【摘? 要】超低時(shí)延是5G網(wǎng)絡(luò)的重要特性之一，為了探究該特性在5G空口中的實(shí)現(xiàn)策略，首先描述了物理層的資源網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和資源分配方式，指出了物理層為上層提供了靈活的業(yè)務(wù)承載基礎(chǔ)，隨后分析了調(diào)度核心MAC的結(jié)構(gòu)和功能變化，最后討論了新的數(shù)傳控制方案，遞進(jìn)地介紹了實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】5G空口;低時(shí)延;物理層資源;調(diào)度

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.09.015? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）09-0079-07

引用格式：牟晉宏. 5G空口實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（9）： 79-85.

Key Technology for Achieving Ultra-Low Latency in 5G Uu Interface

MU Jinhong

[Abstract]?Ultra-low latency is one of the most important characteristics in 5G networks. In order to explore the implementation of this feature in 5G Uu interface， This paper first describes the resource grid structure and resource allocating mode in the physical layer and points out that the physical layer provides a flexible foundation of service bearing for the upper layer. Afterwards， the changes of the structure and function in the scheduling core MAC are analyzed. Finally， a novel data transmission controlling scheme is discussed. The key technologies for realizing ultra-low latency are introduced progressively.

[Key words]5G Uu interface; low latency; physical layer resources; scheduling

1? ?引言

在目前廣泛部署的4G網(wǎng)絡(luò)中，理論上空口可以提供小于5 ms的單向延遲，部署良好網(wǎng)絡(luò)的端到端延遲可以達(dá)到約10 ms，這為移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)提供了良好的體驗(yàn)。為了滿足新一代移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求，作為5G三大應(yīng)用場(chǎng)景之一的uRLLC對(duì)端到端時(shí)延的要求達(dá)到了1 ms[1]，面向傳統(tǒng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的eMBB場(chǎng)景對(duì)時(shí)延的要求也比4G更高。一方面，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面上可以通過控制面/用戶面分離、移動(dòng)邊緣計(jì)算、CU/DU分離等方案降低數(shù)據(jù)在承載網(wǎng)中的時(shí)延;另一方面，5G空口也做了大量技術(shù)調(diào)整以降低空口傳輸時(shí)延。本文接下來將通過與4G對(duì)比的方式，從物理信道結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方案兩方面介紹5G空口實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)。

2? ?物理信道結(jié)構(gòu)

LTE物理層的基礎(chǔ)資源粒子RE在頻域上的子載波間隔為15 kHz，并以此構(gòu)建固定格式的資源網(wǎng)格?；谶@一資源網(wǎng)格方案，又形成了相對(duì)固定的物理信道資源分配模式，最終與其他上層協(xié)議配合實(shí)現(xiàn)了小于5 ms的空口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。在NR物理層中，資源網(wǎng)格和資源分配均使用了更靈活的方案，為實(shí)現(xiàn)更低時(shí)延提供物理層基礎(chǔ)。

2.1? 資源網(wǎng)格

得益于時(shí)間色散的魯棒性和對(duì)時(shí)頻資源的高利用率，OFDM從LTE沿用到了NR。但與LTE物理層資源網(wǎng)格中子載波間隔固定為15 kHz的方式不同，為了支持從低至1 GHz載波頻率的宏蜂窩小區(qū)到毫米波頻段的大帶寬微蜂窩熱點(diǎn)的不同部署場(chǎng)景，NR采用了一種靈活OFDM符號(hào)的方案，它支持從15 kHz到240 kHz的不同子載波間隔，并用參數(shù)μ來定義這種可變的子載波間隔[2]：

