CN1231809A - Cdma无线通信系统中的负荷监测和管理 - Google Patents

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Abstract

用于监测和管理CDMA无线通信系统(100)中负荷状况的系统和方法。该系统包括负荷监测装置(102),诸如连到诊断监测器等数据记录和处理装置(106)的CDMA移动电台(104)。监测装置(102)被置于基站(112)的服务区内。监测装置(102)周期性地发起通常被分配给话务信道的呼叫,并记录诸如移动电台发射功率或每单位时间接收到的闭环功率控制命令的数目等功率控制参数。由此信息,负荷监测装置(102)可推断基站(112)的实时话务负荷状况。如果系统的负荷超过预定的阈值,则可把告警发送到系统管理中心(114),以采取某些行动来限制基站(112)上另外负荷。

Description

CDMA无线通信系统中的负荷监测和管理
技术领域
本发明涉及无线通信。具体而言，本发明针对一种用于监测和管理码分多址(CDMA)无线通信系统的负荷的改进的新系统和方法。
背景技术
在码分多址(CDMA)无线通信领域中，通过每个通信装置利用不同的伪噪声(PN)扩展码，多个通信装置共用一宽带频道。典型的CDMA无线通信系统中，第一频带用于正向信道通信(基站到移动电台)，而不同于第一频带的第二频带用于反向信道通信(移动电台到基站)。在1990年2月13日提交的第4,901,307号名为“SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS COMMUNICATION SYSTEMUSING SATELLITE OR TERRESTRIAL REPEATERS”的美国专利中给出了这种系统的一个例子，该专利已转让给本发明的受让人，在这里按参考资料引入。
实现上述使CDMA无线通信系统中的系统容量最大这一概念的基本方法是功率控制处理。必须控制用户单元的输出功率，以保证基站接收到足够的信号强度并保证良好的音频质量，同时把干扰的可能性减到最小。由于在每个蜂窝区中再使用CDMA宽带信道，由同一蜂窝区的其它用户所引起的自身干扰以及由其它蜂窝区中的用户所引起的干扰成为系统容量的最大限制因素。由于衰落和其它信道劣化，只有当每一用户的信噪比(SNR)平均位于支持“可接受”的信道性能所需的最小点时，才能实现最大容量。由于噪声频谱密度几乎完全是由其它用户的干扰所产生的，所以所有的信号必须以相同的平均功率到达CDMA的接收机。在移动通信传播环境下，这是通过对移动电台收发两用机提供动态功率控制来实现的。功率控制防止系统负荷的变化、拥塞、信道状态的慢变和快变以及信道的突然改善或劣化(遮蔽)。
移动电台发射机的功率控制由两个基本部分构成：由移动电台对发射功率进行开环估计，以及由基站对此估计中的误差进行闭环修正。在开环功率控制中，每个移动电台估计在所分配的CDMA频道上的总接收功率。根据此测量以及由基站所提供的修正，把移动电台发射机的功率调节到与所估计的路径损耗匹配，并以预定的电平到达基站。所有的移动电台都使用相同的处理并以相等的平均功率到达基站。然而，移动电台不能估计因其收发链中的频率差别和失配可能引起的诸如相反衰落等正反向信道不受控等差别。
为了减少这些留下来的误差，每个移动电台以基站经由插入每一正向话务信道中的低速率数据提供的闭环功率控制信息来修正其发射功率。基站通过监测每个移动电台的反向CDMA信道质量取得修正信息，把此测量值与阈值相比较，并依据此结果请求增加或减少发射功率。这样，基站把每个反向信道继而所有的反向信道保持在提供可接受性能所需的最小接收功率。在第5,056,109号名为“METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING TRANSMISSION POWERIN A CDMA CELLULAR MOBILE TELEPHONE SYSTEM”的美国专利中给出了利用上述开环和闭环功率控制方法的通信系统的一个例子，该专利已转让给本发明的受让人，在这里按参考资料引入。
