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        密集市區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究

        2016-02-23 03:40:52
        關(guān)鍵詞:規(guī)劃用戶模型

        許 俠

        (南京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

        密集市區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究

        許 俠

        (南京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院,江蘇 南京 210023)

        重點(diǎn)對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方法進(jìn)行了研究,對(duì)其中的傳播模型校正、鏈路預(yù)算、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述。該案例的規(guī)劃主要分為預(yù)規(guī)劃和詳細(xì)規(guī)劃,通過實(shí)際的工程來進(jìn)行有力的說明,對(duì)某市進(jìn)行了符合本地特性的傳播模型校正,結(jié)合鏈路預(yù)算計(jì)算出基站的覆蓋半徑,用密集市區(qū)面積除以單基站的覆蓋面積就可以預(yù)估算出大致所需要的基站規(guī)模。通過atoll無線仿真軟件對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真,得出RSRP、RS-SINR、下行吞吐量和上行吞吐量四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證,通過新增14個(gè)基站和調(diào)整各基站參數(shù),把網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)達(dá)到密集市區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的要求,最后輸出規(guī)劃結(jié)果。

        LTE;網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃;傳播模型;鏈路預(yù)算;atoll仿真

        0 引言

        截至2015年年底全球LTE用戶就已達(dá)到14億,到2020年用戶數(shù)有望達(dá)到35億。目前全球有超過一百多個(gè)國家近300多家運(yùn)營(yíng)商推出了LTE業(yè)務(wù),2015年年底全球已經(jīng)有400多張商用LTE網(wǎng)絡(luò)[1]。在世界所有國家里,美、日、韓、英在4G技術(shù)上發(fā)起最早,主要通過這四個(gè)國家的LTE發(fā)展現(xiàn)狀來了解國外4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展水平。截至目前,在LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋率上,韓、日兩國分別以97%和90%位列前兩名,美國也以80%的覆蓋率占世界第七位,而我國的覆蓋率只有70%左右,與以上發(fā)達(dá)國家還有一定的差距[2]。國內(nèi)正式進(jìn)入4G時(shí)代的標(biāo)志是2013年12月TD-LTE制式牌照的發(fā)放,三大運(yùn)營(yíng)商進(jìn)入了大力建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)的時(shí)期。中國移動(dòng)主導(dǎo)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),中國電信、中國聯(lián)通主導(dǎo)FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[3]。如何把LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)為高效率、高質(zhì)量和低成本,是三大運(yùn)營(yíng)商非常關(guān)心的問題。因此,對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)加以研究非常必要。LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)理論到實(shí)踐的第一步,也是工程建設(shè)中非常重要的環(huán)節(jié)。一個(gè)完善合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,是保證LTE網(wǎng)絡(luò)快速部署、快速建設(shè)、穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。

        本文主要介紹LTE相關(guān)背景知識(shí),包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、OFDM、MIMO、鏈路自適應(yīng)、小區(qū)干擾控制和兩種LTE制式[4]。著重闡述LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法,對(duì)傳播模型校正方法、鏈路預(yù)算、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃、干擾分析和鄰區(qū)規(guī)劃進(jìn)行了非常詳細(xì)的研究論述,對(duì)atoll無線仿真軟件的使用進(jìn)行了介紹。

        1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

        LTE網(wǎng)絡(luò)按其功能結(jié)構(gòu),可以劃分為三個(gè)部分:用戶設(shè)備(UE)、演進(jìn)型地面無線接入網(wǎng)(E-UTRAN)、演進(jìn)的分組核,如圖1所示。

        圖1 LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

        EPC作為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng),包括移動(dòng)性管理實(shí)體、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、歸屬簽約用戶服務(wù)器及策略和計(jì)費(fèi)功能體。eNodeB的功能強(qiáng)大,能夠?qū)o線資源進(jìn)行管理,包括無線承載控制、接納控制、連接移動(dòng)性控制、上下行動(dòng)態(tài)資源調(diào)度等;對(duì)IP頭進(jìn)行壓縮及對(duì)用戶信息加密;用戶數(shù)據(jù)信息到服務(wù)網(wǎng)關(guān)的路由;用戶附著時(shí)的移動(dòng)性管理實(shí)體選擇;對(duì)尋呼信息和廣播信息進(jìn)行傳輸和調(diào)度;設(shè)置并提供eNodeB的測(cè)量[3]。

