張娣 張焱 文晉曉 何遵文

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院,北京 100081)

引 言

第五代(the 5th Generation, 5G)移動(dòng)通信系統(tǒng)及其演進(jìn)(Beyond 5G,B5G)具有低延時(shí)、低功耗、低成本、較高實(shí)際體驗(yàn)速率等特點(diǎn),近年來得到了快速發(fā)展. 為了滿足任何人在任何地點(diǎn)任何時(shí)間以任何方式的通信需求,5G與天地一體化融合成為新的發(fā)展趨勢(shì). 于全院士在“2016未來移動(dòng)通信技術(shù)峰會(huì)”上指出,以5G為代表的地面移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信不是相互競(jìng)爭(zhēng)和取代的關(guān)系,而是相互補(bǔ)強(qiáng),最終實(shí)現(xiàn)天地一體的信息網(wǎng)絡(luò)[1].

5G及B5G需要提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的用戶體驗(yàn),因此對(duì)帶寬提出了更大的需求. 在現(xiàn)有頻譜資源緊張的背景下,需要考慮更高頻段的應(yīng)用. 太赫茲波通常指的是頻率在0.1～10 THz(波長在0.03～3 mm)內(nèi)的電磁輻射. 太赫茲頻段具有頻率高、波束窄、絕對(duì)帶寬大、通信容量大等優(yōu)點(diǎn).由于其所處位置的過渡性,它同時(shí)具備電磁波和光波的性質(zhì),還具有穿透性、光譜分辨特性、時(shí)間和空間相干性等特點(diǎn),因此近年來在天文、安全檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、地面無線通信、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展. 作為超高頻段頻譜,將太赫茲頻段應(yīng)用于5G通信系統(tǒng),有望進(jìn)一步提升傳輸速率,對(duì)推動(dòng)天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展也具有重大意義.

對(duì)太赫茲無線通信信道特性的研究是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ),受到各國的高度重視. 在室外信道傳輸方面,目前主要集中于太赫茲波在大氣[2-3]、等離子體[4]等不同傳輸介質(zhì)中的傳輸特性研究. 室內(nèi)信道傳輸特性的研究主要包括裝修材料的反射、散射特性[5-7]以及信道傳播特性[8-10]等.

基于太赫茲頻段速率高帶寬大的特點(diǎn),未來可將其應(yīng)用于高中低軌道衛(wèi)星通信領(lǐng)域. 然而,目前關(guān)于太赫茲信道的研究,大多數(shù)集中于室外短距離通信和室內(nèi)無線信道傳輸,對(duì)太赫茲頻段星地?zé)o線通信場(chǎng)景尚未做深入分析. 現(xiàn)有關(guān)于太赫茲星地通信信道的研究,通常集中分析影響太赫茲信道特性的單一因素,如大氣分子吸收、降雨衰減等,未考慮隨時(shí)間變化的多種衰減源的綜合影響,缺乏系統(tǒng)性、模塊化的建模流程與方法.另外,對(duì)于大氣因素同時(shí)作用對(duì)信道產(chǎn)生的復(fù)合衰減效應(yīng)的研究,主要集中在微波和毫米波頻段,太赫茲頻段的研究不夠深入,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不是很多.

因此,本文結(jié)合太赫茲空間通信特點(diǎn),提出了一種適用于星地通信系統(tǒng)模塊化、流程化的太赫茲信道建模與仿真方法,分析了自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減、雨衰減及多普勒頻移等太赫茲信道的影響因素,構(gòu)建星地太赫茲通信信道建模流程,并給出了分步驟信道參數(shù)的生成方法. 通過數(shù)值仿真,對(duì)不同天氣狀況下,傳輸距離和頻率對(duì)傳輸信號(hào)的影響以及信道誤碼率隨距離的變化進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了所提出模型和方法的可用性. 所提建模方法涵蓋了太赫茲星地信道的主要因素,能夠提供不同傳輸條件下的動(dòng)態(tài)太赫茲信道復(fù)合衰減效應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù),為今后太赫茲頻段無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了評(píng)估與測(cè)試依據(jù). 此外,還針對(duì)模型綜合得到的衰減結(jié)果,對(duì)未來星地太赫茲實(shí)現(xiàn)可靠通信提出了相應(yīng)的傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)建議.

