摘 要:WiBro是當(dāng)前最新的移動(dòng)寬帶無線接入技術(shù)之一,它是由韓國業(yè)界開發(fā)的一項(xiàng)本土技術(shù)。WiBro可看作是移動(dòng)WiMAX,雖然其技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)尚處于不斷變化之中。給出了WiBro技術(shù)的發(fā)展歷程和技術(shù)定位,提出了WiBro系統(tǒng)的基本構(gòu)成,詳細(xì)分析了WiBro系統(tǒng)性能(包括頻譜范圍、數(shù)據(jù)速率、QoS、雙工模式和調(diào)制方法),最后闡述了WiBro技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:WiBro;WiMAX;QoS;移動(dòng)WiMAX
中圖分類號(hào):TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004373X(2008)1701005
Analysis on the WiBro Technology of Korea
HUANG Jianhua1,LANG Weimin2,HU Xifei2,SUN Yueguang2
(1.Jiangxi Normal University,Nanchang,330022,China; 2.PLA Institute of Communication Command,Wuhan,430010,China)
Abstract:WiBro is one of the newest mobile broadband wireless access being developed by the Korean telecom industry.WiBro can be thought of as mobile WiMAX,though the technology and its exact specifications will change as it undergoes refinements throughout its preliminary stages.This paper presents the development history and technical orientation of WiBro,then proposes the architecture of WiBro system.Furthermore,It analyzes the performance of WiBro including spectrum range,coverage,data rate,QoS,duplexing mode and modulation method.In conclusion,the status quo of WiBro application is proposed.
Keywords:WiBro;WiMAX;QoS;mobile WiMAX
1 引 言
寬帶無線技術(shù)[1-3]能夠隨時(shí)、隨地獲得人們想要的信息,資費(fèi)較低,受到越來越多的人的關(guān)注。在現(xiàn)有技術(shù)中,無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要采用WLAN或者蜂窩技術(shù)。WLAN雖然有低成本、高速率的優(yōu)勢(shì),但其覆蓋范圍和移動(dòng)能力非常有限,且在安全性和業(yè)務(wù)質(zhì)量方面難以達(dá)到運(yùn)營商的要求,盈利模式也不是特別清晰。蜂窩系統(tǒng)主要用于提供語音業(yè)務(wù),在移動(dòng)性和業(yè)務(wù)質(zhì)量上都有很好的保證,但數(shù)據(jù)傳輸速率慢、接入成本高,從而使得用戶難以接受。WiBro(無線寬帶)既能保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入速率、降低接入成本,同時(shí)又兼顧安全、質(zhì)量等不同的業(yè)務(wù)需求,其特性如圖1所示。
WiBro是一項(xiàng)韓國本土標(biāo)準(zhǔn),由韓國電氣通信技術(shù)協(xié)會(huì)(TTA)、韓國三星電子共同發(fā)起的高速便攜式互聯(lián)網(wǎng)和韓國主要運(yùn)營商發(fā)起的高速便攜式互聯(lián)網(wǎng)(HPI)項(xiàng)目發(fā)展而來。WiBro是一個(gè)服務(wù)品牌,采用WiMAX技術(shù),完全兼容IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn),是世人所關(guān)注的移動(dòng)WiMAX市場(chǎng)開拓者。
