ES2277083T3 - Estimacion de datos basada en una ecualizacion de canales por segmentos. - Google Patents

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Abstract

Método para estimar datos de una pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas, siendo recibida la pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas en un espectro compartido, comprendiendo el método: muestrear las comunicaciones recibidas para producir un vector recibido; procesar el vector recibido para producir una pluralidad de segmentos (48); procesar cada segmento independientemente (50) para estimar datos de las comunicaciones recibidas; en el que los segmentos comprenden porciones solapadas (Y1, Y2) del vector recibido y el procesamiento de cada segmento comprende la ecualización (54) de cada segmento, caracterizado porque el procesamiento de cada segmento (48) comprende, después de la ecualización del segmento, los pasos adicionales de descartar (56) las porciones solapadas (Y1, Y2) de los segmentos seguido por la anulación (58) de la diseminación de cada segmento.

Description

Estimación de datos basada en una ecualización de canales por segmentos.
Antecedentes
La invención se refiere generalmente a sistemas de comunicación inalámbricos. En particular, la invención se refiere a la detección de datos en un sistema de comunicación inalámbrico.
La figura 1 es una ilustración de un sistema de comunicación inalámbrico 10. El sistema de comunicación 10 tiene estaciones base 12 a 12_{5} (12) que comunican con equipos de usuario (UEs) 14_{1} a 14_{3} (14). Cada estación base 12 tiene un área operativa asociada en la que se comunica con UEs 14 en su área operativa.
En algunos sistemas de comunicación, tales como acceso múltiple por división de código (CDMA) y acceso múltiple por división de código que utiliza dúplex de división de tiempo (TDD/CDMA), las comunicaciones múltiples se envían sobre el mismo espectro de frecuencia. Esas comunicaciones se diferencian por sus códigos de canalización. Para utilizar más eficientemente el espectro de frecuencia, los sistemas de comunicación TDD/CDMA utilizan tramas repetitivas divididas en espacios temporales para la comunicación. Una comunicación enviada a tal sistema tendrá uno o múltiples códigos y espacios temporales asociados asignados a la misma. El uso de un código en un espacio temporal se denomina unidad de recurso.
Puesto que pueden enviarse múltiples comunicaciones en el mismo espectro de frecuencia y al mismo tiempo, un receptor en tal sistema debe distinguir entre las comunicaciones múltiples. Un enfoque para detectar tales señales es la detección conjunta. En la detección conjunta, las señales asociadas con todos los UEs 14, los usuarios, son detectadas simultáneamente. Enfoques para la detección conjunta incluyen ecualizadores lineales de bloques con forzamiento a cero (ZF-BLE) y BLE de error cuadrático medio mínimo (MMSE). Los métodos para desarrollar ZF-BLE o MMSE-BLE incluyen enfoques basados en la descomposición de Cholesky y en la transformada rápida de Fourier (FFT). Estos enfoques tienen una elevada complejidad. La elevada complejidad lleva a un consumo incrementado de potencia que, en el UE 14, da como resultado una vida reducida de la batería. En consecuencia, es deseable tener enfoques alternativos para detectar los datos recibidos.
El documento "Comparative Study of Joint-Detection Techniques for TD-CDMA Based Mobile Radio Systems" ("Estudio comparativo de técnicas de detección conjunta para sistemas de radio móviles basados en TD-CDMA") de Vollmer et al. describe técnicas que reducen la complejidad computacional de la tarea de detección conjunta explotando una estructura de bloques de Sylvester de la matriz del sistema e incorporando aproximaciones diferentes. El documento se centra en las técnicas de Fourier, dado que éstas tienen la complejidad computacional más pequeña y consiguen las mismas prestaciones que el algoritmo de detección conjunta, que no utiliza ninguna aproximación.
El libro de texto "Adaptive Filter Theory" ("Teoría del filtro adaptativo") de Haykin et al. describe una técnica de seccionamiento conocida como "método de solapar-salvar", en la que una secuencia infinitamente larga es seccionada en bloques con muestras solapadas. El "método de solapar-salvar" se utiliza para señales de filtrado lineales que, para todos los fines prácticos, son de longitud infinita.