1 星地太赫茲信道模型構(gòu)建

1.1 星地太赫茲通信影響因素分析

與傳統(tǒng)的星地通信系統(tǒng)無線電波信號(hào)相似,太赫茲波由衛(wèi)星傳播到地面接收站的過程中,會(huì)依次經(jīng)歷外層空間、散逸層、熱層、中間層、平流層和對(duì)流層.每層所含的物質(zhì)不同,傳播環(huán)境不同,影響信號(hào)傳輸?shù)囊蛩匾膊灰粯?由于太赫茲波自身的特性,這些因素對(duì)信號(hào)幅度和相位的影響程度也各不相同.

1.1.1 外層空間

衛(wèi)星在上萬千米高空向地面站發(fā)送信號(hào),信號(hào)首先經(jīng)歷外層空間. 外層空間含有密度很低的物質(zhì),以等離子態(tài)的氫為主. 雖然所含物質(zhì)密度低,但由于經(jīng)歷自由空間的路徑很長,占總路徑的95%以上,因此自由空間損耗是最主要的損耗[11]. 對(duì)太赫茲空間通信來說,由于傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)頻率高,自由空間傳播損耗更是信道建模中重要的影響因素.

1.1.2 散逸層、熱層、中間層

散逸層、熱層、中間層的氣體通常處于電離狀態(tài). 電離的電子往往以一個(gè)特征頻率fp振動(dòng). 對(duì)于10 GHz以下頻段的電磁波而言,電離效應(yīng)引起的電離層閃爍會(huì)改變其傳播路徑,產(chǎn)生多徑效應(yīng)和損耗. 但太赫茲波的載波頻率f遠(yuǎn)大于fp,可以低耗地穿過電離層而不用過多考慮電離層閃爍的影響. 這一優(yōu)勢(shì)是太赫茲波用于衛(wèi)星通信的一大獨(dú)特優(yōu)點(diǎn).

1.1.3 平流層和對(duì)流層

平流層和對(duì)流層中,由于大氣、云、雨等復(fù)雜變化以及接收終端和衛(wèi)星之間的相對(duì)移動(dòng),會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生分子吸收損耗、云霧衰減、降雨衰減、對(duì)流層閃爍和多普勒效應(yīng).

對(duì)流層的水汽和氧氣會(huì)對(duì)太赫茲波傳播造成吸收損耗. 水分子和氧分子內(nèi)部容易發(fā)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能量躍遷,同時(shí)產(chǎn)生較低的吸收能量. 這部分能量對(duì)應(yīng)的頻率位于紅外光區(qū)和太赫茲頻段,從而造成了水汽和氧氣對(duì)太赫茲波的較強(qiáng)衰減.

當(dāng)無線電波工作頻率高于20 GHz時(shí),云霧衰減會(huì)對(duì)星地通信產(chǎn)生很大影響. 霧滴半徑通常在1～60 μm,以液態(tài)水密度為特征. 太赫茲波穿過對(duì)流層的云霧時(shí),有一部分能量被吸收或散射,從而導(dǎo)致?lián)p耗. 損耗大小與工作頻率、穿越的路程長短以及云霧的濃度有關(guān)[12]. 霧粒子的分布以及地域、形成機(jī)理等因素,都能對(duì)太赫茲頻段信號(hào)探測(cè)傳輸產(chǎn)生顯著影響.