2 發(fā)展歷程
WiBro與移動(dòng)WiMAX技術(shù)(IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn))緊密相關(guān),是一項(xiàng)用于在移動(dòng)環(huán)境中隨時(shí)隨地提供高數(shù)據(jù)速率通信的服務(wù),可提供比無線局域網(wǎng)更廣泛的覆蓋范圍,以及比第三代移動(dòng)電話技術(shù)更快的連接速度,可以在高達(dá)120 km/h的速度狀態(tài)下使用。因此,WiBro與WiMAX是基于802.16標(biāo)準(zhǔn)的不同版本,WiBro將成為下一代移動(dòng)通信領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)之一。WiBro的發(fā)展歷程如表1所示。
在高速移動(dòng)環(huán)境下,WiBro技術(shù)能提供足夠高的數(shù)據(jù)速率,保證人們?cè)诨疖嚒⑵囈约捌渌咚龠\(yùn)行的交通工具上隨時(shí)隨地連接入網(wǎng)。
3 技術(shù)定位
3G之所以成為人們關(guān)注的熱點(diǎn),根本原因在于它能提供比2G更快的數(shù)據(jù)速率,但它們都是工作在靜止?fàn)顟B(tài)下,一旦在移動(dòng)環(huán)境中,服務(wù)質(zhì)量常常受到一定影響。而WiBro系統(tǒng),能在移動(dòng)環(huán)境下提供遠(yuǎn)比3G出色的高速數(shù)據(jù)通信服務(wù),WiBro寬帶無線技術(shù)的引入,不會(huì)對(duì)3G造成威脅,因?yàn)閃iBro不可能完全替代3G網(wǎng)絡(luò),只能是一種補(bǔ)充。3G的目標(biāo)是提供一個(gè)全覆蓋、有質(zhì)量保證的通信網(wǎng)絡(luò),可以提供語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2 Mb/s,它的定義包括了完整的核心網(wǎng)和接入網(wǎng)。而WiBro致力于移動(dòng)寬帶接人服務(wù),支持70 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,主要針對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)無線移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的接入市場(chǎng)。
由于WiBro只能在特殊條件下(通常是較小范圍內(nèi))提供高速數(shù)據(jù)服務(wù),且無線移動(dòng)系統(tǒng)提供的服務(wù)范圍比較大,因而對(duì)于這樣兩個(gè)市場(chǎng)定位不一樣、但又各具特色的系統(tǒng),若能夠?qū)⒍哂袡C(jī)結(jié)合起來,則可較好地解決各種問題,使用戶享受到更多、更好的服務(wù)。在技術(shù)上,若能實(shí)現(xiàn)WiBro網(wǎng)絡(luò)和CDMA、WCDMA(寬帶碼分多址)等網(wǎng)絡(luò)的融合,則會(huì)大幅度地提高服務(wù)質(zhì)量,增加服務(wù)類型,降低重復(fù)建網(wǎng)的費(fèi)用,節(jié)省大量的人力物力。
一般來說,WiBro是3G與WLAN的有益補(bǔ)充,它是LAN和WLAN發(fā)展軸線的延伸,既可以增大WLAN的傳輸距離,拓寬WLAN的覆蓋范圍,獲取比WLAN更高的移動(dòng)性,又可以提供比3G高的數(shù)據(jù)傳輸率,且收費(fèi)更為便宜。WiBro與其他寬帶無線接入技術(shù)的比較如圖2所示。
4 系統(tǒng)組成
WiBro不是3G的取代者,而是一種有效的補(bǔ)充。而且當(dāng)WiBro和其他蜂窩網(wǎng)絡(luò)合理結(jié)合,則能提供更多、更好、更便捷的服務(wù),使人們可以在更為廣闊的空間中、更自由地完成自己想做的事情,真正體驗(yàn)到高科技帶來的美好享受。