SCS=15*2μ（kHz）， μ∈{0， 1， 2， 3， 4}

隨著參數(shù)μ的增加，單個(gè)資源粒子在時(shí)域上占用的符號(hào)時(shí)長(zhǎng)會(huì)等比例降低，相同時(shí)間內(nèi)的符號(hào)數(shù)也會(huì)等比例增加。為了有效支持補(bǔ)充上行鏈路特性，方便實(shí)現(xiàn)NR/LTE共存，NR保留了LTE的基礎(chǔ)幀結(jié)構(gòu)模型，即仍然采用10 ms系統(tǒng)幀、1 ms子幀的時(shí)間配置。此外，規(guī)定一個(gè)時(shí)隙固定包含14個(gè)符號(hào)（普通循環(huán)前綴場(chǎng)景），因此不同參數(shù)μ也意味著一個(gè)子幀內(nèi)包含不同數(shù)量的時(shí)隙。NR時(shí)域基本參數(shù)如表1所示：

對(duì)比LTE，NR仍然使用子幀作為時(shí)間參考，但用時(shí)隙取代子幀作為動(dòng)態(tài)調(diào)度的時(shí)間單元。由于時(shí)隙被定義為固定數(shù)量的OFDM符號(hào)，較高的子載波間隔就對(duì)應(yīng)較短的時(shí)隙，因此可用于支持低時(shí)延傳輸。另一方面，由于循環(huán)前綴會(huì)隨子載波間隔的增加而縮小，導(dǎo)致實(shí)際部署時(shí)不具備普適性，因此NR中為60 kHz的子載波間隔定義了擴(kuò)展循環(huán)前綴方案，與15 kHz子載波間隔相比，既獲得3/4傳輸延遲的降低又具有基本相當(dāng)?shù)难h(huán)前綴時(shí)長(zhǎng)，以犧牲少量可用符號(hào)數(shù)的方式提供了基礎(chǔ)的低延遲方案[3]。

此外，NR還支持將傳輸持續(xù)時(shí)長(zhǎng)與時(shí)隙時(shí)長(zhǎng)解耦，即每次數(shù)據(jù)傳輸不必占用完整的時(shí)隙，而可以僅使用時(shí)隙內(nèi)的部分時(shí)域資源。這種數(shù)據(jù)傳輸方案依賴于靈活的控制信道和數(shù)據(jù)信道資源分配，將分別在2.2節(jié)和2.3節(jié)中介紹。

2.2? 控制信道

物理層下行控制信道PDCCH是上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵模休d的不同格式DCI攜帶了上下行調(diào)度信息及其他輔助控制信息，終端需要根據(jù)DCI的指示執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作以完成數(shù)據(jù)收發(fā)。LTE中，PDCCH在頻域上總是占用全部帶寬，在時(shí)域上根據(jù)PBCH中的系統(tǒng)帶寬和每個(gè)下行子幀PCFICH中的控制格式指示確定占用當(dāng)前子幀的前1～4個(gè)符號(hào)。而NR中PDCCH不再占用固定資源，可以在一定的限制條件下占用任意的時(shí)頻資源。

為了靈活地指示PDCCH可以占用哪些資源，NR中引入了CORESET（Control Resource Set，控制資源集）的概念[2]，每個(gè)小區(qū)最多可以配置12個(gè)CORESET，其中CORESET 0由主系統(tǒng)消息塊中攜帶的參數(shù)指示，用于初始接入場(chǎng)景。其他11個(gè)CORESET的資源通過RRC信令指示，兩個(gè)主要參數(shù)分別是頻域上RB占用情況和時(shí)域上占用符號(hào)數(shù)[4]。

圖1是一個(gè)頻域60 RB、時(shí)域14符號(hào)的資源網(wǎng)格示例。在頻域上，CORESET的最小資源單位是6個(gè)RB，RRC信令中的每個(gè)bit都代表6個(gè)連續(xù)RB是否被使用，本例中RB6-RB47被當(dāng)前CORESET使用。在時(shí)域上，CORESET可以占用任意位置的1～3個(gè)符號(hào)，本例中占用2個(gè)。

