線(xiàn)??偘l(fā)射功率分配讓那些有更高增益的信道獲得更多的功率,而有較小增益的信道獲得較少功率甚至沒(méi)有功率。這種技術(shù)被稱(chēng)作注水法。 對(duì)于已知MIMO全部特征的發(fā)射機(jī),最大可得容量與注水法相當(dāng)。實(shí)際當(dāng)中,由

11、于信道的時(shí)間選擇性,延遲或缺少來(lái)自接收機(jī)的反饋,可得到的特征可能只有一部分。不過(guò),即便利用這些不完全特征,同沒(méi)有任何先驗(yàn)知識(shí)的信道比起來(lái),也可以得到明顯改善。比起在低信噪比時(shí)均勻分配功率的方案,注水法有著明顯的優(yōu)勢(shì)。信噪比低時(shí),注水技術(shù)搜索H矩陣的最大特征值,并通過(guò)一種單一模式(信道)發(fā)送全部功率。當(dāng)信噪比為中間值時(shí),較功率均勻分配方案注水法仍然可以改善容量。不過(guò),這種優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著信噪比增加而下降。在SNR為中間值時(shí),注水技術(shù)使用L形天線(xiàn)陣,這里1<L文獻(xiàn)8給出了三種簡(jiǎn)單但合乎實(shí)際的二元和三元天線(xiàn)結(jié)構(gòu)(圖3)的容量和分集增益。信道數(shù)據(jù)在赫爾辛基市區(qū)的小宏單元環(huán)境下測(cè)試得到。這些結(jié)果對(duì)自由空

12、間輻射模式和說(shuō)話(huà)位置(即假手和假頭一旁)輻射模式都適合。文獻(xiàn)8中,發(fā)射機(jī)對(duì)信道未知,因此采用等功率分配法計(jì)算容量,即利用等式6。 用自由空間輻射模式計(jì)算,在(2, 2)系統(tǒng)中,所提出的二元天線(xiàn)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3a)會(huì)產(chǎn)生50%的減量信道容量C0.5,其值為5.0b/s/Hz??梢杂^(guān)察到,在假手和假頭一旁的說(shuō)話(huà)位置,此輻射模式下容量有0.1b/s/Hz的輕微下降。這種差異來(lái)自天線(xiàn)1和天線(xiàn)2總效率峰值之比,跟自由空間的結(jié)果相比,該比值要略低。兩種情形下,平均接收SNR都選擇為10dB。 使用多于一付天線(xiàn)獲得的增益是經(jīng)過(guò)最大比率結(jié)合(MRC)之后的功率與更強(qiáng)分支功率(Br1與天線(xiàn)1有關(guān),Br2與天線(xiàn)2有關(guān)

13、)之差,更強(qiáng)分支功率該結(jié)果受分支功率差影響嚴(yán)重。如圖4b所示,MRC為4.8dB高于Br1。在50%的概率水平p,Br1與Br2之間的差(Br2-Br1)是2.8dB。當(dāng)考慮測(cè)量得到的總效率時(shí),天線(xiàn)1的分支功率最大的事實(shí)看起來(lái)很合理,因?yàn)樘炀€(xiàn)1有著最高的總效率。 三元天線(xiàn)結(jié)構(gòu),即(3, 3)MIMO系統(tǒng),使用自由空間輻射模式,其50%減量信道容量C0.5是7.1b/s/Hz(圖3b)。即使天線(xiàn)2的分支功率低于MRC16.8dB,同(2, 2)MIMO結(jié)構(gòu)相比,其對(duì)容量的改善也有1.5b/s/Hz。通過(guò)設(shè)計(jì)多天線(xiàn)系統(tǒng)使得不同天線(xiàn)的效率在一定程度上可比較,能夠使容量進(jìn)一步得到優(yōu)化。當(dāng)把這些天線(xiàn)安裝