Sumario
Se estiman datos de una pluralidad de señales de espectro diseminado recibidas. La pluralidad de comunicaciones recibidas se recibe en un espectro compartido. Las comunicaciones recibidas son muestreadas para producir un vector recibido. El vector recibido es procesado para producir una pluralidad de segmentos. Cada segmento se procesa independientemente para estimar los datos de las comunicaciones recibidas.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una ilustración de un sistema de comunicación inalámbrico de espectro diseminado.
La figura 2 es una ilustración de un transmisor y un receptor de detección de datos con ecualización de canales por segmentos.
La figura 3 es una ilustración de una ráfaga de comunicación y una segmentación de campos de datos de la ráfaga de comunicación.
La figura 4 es un diagrama de flujo de un receptor de detección de datos con ecualización de canales por segmentos.
Descripción detallada de la(s) realización(es) preferida(s)
La figura 2 ilustra un transmisor 26 y un receptor 28 simplificados que utilizan una estimación de datos basada en una ecualización de canales por segmentos en un sistema de comunicación TDD/CDMA, aunque la ecualización de canales por segmentos es aplicable a otros sistemas, tales como sistemas CDMA dúplex por división de frecuencia (FDD) u otros sistemas híbridos de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA)-CDMA. En un sistema típico, un transmisor 26 está dispuesto en cada UE 14 y múltiples circuitos de transmisión 26 que envían múltiples comunicaciones están dispuestos en cada estación base 12. El receptor 28 de ecualización de canales por segmentos puede estar dispuesto en una estación base 12, en los UEs 14 o en ambos.
El transmisor 26 envía datos sobre un canal de radio inalámbrico 30. Un generador de datos 32 en el transmisor 26 genera datos que han de ser comunicados al receptor 28. Un dispositivo de modulación y diseminación 34 disemina los datos y hace que los datos de referencia diseminados sean multiplexados en el tiempo con una secuencia de entrenamiento intermedia en el espacio temporal y los códigos asignados apropiados para diseminar los datos, produciendo una ráfaga o ráfagas de comunicación.
Una ráfaga de comunicación típica 16 tiene una secuencia intermedia 20, un período de guarda 18 y dos campos de datos 22, 24, como se muestra en la figura 3. La secuencia intermedia 20 separa los dos campos de datos 22, 24 y el período de guarda 18 separa las ráfagas de comunicación para permitir la diferencia en los tiempos de llegada de las ráfagas transmitidas desde diferentes transmisores 26. Los dos campos de datos 22, 24 contienen los datos de la ráfaga de comunicación.
La ráfaga o ráfagas de comunicación son moduladas por un modulador 36 a radiofrecuencia (RF). Una antena 38 irradia la señal RF a través del canal de radio inalámbrico 30 hasta una antena 40 del receptor 28. El tipo de modulación utilizada para la comunicación transmitida puede ser cualquiera de las conocidas por los expertos en la técnica, tales como manipulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) o modulación de amplitud en cuadratura M-aria (QAM).
La antena 40 del receptor 28 recibe diversas señales de radiofrecuencia. Las señales recibidas son desmoduladas por un desmodulador 42 para producir una señal de banda de base. La señal de banda de base es muestreada por un dispositivo de muestreo 43, tal como uno o múltiples convertidores de analógico a digital, a la tasa de fragmentos o a un múltiplo de la tasa de fragmentos de las ráfagas transmitidas para producir un vector recibido r. Se procesan las muestras, tal como por un dispositivo de estimación de canal 44 y un dispositivo 46 de detección de datos con ecualización de canales por segmentos, en el espacio temporal y con los códigos apropiados asignados a las ráfagas recibidas. El dispositivo de estimación de canal 44 usa el componente de la secuencia de entrenamiento intermedia en las muestras de banda de base para proporcionar información de canal, tal como respuestas de impulso de canal. Las respuestas de impulso de canal pueden verse como una matriz H. La información de canal y los códigos de diseminación utilizados por el transmisor son empleados por el dispositivo 46 de detección de datos con ecualización de canales por segmentos para estimar los datos transmitidos de las ráfagas de comunicación recibidas como símbolos blandos d.