NR保留了LTE中搜索空間的概念，指示終端如何搜索PDCCH候選集。每個(gè)小區(qū)最多可以配置40個(gè)搜索空間，其中每個(gè)BWP（Bandwidth Part，部分帶寬）內(nèi)最多配置10個(gè)。每個(gè)搜索空間關(guān)聯(lián)到一個(gè)CORESET，以此指示對(duì)應(yīng)的頻域資源和時(shí)域持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，時(shí)域上的具體出現(xiàn)位置通過RRC信令進(jìn)行指示，四個(gè)主要參數(shù)分別是時(shí)隙周期、時(shí)隙偏置、持續(xù)時(shí)隙數(shù)以及每個(gè)時(shí)隙中出現(xiàn)的符號(hào)位置[4]。

圖2是一個(gè)時(shí)域上8時(shí)隙的示例。搜索空間的時(shí)隙周期最小為1、最大可達(dá)2 560，每種周期配置都支持任意的時(shí)隙偏置，保證時(shí)隙周期的起始位置可以位于任意一個(gè)時(shí)隙，本例中時(shí)隙周期為4、時(shí)隙偏置為1。在每個(gè)周期內(nèi)，搜索空間從第一個(gè)時(shí)隙開始可以存在于任意數(shù)量的連續(xù)時(shí)隙中，且每個(gè)時(shí)隙內(nèi)可以出現(xiàn)多次，本例中每個(gè)時(shí)隙周期前兩個(gè)時(shí)隙的符號(hào)0和符號(hào)7為搜索空間出現(xiàn)的起始位置。

2.3? 數(shù)據(jù)信道

NR在物理層中也沿用了LTE中的共享數(shù)據(jù)信道設(shè)計(jì)，下行、上行分別使用PDSCH和PUSCH傳輸數(shù)據(jù)。LTE中，PDSCH和PUSCH針對(duì)終端分配資源時(shí)只能指示頻域資源，在時(shí)域上終端始終使用一個(gè)調(diào)度時(shí)間窗內(nèi)所有可用的符號(hào)。NR中，頻域資源仍然可以按照類似的方式分配給需要收發(fā)數(shù)據(jù)的終端，但在時(shí)域上時(shí)間分配粒度從時(shí)隙細(xì)化到符號(hào)級(jí)別，在不跨越時(shí)隙邊界的條件下近似達(dá)到任意分配的可能，有了極大的靈活性。

PDSCH的時(shí)域資源映射類型分為類型A、類型B兩種。以普通循環(huán)前綴為例，類型A PDSCH在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)占用的符號(hào)可以從{0， 1， 2， 3}開始，符號(hào)長(zhǎng)度為3～14;類型B PDSCH在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)占用的符號(hào)可以從0～12開始，但符號(hào)長(zhǎng)度僅限定為{2， 4， 7}[5]。

類似地，PUSCH的時(shí)域資源映射類型分為類型A、類型B兩種。以普通循環(huán)前綴為例，類型A PUSCH在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)占用的符號(hào)只能從0開始，符號(hào)長(zhǎng)度為4～14;類型B PUSCH在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)占用的符號(hào)可以從0～13開始，符號(hào)長(zhǎng)度為1～14[5]。

另一方面，NR下行物理層中取消了LTE的CRS設(shè)計(jì)，PDSCH的相干解調(diào)功能通過新增DM_RS滿足;上行方向上，相干解調(diào)功能繼續(xù)使用DM_RS實(shí)現(xiàn)，但細(xì)節(jié)有所改變。PDSCH DM_RS和PUSCH DM_RS均支持前載模式，即可以隨共享信道時(shí)域位置的變化總是放置在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谝粋€(gè)符號(hào)上，這樣就允許接收器盡早完成信道估計(jì)并及時(shí)處理接收到的信號(hào)，而不需要先緩存后解調(diào)，以降低數(shù)據(jù)處理時(shí)延[2]。