WiBro系統(tǒng)通常是由RAS(無線接入基站)、PSS(前端業(yè)務(wù)站)、ACR(接入控制路由器)、HA(本地代理)、CN(中心節(jié)點(diǎn))和基于IP子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)組成的,如圖3所示。其中,PSS屬于基站前端所服務(wù)的末端裝置,ACR為基站往上匯集回溯的骨干路由器,CN為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。
WiBro系統(tǒng)的顯著特征是子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是IPv6,由于IPv6是全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò),因而支持IP層的有效移動(dòng)管理與WiBro數(shù)據(jù)鏈路層的有效移動(dòng)管理同樣重要。在這種環(huán)境中,ACR之間的切換需要基于IPv6無縫切換的移動(dòng)管理。因此,WiBro為了獲得移動(dòng)狀態(tài)下的無縫切換,需要考慮IP移動(dòng)管理機(jī)理。
ACR之間的切換基于IPv6,典型的IPv6移動(dòng)管理方案是移動(dòng)IPv6。這個(gè)方案對(duì)在切換中時(shí)間靈敏和損耗靈敏的申請(qǐng)有嚴(yán)格的限制,也就是當(dāng)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入另外一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)中,必須更新在HA和CN中的轉(zhuǎn)交地址(CoA)。
在WiBro系統(tǒng)中,當(dāng)PSS連接到RAS時(shí),PSS能夠周期性地接收到從服務(wù)RAS(SRAS)發(fā)送來的信息,并監(jiān)控從SRAS發(fā)送來的無線信號(hào)強(qiáng)度。一旦信號(hào)強(qiáng)度比預(yù)定的門限值低,PSS給SRAS發(fā)送SCN-REQ(掃描間隔分配請(qǐng)求)信息,檢查相關(guān)的目標(biāo)RAS(Target RAS,TRAS)是否與CN進(jìn)行不間斷通信。通過掃描后,若PSS確定需要在RAS之間進(jìn)行切換時(shí),則PSS或者發(fā)送PSSHO-REQ(PSS切換請(qǐng)求)信息,此信息包括從TRAS到SRAS的列表,或者從SRAS處接收RASHO-REQ(RAS切換請(qǐng)求)信息。在WiBro系統(tǒng)中,PSS和RAS都可以提出切換要求。當(dāng)SRAS接收到 PSSHO-REQ信息后,通過HOreq(切換請(qǐng)求)、HOind(切換提示)和HOcnf(切換確認(rèn))等信息與TRAS協(xié)商是否進(jìn)行切換。ACR接收到從TRAS發(fā)送來的HOcnf信息后,發(fā)送HOrsp信息,給SRAS發(fā)送一個(gè)響應(yīng),表示同意切換。于是,SRAS停止下行鏈路的傳輸,并且阻塞信息包。此時(shí),PSS給SRAS發(fā)送HOind信息,意味著切換開始。PSS攜帶的信息通過ACIind(訪問切入點(diǎn)連接指示)和ACIcnf(訪問切入點(diǎn)連接確認(rèn))從SRAS傳送到TRAS(新的基地臺(tái))。ACR給SRAS發(fā)送ACIcnf信息,而向TRAS發(fā)送所有PSS的信息包。在SRAS中沒有傳送的、被阻塞的信息包,也從SRAS傳輸?shù)絋RAS,最后,在PSS和TRAS之間通過RNG-REQ(修正請(qǐng)求)、RNG-RSP(修正響應(yīng))、REG-REQ(注冊(cè)請(qǐng)求)和CREGreq(蜂窩注冊(cè)請(qǐng)求)這些信息進(jìn)行連接。當(dāng)這些注冊(cè)信息在PSS、TRAS、ACR之間全部完成,PSS新的服務(wù)開始了,切換順利結(jié)束。由此可見,WiBro系統(tǒng)中的切換與3G中的軟切換相似。
上述切換過程是在WiBro系統(tǒng)中進(jìn)行的,無論在何時(shí)何地,WiBro技術(shù)都可為各種類型的無線多媒體應(yīng)用和各種多媒體終端(如PDA、筆記本和智能手機(jī))提供業(yè)務(wù)支持,都能給用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù),不會(huì)產(chǎn)生掉話、掉線、時(shí)延和抖動(dòng)等問題,從而讓用戶真正享受到寬帶帶來的樂趣。