14、到移動(dòng)電話(huà)中后(圖3c),可以觀(guān)察到相同的趨勢(shì)。當(dāng)把天線(xiàn)整合到一部手機(jī)中時(shí),測(cè)量的自由空間輻射效率大致低于20%,該事實(shí)并不影響自由空間容量,仍然保持為7.1b/s/Hz。這是因?yàn)?,在自由空間測(cè)得的峰值總效率之間的比值也保持不變。當(dāng)三副天線(xiàn)被整合到一部電話(huà)里時(shí),把天線(xiàn)放到假手和假頭附近,在1.71.9GHz的范圍內(nèi)測(cè)得的輻射效率在4%到14%之間。平均之,這比安裝在地平面的三元天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的效率要低。但由于天線(xiàn)2非常低的輻射效率(低于2%),天線(xiàn)單元之間的效率比也減少了,這樣容量達(dá)到0.5b/s/Hz,高于三元天線(xiàn)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)沒(méi)有安裝到手機(jī)中。 容量與天線(xiàn)單元數(shù)量之間在理論上的線(xiàn)性關(guān)系得到Thay

15、sen等人的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這種關(guān)系在早期關(guān)于MIMO的研究工作中也得到推測(cè),容量隨信噪比增加而增加(圖5)。在低信噪比時(shí)(即低于5dB),使用三元天線(xiàn)的容量跟使用二元天線(xiàn)的容量差異很小;當(dāng)SNR=0dB時(shí),差異為0.5b/s/Hz;說(shuō)話(huà)位置模式下的容量為1.6b/s/Hz,這是最低值。用SNR為50dB時(shí)額外天線(xiàn)獲得的增益達(dá)到說(shuō)話(huà)位置模式43b/s/Hz的容量,這比二元天線(xiàn)結(jié)構(gòu)下可獲得的容量高出14b/s/Hz。SNR為50dB時(shí),SISO系統(tǒng)容量的香農(nóng)極限為16.6b/s/Hz,這大約是(2, 2)系統(tǒng)一半的容量,是(3, 3)MIMO系統(tǒng)容量的三分之一。類(lèi)似關(guān)系可以在文獻(xiàn)3,5,9中找到。 M

16、IMO系統(tǒng)基于兩個(gè)或更多子信道以相同帶寬同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。Thaysen等人針對(duì)這里采用的三種不同結(jié)構(gòu),討論了增加傳輸單元對(duì)平均容量的影響。在發(fā)射天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中簡(jiǎn)單地增加更多單元,容量會(huì)得到增加。對(duì)于Thaysen等提出的二元天線(xiàn)結(jié)構(gòu),說(shuō)話(huà)位置模式的容量從簡(jiǎn)單分集結(jié)構(gòu)時(shí)的4.1b/s/Hz增加到完整(2, 2)MIMO系統(tǒng)時(shí)的4.9b/s/Hz。對(duì)三個(gè)發(fā)射單元,兩個(gè)接收單元(3, 2)的情況,容量達(dá)到5.2b/s/Hz,這意味著額外的發(fā)射天線(xiàn)會(huì)帶來(lái)額外0.3b/s/Hz容量的增長(zhǎng)。對(duì)于安裝在手機(jī)內(nèi)部的三元天線(xiàn)結(jié)構(gòu),當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)數(shù)量從1增加到7時(shí),說(shuō)話(huà)位置模式的容量從4.7b/s/Hz增加到8.2b/s/

17、Hz。超過(guò)4個(gè)發(fā)射天線(xiàn),總?cè)萘康脑黾訒?huì)小于每副天線(xiàn)所帶來(lái)的增長(zhǎng)之和,這跟發(fā)射單元數(shù)小于3時(shí)不同。從一副發(fā)射天線(xiàn)到四副發(fā)射天線(xiàn),說(shuō)話(huà)位置模式的容量從4.7增加到7.4b/s/Hz,相當(dāng)于最后三副天線(xiàn)每一副帶來(lái)0.8b/s/Hz的增加。最明顯的改善是從一副天線(xiàn)增加到兩副,即從(1, 3)改變到(2, 3)MIMO系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)記住,m=min(M, N)時(shí)容量呈線(xiàn)性增長(zhǎng),而在分集情況下則是呈對(duì)數(shù)增加,這跟理論是一致的。Sulonen等人曾得出類(lèi)似的關(guān)系。 最近,Molisch等人演示了一種考慮簡(jiǎn)單分集的MIMO系統(tǒng),即在鏈路一端或雙端進(jìn)行分集的情況。這種結(jié)構(gòu)使用源自(N,N)MIMO系統(tǒng)的L形天線(xiàn)單元