3? ?數(shù)據(jù)傳輸方案

NR的協(xié)議棧如圖3所示，除新增的用戶面協(xié)議層SDAP外，整體結(jié)構(gòu)及各層的主要功能都與LTE類似。出于降低總體時(shí)延的考慮，典型的差異主要在于RLC移除了發(fā)送端的級(jí)聯(lián)功能，還將接收端必選的按序遞送功能調(diào)整為PDCP的可選功能[6-7]。

如第2節(jié)所述，NR物理層資源分配具備極大的靈活性，為低時(shí)延數(shù)據(jù)傳輸提供了底層基礎(chǔ)。相應(yīng)地，MAC作為調(diào)度核心，通過一定結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理層資源更高效的使用，得以在數(shù)據(jù)傳輸方案上提供對(duì)低時(shí)延數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С帧?/p>

3.1? MAC PDU

LTE及NR中用于普通數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗AC PDU結(jié)構(gòu)如圖4、圖5、圖6所示[8-9]?？梢钥吹剑琈AC PDU都是由MAC子報(bào)頭、MAC控制元素、MAC SDU、填充比特這四部分組成。

不同的是，LTE中所有的MAC子報(bào)頭都集中在MAC PDU最前端形成一個(gè)MAC報(bào)頭，控制元素、用戶數(shù)據(jù)等載荷集中在MAC報(bào)頭，且與子報(bào)頭的順序一一對(duì)應(yīng)，這意味著調(diào)度生效后才能根據(jù)可用數(shù)據(jù)量封裝MAC PDU。而在NR中，MAC子報(bào)頭不再集中放置，而是將每個(gè)子報(bào)頭與對(duì)應(yīng)的控制元素或用戶數(shù)據(jù)緊鄰放置，這使得調(diào)度生效前可以預(yù)先進(jìn)行MAC PDU的封裝，從而降低從調(diào)度生效到將數(shù)據(jù)發(fā)往物理層進(jìn)行后續(xù)處理的時(shí)延。此外上下行MAC PDU之間也有區(qū)別，上行MAC PDU中控制元素總是位于SDU之后，而下行MAC PDU中控制元素總是位于SDU之前，這也是為了降低處理時(shí)延[3]。

為了充分發(fā)揮MAC層即時(shí)封裝PDU的特性，進(jìn)一步降低這種處理時(shí)延，RLC發(fā)送端還移除了級(jí)聯(lián)功能，由MAC在即時(shí)封裝過程中一并完成。這使得RLC收到MAC的指示后無需消耗時(shí)間組裝RLC PDU，而是直接將符合傳輸塊大小的PDU轉(zhuǎn)發(fā)到MAC處理。

3.2? 上行優(yōu)先級(jí)處理

下行數(shù)據(jù)傳輸由基站全權(quán)負(fù)責(zé)，數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)處理和時(shí)延控制等過程均無需終端參與。而在上行數(shù)據(jù)傳輸中，基站僅負(fù)責(zé)給終端分配一定的上行資源，數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)由終端基于網(wǎng)絡(luò)指示進(jìn)行處理：為了既能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)又能避免低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)餓死，網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)上行邏輯信道分配優(yōu)先級(jí)和兩個(gè)令牌桶參數(shù)，終端發(fā)送端MAC實(shí)體根據(jù)令牌桶算法及相關(guān)參數(shù)，將不同邏輯信道的數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)MAC PDU交給物理層進(jìn)行傳輸。如果終端當(dāng)前被調(diào)度的上行資源無法滿足數(shù)據(jù)發(fā)送需求，會(huì)在MAC PDU中插入BSR（Buffer Status Report，緩存狀態(tài)報(bào)告）上報(bào)待發(fā)送數(shù)據(jù)量，請(qǐng)求更多的調(diào)度資源。如果上行資源無法滿足BSR的發(fā)送，終端會(huì)在預(yù)先分配的特定PUCCH資源上發(fā)送SR（Scheduling Request，調(diào)度請(qǐng)求）。