在如上所述的CDMA无线通信系统中，有预定数目的诸如收发两用机和信道调制器/解调器(调制解调器)等射频设备位于每个基站处。分配给特定基站的设备数目是预期的话务负荷状态的函数。例如，农村的系统可能只具有每个基站一副全向天线以及足以支持八个同时呼叫的信道调制解调器。另一方面，位于人口稠密的市区的基站可能与其它基站在一起，每个基站具有几副高度定向天线以及足以处理四十个或更多的同时呼叫的调制解调器。在这些人口较稠密的市区中，区站的容量极为珍贵，且必须对其进行密切监测和管理，以对有限的资源提供最有效的分配同时保持可接受的通信质量。
扇区/蜂窝区负荷是扇区中用户的实际数目与该扇区可支持的最大理论数目的比。该比值正比于在扇区/蜂窝区的接收机处测得的总干扰。扇区/蜂窝区可支持的最大用户数目是集合信噪比、话音活动度(activity)和来自其它蜂窝区的干扰的函数。单个用户单元的信噪比取决于用户单元的速度、射频传播环境以及该系统中用户的数目。来自其它蜂窝区的干扰取决于这些蜂窝区中的用户数目、射频传播损耗以及用户分布的方式。对容量的典型计算假设所有用户的信噪比相等，而且话音活动度和来自其它蜂窝区的干扰为额定值。然而，在实际的系统中，信噪比随用户而改变，且频率再使用率随扇区而变化。因此，需要连续地监测扇区或蜂窝区的负荷。
监测区站负荷情况的常规方式是让通常是无线通信业务提供者所雇用的网络工程师或技术人员从一个蜂窝区到另一个蜂窝区，以专门设计的昂贵的测试设备来读取负荷状况。然后把所记录的数据送回中央处理设备以进行后处理和分析。该方法的某些显著缺陷是，不能对数据进行实时估计，因基站和测量设备之间传播的影响而引入明显的误差。于是，这种监测方法只提供了对区站负荷状况的粗略估计，且只能用于时间延迟方式以便采取诸如将来重新分配资源等修正措施。它也不能使业务提供者采取任何实时措施来改善负荷情况及其对系统性能的影响。此外，该方法需要有人接连到每个区站，因而提供的对高峰负荷状况和所造成系统性能的估计不连续，而且“碰机会”，取决于该访问是否与实际(而不是假设的)高峰使用时间一致。
监测区站负荷状况的另一种方法是访问由基站本身或基站控制器所记录的性能数据。然而，这需要把匮乏的基站处理设备转移到收集和检索数据之用。此外，它受困于先前所述的非实时后处理的问题。最后，它还需要有人接连访问每个区站以检索数据。
需要一种简单而准确的遥控实时负荷监测和管理系统，该系统不需要访问基站或基站控制器所记录的数据，因而不影响处理器的性能。
发明内容
本发明是一种用于监测和管理CDMA无线通信系统中负荷状况的改进的新系统和方法。该系统和方法使用由移动电台所收集的正向链路数据来估计负荷对系统性能的影响。知道了负荷对系统性能的影响后，就可采取某些措施来限制对系统的接入或分配更多的资源来防止系统性能降低。
该系统包括负荷监测装置，诸如连到诊断监视器等数据记录(log)和处理装置的CDMA移动电台等或本身能进行数据记录和处理功能的改进型移动电台。监测装置置于一基站的服务区内。监测装置周期性地发起通常分配给话务信道的呼叫，并记录以下数据：1)以dBm为单位在天线连接器处测得的移动电台反向链路发射功率，2)以dBm为单位在天线连接器处测得的移动电台在前向链路上接收到的功率，3)每单位时间从基站接收到的闭环功率控制命令的数目。由此信息，负荷监测装置可推断基站的实时话务负荷状况。在较佳实施例中，为了防止由空中传播效应的时间变化引入的误差，把负荷监测装置通过硬线连接到基站。
在高峰使用时间和非高峰使用时间内测量以上信息。在较佳实施例中，负荷监测装置每三十分钟产生有两分钟的呼叫持续时间的呼叫。在此装置控制话务信道的时间内，连续地测量移动电台的发射功率并对其求平均，以获得平均移动电台发射功率。通过把在高峰时间内测得的平均发射功率与在非高峰时间内测得的平均发射功率相比较，负荷监测装置可推断负荷对系统性能的影响。在其它实施例中，负荷监测装置测量诸如闭环功率控制命令等其它与功率相关的参数并对其求平均，以获得可变的指定发射增益调节的平均值。然后，发射增益调节还可用于推断负荷对系统性能的影响。