5 性能分析
WiBro系統(tǒng)支持與其他移動(dòng)通信系統(tǒng)之間的漫游,保證了業(yè)務(wù)的可連續(xù)性。用戶可以根據(jù)不同的自身需要,選擇不同的業(yè)務(wù)。
5.1 頻譜范圍
WiBro的通信頻段為2.3~2.4 GHz,即在2.4 GHz ISM頻段之前的100 MHz范圍,如圖4所示。這100 MHz的帶寬資源被規(guī)劃成9個(gè)通信信道,每個(gè)信道占用9 MHz帶寬,雖然各信道并未像IEEE 802.11b般的互疊,但各信道間也不全然都有保護(hù)頻段(Guard Band,GB),而是每3個(gè)信道間才有一個(gè)保護(hù)頻段,且保護(hù)頻段占用帶寬稍有差別,信道123與信道456之間為4.5 MHz,信道456與信道789之間也是4.5 MHz,但信道789與2.4 GHz ISM之間則有較大的保護(hù)距離,為10 MHz,而每連續(xù)的3個(gè)信道雖不重迭但也相互緊鄰。
韓國政府目前已為WiBro在2.3 GHz頻率中配置了100 MHz的使用頻段。在WiBro中,頻率復(fù)用因子FRF=1,即在多蜂窩環(huán)境中所有扇區(qū)都使用相同的載波。WiBro基于OFDMA技術(shù),利用多信道發(fā)送和接收數(shù)據(jù),因而干擾較?。籛iBro系統(tǒng)通過使用TDD調(diào)制模式,可以大大提高頻譜的利用率。相比之下,3G技術(shù)(如1xEV-DO和HSDPA)的干擾較大。
5.2 傳輸速率
不同的網(wǎng)絡(luò),受到各種因素的影響,覆蓋的范圍有所不同。而判斷一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的好壞,覆蓋范圍是個(gè)很重要的因素。3G采用WCDMA技術(shù)時(shí),帶寬為5.00MHz,最大傳輸速率為14.4 Mb/s(固定或者移動(dòng));CDMA2000帶寬為1.25MHz、最大的傳輸速率為3.2 Mb/s(固定或者移動(dòng));而WiBro的信號(hào)帶寬是8 447MHz,傳輸速率能達(dá)到70 Mb/s,在時(shí)速60 km的高速移動(dòng)狀態(tài)下仍可正常工作,支持不小于60 km/h的移動(dòng)速度。由此可見,WiBro是一項(xiàng)不受時(shí)間和地點(diǎn)限制的超高速攜帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),其數(shù)據(jù)速率要高于3G技術(shù)。
根據(jù)不同的蜂窩類型,WiBro業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域在如下范圍內(nèi)必須支持每個(gè)用戶的最低速率要求:微微蜂窩(100 m),微蜂窩(400 m),宏蜂窩(1km)。WiBro與ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line,非對(duì)稱數(shù)字用戶線)相似,其上行、下行的傳輸速率并不對(duì)稱,下行比上行快,在使用單一信道的情況下,WiBro基站的最大下行數(shù)據(jù)速率可達(dá)18 Mb/s,最大上行數(shù)據(jù)速率可達(dá)6 Mb/s;而對(duì)單一WiBro用戶端來看,其最大下行數(shù)據(jù)速率為3 Mb/s,最大上行數(shù)據(jù)速率為1 Mb/s。當(dāng)用戶在WiBro系統(tǒng)不同蜂窩之間移動(dòng)或者與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(如WLAN)進(jìn)行切換時(shí),WiBro也能提供如下數(shù)據(jù)速率:每個(gè)用戶的最小數(shù)據(jù)速率為下行鏈路512 kb/s,上行鏈路128 kb/s;每個(gè)用戶的最大數(shù)據(jù)速率為下行鏈路3 Mb/s,上行鏈路1 Mb/s。WiBro的上下行數(shù)據(jù)速率也可再進(jìn)行比率調(diào)整(如2∶1、1∶1或5∶1等)。
5.3 QoS