Aunque se explica la ecualización de canales por segmentos utilizando el sistema TDD de acceso de radio terrestre universal (UTRA) del proyecto de asociación de tercera generación (3GPP) como el sistema de comunicación subyacente, es aplicable a otros sistemas. Ese sistema es un sistema CDMA de banda ancha de secuencia directa (W-CDMA) en el que las transmisiones de enlace ascendente y de enlace descendente se confinan a espacios temporales mutuamente exclusivos.
Las comunicaciones recibidas pueden verse como un modelo de señal según la ecuación 1.
100
r es el vector recibido. H es la matriz de respuesta de canal, n es el vector de ruido, s es el vector de datos diseminados, que es la convolución de los códigos de diseminación C y el vector de datos d según la ecuación 2.
101
La ecualización de canales por segmentos divide el vector recibido r en segmentos y procesa cada segmento por separado como se muestra en la figura 4, paso 50. La figura 3 ilustra también la segmentación de una ráfaga de comunicación. Cada campo de datos de la ráfaga tiene N fragmentos de longitud. Los campos de datos están divididos en M segmentos 48_{11}-48_{1M}, 48_{21}-48_{2M} (48). La siguiente exposición utiliza una longitud Y de segmento uniforme para cada segmento 48, aunque los segmentos 48 basados en la implementación exacta pueden ser de diferentes longitudes. Antes de procesar cada segmento 48, se agregan Y1 fragmentos al segmento antes de cada segmento y se agregan Y2 fragmentos al segmento 48 después de cada segmento 48, paso 52. En general, la longitud resultante de cada segmento procesado 48 es Z = Y + Y1 + Y2.
Para segmentos 48_{12}-48_{1M-1}, 48_{22}-48_{2M-1} que no estén en los extremos de los campos de datos, Y1 e Y2 se solapan con otros segmentos 48. Puesto que nada precede al primer segmento 48_{11} del primer campo de datos 22, no se toman Y1 fragmentos antes de ese segmento. La ecualización de canales por segmentos puede realizarse en los Y + Y2 fragmentos. Para fines de implementación, puede ser deseable hacer así que cada segmento 48 sea de una longitud uniforme. Para el primer segmento 48_{11}, esto puede realizarse rellenando, tal como rellenando con ceros, el comienzo del segmento o extendiendo los fragmentos analizados en el extremo trasero desde Y2 hasta Y2 + Y1. Para el último segmento 48_{1M} del primer campo de datos 22, Y2 son los primeros Y2 fragmentos de la secuencia intermedia 20. Para el primer segmento 48_{21} del segundo campo de datos 24, Y1 se extiende dentro de la secuencia intermedia 20. Para el último segmento 48_{2M} del segundo campo de datos 24, Y2 se extiende dentro del período de guarda 18.
Preferiblemente, tanto Y1 como Y2 son al menos la longitud de la respuesta de impulso W menos un fragmento (W-1). La respuesta de impulso del último fragmento en cada segmento se extiende en W-1 fragmentos dentro del siguiente segmento. A la inversa, la respuesta de impulso del fragmento más lejano antes de un segmento que se extiende dentro de ese segmento está W-1 fragmentos por delante del segmento. El uso de W-1 fragmentos antes del segmento permite que toda la influencia de todos los fragmentos anteriores sea ecualizada fuera del segmento deseado. El uso de W-1 fragmentos después del segmento permite que toda la información (respuesta de impulso) para cada fragmento del segmento que se extiende dentro del siguiente segmento sea utilizada en la detección de datos. Puede ser deseable hacer que Y1 o Y2 sean más largos que W-1 para facilitar una implementación específica de la ecualización de canales por segmentos. Para fines ilustrativos, la longitud de Y1 e Y2 puede extenderse de modo que pueda utilizarse una longitud conveniente para una transformada rápida de Fourier de algoritmo de factores primos. Esto puede realizarse también por relleno, tal por rellenando con ceros las posiciones extendidas.