负荷监测装置还把此实时数据传递到系统资源管理站，在那里可根据负荷对系统的影响来采取适当的行动。例如，负荷监测装置可用于在系统性能下降到超过预定的阈值时把告警或报告自动地发送到系统资源管理中心。该告警可用于产生诸如拒绝其它移动电台再接入基站的实时校正行动，或只用于以每天为周期产生负荷影响系统性能的图解。此外，可使用实时数据更有效地在系统中的基站之间分配资源。
附图概述
以下结合附图提出的详细描述，将使本发明的特征、目的和优点变得更加明显。附图中相同的标号指相应的部分，而且：
图1示出本发明系统的高层次概况；
图2是选自本发明负荷监测装置的一些部分的图；
图3示出本发明的方法。
本发明的较佳实施方式
Ⅰ．分析
本发明依赖于基站在各种话务负荷程度期间的表现。具体而言，在公共的CDMA话务信道上进行发射的移动电台越多，则基站变得对移动电台的任何单独的发射越不敏感，因而需要更积极地进行闭环功率控制，以保证所有移动电台的发射以相等的平均功率到达基站。于是，如果给定的移动电台是静止的而且不受传播效应的时间变化的影响(即，硬线连接到基站)，则只由反向链路CDMA信道负荷引发移动电台从基站接收到的闭环功率控制命令，而不是由基站处接收到的该移动电台的反向链路功率变化(该功率将处于与此相反的恒定状态)。这样，在本发明中，负荷监测装置可从基站本身的发射功率与来自基站的发射增益调节命令之差别来推断系统负荷对系统性能的影响。
以下给出基站对移动电台的反向链路发射的灵敏度(dBm)： S = - 134 + NF + E B / N o + X L - - - ( 1 ) 这里NF是基站的噪声系数(dB)，
Figure A9719829200082
是反向链路信息位中每位的能量与CDMA带宽中的噪声频谱密度的比值(dB)，XL是系统负荷(dB)。换句话说，XL等于10[log(1-X)]，这里X是反向链路CDMA信道上同时存在的移动电台的数目与理论上该反向链路CDMA信道可支持的移动电台的最大数目的比值。基站的灵敏度是基站足以接收来自移动电台的反向链路发射的阈值(dB)。于是，可看出，当系统负荷XL增大时，基站的灵敏度降低。
功率受控制的移动电台的发射功率等于基站的灵敏度减去反向链路的路径损耗。即，移动电台必须在高到足以克服反向链路损耗且以可接受的电平到达基站的功率电平下进行发射。就数学上而言：
Pt s=S+Lp r：    (2)这里，Pt s是在天线连接器处测得的移动电台发射功率(dB)，S是在公式(1)中所定义的基站的灵敏度，Lp r是移动电台天线连接器和基站接收天线连接器之间的反向链路路径损耗(dB)。这个因数包括传播损耗、天线增益和馈线损耗。
通过公式(1)和(2)的代换，可按照移动电台的发射功率把系统负荷写为： X L = 134 - NF - E B / N o + P t s - L p r - - - ( 3 ) 量NF、Lp r和Eb/No是常数，且与负荷状况无关，因而可把公式(3)写为：
XL=C+Pt s       (4)这里C是常数，Pt s是在天线连接器处测得的移动电台发射功率(dBm)。这样，把公式(4)代入公式(3)：
C=134-NF-Eb/No-Lp r                 (5)注意，这里考虑Eb/No是常数，因为在较佳实施例中，把负荷监测装置硬线连接到所考虑的基站，这样该装置就不易受到传播变更效应所造成的时间变化的影响。
由于公式(5)在所有的时间都成立，所以可把两个分离的测量周期之间负荷影响的差别写为：
XL(t2)-XL(t1)=Pt s(t2)-Pt s(t1)    (6)
这里t2和t1是任何两个不同的测量时间。这样，可把非高峰使用周期内的单位发射功率Pt s与高峰使用周期内的单位发射功率Pt s相比较，以确定负荷对系统性能的影响。
从另一方面来看，可使用平均发射增益调节来确定负荷对系统性能的影响。再参考公式(3)，还存在正向链路上的路径损耗，它等于移动电台接收到的前向链路功率减去基站所发射的正向链路功率。就数学而言：
Lp f=Pr s-Pt b                        (7)