LTE中，每個(gè)終端可以配置一個(gè)SR資源，網(wǎng)絡(luò)收到終端的SR請(qǐng)求時(shí)只能知道該終端有上行數(shù)據(jù)發(fā)送需求，但不知道數(shù)據(jù)來自于哪個(gè)邏輯信道。通常發(fā)送SR請(qǐng)求的終端會(huì)被分配少量的上行資源，需要再次發(fā)送BSR進(jìn)一步請(qǐng)求資源。為了減少BSR的載荷，LTE中將上行邏輯信道劃分成4個(gè)組，并以組為單位將組內(nèi)待發(fā)送數(shù)據(jù)總和填入BSR中。需要注意的是，無論終端以哪種方式請(qǐng)求到上行資源，最終都會(huì)嚴(yán)格按照令牌桶算法根據(jù)邏輯信道優(yōu)先級(jí)完成數(shù)據(jù)包的組裝和發(fā)送。

為了適應(yīng)廣泛的業(yè)務(wù)類型，NR支持配置最多8個(gè)SR資源和8個(gè)邏輯信道組。在配置邏輯信道時(shí)，除了指定歸屬的邏輯信道組還能指定使用的SR資源，實(shí)現(xiàn)了不同邏輯信道與不同SR資源的綁定關(guān)系。此外，邏輯信道配置中還包括允許使用PUSCH資源的小區(qū)/子載波間隔和本次傳輸?shù)淖畲蟪掷m(xù)時(shí)長(zhǎng)。基于這種優(yōu)化方案，網(wǎng)絡(luò)具備了更靈活的方式應(yīng)對(duì)終端的調(diào)度請(qǐng)求，例如可以立即分配特定子載波間隔的時(shí)頻資源去滿足持續(xù)時(shí)間短但對(duì)時(shí)延要求較高數(shù)據(jù)的傳輸，而同時(shí)暫不調(diào)度同一終端的其他上行數(shù)據(jù)傳輸或僅分配少量資源，通過BSR機(jī)制進(jìn)一步了解終端需求。

3.3? 傳輸定時(shí)

調(diào)度命令、數(shù)據(jù)傳輸、HARQ反饋之間的定時(shí)對(duì)用戶面時(shí)延也有極大影響。在LTE中，調(diào)度命令與數(shù)據(jù)傳輸具有嚴(yán)格的定時(shí)關(guān)系：下行數(shù)據(jù)總是在與PDCCH相同子幀的PDSCH資源內(nèi)發(fā)送，上行數(shù)據(jù)總是在與PDCCH間隔固定子幀數(shù)k的PUSCH資源內(nèi)發(fā)送，其中FDD中k總是為4、TDD中需要根據(jù)子幀配比和PDCCH所在子幀號(hào)查表獲取k的值。對(duì)于HARQ反饋，也有類似的關(guān)系：總是在上下行數(shù)據(jù)傳輸后的第k個(gè)子幀發(fā)送HARQ反饋，其中FDD中k總是為4、TDD中需要根據(jù)子幀配比和PDSCH/PUSCH所在子幀號(hào)查表獲取k的值。

在NR中，基于2.3節(jié)和3.1節(jié)中提到的空口協(xié)議優(yōu)化以及硬件性能改善，數(shù)據(jù)收發(fā)和處理的能力均有顯著提升。為了更好地兼容不同終端及業(yè)務(wù)、提供差異化的服務(wù)，NR采用了更加靈活的傳輸定時(shí)方案，即支持在每一次調(diào)度中，都顯示指定調(diào)度命令與數(shù)據(jù)收發(fā)以及數(shù)據(jù)收發(fā)與HARQ反饋之間的定時(shí)。