Utilizando los M segmentos extendidos, se reescribe la ecuación 1 como ecuación 3 para cada segmento.
102
H_{S} es la matriz de respuesta de canal correspondiente al segmento. Si cada segmento es de igual longitud, H_{S} es típicamente la misma para cada segmento.
Dos enfoques para resolver la ecuación 3 utilizan una etapa de ecualización seguida por una etapa de eliminación de la diseminación. Se ecualiza cada segmento de vector recibido r_{i}, paso 54. Un enfoque de ecualización utiliza una solución de error cuadrático medio mínimo (MMSE). La solución MMSE para cada segmento extendido es según la ecuación 4.
103
\sigma^{2} es la varianza de ruido e I_{S} es la matriz de identidad para la matriz extendida. (\cdot)^{H} es la operación de transposición conjugada compleja u operación hermitiana. Alternativamente, la ecuación 4 se escribe como ecuación 5.
104
R_{S} se define según la ecuación 6.
105
Utilizando la ecuación 4 o la 5, se obtiene una ecualización MMSE de cada segmento.
Un enfoque para resolver la ecuación 6 viene dado por una transformada rápida de Fourier (FFT) según las ecuaciones 7 y 8.
106
D_{Z} es la matriz FFT del punto Z y A es la matriz diagonal que tiene diagonales que son una FFT de la primera columna de una aproximación circulante de la matriz R_{S}. La aproximación circulante puede realizarse utilizando cualquier columna de la matriz R_{S}. Preferiblemente, se usa una columna completa que tenga el mayor número de elementos.
En el dominio de la frecuencia, la solución FFT es según la ecuación 9.
107
\varotimes es el producto de Kronecker. M es la tasa de sobremuestreo. M = 1 es el muestreo a la tasa de fragmentos y M = 2 es dos veces el muestreo a la tasa de fragmentos.
Después de que se ha determinado la transformada de Fourier del vector de datos diseminado, F(\hat{\underline{s}}), se determina el vector de datos diseminado \hat{\underline{s}} tomando una transformada inversa de Fourier. Un segundo enfoque para resolver la ecuación 6 es por la descomposición de Cholesky o por la descomposición de Cholesky aproximada.
Otra solución para la etapa de ecualización distinta de la MMSE es una solución de error de mínimos cuadrados (LSE). La solución LSE para cada segmento extendido es según la ecuación 10.
108
Después de la ecualización, se descartan los primeros Y1 fragmentos y los últimos Y2 fragmentos, paso 56. Como resultado, \hat{\underline{s}}_{i} pasa a ser \tilde{\underline{s}}_{i}. \tilde{\underline{s}}_{i} es de una longitud Y. Para producir los símbolos de datos \tilde{\underline{d}}_{i}, se elimina la diseminación de \tilde{\underline{s}}_{i} según la ecuación 11, paso 58.
109
C_{S} es la porción de los códigos de canal correspondientes a ese segmento.
Alternativamente, se recombinan los segmentos en un campo de datos diseminado ecualizado \tilde{\underline{s}} y se elimina la diseminación de campo de datos diseminado completo según la ecuación 12, paso 58.
110
Aunque se explicó la estimación de datos basada en la ecualización de canales por segmentos en el contexto de una ráfaga TDD típica, ésta puede aplicarse a otros sistemas de espectro diseminado. Para ilustrar esto con respecto a un sistema FDD/CDMA, dicho sistema FDD/CDMA recibe comunicaciones durante largos períodos de tiempo. Cuando el receptor 28 recibe las comunicaciones FDD/CDMA, el receptor 28 divide las muestras en segmentos \hat{\underline{s}}_{i} y se aplica una ecualización de canales por segmentos.