这里Lp f是基站发射天线和移动电台天线连接器之间的正向链路路径损耗(dB)，Pr s是在天线连接器处测得的移动电台前向链路接收功率(dB)，Pt b是在天线连接器处测得的基站发射功率(dB)。援引平均正向链路路径损耗等于平均反向链路路径损耗的相关性理论，可通过代换公式(3)和(7)按照移动电台所发射的反向链路功率、移动电台所接收的正向链路功率和基站所发射的正向链路功率来表示系统负荷： X L = 134 - NF - E b / N o + P t s + P r s - P t b - - - ( 8 )
但由于移动电台使用闭环发射增益调节命令来计算其发射功率，所以按下式写公式(8)更方便：
Pt s+Pr s-Tadj=k                            (9)
这里Tadj是移动单元响应于基站所发射的闭环功率控制命令的发射增益调节(dB)，k是被移动电台用来计算开环发射功率的周转因数。注意，即使在公式(7)中假设正向和反向链路路径损耗的相关性，通过闭环功率控制命令也可补偿该假设中的任何误差，继而反映在Tadj中。
通过代换公式(8)和(9)，可按照发射增益调节Tadj把基站负荷写为： X L = 134 - NF - E b / N o + k + T adj - P t b - - - ( 10 )
可方便地把此公式改写为：
XL=C+Tadj                                   (11)
这里C是由下式给出的常数： C = 134 - NF - E b / N o + k - P t b - - - ( 12 )
由于公式(12)在所有的时间都成立，所以可把两个分离的测量周期之间负荷影响的差别写为：
XL(t2)-XL(t1)=Tadj(t2)-Tadj(t1)    (13)这里t2和t1是任何两个不同的测量时间。这样，可把非高峰使用周期内的Tadj与高峰使用周期内的Tadj相比较，以确定负荷对系统性能的影响。显然，存在许多与功率相关的参数，可测量这些参数，以比较某一时间的系统负荷与另一时间的系统负荷。例如，可进行以上分析以获得按照移动电台处接收到的功率而表示的负荷的关系。
Ⅱ．负荷监测系统和方法
在本发明中利用以上公式(6)或(13)所表示的关系对系统负荷提供实时监测和管理。图1示出本发明的系统100的高层次概况。可看到CDMA基站112通过天线110与四个示例的移动电台108a-108d进行无线通信。例如，移动电台108a-108d是本领域内公知的功率受控制的CDMA蜂窝式无线电话。基站112还与负荷监测装置102进行周期性通信，装置102可包括耦合到诸如本领域内公知的CDMA诊断监测器或其它数据处理装置等数据记录和处理装置106的功率受控制的普通CDMA蜂窝式无线电话104。或者，负荷监测装置102可以是经特殊改进的移动电台，它包含执行数据记录和处理功能用的编程微处理器。
在较佳实施例中，负荷监测装置102经由电缆116而硬线连接到基站112，以把传播效应和负荷监测装置102所记录的数据上的Eb/No的时间变化减到最小。然而，在其它实施例中，负荷监测装置102在启动与基站112的无线通信时是静止的，以记录以下所述的相关数据。
基站112还与系统管理中心114进行通信，中心114中存在对基站112进行差错监测、诊断和管理所需的任何个人计算机和网络计算机。在图1中，基站112经由电缆118把系统操作参数和告警传递到系统管理中心114。然而，在其它实施例中，基站112可使用诸如无线点对点微波通信等本领域内公知的任何回程(backhaul)通信方法与系统管理中心114进行通信。
在系统100的正常操作中，移动电台108a-108d周期性地与基站112进行通信，以发起呼叫、接收呼叫(终接)或对基站112发送或接收各种开销(overhead)消息。在高峰使用时间内，诸如在白天，可预料这四个移动电台108a-108d同时与基站112进行通信，从而增加了反向链路上的系统负荷和干扰。反之，在非高峰使用时间内，诸如在晚上，可预料在任何给定的时间移动电台108a-108d中只有一个与基站112进行通信，从而减少系统负荷。注意，依据基站112的容量，可有少于四个或四个以上的移动电台同时与基站112进行通信。然而，为了简化，图1只示出四个移动电台108a-108d。
