JP6165645B2 - 無線通信方法、無線通信システムおよび制御局装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のマルチビーム送信局と、全ての送信局と通信可能な複数の受信局とにより構成される無線通信方法、無線通信システムおよび制御局装置に関する。

マルチユーザＭＩＭＯ伝送では、送信局が複数アンテナを用いてマルチビーム伝送を行い、複数の受信局に対して並列伝送を行う。このマルチユーザＭＩＭＯ伝送において、複数アンテナを所有する単一受信局にマルチストリーム伝送を行う場合の通信品質は、送受信局間のチャネル相関に大きく影響される。特に、レイリーフェージングのような直接波成分の小さい環境では、受信機側で送信／受信アンテナ間で異なるフェージング変動が生じるためチャネル相関が小さくなり、同時に送信された情報系列を分離して検出することができる。これにより単一受信局へのマルチストリーム伝送が可能となる。

しかし、見通し環境のような直接波成分が大きいチャネルである場合、送信局のアンテナ間隔だけでは十分な低相関を得ることができず、複数信号の分離・検出が困難となるため、単一受信局へのマルチストリーム伝送による通信容量の向上に限界が生じる。

非特許文献１，２は、見通し環境での無線通信の一例である衛星通信において、図２に示すように、複数のアンテナを備える１つの受信局（地球局）に対して、制御局（基地局）の制御により複数の送信局（衛星中継局）を介してシングルユーザＭＩＭＯ伝送を行うことで、各チャネルの相関を下げてマルチストリーム伝送を可能とした技術である。

非特許文献３は、図３に示すように、複数の受信局（地球局）に対して、制御局（基地局）の制御により複数のアンテナを用いた送信局（衛星中継器）が単一周波数繰り返しマルチビームを形成し、これを基地局のプリコーディングによって干渉低減を図る技術である。

非特許文献４は、図４に示すように、主に地上無線通信システムでのセルラ方式における基地局間協調ＭＩＭＯ技術であり、マルチビームを形成する複数の送信局（基地局）のセルエッジ受信局に対し、制御局の制御により複数の送信局間で連携してＭＩＭＯ伝送を行うことでシステム全体の特性を向上させるものである。

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図２に示す非特許文献１，２の技術は、１地点の受信局への伝送のみを考慮した技術であり、複数地点の異なる受信局への同時伝送は想定されていない。

図３に示す非特許文献３の技術は、１つの送信局を前提としたマルチユーザＭＩＭＯ技術であり、複数の送信局と組み合わせる構成は想定されていない。仮に、非特許文献３に記載されているマルチユーザＭＩＭＯ技術を用いて、図５に示す複数の送信局（衛星中継局）を用いた構成に適用する場合、送信局のプリコーディング方法は２通り考えられる。その１は、送信局ごとにプリコーディングを行い、これを複数運用するという方法である。その２は、複数の送信局全体でプリコーディングを行う方法である。前者は非特許文献３に記載されているマルチユーザＭＩＭＯ技術をそのまま採用することで実現可能であるが、送信局のプリコーディングは送信局単体での干渉低減を前提としており、他の送信局からの同一周波数干渉を考慮しておらず、システム全体のスループット特性を最大化していない課題がある。後者は、送信局から各受信局までの伝搬距離が送信局によって大きく異なるため、全受信局の受信タイミングを一致させることができないことから生ずる時間非同期と、各送信局が独立した局部発振器を用いていることによって異なる周波数誤差が発生することから生ずる周波数非同期により、システム全体のスループット特性を最大化するようなプリコーディングを行うことができない課題がある。

図４に示す非特許文献４の技術は、セルエッジに存在する特定の受信局に対し、時間・周波数同期を行った状態で伝送する技術であるが、送信局が複数の受信局にマルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う際に送信局間協調ＭＩＭＯ技術を適用した場合、各送信局からの伝送距離が異なる複数の受信局に対して同期させることが困難になる課題がある。