Descomponiendo el vector recibido r en segmentos antes de su procesamiento, se reduce la complejidad para la detección de datos. Para ilustrar la reducción de la complejidad, se usa un campo de datos de una ráfaga TDD que tenga 1024 fragmentos (N = 1024). Se comparan cuatro escenarios diferentes utilizando un enfoque FFT/MMSE para la ecualización: un primer escenario procesa el campo de datos completo de una longitud 1024, un segundo escenario divide el campo de datos completo en dos segmentos de longitud 512, un tercer escenario divide el campo de datos completo en cuatro segmentos de longitud 256 y un cuarto escenario divide el campo de datos completo en ocho segmentos de longitud 128. Por simplicidad, no se supuso para la comparación que hubiera solapamiento entre los segmentos. En la práctica, debido al solapamiento, la complejidad para los enfoques segmentados es ligeramente mayor que la indicada en las siguientes tablas.
La tabla 1 ilustra el número de operaciones complejas requeridas para realizar la detección de datos utilizando FFTs Radix-2. La tabla muestra el número de operaciones Radix-2 y múltiples directas requeridas para cada escenario.
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TABLA 1
1
La tabla 2 compara el porcentaje de complejidad de cada escenario utilizando un segmento como 100% de complejidad. El porcentaje de complejidad se muestra tanto para operaciones Radix-2 como para operaciones múltiples directas.
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 2
2
Para el muestreo a la tasa de fragmentos, se realizan para cada segmento una FFT F(h), una FFT F(q), dos FFTs
F(r) y dos FFTs inversas. Para el muestreo a dos veces la tasa de fragmentos, se realizan para cada segmento dos FFTs F(h), una FFT F(q), cuatro FFTs F(r) y dos FFTs inversas. La tabla 3 ilustra la complejidad de las operaciones Radix-2 tanto a la tasa de fragmentos como a dos veces la tasa de fragmentos.
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TABLA 3
3
\newpage
La tabla 4 muestra la complejidad total como un porcentaje para las operaciones Radix-2 con muestreo tanto a la tasa de fragmentos como a dos veces la tasa de fragmentos.
TABLA 4
4
Como se muestra por las tablas, en general, cuando aumenta el número de segmentos, disminuye la complejidad total. Sin embargo, si el tamaño de los segmentos se reduce demasiado, tal como hasta la longitud de la respuesta de impulso, debido al solapamiento entre segmentos, aumenta la complejidad.
Para ilustrar la ecualización de canales por segmentos en un sistema práctico, se usa una ráfaga TDD tipo 2. Puede usarse una segmentación similar para otras ráfagas, tal como una ráfaga tipo 1. Una ráfaga TDD tipo 2 tiene dos campos de datos de longitud 1104 (N = 1104). La respuesta de canal para estas ilustraciones es de una longitud de 63 fragmentos (W = 63). Y1 e Y2 se ajustan a W-1 o 62 fragmentos. Lo siguiente son tres segmentaciones potenciales, aunque pueden usarse otras segmentaciones.
La primera segmentación divide cada campo de datos en dos segmentos de longitud 552. Con solapamiento entre los segmentos, cada segmento es de una longitud de 676 (Y + Y1 + Y2). La segunda segmentación divide cada campo de datos en tres segmentos de longitud 368. Con solapamiento entre los segmentos, cada segmento es de una longitud de 492 (Y + Y1 + Y2). La tercera segmentación divide cada campo de datos en cuatro segmentos de longitud 184. Con solapamiento entre los segmentos, cada segmento es de una longitud 308 (Y + Y1 + Y2).

Claims (21)

1. Método para estimar datos de una pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas, siendo recibida la pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas en un espectro compartido, comprendiendo el método:
muestrear las comunicaciones recibidas para producir un vector recibido;
procesar el vector recibido para producir una pluralidad de segmentos (48);
procesar cada segmento independientemente (50) para estimar datos de las comunicaciones recibidas;
en el que los segmentos comprenden porciones solapadas (Y1, Y2) del vector recibido y el procesamiento de cada segmento comprende la ecualización (54) de cada segmento,
caracterizado porque el procesamiento de cada segmento (48) comprende, después de la ecualización del segmento, los pasos adicionales de descartar (56) las porciones solapadas (Y1, Y2) de los segmentos seguido por la anulación (58) de la diseminación de cada segmento.