如圖7所示，NR中通常使用k0、k1、k2三個(gè)參數(shù)來顯式指定相關(guān)定時(shí)，其含義如下：

k0：包含下行調(diào)度信息的PDCCH與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸使用的PDSCH所間隔的時(shí)隙數(shù);

k1：接收數(shù)據(jù)的PDSCH與對(duì)應(yīng)反饋HARQ結(jié)果使用的PUCCH所間隔的時(shí)隙數(shù);

k2：包含上行調(diào)度信息的PDCCH與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸使用的PUSCH所間隔的時(shí)隙數(shù)。

k0/k2可以根據(jù)需求配置16組0～32的不同數(shù)值，k1可以根據(jù)需求配置8組0～15的不同數(shù)值。終端接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過讀取RRC信令中的相關(guān)信息，獲取對(duì)應(yīng)這三個(gè)參數(shù)的三個(gè)不同的表，收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)根據(jù)DCI中相關(guān)字段的指示可以索引并使用對(duì)應(yīng)的配置。

對(duì)于上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南滦蠬ARQ反饋，定時(shí)功能完全由基站實(shí)現(xiàn)，終端無需提前知道定時(shí)情況，只需根據(jù)DCI中的進(jìn)程號(hào)和NDI指示去處理數(shù)據(jù)。此外NR R15中暫不要求終端支持PDCCH/PDSCH/PUCCH/PUSCH之間使用不同子載波間隔的資源，本文暫不討論這種場(chǎng)景下更復(fù)雜的傳輸定時(shí)。

3.4? 搶占傳輸

通過對(duì)前文描述方案的靈活使用，可以實(shí)現(xiàn)普通場(chǎng)景下的低時(shí)延調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸。然而在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)荷的場(chǎng)景下，待傳輸數(shù)據(jù)可能已經(jīng)預(yù)占用了多個(gè)時(shí)隙的全部數(shù)據(jù)信道資源，此時(shí)如有高優(yōu)先級(jí)的下行時(shí)延敏感數(shù)據(jù)到達(dá)基站側(cè)，還可以使用已分配的資源進(jìn)行傳輸，該方案稱為搶占傳輸。

如圖8所示，假設(shè)原下行待發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)頻資源是分配給終端A的，但有部分資源被終端B的下行高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)搶占，這就影響了終端A的數(shù)據(jù)接收。NR中有兩種方式處理該問題[3]：一種是依賴HARQ重傳。由于資源被搶占并用于發(fā)送終端B的數(shù)據(jù)，終端A必定無法解碼這部分?jǐn)?shù)據(jù)，終端反饋Nack報(bào)告后基站會(huì)重發(fā)這部分?jǐn)?shù)據(jù)，被搶占的資源通常僅為一小部分，因此可以采用基于CBG（Code Block Group）的HARQ，只需重傳受影響的碼塊組，從而降低對(duì)無線資源的占用。

另一種方式是在發(fā)生搶占傳輸后基站通過DCI格式2_1通知終端A部分資源已被搶占，需忽略這些資源上發(fā)送的數(shù)據(jù)。搶占指示最多可以用于9個(gè)服務(wù)小區(qū)，每個(gè)服務(wù)小區(qū)使用14 bit指示當(dāng)前下行BWP在監(jiān)聽周期內(nèi)的14個(gè)時(shí)頻資源組是否被搶占[10]。終端A應(yīng)當(dāng)根據(jù)指示采用合理的方式處理緩沖區(qū)，等待數(shù)據(jù)重傳。

4? ?結(jié)論

本文從物理信道結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸方案兩方面，結(jié)合相關(guān)參數(shù)詳細(xì)介紹了3GPP Release 15定義的5G空口實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際組網(wǎng)應(yīng)用過程中，低時(shí)延的性能還需要根據(jù)終端上報(bào)的能力及網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)QoS指示去實(shí)現(xiàn)，這兩部分涵蓋的內(nèi)容更復(fù)雜，也是后續(xù)工作中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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