本発明は、複数の送信局から複数の受信局にマルチストリーム伝送する際に生ずる複数の送信局による空間多重信号の各受信局での受信タイミングの相違、および各送信局の異なる周波数誤差による特性劣化を解消する送信プリコーディングおよび受信等化技術を実現する無線通信方法、無線通信システムおよび制御局装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、それぞれ複数のアンテナを有する複数の送信局と、複数の送信局を制御する制御局と、それぞれ複数のアンテナを有し複数の送信局からの送信信号を受信する複数の受信局とを備え、制御局が複数の送信局を介して複数の受信局との間でＭＩＭＯ伝送を行う無線通信方法において、制御局は、複数の送信局から複数の受信局へのチャネル情報を入力し、該チャネル情報に基づき、チャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分のうち、異なる送信局のチャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分を零で置換し、送信局毎に独立してビームフォーミング行列を算出して出力するビームフォーミングステップと、ビームフォーミングステップから出力されるビームフォーミング行列に基づいて電力割当行列を算出する電力割当ステップと、ビームフォーミング行列と電力割当行列を入力信号とし、２行列を乗算することで得られるプリコーディング行列を生成して出力するプリコーディングステップとを有し、プリコーディング行列を複数の受信局への送信データに乗算した結果を複数の送信局から送信する送信信号として出力し、複数の受信局は、異なる送信局から到来する複数の信号を入力信号とし、該複数の入力信号を個別信号に分離して出力する信号分離ステップを有する。

第１の発明の無線通信方法において、電力割当ステップは、複数の送信局がチャネル情報を用いてＳＩＮＲを算出し、該ＳＩＮＲとあらかじめ定められた指針に基づいて電力割当ウエイト成分を算出する。

第２の発明は、それぞれ複数のアンテナを有する複数の送信局と、複数の送信局を制御する制御局と、それぞれ複数のアンテナを有し複数の送信局からの送信信号を受信する複数の受信局とを備え、制御局が複数の送信局を介して複数の受信局との間でＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、制御局は、複数の送信局から複数の受信局へのチャネル情報を入力し、該チャネル情報に基づき、チャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分のうち、異なる送信局のチャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分を零で置換し、送信局毎に独立してビームフォーミング行列を算出して出力するビームフォーミング行列生成手段と、ビームフォーミング行列生成手段から出力されるビームフォーミング行列に基づいて電力割当行列を算出する電力割当行列生成手段と、ビームフォーミング行列と電力割当行列を入力信号とし、２行列を乗算することで得られるプリコーディング行列を生成して出力するプリコーディング行列生成手段と を備え、プリコーディング行列を複数の受信局への送信データに乗算した結果を複数の送信局から送信する送信信号として出力する構成であり、複数の受信局は、異なる送信局から到来する複数の信号を入力信号とし、該複数の入力信号を個別信号に分離して出力する信号分離出力手段を備える。

第２の発明の無線通信システムにおいて、電力割当行列生成手段は、複数の送信局がチャネル情報を用いてＳＩＮＲを算出し、該ＳＩＮＲとあらかじめ定められた指針に基づいて電力割当ウエイト成分を算出する。

第３の発明は、それぞれ複数のアンテナを有する複数の送信局と、複数の送信局を制御する制御局と、それぞれ複数のアンテナを有し複数の送信局からの送信信号を受信する複数の受信局とを備え、制御局が複数の送信局を介して複数の受信局との間でＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムの制御局装置において、複数の送信局から複数の受信局へのチャネル情報を入力し、該チャネル情報に基づき、チャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分のうち、異なる送信局のチャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分を零で置換し、送信局毎に独立してビームフォーミング行列を算出して出力するビームフォーミング行列生成手段と、ビームフォーミング行列生成手段から出力されるビームフォーミング行列に基づいて電力割当行列を算出する電力割当行列生成手段と、ビームフォーミング行列と電力割当行列を入力信号とし、２行列を乗算することで得られるプリコーディング行列を生成して出力するプリコーディング行列生成手段とを備え、プリコーディング行列を複数の受信局への送信データに乗算した結果を複数の送信局から送信する送信信号として出力する構成である。