        正交頻分復(fù)用(OFDM)是LTE的關(guān)鍵技術(shù),其主要思想就是通過若干個(gè)正交的子信道,把一個(gè)高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化成若干低速的子數(shù)據(jù)流,并行地承載數(shù)據(jù)。在接收端使用相關(guān)技術(shù)把相互嚴(yán)格正交的信號(hào)分離開來,這樣就降低了子信道之間的相互干擾(ISI)。OFDM不僅可以消除碼間串?dāng)_,提高頻譜利用率,而且信道均衡也變得相對(duì)容易。另外,OFDM系統(tǒng)可以利用離散傅里葉反變換(IDFT)代替載波調(diào)制,OFDM系統(tǒng)的解調(diào)通過離散傅里葉變換(DFT)實(shí)現(xiàn)。

        多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)也是LTE系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一,該技術(shù)在智能天線領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用。它在發(fā)射端使用多個(gè)發(fā)射天線發(fā)送信號(hào),在接收端同樣使用多個(gè)接收天線來接收信號(hào),從而在帶寬不變的情況下極大地增加了通信系統(tǒng)容量,提高了傳輸速率和頻譜利用率。MIMO技術(shù)主要包括四個(gè)部分:空間分集、空分復(fù)用、波束賦形、預(yù)編碼。

        2 LTE網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)規(guī)劃方法

        2.1 傳播模型的校正

        傳播模型的校正是無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié),它的準(zhǔn)確與否關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的準(zhǔn)確性,同樣也關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)合理性。對(duì)于我國來說,各個(gè)地區(qū)的無線傳播環(huán)境各不相同,每個(gè)省市都有各自的環(huán)境特點(diǎn),其相應(yīng)的傳播模型也各不相同。如果只是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)而忽略各個(gè)地區(qū)的地理環(huán)境、樓宇、樹木等地物參數(shù)的影響,必然會(huì)使建成的網(wǎng)絡(luò)有問題,或者根據(jù)不準(zhǔn)確的傳播模型把基站建得過于密集,而造成建網(wǎng)成本過高,資源浪費(fèi)。連續(xù)波測(cè)試(CW波測(cè)試)是傳播模型校正中非常重要的環(huán)節(jié),其主要作用就是得到符合被測(cè)地區(qū)地物環(huán)境的無線傳播模型,只有把傳播模型校正得更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,才會(huì)使網(wǎng)絡(luò)覆蓋預(yù)測(cè)更加合理。

        通常在CW波測(cè)試數(shù)處理中采用預(yù)處理、地理平均和數(shù)據(jù)偏移修正這三種方法。預(yù)處理就是對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)在距離和電平值上進(jìn)行過濾操作,把那些地理位置信息不準(zhǔn)確和信號(hào)強(qiáng)度明顯不合理的數(shù)據(jù)刪除掉;地理平均就是把測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行地理化平均,一般取5m或6m的特定距離來區(qū)域平均,這些均值是用來對(duì)本地模型加以校正的;數(shù)據(jù)偏移修正就是當(dāng)測(cè)試點(diǎn)的位置信息出現(xiàn)整體性偏移誤差時(shí)進(jìn)行修正。

        2.2 鏈路預(yù)算

        鏈路預(yù)算是LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中預(yù)測(cè)系統(tǒng)覆蓋能力最主要的方法。經(jīng)過對(duì)上下行信號(hào)在傳播過程中的分析和計(jì)算,給出在一定呼叫質(zhì)量前提下上下行鏈路所允許的最大傳輸損耗,進(jìn)而計(jì)算出單個(gè)宏站所覆蓋的半徑。某一目標(biāo)區(qū)域的面積除以單個(gè)宏站的覆蓋面積就可以估算出該區(qū)域所需要的大致基站數(shù)量。在鏈路預(yù)算模型中,最大允許路徑損耗=發(fā)射功率+增益-損耗-接收機(jī)靈敏度-余量[5]。鏈路預(yù)算在基站數(shù)量的估算上有很大的指導(dǎo)作用,小區(qū)的覆蓋由上行覆蓋和下行覆蓋決定,鏈路預(yù)算目的就是讓上下行鏈路達(dá)到平衡,充分利用系統(tǒng)資源。