此外，负荷监测装置102依据预定的计划向基站112周期性地发起预定长度的呼叫。在较佳实施例中，负荷监测装置102在高峰和非高峰时间内每三十分钟向基站112发起持续时间为两分钟的呼叫。显然，可依据系统管理中心114的监测和管理需要来改变此预定计划的持续时间(比两分钟更短或更长)和频率(比三十分钟更短或更长)。在较佳实施例中，选定两分钟的呼叫持续时间，因为它接近于实际蜂窝式无线电话的平均呼叫持续时间。此外，可按照数据分辨率和数据量的折衷，选定每三十分钟的频率。
当移动电台108a-108d中的任一个在与基站112进行通信时，基站112如以上5,056,109号美国专利所述把闭环功率控制命令发送到现用移动电台108a-108d。发送到各个现用移动电台108a-108d的每一闭环功率控制命令指示特定的移动电台把其发射功率增大或减小1dB左右，从而每个移动电台的发射信号将到达基站112，将使信噪比或Eb/No足以保证最低要求的话音质量。此外，每当负荷监测装置102在与基站112进行通信时，基站112同样把闭环功率控制命令发送到负荷监测装置102，因为装置102对基站112同样仅表现为另一个移动电台。
现在参考图2，该图示出选自负荷监测装置102的一些部分。负荷监测装置102在天线200上接收到包括经调制的信息以及闭环功率控制命令的射频(RF)信号。再注意，较佳实施例中，由基站112经由电缆116传输到负荷监测装置102的信号(见图1)被直接耦合到负荷监测器102的天线端口。然而，在其它实施例中，负荷监测装置102利用本领域内公知的标准天线200。
双工器202把接收到的信号按路线发送到前端增益被调节的低噪声放大器(LNA)204。然后，在自动增益控制放大器(AGC)206中，调节中频(IF)功率电平。在接收信号强度指示器(RSSI)212中测量接收信号的强度，以使用此接收信号强度来产生开环功率控制信号214。此外，在模拟-数字转换器208中对接收信号进行采样，然后在解调器210中进行数字解调。把闭环功率控制命令216提供给组合器228，在那里把这些命令216与开环功率控制信号214组合后，用于调节功率放大器(PA)220的发射功率。
在较佳实施例中，数据处理器218记录PA220的输出功率，该功率按比例记录以表示在天线200的连接器处测得的输出功率。在较佳实施例中，数据处理器218累加在两分钟的呼叫持续时间内数据线232上的输出功率测量值并对它们求平均，以获得移动电台的平均发射功率。
在另一个实施例中，从解调信号中提取来自基站112的闭环功率控制命令216并由数据处理器218加以记录。在此实施例中，数据处理器218累加在两分钟的呼叫持续时间内的闭环功率控制命令并对其求平均来获得TADJ。由于CDMA帧的持续时间为20毫秒，所以基站可在每个帧发送一个闭环功率控制命令，TADJ将以6,000个独立的功率调节值为基础。还可产生更高级的统计。
数据处理器218可以是经改进的移动电台的必要组成部分，或者可以是诸如本领域内公知的CDMA诊断监测器等分立的数据记录和测量装置。数据处理器218把在非高峰使用周期内产生的平均发射功率(或者，平均TADJ值)与在高峰使用周期内所产生的平均发射功率(或者，平均TADJ值)相比较，以确定如公式(6)或(13)所得到的系统负荷的差别。根据此信息，数据处理器218可把告警或其它信息信号230发送到系统管理中心114(见图1)以便采取适当的行动。告警或其它信息信号230可用于产生系统负荷的状态报告，或用于采取诸如负荷超过某阈值时拒绝进一步接入系统等实时行动。
图3示出本发明的方法。此方法从块302开始，负荷监测装置在非高峰时间T1向基站发呼叫。在此呼叫的持续时间(在较佳实施例中为两分钟)内，在块304，负荷监测装置测量与功率相关的参数，它可以是较佳实施例中的移动电台发射功率或另一实施例中的TADJ(T1)。在块306，负荷监测装置在高峰时间T2向基站发呼叫，并且在块308测量在此呼叫持续时间内的同一功率相关参数。在块310，负荷监测装置按照公式(6)或(13)中的定义来计算XL(T2)-XL(T1)，并在块312把计算结果与预定阈值YdB相比较。可依据想要的基站性能对每个基站独立地确定阈值Y。
