Eingebettete Funksysteme: Vergleich von standardisierten und proprietaren Verfahren

Ralf Gessler | Thomas Krause Wireless-Netzwerke für den Nahbereich Aus dem Programm Technische und Ingenieurinformat...

Author: Ralf Gessler | Thomas Krause

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Ralf Gessler | Thomas Krause Wireless-Netzwerke für den Nahbereich

Aus dem Programm

Technische und Ingenieurinformatik

Weitere Titel des Autors: Hardware-Software-Codesign von R. Gessler und T. Mahr

Grid Computing herausgegeben von G. Barth und A. Schüll Masterkurs Parallele und Verteilte Systeme von G. Bengel, C. Baun, M. Kunze und K.-U. Stucky Grundkurs Verteilte Systeme von G. Bengel Grundkurs Codierung von W. Dankmeier Rechnerarchitektur von P. Herrmann Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme von M. Sauter Grundkurs Computernetze von J. Scherff Grundlagen der Rechnerkommunikation von B. Schürmann

www.viewegteubner.de

Ralf Gessler | Thomas Krause

Wireless-Netzwerke für den Nahbereich Eingebettete Funksysteme: Vergleich von standardisierten und proprietären Verfahren Mit 154 Abbildungen und 44 Tabellen STUDIUM

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar.

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1. Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten © Vieweg +Teubner | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Sybille Thelen | Walburga Himmel Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: Krips b.v., Meppel Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in the Netherlands ISBN 978-3-8348-0247-7

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Mund

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Ohren

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Wandlung: Nervenreize in Schallwellen

Mund

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Mikrofon

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Hörer

Wandlung: Schallwellen in Nervenreize

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Wandlung: Nervenreize in Schallwellen

Mund

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Mikrofon

Leuchtdiode

Schallwellen

Wandlung: Lichtsignale in Schallwellen

Fotodiode

Hörer

Wandlung: Schallwellen in Nervenreize

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Ohren

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Senderseite

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Information

Nachricht

Rechner / Quellcodierer

Analoger Übertragungskanal

Kanalcodierer

Quellcodierer

Kanaldecodierer

korrigierte Nachricht

gestörte serielle Daten

serielle Daten

Analoges Telefonnetz

Modem

Quelldecodierer

Modem

Inform. Senke

Information

Quelldecoder / Rechner

modulierter Träger: Tonsignal codierte Information

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Sendesignal

Empfangssignal

serielle digitale Daten

decodierte Information

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Datenrate und Reichweite

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Frequenzbereich

WWAN 3 GPP, EDGE (GSM)

802.20 - WiMobile

2...11 GHz 5 GHz 10...66 GHz

WMAN 802.16 - WirelessMAN (WIMAX) WLAN 802.11 - WirelessLAN

2,4 GHz 5 GHz

k. A.

bis 50 km

ETSI HiperMAN ETSI HiperLAN

WPAN 802.15.3 - Bluetooth 802.15.4 - ZigBee

ETSI HiperPAN

WBAN

15,70...134 MBit/s 30...50 km 11...108 MBit/s 10...250 m 20 kBit/s...400 MBit/s 1...100 m

20 kBit/s...400 MBit/s 0,1...1 m

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Protokolle

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Station (A) belegt den Kanal.

belegt von A

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Station (B) prüft, ob der Kanal frei ist. Station (C) prüft, ob der Kanal frei ist. Station (D) prüft, ob der Kanal frei ist. Station (A) beendet die Kanalbelegung. Die Stationen (A), (B) und (C) stellen fest, dass der Kanal frei ist. Die Stationen (A), (B) und (C) belegen den Kanal Þ KOLLISION.