        2.3 覆蓋規(guī)劃

        晚上,蘇婷婷在收拾床鋪,杰克在刷牙。蘇婷婷問杰克:你知道爸媽今天問我啥了嗎?杰克從衛(wèi)生間探出頭:?jiǎn)柲闵叮刻K婷婷笑了:?jiǎn)栁疑稌r(shí)候生?杰克說:你已經(jīng)升了,還要再升?蘇婷婷說:不是說升職,是說生孩子!杰克走出衛(wèi)生間,詫異地:你生不生孩子與他們有關(guān)系嗎?蘇婷婷說:中國父母把兒女當(dāng)成他們的一部分,生不生孩子當(dāng)然與他們有關(guān)系。杰克搖搖頭:N O,生不生孩子是咱們的事,與他人沒有關(guān)系。蘇婷婷說:N O,你還不了解中國,所有的事情都與父母有關(guān)系。杰克說:可咱們的事情與父母沒關(guān)系,我爸媽從來不干涉我的。蘇婷婷說:我爸媽可就不一定了。

        在LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中,首先要明確LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的覆蓋目標(biāo),主要是以業(yè)務(wù)類型、覆蓋區(qū)域、覆蓋概率等指標(biāo)來表示。

        業(yè)務(wù)類型在LTE網(wǎng)絡(luò)中,只有PS域業(yè)務(wù)。在對(duì)某一地區(qū)做覆蓋規(guī)劃時(shí),首先要明確邊緣用戶的上下行速率要求,因?yàn)槠浣庹{(diào)門限的差異,其覆蓋范圍也不一樣,因此在覆蓋規(guī)劃時(shí)要先確定合理的業(yè)務(wù)類型。

        覆蓋區(qū)域根據(jù)要建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)地理情況,主要從面、線和點(diǎn)方面來分析,確定不同方面的覆蓋要求。面覆蓋:最主要的覆蓋區(qū)域,比如城市居住人口比較密集的區(qū)域,建設(shè)的初期階段為主要的城區(qū)和郊區(qū),隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,逐步覆蓋到各縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn),甚至是覆蓋到村。線覆蓋:一般指覆蓋重要的交通樞紐,比如高速公路、鐵路等。點(diǎn)覆蓋:一些數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)比較集中的熱點(diǎn)區(qū)域。

        覆蓋區(qū)域類型一般分為:密集市區(qū)、一般城區(qū)、郊區(qū)、農(nóng)村、鐵路、高速公路。

        覆蓋參數(shù)密集市區(qū)的面覆蓋率最大,不同的場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求和人口密度都不相同,其覆蓋參數(shù)也不一樣。各個(gè)場(chǎng)景的覆蓋率要求如表1所示。

        表1 不同場(chǎng)景覆蓋章

        根據(jù)業(yè)務(wù)類型、覆蓋區(qū)域概率以及前面的鏈路預(yù)算,就可計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域下大致的小區(qū)覆蓋半徑,單小區(qū)覆蓋面積可由單小區(qū)覆蓋半徑得出,整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的面積除以單小區(qū)的覆蓋面積就可以算出LTE網(wǎng)絡(luò)所需的站點(diǎn)規(guī)模。