在WiBro中,業(yè)務(wù)是指在靜止或者移動(dòng)的環(huán)境中,隨時(shí)隨地都能通過PSS提供高速無線互聯(lián)網(wǎng)接入的便攜互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。目前,WiBro業(yè)務(wù)主要包括視頻、音樂、游戲、教育、新聞、會(huì)議等。
WiBro的QoS設(shè)計(jì)與WiMAX相近。WiMAX將分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先權(quán)進(jìn)行4種分級(jí):主動(dòng)授權(quán)業(yè)務(wù)(UGS)、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(nrtPS)和盡力而為(BE)業(yè)務(wù)。與WiMAX相比,WiBro則是分成三級(jí),具有rtPS、nrtPS以及BE,沒有UGS。
一般而言,rtPS用于視頻電話、互動(dòng)式視頻游戲(在線游戲)和視頻點(diǎn)播等實(shí)時(shí)應(yīng)用,nrtPS則用于高速文件傳輸、多媒體短信和網(wǎng)站瀏覽等應(yīng)用,BE業(yè)務(wù)主要包括E-mail、傳統(tǒng)文字短信和低速文件傳輸?shù)葢?yīng)用。
WiBro對(duì)QoS的要求比WiMAX更高。以對(duì)傳輸時(shí)延要求最嚴(yán)苛的rtPS為例,WiBro要求其延遲不能超過600 ms,更高標(biāo)準(zhǔn)則要求不能超過300 ms,分組丟失率要求不能超過5%,更高標(biāo)準(zhǔn)要求不能超過1%。
所有的業(yè)務(wù)都能支持靜止、游牧和中速移動(dòng)用戶,并滿足不低于1 Mb/s的無線數(shù)據(jù)速率。所有基于IP的業(yè)務(wù)在蜂窩之間能夠進(jìn)行無縫切換,且支持鑒權(quán)和加密功能。我們可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)級(jí)別提供不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS),并且根據(jù)用戶不同的需求,提供不同的計(jì)費(fèi)費(fèi)率。針對(duì)不同用戶業(yè)務(wù),根據(jù)連接時(shí)間、分組數(shù)量、服務(wù)級(jí)別、服務(wù)質(zhì)量和連接中斷等,收取不同的費(fèi)用。
WiBro技術(shù)在和無線局域網(wǎng)或其他移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換時(shí),采用無縫切換的方式。因此,用戶在使用過程中,不會(huì)因不同網(wǎng)絡(luò)之間的相互切換而受到影響,使用戶真正享受到先進(jìn)技術(shù)帶來的無窮樂趣和無盡方便。
WiBro基站在術(shù)語上稱為RAS,RAS后端的實(shí)線匯接處則是ACR,之后再與各種異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)接軌(如WLAN、3G),與信息應(yīng)用系統(tǒng)整合(如AAA)。
5.4 雙工與多址方式
WiBro采用的是時(shí)分雙工模式,而非頻分雙工模式;在多址方式上,WiBro并不是采用傳統(tǒng)GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))的頻分多址接入、時(shí)分多址接入,也不是采用3G的碼分多址接入,而是正交頻分多址(OFDMA)。事實(shí)上,WiMAX(IEEE 802.16d)與移動(dòng)WiMAX(IEEE 802.16e)技術(shù)也都支持OFDMA。
WiBro之所以選用TDD模式,原因在于該技術(shù)能將保護(hù)頻段的開銷降至最小,從而大大提高頻譜利用率。WiBro使用OFDMA技術(shù)的目標(biāo)是最大限度地降低多徑干擾的影響,并提高頻譜效率。目前GSM,GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù)),CDMA2000和WCDMA等都采用頻分雙工方式,而Wi-Fi,WiMAX,WiBro則多采用時(shí)分雙工方式。
5.5 調(diào)制方法