18、,該方法產(chǎn)生出一種簡(jiǎn)化的MIMO系統(tǒng),其復(fù)雜度相對(duì)于完整(N, N)MIMO系統(tǒng)也得到簡(jiǎn)化。其中,Vaughan指出發(fā)射或者接收分集可改善鏈路質(zhì)量。 Lebrun等建議用兩種辦法降低復(fù)雜度,其中一種基于SNR,另外一種基于信號(hào)強(qiáng)度。Lebrun等人給出的結(jié)果基于采用注水法的已知信道。在文獻(xiàn)8里,容量是在發(fā)射端對(duì)信道未知的假定下計(jì)算得到的,而且假定功率均勻分配到各天線(xiàn)。增加額外天線(xiàn)會(huì)增加容量,不過(guò),這會(huì)使天線(xiàn)單元性能下降,因?yàn)樘炀€(xiàn)單元間的距離減少了。這樣一來(lái),跟理論上容量提高相比,額外天線(xiàn)單元帶來(lái)的好處可能會(huì)減少,所以,當(dāng)增加天線(xiàn)單元時(shí),在容量和MIMO系統(tǒng)復(fù)雜度之間要有一個(gè)折中。考慮復(fù)雜度降低

19、,相對(duì)于增加天線(xiàn)單元,則首選細(xì)致優(yōu)化給定數(shù)量的天線(xiàn)單元。圖6顯示了二元天線(xiàn)與三元天線(xiàn)結(jié)構(gòu)中發(fā)射單元數(shù)目不同時(shí)的容量。 Thaysen等人還研究了接收方與發(fā)射方天線(xiàn)數(shù)量不同時(shí)簡(jiǎn)化MIMO系統(tǒng)的影響。他們推斷,從容量的角度來(lái)看,比較(1, 3)發(fā)射分集系統(tǒng)(C0.5為4.7b/s/Hz)而言,最好采用完整(2,2)MIMO系統(tǒng)(C0.5為4.9b/s/Hz)。他們認(rèn)識(shí)到,比起增加額外發(fā)射天線(xiàn)(3, 2),最好采用額外接收天線(xiàn),即(Tx, Rx)=(2, 3)。接收分集設(shè)置具有5.8b/s/Hz的容量,這比發(fā)射分集結(jié)構(gòu)高出0.6b/s/Hz。該結(jié)論跟Foschini等人給出的結(jié)果是一致的。3對(duì)于已知

20、信道,接收分集結(jié)構(gòu)會(huì)給出與發(fā)射分集結(jié)構(gòu)相同的容量。須牢記,MIMO系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度隨著天線(xiàn)數(shù)量的增加而增加。天線(xiàn)選擇可以用作一種簡(jiǎn)單方法來(lái)增加MIMO天線(xiàn)結(jié)構(gòu)的容量,而使硬件復(fù)雜度提高最少。 致謝 本研究受到丹麥諾基亞公司的贊助。作者要感謝丹麥技術(shù)大學(xué)的Elna S rensen校閱本文;還要感謝赫爾辛基諾基亞研究中心的Kimmo Kalliola,赫爾辛基技術(shù)大學(xué)的Pasi Suvikunnen和Petri Vainikainen博士,奧爾堡大學(xué)的J'rgen Bach Andersen博士,以及丹麥技術(shù)大學(xué)的Erik Bruun博士諸位對(duì)本文所作頗有價(jià)值的評(píng)論。 參考資料 參考資料

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