本発明は、制御局が同一周波数を利用する複数の送信局を用いて送信プリコーディングによるビームフォーミング伝送を行うが、複数の送受信局間のチャネル情報を考慮しつつビームフォーミングを送信局単体で形成することで、各受信局にマルチストリーム伝送を行う。一方、受信局は、異なる送信局から異なるタイミングで到来する複数信号を分離する等化技術を適用することで、異なるタイミングで受信する複数の所望信号を分離するマルチユーザ伝送を実現する。

このとき制御局は、複数の送受信局間のチャネル情報からビームフォーミング行列を生成する際に、チャネル成分とビームフォーミング成分の乗算される成分のうち異なる送信局の成分を零で置換する。このビームフォーミング行列と電力割当行列を乗算したプリコーディング行列を用いた送信局毎のプリコーディング技術と、受信局における等化技術を用いた複数信号の分離技術の組み合わせにより、送信局と受信局の経路長差に起因する受信タイミングの相違、および各送信局から生ずる異なる周波数誤差による所望信号の劣化を解消し、複数の送信局によるシステムスループット特性向上を実現することができる。

また、ロケーションの異なる複数の送信局による並列伝送を行った場合において、従来の１送信局の並列伝送技術と比べて周波数利用効率の改善が期待することができる。

本発明の無線通信システムの実施例構成を示す図である。 従来の無線通信システムの第１の構成例を示す図である。 従来の無線通信システムの第２の構成例を示す図である。 従来の無線通信システムの第３の構成例を示す図である。 従来の無線通信システムの第４の構成例を示す図である。

図１は、本発明の無線通信システムの実施例構成を示す。
図１において、本実施例の無線通信システムは、制御局（基地局）ＣＳと、制御局ＣＳに有線回線または無線回線を介して接続され、それぞれａ個のアンテナを備えるｂ個の送信局ＴＸと、それぞれｃ個のアンテナを備えるｄ個の受信局ＲＸにより構成され、送信局ＴＸと受信局ＲＸとの間でＭＩＭＯ伝送が行われる。ここでは、簡単のため、ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ＝２の場合の構成を示し、送信局ＴＸ<1> ，ＴＸ<2> 、受信局ＲＸ(1) ，ＲＸ(2) と表記する。なお、本構成は一例であり、本発明の適用構成はこれらの値に制限されるものではない。

制御局ＣＳは、送信局ＴＸ<1> ，ＴＸ<2> の送信信号を独立して伝送する機能を有する。送信局ＴＸ<1> ，ＴＸ<2> は、それぞれ２つのアンテナから独立して信号を送信できるものとし、これによって２個のビームを形成し、各ビーム内に存在する受信局ＲＸ(1) ，ＲＸ(2) に同一周波数で並列伝送を行う。受信局ＲＸ(1) ，ＲＸ(2) は、送信局ＴＸ<1> ，ＴＸ<2> から送信される空間多重信号に対し、所望信号を取り出す機能を有する。

制御局ＣＳは、受信局ＲＸ(1) ，ＲＸ(2) にそれぞれ２個の信号を並列送信する。このために、各ＴＸ−ＲＸ間の各アンテナまでのチャネル情報（ＣＳＩ）に基づいたプリコーディングを行い、受信局間干渉を低減する。ＣＳＩの取得方法には次の２通りがある。時間分割複信（ＴＤＤ) の場合は、受信局ＲＸからのパイロット信号から推定した情報を用いる。周波数分割複信（ＦＤＤ）の場合は、受信局ＲＸが取得したＣＳＩを制御局ＣＳへフィードバックする。

本無線通信システムにおいて、制御局ＣＳが送信局ＴＸ<1> ，ＴＸ<2> を経由して各ビームの受信局ＲＸ(1) ，ＲＸ(2) へ信号を伝送する場合の、一伝送における受信ベクトルＲ、チャネル行列Ｈ、送信ベクトルＸの関係式を式(1) に示す。

ｒ_i ^(k)とｎ_i ^(k)は、ｉ番目の受信アンテナの受信信号と雑音であり、(k) は受信局ＲＸ(k) の受信アンテナの受信信号と雑音であることを示す。チャネル成分ｈ_ij ^<l> は、ｊ番目の送信アンテナからｉ番目の受信アンテナまでのチャネル係数であり、<l> は送信局ＴＸ<l> からのチャネル係数であることを示す。ｘ_j ^<l>は、ｊ番目の送信アンテナからの送信信号を表し、<l> は送信局ＴＸ<l> からの送信信号であることを示す。本システムにおいて、送信信号ベクトルＸは、プリコーディング行列Ｐと送信データベクトルＳを用いて式(2) のように生成される。