2. Método según la reivindicación 1, que comprende además combinar los segmentos ecualizados y anular la diseminación de los segmentos combinados ecualizados para recuperar datos del vector recibido.
3. Método según la reivindicación 1, en el que la ecualización de cada segmento utiliza un modelo de error cuadrático medio mínimo.
4. Método según la reivindicación 1, en el que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando transformadas rápidas de Fourier.
5. Método según la reivindicación 1, en el que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando la descomposición de Cholesky.
6. Método según la reivindicación 1, en el que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando la descomposición de Cholesky aproximada.
7. Método según la reivindicación 1, en el que la ecualización de cada segmento utiliza un modelo de error de mínimos cuadrados.
8. Equipo de usuario (14) para estimar datos de una pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas, siendo recibida la pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas en un espectro compartido, comprendiendo el equipo de usuario:
medios para muestrear (43) las comunicaciones recibidas para producir un vector recibido;
medios para procesar (46) el vector recibido para producir una pluralidad de segmentos; y
medios para procesar (46) cada segmento de forma independiente a fin de estimar datos de las comunicaciones recibidas; y
en el que los segmentos comprenden porciones solapadas (Y1, Y2) del vector recibido y los medios para procesar cada segmento están adaptados para ecualizar (54) cada segmento,
caracterizado porque los medios para procesar (46) cada segmento están adaptados para descartar (56) las porciones solapadas (Y1, Y2) de los segmentos ecualizados y a continuación eliminar (58) la diseminación de cada segmento.
9. Equipo de usuario según la reivindicación 8, que comprende además combinar los segmentos ecualizados y eliminar la diseminación de los segmentos combinados ecualizados para recuperar datos del vector recibido.
10. Equipo de usuario según la reivindicación 8, en el que la ecualización de cada segmento utiliza un modelo de error cuadrático medio mínimo.
11. Equipo de usuario según la reivindicación 8, en el que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando transformadas rápidas de Fourier.
12. Equipo de usuario según la reivindicación 8, en el que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando la descomposición de Cholesky.
13. Equipo de usuario según la reivindicación 8, en el que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando la descomposición de Cholesky aproximada.
14. Equipo de usuario según la reivindicación 8, en el que la ecualización de cada segmento usa un modelo de error de mínimos cuadrados.
15. Estación base (12) para estimar datos de una pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas, siendo recibida la pluralidad de comunicaciones de espectro diseminado recibidas en un espectro compartido, comprendiendo la estación base:
medios para muestrear (43) las comunicaciones recibidas a fin de producir un vector recibido;
medios para procesar (46) el vector recibido a fin de producir una pluralidad de segmentos; y
medios para procesar (46) cada segmento independientemente para estimar datos de las comunicaciones recibidas; y
en el que los segmentos comprenden porciones solapadas (Y1, Y2) del vector recibido y los medios para procesar cada segmento están adaptados para ecualizar (54) cada segmento,
caracterizado porque los medios para procesar (46) cada segmento están adaptados para descartar (56) las porciones solapadas (Y1, Y2) de los segmentos ecualizados y, a continuación, eliminar (58) la diseminación de cada segmento.
16. Estación base según la reivindicación 15, que comprende además combinar los segmentos ecualizados y eliminar la diseminación de los segmentos combinados ecualizados para recuperar datos del vector recibido.
17. Estación base según la reivindicación 15, en la que la ecualización de cada segmento usa un modelo de error cuadrático medio mínimo.
18. Estación base según la reivindicación 15, en la que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando transformadas rápidas de Fourier.
19. Estación base según la reivindicación 15, en la que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando la descomposición de Cholesky.
20. Estación base según la reivindicación 15, en la que la ecualización de cada segmento comprende resolver un modelo de error cuadrático medio mínimo utilizando la descomposición de Cholesky aproximada.
21. Estación base según la reivindicación 15, en la que la ecualización de cada segmento utiliza un modelo de error de mínimos cuadrados.
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