降雨衰減產(chǎn)生于雨滴對(duì)電磁能量的吸收和散射. 當(dāng)工作頻率高于10 GHz時(shí),降雨衰減已經(jīng)成為無線電波穿過對(duì)流層的主要衰減之一. 在雨天環(huán)境下,太赫茲波的衰減主要由雨滴的球形散射造成. 當(dāng)雨滴直徑與太赫茲波長相當(dāng)時(shí),將造成太赫茲波的高衰減率. 降雨衰減對(duì)星地通信鏈路的影響很大,有時(shí)鏈路僅僅增加幾個(gè)dB的衰減就會(huì)產(chǎn)生很大的誤碼率,使系統(tǒng)信噪比降低,信道隔離度變差,從而導(dǎo)致通信中斷. 此種現(xiàn)象被稱為“峭壁效應(yīng)”,這是數(shù)字信號(hào)傳輸過程中所特有的現(xiàn)象[13].

對(duì)于10 GHz以上的低仰角、低余量系統(tǒng),對(duì)流層閃爍效應(yīng)較為嚴(yán)重. ITU-R P.618協(xié)議中對(duì)流層閃爍衰落算法的頻率適用范圍是4～20 GHz.本文討論太赫茲頻段星地通信,從應(yīng)用角度主要考慮仰角較高的情況,故暫不考慮對(duì)流層閃爍效應(yīng)的影響,后續(xù)仍需針對(duì)太赫茲頻段進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)最新的測(cè)量結(jié)果對(duì)所提模型進(jìn)行改進(jìn).

星地通信過程中,當(dāng)衛(wèi)星與地面站、用戶終端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng),此效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生碼間干擾,影響系統(tǒng)通信質(zhì)量. 多普勒效應(yīng)與相對(duì)移動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向以及信號(hào)的入射角有很大關(guān)系.

1.2 星地太赫茲通信信道模型構(gòu)建

依據(jù)上述分析,太赫茲頻段衛(wèi)星到地面的傳輸鏈路,需要綜合考慮自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減、降雨衰減以及多普勒頻移對(duì)信道的影響.由此,建立如圖1所示的建模流程.

圖1 太赫茲星地通信信道建模流程圖

由于衛(wèi)星對(duì)地面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),實(shí)際天氣狀況也時(shí)時(shí)不同. 因此,信道響應(yīng)是動(dòng)態(tài)變化的,應(yīng)隨時(shí)間的更新及時(shí)調(diào)整參數(shù)取值.

如圖1所示,太赫茲星地信道響應(yīng)生成步驟如下:

步驟1:設(shè)定初始環(huán)境參數(shù),主要包括頻率fc、收發(fā)距離d0(t)、相對(duì)移動(dòng)速度v等;

步驟2:綜合考慮自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減和降雨衰減的影響,生成信道傳輸損耗;

步驟3:依據(jù)傳播速度與收發(fā)距離的關(guān)系,生成信道傳輸時(shí)延τ0(t);

步驟4:考慮多普勒效應(yīng)影響,生成信道傳輸相移φ0(t);

步驟5:生成信道沖激響應(yīng)h(t);

步驟6:更新時(shí)間參數(shù)t,并更新不同傳輸距離、不同天氣條件下對(duì)應(yīng)時(shí)變參數(shù)的取值,回到步驟1,生成新的信道響應(yīng).

2 信道模塊分析

2.1 生成信道傳輸損耗

信道傳輸損耗由自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減損耗和降雨衰減損耗四部分組成,依據(jù)ITU-R P.618建議書給出的復(fù)合衰減計(jì)算方法,可得LP=LP,free+LP,air+LP,fog+LP,rain.

2.1.1 自由空間損耗計(jì)算

接收端和發(fā)射端距離為d0(t),若d0(t)以km為單位,f以MHz為單位,則自由空間損耗LP,free(dB)可以表示為

LP,free=32.44+20lgf+20lgd0(t).

(1)

經(jīng)過仿真可以得出,自由空間損耗隨傳輸距離增加而不斷增大,當(dāng)頻率為100 GHz時(shí),5 km處和50 km處的損耗分別為146 dB和166 dB,符合計(jì)算結(jié)果.