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Sendeanlage

Leitungscodierer

HFSender

Modulator Protokolle und Betriebsarten

HF-Bereich

Funkkanal

Demodulator Nachrichtensenke

Quelldecoder

Kanaldecoder

Mikrorechner

Leitungsdecoder Basisband

HFEmpfänger

Empfangsanlage

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f Smax

f T - f Smin

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f T + f Smax

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0

f

Basisband

f

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f T + fSmax

umgesetztes Basisband

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f

fT

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PM-Modulator

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FM-Modulator

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97

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u PSK

0

t

Phasensprünge von 180°

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u PSK

t

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2-PSK

4-PSK

8-PSK

2

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4

180° 2

90° 1

3

45° 1

5

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90° 0101

0111

0100

0110

1101 1

2

Phasen- / Amplitudenfunktion eines 16-QAM-Signals

180°

1111

1100

1110

0°

3

0001

0011

1001

0000

0010

1000

4

1011

1010

270°

Zeitfunktion eines 16-QAM-Signals

u QAM

t

1

2

3

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Digitales Modulations- u (t) S signal im Basisband

Zeitfunktion des modulierten Trägersignals

Frequenzfunktion des modulierten Trägersignals u ASK

u ASK

uS(t) =0

uS(t) =0

uS

Phasenfunktion des modulierten Trägersignals

f t

1

u ASK 1 0 Amplitudenumtastung

0

uS(t) =1

uS(t) 180° =1

0°

uS(t) 180° =0

0°

uS(t) 180° =1

0°

uS(t) 180° =0

0°

uS(t) 180° =1

0°

f

t u FSK u FSK

uS(t) =0

uS

f t

1

u FSK 1 0 Frequenzumtastung

0

uS(t) =1

t

f u PSK u PSK

uS(t) =0

uS

f t

1 0

u PSK 1 0 Phasenumtastung t

uS(t) =1 f

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½

575

Frequenzaufbereitung

Trägermodulation

Mischstufe u. direkte digitale Synthese

Oszillator Frequenzreferenz

Pufferstufe

Frequenzeinstellung vom Microcontroller

Antenne

Antennenanpassung

Anpassnetzwerk

SendeEmpfangsumschalter

Modulator

Modulationssignal vom Kanalcodierer

Leistungsstufe

Schutzschaltung

Endstufe

Vorverstärker

Leistungsregelung

zum Empfänger

Leistungssteuerung von der Gegenstation

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Hochfrequenzverstärker

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Extremfall Gleichphasigkeit

Extremfall Gegenphasigkeit

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u

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t

Direktes Signal:

t

Reflektiertes Signal:

t

u Empfangenes 0 Signal:

u Reflektiertes Signal:

t

u

0

u Empfangenes 0 Signal:

Resultat:

0

Signalverdoppelung

Resultat:

0

t

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Signalauslöschung

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A

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B

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B

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SemiduplexKanal

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A

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Reflexion (b)

Tb

Direktes (a) Signal

Symbol 1 Symbol 2

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Symbol 2

Symbol 3

Symbol 3 Symbol 3

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Intersymbolinterferenz durch Doppelempfang von (a) und (b) Tb : gestörter Bereich TN : nutzbarer Bereich

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Tc

Reflexion (b)

Tb

Direktes (a) Signal

Symbol 1

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Symbol 2

GI

Symbol 3

GI

Symbol 2

GI

Symbol 3

GI

Symbol 1 Symbol 1

GI

TS

TG

effektive Symboldauer (TS +TG)

Symbol 2

GI

Symbol 3

GI

GI Zeit

ungestörter Bereich bei Intersymbolinterferenz durch Doppelempfang von (a) und (b)

ungestörter Bereich bei Intersymbolinterferenz durch Doppelempfang von (a) und (c)

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Symbol 3

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Subträger 3

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Subträger 2 Subträger 1

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Subträger 3

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Symbol 2

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B

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Symbol 1

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Symbol 3

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Symbol 2

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Symbol 1

B

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Frequenz

Frequenz

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Einfrequenzsystem

Zeit

Mehrfrequenzsystem

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1

0

Symboldauer

0

1

Datenbits

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f Hop4

f Hop3

f Hop3

f Hop2

f Hop2

f Hop1

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1

Th = Hop-Dauer

0

0

1

Tc = Chip-Dauer

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S C (f)

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BC

Chip-Sequenz

f

Mischstufe (1) (Spreizung)