ｐ_mn ^<l> は、ｍ番目の送信信号に含まれるｎ番目の送信データのプリコーディング成分であり、<l> は送信局ＴＸ<l> からの送信信号であることを表す。ｓ_n ^(k)は、本システムのｎ番目の送信データであり、(k) は受信局ＲＸ(k) への送信データであることを示す。

本発明におけるプリコーディング行列Ｐの生成方法は、式(3) に示すように、チャネル推定から得られるチャネル行列Ｈに基づいて生成されるビームフォーミング行列Ｂと、電力割当行列Ａの乗算によって行う。

ビームフォーミング行列Ｂは、各受信局ＲＸに対するビームフォーミングを決定する成分であり、各受信局ＲＸが所有するアンテナ数分のチャネル成分から、最適な成分を選択した後に干渉成分を打ち消す重み行列を算出して生成する。電力割当行列Ａは、各受信局ＲＸへの信号電力の配分を決定する成分であり、所要ＳＩＮＲと定めた規則（例えばシステム総スループットを最大化するのか、もしくは最低スループット受信局ＲＸの特性を最大化するのかなど）に従って配分を行う。

ビームフォーミング行列Ｂの生成において、ＺＦ(Zero Forcing)アルゴリズムを用いる場合、行列Ｂの各成分は式(4),(5) のようにして生成される。

Ｈ⁺ は、Moore-Penrose 一般逆行列Ｈ⁺ ＝Ｈ^H(ＨＨ^H)^-1である。ｈ’は、受信局ＲＸの各アンテナのチャネル成分から一つのチャネル成分を決定することで生成される。例として、式(6-1),(6-2),(7-1),(7-2) のように各送信局ＴＸの２つの送信アンテナから受信局ＲＸの各受信アンテナのチャネル成分のうち、電力和の高い方のアンテナのチャネル成分を選択することでｈ’を決定する方法を示す。

式(6-1) のｈ'₁₁ ^<1>とｈ'₁₂ ^<1>の選択方法を例にとると、（ｈ₁₁ ^<1> とｈ₁₃ ^<1> ）と、（ｈ₂₁ ^<1> とｈ₂₃ ^<1> ）の組み合わせのうち、電力の和が高い方を選択する。すなわち、｜ｈ₁₁ ^<1>｜²＋｜ｈ₁₃ ^<1>｜²と｜ｈ₂₁ ^<1>｜²＋｜ｈ₂₃ ^<1>｜²の高い方の組み合わせを選択し、ｈ'₁₁ ^<1>とｈ'₁₂ ^<1>に代入する。

ビームフォーミング行列Ｂの生成において、式(6-1),(6-2),(7-1),(7-2) 以外の成分は０と設定する。この成分は、行列ＨＢにおけるｈ_ab ^<x> ｂ_cd ^<y> （ｘ≠ｙ）のような、チャネル成分とビームフォーミング成分が異なるＵの成分で乗算された値となる。しかし前述のとおり、各送信局ＴＸは離れた場所に配置するため、送信局ＴＸ−受信局ＲＸ間の伝送距離が異なることが想定される。これにより、異なる送信局ＴＸ信号間の受信タイミングが異なるため、受信局ＲＸの受信信号においてｈ_ab ^<x> ｂ_cd ^<y> （ｘ≠ｙ）に該当する成分に誤差が生じる。この誤差は伝搬距離差が大きくなるほど増大する。また、送信局が異なる局部発振器を用いた場合、各送信局からの信号に異なる周波数誤差が生ずることによっても、ｈ_ab ^<x> ｂ_cd ^<y> （ｘ≠ｙ）に誤差が発生してしまう。よって本技術では、異なる送信局ＴＸとのｈとｂの乗算を回避すべく、ｈ_ab ^<x> ｂ_cd ^<y> （ｘ≠ｙ）となる成分を０とすることで、ビームフォーミング行列Ｂを生成する。