2.1.2 分子吸收損耗計(jì)算

大氣中水分子和氧分子對(duì)太赫茲波段特殊的吸收效應(yīng),使得大氣在太赫茲波段的折射率成為一個(gè)復(fù)數(shù)折射率,其具體值由不同大氣環(huán)境下的壓強(qiáng)、溫度和濕度決定[14]. 依據(jù)2007年ITU-R給出的大氣吸收估計(jì)計(jì)算模型[15],可以得出大氣中氧氣和水汽對(duì)太赫茲波的吸收衰減為

(2)

式中:γO表示大氣中氧氣所造成的衰減率;γW表示水汽所造成的衰減率;hO為干燥空氣的有效高度;hW為水汽的有效高度;θ為通信仰角.

氧氣和水汽對(duì)太赫茲波的吸收衰減,都表現(xiàn)為一條帶有若干個(gè)頻率選擇性吸收峰的曲線. 其中氧分子的吸收峰較少,衰減也較小,最強(qiáng)的吸收峰出現(xiàn)在60 GHz處,大約為14.5 dB/km. 而水分子的吸收峰明顯增多,覆蓋了大部分頻段,特別是高頻段. 其中最明顯的吸收峰出現(xiàn)在557 GHz處,吸收衰減達(dá)到了16 410 dB/km. 從整體上可以分析得到,氧氣對(duì)太赫茲波的吸收衰減率變化范圍大都處于0～15 dB/km之間,水汽對(duì)太赫茲波的吸收衰減率大都處于100 dB/km以上,甚至超過104 dB/km,明顯高于干空氣的吸收,這說明了水分子對(duì)太赫茲波具有極強(qiáng)的吸收效應(yīng).

2.1.3 云霧衰減計(jì)算

依據(jù)文獻(xiàn)[16]給出的通信系統(tǒng)云霧衰減的計(jì)算方法,可以得出云霧的總衰減為

(3)

式中:L為液態(tài)水柱含量,kg/m2;Kl為衰減率系數(shù);θ為路徑仰角,5°≤θ≤90°.

隨著能見度的降低,霧滴對(duì)太赫茲信號(hào)的衰減呈指數(shù)型增大;隨著頻率的增大,霧滴對(duì)太赫茲信號(hào)的衰減呈指數(shù)型升高[17]. 當(dāng)頻率為100 GHz時(shí),衰減為2.2 dB/km.

2.1.4 降雨衰減計(jì)算

結(jié)合文獻(xiàn)[18-19]給出的預(yù)報(bào)雨衰模型,可以得出0.01%時(shí)間概率降雨衰減為

(4)

式中:LE為有效路徑長度;γR為降雨衰減率.

對(duì)于降雨來說,雨量的增加將導(dǎo)致衰減明顯升高. 在100 GHz頻率點(diǎn),當(dāng)降雨量為25 mm/h時(shí),雨滴造成的衰減大約為12 dB/km. 當(dāng)降雨量增加到100 mm/h時(shí),衰減增大到26 dB/km.

2.2 生成信道傳輸時(shí)延τ0(t)

當(dāng)傳輸過程是衛(wèi)星與地面的通信時(shí),考慮到兩者之間的距離以及太赫茲波穿越對(duì)流層過程中的明顯損耗,多徑效應(yīng)對(duì)接收端的影響已經(jīng)微乎其微.因此,模型中主要考慮了視距傳輸.視距徑的傳輸時(shí)延只與傳播速度與收發(fā)距離有關(guān).則信道傳輸時(shí)延

(5)

式中,c為光速．

2.3 生成信道傳輸相移φ0(t)

φ0(t)=2πfcτ0(t)-2πfmΔtcosθ+φ0.

(6)

式中:fc為載波頻率;fm為最大多普勒頻移;τ0(t)為傳輸時(shí)延,由式(5)計(jì)算得出;隨機(jī)初相φ0服從[0,1]上的均勻分布,即φ0∈U[0,1].