WiBro可采用三種調(diào)制模式,包括QPSK,16QAM和64QAM,而信道編碼上使用卷積Turbo碼(CTC)。相比之下,WiMAX可用的信道錯(cuò)編碼方式比較多樣,除CTC之外也可選擇塊狀Turbo碼(BTC)或Reed-Solomon法以及前向糾錯(cuò)(FEC)碼。WiBro選擇CTC信道編碼的原因在于該編碼方法涉及到的數(shù)據(jù)量少,可以降低傳輸冗余,進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。
WiBro雖然在傳輸距離、覆蓋范圍和移動(dòng)性等方面優(yōu)于WLAN,但卻遜于3G;數(shù)據(jù)傳輸速率和服務(wù)費(fèi)用雖優(yōu)于3G,但仍無法與WLAN相提并論。因此,WiBro更像是一種在多項(xiàng)性能中折衷的產(chǎn)物,一旦3G或WLAN有新的發(fā)展突破,WiBro必然會(huì)受到一定沖擊。作為3G和WLAN的有益補(bǔ)充,WiBro除了扮演移動(dòng)寬帶的角色外,也能提供3G、WiBro和WLAN三網(wǎng)間的平滑漫游功能,使通信服務(wù)達(dá)到最廣闊、最連續(xù)的效果。另外,WiBro的折衷性也體現(xiàn)在QoS方面,3G的QoS性能最佳,現(xiàn)有IEEE 802.11b和IEEE 802.11g不存在QoS機(jī)制,而WiBro的QoS性能居中。WiBro,WLAN和3G的性能比較如圖5所示。
6 應(yīng)用現(xiàn)狀
韓國政府將移動(dòng)寬帶接入業(yè)務(wù)作為韓國新的增長點(diǎn)。韓國電信KT已經(jīng)在國內(nèi)部分地區(qū)開通了WiBro業(yè)務(wù)。除了在國內(nèi)使用之外,韓國還在積極把WiBro推向海外。2006年,WiBro在意大利都靈冬奧會(huì)上正式亮相;2007年,韓國三星與意大利電信公司簽約,在意大利部署WiBro網(wǎng)絡(luò);與委內(nèi)瑞拉的移動(dòng)運(yùn)營商Omnivision簽約部署WiBro網(wǎng)絡(luò);與美國Sprint Nextel公司簽約,組建一個(gè)WiBro試驗(yàn)網(wǎng)。韓國市場(chǎng)需求與WiBro優(yōu)勢(shì)分析如圖6所示。
依靠WiBro系統(tǒng),運(yùn)營商可以實(shí)現(xiàn)由三星電子提出的PTA業(yè)務(wù),即語音數(shù)據(jù)和圖像的同時(shí)傳送。作為WiBro技術(shù)的先驅(qū),從2003年開始,三星電子就與韓國TTA和各運(yùn)營商合作開發(fā)WiBro設(shè)備;2004年,三星電子研發(fā)出原型系統(tǒng);2005年,三星電子與世界上諸多大型運(yùn)營商開始對(duì)WiBro系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。作為WiMAX論壇移動(dòng)技術(shù)組的主席,三星電子對(duì)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的貢獻(xiàn)率達(dá)到了30%。
7 結(jié) 語
目前,韓國成為世界上第一個(gè)頒發(fā)WiBro商用牌照的國家。固網(wǎng)運(yùn)營商KT和移動(dòng)運(yùn)營商SKT都得到了這種牌照。顯而易見,KT會(huì)利用WiBro技術(shù)來延伸其DSL網(wǎng)絡(luò),并與SKT爭(zhēng)奪移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶,而SKT則會(huì)利用WiBro技術(shù)來增強(qiáng)其線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的熱點(diǎn)或熱區(qū)。
目前,KT商用的設(shè)備從系統(tǒng)到終端全部采用三星提供的產(chǎn)品,包括基站(RAS)和基站控制路由器(ACR)以及PDA式終端等。這一系列成果表明,韓國在WiMAX上已經(jīng)開始領(lǐng)先于世界,這不僅會(huì)對(duì)韓國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用,而且對(duì)于WiMAX陣營來說,絕對(duì)也是一個(gè)利好消息。
參 考 文 獻(xiàn)
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