        2.4 容量規(guī)劃

        LTE網(wǎng)絡(luò)的容量規(guī)劃是以網(wǎng)絡(luò)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),得出小區(qū)吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量,并以此來估算目標(biāo)區(qū)域的站點(diǎn)規(guī)模。影響LTE網(wǎng)絡(luò)容量性能的主要因素有:?jiǎn)紊葏^(qū)頻點(diǎn)帶寬、頻段的使用方式、天饋方式、資源調(diào)度算法、小區(qū)間干擾消除技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式。評(píng)估LTE網(wǎng)絡(luò)容量的主要指標(biāo)有如下幾個(gè):(1)單小區(qū)平均吞吐量和小區(qū)邊緣吞吐量;(2)最大同時(shí)可調(diào)度用戶數(shù)上下行控制信道的可用資源數(shù)目決定了LTE調(diào)度用戶數(shù);(3)VoIP用戶數(shù)通常情況下,在同頻組網(wǎng)、帶寬20MHz的條件下,VoIP用戶的最大容量大約為600個(gè)[6];(4)同時(shí)在線用戶數(shù)因?yàn)閿?shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延并不是很敏感,動(dòng)態(tài)調(diào)度算法可以確保用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能夠及時(shí)快速地為用戶分配所需的空口資源。一般情況下,當(dāng)帶寬為20MHz以內(nèi)時(shí),單小區(qū)提供的同時(shí)在線用戶數(shù)不低于200個(gè)。

        2.5 干擾分析

        在頻率組網(wǎng)中,同頻組網(wǎng)是常用的方案,該方案也是LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中比較大的挑戰(zhàn)。小區(qū)之間的同頻干擾會(huì)造成LTE系統(tǒng)的載干比性能變差,也會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)面的系統(tǒng)吞吐量和邊緣用戶吞吐量降低,同時(shí)也造成控制面的公共信道解調(diào)不準(zhǔn),降低用戶規(guī)模,增加系統(tǒng)時(shí)延等。解決同頻干擾主要有如下幾個(gè)措施[7]。

        (1)干擾協(xié)調(diào):干擾協(xié)調(diào)的思路是按一定的規(guī)則和方法為小區(qū)之間協(xié)調(diào)資源的分配和調(diào)度,以此來減小小區(qū)間的干擾。主要有三種協(xié)調(diào)方式:靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)、半靜態(tài)干擾協(xié)調(diào)和動(dòng)態(tài)干擾協(xié)調(diào)。

        (2)干擾隨機(jī)化:干擾隨機(jī)化是指把相鄰小區(qū)同一頻率的有色干擾信息采用交織或者加擾的方式,轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)的干擾,使同頻有色干擾變?yōu)榘自肼暋?/p>

        (3)干擾抑制:有兩種抑制方式,即發(fā)射端干擾抑制和接收端干擾抑制[7]。

        (4)功率控制:可以通過在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)調(diào)整發(fā)射功率來彌補(bǔ)信號(hào)在無線信道中的傳播損耗和衰落,這樣既可以保證通信不中斷,也不會(huì)對(duì)同一系統(tǒng)中其他移動(dòng)端造成不必要的干擾。

        (5)波束賦形:在下行鏈路中,基站一側(cè)采用波束賦形技術(shù)可將有效波束對(duì)準(zhǔn)期望覆蓋的地區(qū),既可以提高該區(qū)域用戶的信號(hào)強(qiáng)度,又能減小信號(hào)對(duì)其他區(qū)域用戶的干擾。當(dāng)知道被干擾用戶在哪一區(qū)域時(shí),通過波束賦形可主動(dòng)降低該區(qū)域的接收信號(hào)強(qiáng)度。

        2.6 鄰區(qū)規(guī)劃

        鄰區(qū)規(guī)劃是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中比較重要的部分,鄰區(qū)規(guī)劃的好壞直接關(guān)系到切換性能和掉話率。對(duì)于新建網(wǎng)絡(luò)的鄰區(qū)規(guī)劃主要是以atoll等規(guī)劃軟件為主,人工細(xì)化為輔。使用atoll等規(guī)劃軟件進(jìn)行預(yù)規(guī)劃,依據(jù)預(yù)規(guī)劃的結(jié)果,結(jié)合每個(gè)基站的現(xiàn)實(shí)情況和勘察報(bào)告中地物信息、覆蓋目標(biāo)、基站間距和扇區(qū)目標(biāo)等信息來進(jìn)行人工增刪或調(diào)整鄰區(qū)。在鄰區(qū)關(guān)系配置上,主要有如下幾個(gè)原則。

        (1)鄰近原則。要同時(shí)考慮空間位置上的相鄰關(guān)系和位置上雖相鄰但在無線意義上的相鄰關(guān)系,一般情況下,地理位置上相鄰的小區(qū)會(huì)作為鄰區(qū)。