如果块310中计算所得的差值XL(T2)-XL(T1)大于预定阈值Y，则负荷监测装置可在块314把告警发送到系统管理中心，并采取诸如拒绝进一步接入系统等适当的行动。在此情况下，负荷监测装置再次开始块302中的程序。如果块310中计算所得的差值XL(T2)-XL(T1)小于预定阈值Y，则负荷监测装置不发送告警，只再次开始块302中的程序。
在其它实施例中，修改图3的流程图，以为各种应用而定制方法。例如，在高峰和非高峰时间内，负荷监测装置可在块302和306产生若干呼叫以获得平均值，每一呼叫隔开三十分钟。此外，负荷监测装置可构成把信息发送到系统管理中心，不管负荷是否超过预定阈值。例如，该信息可用于产生相应于每天操作周期的时间与负荷的图表。显然，可对信息的计划和使用进行许多调节而不背离本发明的精神。
以上对较佳实施例进行了描述，以使本领域内的技术人员可制造或使用本发明。本领域内的技术人员不难发现，对这些实施例的各种修改而且不用创造力就可把这里所定义的总的原理应用于其它实施例。因此，本发明不限于这里所示出的实施例，但要符合与这里所揭示的原理和新特征相一致的最宽范围。

Claims (10)

1．一种用于确定CDMA基站负荷的系统，所述CDMA基站发射闭环功率控制命令，所述CDMA基站由系统管理中心控制，其特征在于，所述系统包括：
CDMA通信装置，具有依据预定计划发起与所述CDMA基站的通信的发射电路以及接收所述闭环功率控制命令的接收电路；
耦合到所述接收电路的数据处理器，用于记录功率控制参数，并响应于所述接收到的闭环功率控制命令，把数据信号传送到所述系统管理中心。
2．如权利要求1所述的系统，其特征在于所述CDMA通信装置在第一周期和第二周期内发起与所述CDMA基站的通信，如果所述第一周期内的所述功率控制参数与所述第二周期内的所述功率控制参数之差超过预定的阈值，则所述数据处理器把告警信号传送到所述系统管理中心。
3．如权利要求2所述的系统，其特征在于所述系统管理中心响应于所述告警信号防止所述基站的进一步加负荷。
4．如权利要求3所述的系统，其特征在于所述数据处理器是CDMA诊断监测装置。
5．一种用于确定CDMA基站负荷的方法，所述CDMA基站发射闭环功率控制命令，所述CDMA基站由系统管理中心所控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
依据预定计划发起与所述CDMA基站的通信；
接收所述闭环功率控制命令；
记录功率控制参数；
响应于所述接收到的闭环功率控制命令，把数据信号传送到所述系统管理中心。
6．如权利要求5所述的方法，其特征在于所述发起通信的步骤还包括在第一周期和第二周期内发起与所述CDMA基站的通信，所述传送信号的步骤还包括如果所述第一周期内的所述功率控制参数与所述第二周期内的所述功率控制参数之差超过预定的阈值，则把告警信号传送到所述系统管理中心。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于还包括由所述系统管理中心响应于所述告警信号来防止对所述基站的进一步加负荷的步骤。
8．一种CDMA基站所使用的负荷监测装置，所述CDMA基站发射闭环功率控制命令，所述CDMA基站由系统管理中心所控制，其特征在于，所述负荷监测装置包括：
发射电路，依据预定计划发起与所述CDMA基站的通信；
接收电路，接收所述闭环功率控制命令；
耦合到所述接收电路的数据处理器，用于记录功率控制参数，并响应于所述接收到的闭环功率控制命令把数据信号传送到所述系统管理中心。
9．如权利要求8所述的系统，其特征在于所述发射电路在第一周期和第二周期内发起与所述CDMA基站的通信，如果所述第一周期内的所述功率控制参数与所述第二周期内的所述功率控制参数之差超过预定的阈值，则所述数据处理器把告警信号传送到所述系统管理中心。
10．如权利要求9所述的系统，其特征在于所述系统管理中心响应于所述告警信号防止所述基站的进一步加负荷。
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