電力割当行列Ａは、チャネル行列Ｈによって算出される信号対雑音干渉電力比（ＳＩＮＲ）と定められた規則に従って決定する。電力割当行列Ａの成分を決定する規則の例として、システムの総スループット特性の最大化を行う場合、ＳＩＮＲを元に４信号の総スループット最大化を行う。最小スループットユーザの最大化を行う場合、最大化するのは信号単位ではなくユーザ単位となる。よって１ユーザ２信号として最適化を行う。

非特許文献３によれば、式(8) の電力割当行列Ａを生成する方法としてUpConst アルゴリズムがある。

sinr_i は、式(9) のような行列Ｍより算出することができる。

（ｈｂ_ij）、ｋ₁ ≦ｉ≦ｋ₂ 、ｋ₃ ≦ｊ≦ｋ₄ は、行列ＨＢのｋ₁ 〜ｋ₂ 行ｋ₃ 〜ｋ₄ 列の行列を示す。行列Ｗは、各受信局ＲＸが２つの受信信号に対して所望信号を分離するためのウエイト行列であり、受信局ＲＸは制御局ＣＳから取得したＨＢ行列成分から算出する。式(10)では、ＺＦアルゴリズムによって算出した例である。行列Ｍの対角成分ｍ_iiによって、式(10)のようにｉ番目の受信信号のＳＩＮＲ_i を算出することができる。

非特許文献３によれば、このアルゴリズムにより、システムスループットと受信局ＲＸの公平性を考慮した電力割当が可能になる。このように本プリコーディング技術を用いることで、異なる送信局ＴＸを用いたシステムにおける柔軟な電力割当制御を行うことができ、システム全体を考慮したスループット特性の改善を行うことができる。

各受信局ＲＸは、各送信局ＴＸから送信される複数の同一周波数信号から所望信号を取り出す機能を有するため、その他の２×２行列成分を制御局ＣＳから取得し、これをＣＳＩとして等化処理を行うことで所望信号を得ることができる。式(11),(12) はそれぞれ受信局ＲＸ(1) ，ＲＸ(2) の受信信号を表す。

これに対し、式(13),(14) にように各ウエイト行列を受信信号に乗算することで、所望信号ｓ₁ ⁽¹⁾' ，ｓ₂ ⁽¹⁾' およびｓ₃ ⁽²⁾' ，ｓ₄ ⁽²⁾' を得ることができる。

ｗ_ij ^(k) は、受信局ＲＸ(k) のｉ行ｊ列のウエイト行列成分を表す。各受信局ＲＸ(1) ，ＲＸ(2) は、制御局ＣＳからチャネル情報ＨＰのうちの２×２行列部分を取得してウエイト行列Ｗを算出する。ＺＦアルゴリズムを用いる場合、各ウエイト行列は式(15),(16) のように算出される。

ここで、前述のとおり、異なる送信局からの受信タイミングが各受信局ＲＸで異なるため、受信局ＲＸ(1) では送信信号ｘ₁ ^<1>およびｘ₂ ^<2>の受信タイミングが異なり、受信局ＲＸ(2) では送信信号ｘ₃ ^<1>およびｘ₄ ^<2>の受信タイミングが異なり、式(13),(14) の計算だけでは所望信号が復調できない可能性がある。これに対し、非特許文献５によれば、非同期で受信する同一周波数の複数信号に対し、ＳＣ−ＦＤＭＡ(Single Carrier-Frequency Division Multiple Access) をベースとした周波数領域ＳＣ／ＭＭＳＥ(Soft Canceller followed by Minimum Mean Square Error)ターボ等化による特性改善を可能としている。各受信局ＲＸはこのような等化技術を用いて、遅延して到来する２信号を分離し、所望信号を取得する。

ＴＸ 送信局
ＲＸ 受信局
ＣＳ 制御局

Claims (5)