在衛(wèi)星通信過程中,當(dāng)接收端和發(fā)射端存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)v時(shí),兩個(gè)位置接收到信號(hào)的路程差Δl可以表示為Δl=vΔtcosθ,θ為入射波的夾角. 由于在實(shí)際的衛(wèi)星通信中,路徑距離很遠(yuǎn),可以假設(shè)多徑信號(hào)和地面之間的入射角是相等的,都用θ表示,則路徑變化導(dǎo)致的相位變化值為Δφ=2πΔl/λ=(2πvΔt/λ)cosθ,從而可以推出多普勒頻率fd為

(7)

即最大多普勒頻移fm為

(8)

2.4 生成信道沖激響應(yīng)h(t)

h(t)=a0(t)exp[-jφ0(t)]δ[τ-τ0(t)].

(9)

2.5 更新時(shí)間參數(shù)t

更新時(shí)間參數(shù)t,并更新不同傳輸距離、不同天氣條件下對(duì)應(yīng)時(shí)變參數(shù)的取值,回到步驟1,生成新的信道響應(yīng).

3 太赫茲星地通信系統(tǒng)仿真及分析

為了驗(yàn)證模型的可用性,首先分析了不同天氣條件下,傳輸距離與頻率對(duì)太赫茲信號(hào)傳輸損耗的影響,之后在一個(gè)簡(jiǎn)單的星地通信系統(tǒng)仿真中,基于所生成的信道響應(yīng)進(jìn)行太赫茲星地鏈路誤碼率性能仿真與分析.

3.1 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

仿真采用的星地通信鏈路參數(shù)如下:載波頻率fc為0.1～1 THz,信道帶寬B為10 GHz,發(fā)射功率Pt為10 W,天線增益為35 dBi. 太赫茲頻段的星地通信具有帶寬大的優(yōu)點(diǎn),但由于傳輸鏈路較長且頻段較高,影響因素較多,通過所提出的信道模型,綜合各因素仿真得到的傳輸衰減較大. 從保證太赫茲星地通信的可靠性出發(fā),建議采用二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)或正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)低階調(diào)制方式,并采用低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low Density Parity Check Code,LDPC)或極化碼(Polar Code)等高糾錯(cuò)性能的編碼技術(shù). 在本論文的仿真中采用了QPSK調(diào)制技術(shù),因本文主要擬評(píng)估信道衰減本身對(duì)通信性能產(chǎn)生的影響,故暫未考慮編碼技術(shù),實(shí)際上編碼技術(shù)可帶來相應(yīng)編碼增益,體現(xiàn)在誤碼率的改善方面.

由于對(duì)流層的中部距離地面約6 km,霧和降雨主要集中在這一層,云可能伸展到10 km以上,因此設(shè)定大氣衰減在10 km的范圍. 晴好天氣時(shí),取溫度為288 K(15℃),相對(duì)濕度為60%;云霧天氣時(shí)取能見度為50 m的濃霧狀態(tài),此時(shí)液體水密度為0.5 g/m3;降雨天氣時(shí),以靜止軌道衛(wèi)星北京地面站為例,路徑仰角為10°,水平極化角為0°,降雨率為100 mm/h.

此外,在太赫茲頻段,熱噪聲和量子噪聲功率具有相同的數(shù)量級(jí),這是太赫茲通信系統(tǒng)不同于微波和光通信系統(tǒng)的特殊之處,因此進(jìn)行仿真時(shí)兩種噪聲均在考慮之內(nèi). 其中熱噪聲為高斯白噪聲,量子噪聲為隨頻率變化的色噪聲.

仿真了晴好天氣(只考慮自由路徑損耗和大氣分子吸收損耗)、云霧天氣(綜合考慮自由路徑損耗、大氣分子吸收損耗和云霧衰減)和降雨天氣(綜合考慮自由路徑損耗、大氣分子吸收損耗和降雨衰減)等三種不同情況.