        (2)互易性原則?;猷弲^(qū),即A小區(qū)把B小區(qū)當(dāng)做鄰區(qū),同樣B也要把A當(dāng)做鄰區(qū)。只有在一些特別場(chǎng)景下,才可能配置單向鄰區(qū)。

        (3)鄰區(qū)適當(dāng)原則。對(duì)于密集和普通城區(qū)來說,由于基站距離比較短,鄰區(qū)配置的數(shù)量就比較多[8],而且鄰區(qū)的最大配置數(shù)有限,因此要注意鄰區(qū)的個(gè)數(shù)。在一般的工程應(yīng)用中,一方面要配置必要的鄰區(qū),另一方面也要避免不必要的鄰區(qū)。

        2.7atoll無線仿真

        無線仿真在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃環(huán)節(jié)中也非常重要,可以起到指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)的作用。利用無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃軟件對(duì)所規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)性能加以模擬,根據(jù)預(yù)測(cè)得到的數(shù)據(jù),模擬在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建成時(shí)的情況,及時(shí)地發(fā)現(xiàn)規(guī)劃中的問題,及時(shí)改正。atoll軟件仿真LTE網(wǎng)絡(luò)步驟如下:(1)新建一個(gè)LTE工程;(2)導(dǎo)入要仿真的目標(biāo)區(qū)域的三維地圖;(3)選擇相應(yīng)的投影方式;(4)選擇已經(jīng)校正好的符合本地區(qū)的傳播模型;(5)導(dǎo)入該地區(qū)規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),基站、天線、小區(qū)等;(6)相關(guān)參數(shù)配置,包括MIMO、傳播損耗等;(7)小區(qū)鄰區(qū)規(guī)劃;(8)頻率設(shè)置;(9)建立話務(wù)地圖;(10)蒙特卡羅仿真;(11)仿真結(jié)果輸出,生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)告。

        3 結(jié)論

        LTE的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)依然在如火如荼地進(jìn)行,LTE網(wǎng)絡(luò)的用戶也在不斷地增加,要建設(shè)一個(gè)高質(zhì)量低成本的LTE網(wǎng)絡(luò),必須要有合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃,充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源,最大化地共享基站。因此,高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)部署非常重要。本文首先介紹了對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的基本認(rèn)識(shí),然后介紹了無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的基礎(chǔ),包括無線傳播特性、傳播模型和天線技術(shù)特性等,結(jié)合LTE技術(shù)特性給出了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃指標(biāo)要求和流程。重點(diǎn)對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃方法進(jìn)行了研究,對(duì)其中的傳播模型校正、鏈路預(yù)算、覆蓋規(guī)劃、容量規(guī)劃、進(jìn)行了非常詳細(xì)的分析和論述。

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        Design of pilot joint assigning scheme for massive multi-antenna system

        XuXia

        (SchoolofInformationandCommunicationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210023,China)

        WemakeLTEnetworkplanningtargetsrequirementsandprocessescombinedwiththetechnicalcharacteristics.WefocusontheLTEnetworkplanningmethods,includingthepropagationmodelcalibration,linkbudget,coverageplanningandcapacityplanning.Itisaverydetailedanalysisanddiscussion.Itisdividedintopre-planninganddetailedplanning.Throughpracticalengineeringtovigorousexplanation,thecityhasbeencorrectedinlinewiththelocalpropagationmodelandcombinedlinkbudgetcalculatedbasestationcoverageradiusandcoverageareaofthebasestation.Throughitsnetworksimulationsoftwareatoll,itdrawsRSRP,RS-SINR,theaveragethroughputofdownlinkandtheaveragethroughputofuplink.InordertomeettherequirementsoftheLTEnetworkplanning,throughaddingfourteennewbasestationsandadjustingtheparameters,wegetthefinaloutputplanningresults.

        LTE;networkplanning;propagationmodel;linkbudget;atollsimulation

        TN

        ADOI: 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.021

        許俠. 密集市區(qū)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計(jì)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2016,35(22):81-83,97.

        2016-06-29)

        許俠(1991-),男,碩士研究生,主要研究方向:LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)。

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