1. それぞれ複数のアンテナを有する複数の送信局と、複数の送信局を制御する制御局と、それぞれ複数のアンテナを有し複数の送信局からの送信信号を受信する複数の受信局とを備え、制御局が複数の送信局を介して複数の受信局との間でＭＩＭＯ伝送を行う無線通信方法において、
   前記制御局は、
   前記複数の送信局から前記複数の受信局へのチャネル情報を入力し、該チャネル情報に基づき、チャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分のうち、異なる送信局のチャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分を零で置換し、送信局毎に独立してビームフォーミング行列を算出して出力するビームフォーミングステップと、
   前記ビームフォーミングステップから出力される前記ビームフォーミング行列に基づいて電力割当行列を算出する電力割当ステップと、
   前記ビームフォーミング行列と前記電力割当行列を入力信号とし、２行列を乗算することで得られるプリコーディング行列を生成して出力するプリコーディングステップと
   を有し、前記プリコーディング行列を前記複数の受信局への送信データに乗算した結果を前記複数の送信局から送信する送信信号として出力し、
   前記複数の受信局は、異なる送信局から到来する複数の信号を入力信号とし、該複数の入力信号を個別信号に分離して出力する信号分離ステップを有する
   ことを特徴とする無線通信方法。
2. 請求項１に記載の無線通信方法において、
   前記電力割当ステップは、前記複数の送信局が前記チャネル情報を用いてＳＩＮＲを算出し、該ＳＩＮＲとあらかじめ定められた指針に基づいて電力割当ウエイト成分を算出する
   ことを特徴とする無線通信方法。
3. それぞれ複数のアンテナを有する複数の送信局と、複数の送信局を制御する制御局と、それぞれ複数のアンテナを有し複数の送信局からの送信信号を受信する複数の受信局とを備え、制御局が複数の送信局を介して複数の受信局との間でＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムにおいて、
   前記制御局は、
   前記複数の送信局から前記複数の受信局へのチャネル情報を入力し、該チャネル情報に基づき、チャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分のうち、異なる送信局のチャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分を零で置換し、送信局毎に独立してビームフォーミング行列を算出して出力するビームフォーミング行列生成手段と、
   前記ビームフォーミング行列生成手段から出力される前記ビームフォーミング行列に基づいて電力割当行列を算出する電力割当行列生成手段と、
   前記ビームフォーミング行列と前記電力割当行列を入力信号とし、２行列を乗算することで得られるプリコーディング行列を生成して出力するプリコーディング行列生成手段と を備え、前記プリコーディング行列を前記複数の受信局への送信データに乗算した結果を前記複数の送信局から送信する送信信号として出力する構成であり、
   前記複数の受信局は、異なる送信局から到来する複数の信号を入力信号とし、該複数の入力信号を個別信号に分離して出力する信号分離出力手段を備えた
   ことを特徴とする無線通信システム。
4. 請求項３に記載の無線通信システムにおいて、
   前記電力割当行列生成手段は、前記複数の送信局が前記チャネル情報を用いてＳＩＮＲを算出し、該ＳＩＮＲとあらかじめ定められた指針に基づいて電力割当ウエイト成分を算出する
   ことを特徴とする無線通信システム。
5. それぞれ複数のアンテナを有する複数の送信局と、複数の送信局を制御する制御局と、それぞれ複数のアンテナを有し複数の送信局からの送信信号を受信する複数の受信局とを備え、制御局が複数の送信局を介して複数の受信局との間でＭＩＭＯ伝送を行う無線通信システムの制御局装置において、
   前記複数の送信局から前記複数の受信局へのチャネル情報を入力し、該チャネル情報に基づき、チャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分のうち、異なる送信局のチャネル成分とビームフォーミング成分の乗算成分を零で置換し、送信局毎に独立してビームフォーミング行列を算出して出力するビームフォーミング行列生成手段と、
   前記ビームフォーミング行列生成手段から出力される前記ビームフォーミング行列に基づいて電力割当行列を算出する電力割当行列生成手段と、
   前記ビームフォーミング行列と前記電力割当行列を入力信号とし、２行列を乗算することで得られるプリコーディング行列を生成して出力するプリコーディング行列生成手段と を備え、前記プリコーディング行列を前記複数の受信局への送信データに乗算した結果を前記複数の送信局から送信する送信信号として出力する構成である
   ことを特徴とする制御局装置。

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