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 傳輸距離對(duì)信號(hào)的影響

設(shè)置頻率為100 GHz,傳輸距離為200～35 600 km,可得到傳輸損耗與傳輸距離的關(guān)系曲線,如圖2所示.

圖2 傳輸損耗隨距離變化關(guān)系曲線

如圖2所示,隨著傳輸距離的增大,根據(jù)所提模型得到的傳輸損耗依照對(duì)數(shù)形式整體抬升. 晴好天氣時(shí),系統(tǒng)傳輸損耗最小;云霧天氣時(shí),傳輸損耗增加了13 dB;降雨對(duì)系統(tǒng)影響較大,降雨天氣時(shí),系統(tǒng)傳輸損耗增加了107 dB.

3.2.2 不同頻段對(duì)信號(hào)的影響

固定傳輸距離為35 600 km,設(shè)置信號(hào)頻率分別為0.1～1 THz,觀察頻率改變對(duì)傳輸損耗的影響,如圖3所示.

圖3 傳輸損耗隨頻率變化關(guān)系曲線

如圖3所示,根據(jù)所提出的模型,傳輸損耗在太赫茲頻段存在若干個(gè)頻率選擇性吸收峰. 因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)在保證足夠帶寬的前提下,選擇合適的通信頻帶. 當(dāng)頻率為100 GHz時(shí),晴好天氣、云霧天氣和降雨天氣對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)傳輸損耗分別達(dá)到227 dB、240 dB和334 dB.

3.2.3 接收系統(tǒng)的誤碼率

設(shè)置頻率為100 GHz,傳輸距離為200～35 600 km. 通過仿真分析得到,中高軌道星地傳輸系統(tǒng)誤碼率較大,故只畫出了低軌道衛(wèi)星(傳輸距離為200～1 500 km)對(duì)應(yīng)的誤碼率隨傳輸距離的變化. 利用QPSK調(diào)制方式下誤碼率理論分析的方法,可得到晴好天氣時(shí)接收系統(tǒng)的誤碼率與傳輸距離的關(guān)系曲線,如圖4所示.

圖4 晴好天氣誤碼率隨距離變化關(guān)系曲線

如圖4所示,隨著傳輸距離的增加,誤碼率逐步增大. 晴好天氣時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定可靠.

降雨天氣時(shí),采用了與晴好天氣相同的參數(shù)進(jìn)行仿真. 通過對(duì)降雨天氣時(shí)誤碼率隨距離變化的仿真分析可得到,降雨將嚴(yán)重干擾太赫茲信道的傳輸性能,誤碼率明顯增大,已不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性要求. 因此當(dāng)太赫茲波在惡劣天氣傳輸時(shí),有必要提高發(fā)射功率和采用高增益天線,這對(duì)太赫茲功率合成、天線設(shè)計(jì)等都提出了相應(yīng)的要求. 此外,還可采用LDPC或極化碼等高糾錯(cuò)性能的編碼技術(shù),以提高編碼增益,改善系統(tǒng)誤碼率.

4 結(jié) 論

本文主要研究了太赫茲頻段星地通信系統(tǒng)的信道建模與仿真方法,分析了自由空間損耗、分子吸收損耗、云霧衰減、雨衰減及多普勒頻移等太赫茲信道的影響因素,構(gòu)建星地太赫茲通信信道建模流程,并給出了分步驟信道參數(shù)的生成方法. 通過仿真進(jìn)一步探討了不同天氣狀況下,傳輸距離和頻率對(duì)傳輸信號(hào)的影響以及信道誤碼率隨距離的變化. 結(jié)果表明:降雨對(duì)太赫茲頻段的星地通信影響很大,需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮功率合成、天線增益、傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)等影響因素,保證系統(tǒng)可用率的要求. 所提建模方法能夠提供不同傳輸條件下的動(dòng)態(tài)太赫茲信道復(fù)合衰減效應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù),從而為今后太赫茲頻段無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了評(píng)估與測(cè)試依據(jù).

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