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S T (f)

f

HF-Träger Mischstufe (2) (HF-Modulator) fT

f

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Sendeantenne

Spreizspektrumsignal im HF-Bereich

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S T (f)

Empfängeroszillator Mischstufe (1) (Demodulator) fT

f

S S (f) gespreiztes Signal im Basisband

f

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S C (f) Chip-Sequenz Mischstufe (2) (De-Spreizung)

BC

f

S N (f)

BN

Nachrichtensignal im Basisband (nach Filterung)

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SA(f)

Spreizspektrumsignal im HF-Bereich, gestört

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fSt

f

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Empfangsantenne

Spreizspektrumsignal im HF-Bereich, gestört

SA(f)

Störsignal

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S T (f)

f

fSt

Empfängeroszillator Mischstufe (1) (Demodulator) fT

f

S S (f)

gespreiztes Signal im Basisband mit Störträger

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f

S C (f) Chip-Sequenz Mischstufe (2) (De-Spreizung)

BC

f

S N (f) Filter

Nachrichtensignal vor dem Filter

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f

BN BC

S N (f)

BN

Nachrichtensignal nach dem Filter

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101

300 MBit/s

102

Datenrate Erste Standardisierung mit herstellerspezifischen Anwendungslayern

Sicherstellen der Interoperabilität von Geräten unterschiedlicher Hersteller

802.11g

Proprietär

Netzwerk

802.11h 802.11a

802.11

802.11n

802.11b 5 GHz

Schmalband

Funktechnik 1988

1990

2,4-GHz-ISM-Band

1992

1994

1996

1998

2000

2002

2004

2006

2008

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Schaltermodul (0x05)

Status

Checksumme

Sender-ID

3

Nutzdaten (Schalterstellungen)

2

Präambel (0xA5, 0x5A)

1

Sender (0x6B)

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Applikation auf zus. Mikrocontroller

Obere Schichten

Vermittlungsschicht (Network Layer)

Untere Schichten

Vereinfachtes ISO/OSI-Referenzmodell

Anwendungsschicht (Application Layer)

Logical-LinkControl-Schicht Media-AccessControl-Schicht

Obere Schichten + Applikation auf zusätzlichem Mikrocontroller

Obere Schichten + Applikation auf zusätzlichem Mikrocontroller

Ein-ChipImplementierung

Mehr-ChipImplementierung

Bluetooth, ZigBee/IEEE 802.15.4, nanoNET a)

ZigBee/ IEEE 802.15.4

Untere + Teile der oberen Schichten auf einem Chip/Modul

Physikalische Schicht (Physical Layer)

b)

Bluetooth, ZigBee/ IEEE 802.15.4 c)

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L2 CAP API

SDP API

RFCOMM

API

Herstellerspezifische Anwendungsschnittstelle Java, C,C++

L2 CAP HCI

TCS

RFCOMM

SDP

API Bluetooth Protokoll-Stack L2CAP, SDP, RFCOMM, TCS Host Controller Interface USB / Serial / PCCard

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Antenne B

Sender

Sender

Mikrocontroller

Mikrocontroller Empfänger

Transceiver A

Empfänger Antennenweiche

Antennenweiche

Eingangsdaten Ausgangsdaten

Transceiver B

Sender

Mikrocontroller

Sender

Mikrocontroller Empfänger

Empfänger HFDämpfungsglied

Sender

Sender D

Empfänger

Normalbertieb

Empfänger

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5J9

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dBm/MHz

WLAN

Sendeleistung

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UWB - Spektrum

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6

7

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9

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2F

Hardware

Software

Filter Rx

A D

Vorverstärker

schneller A/D- und D/AWandler

Antennenweiche

Tx

A D

Endstufe Hochfrequenzteil Analogbereich

Wandlerteil

I/Q-Demodulator programmierbare digitale Signalverarbeitung FPGA / DSP

Digitale Signalverarbeitung im Basisband mittels FPGAs und DSPs

I/Q-Modulator programmierbare digitale Signalaufbereitung Digitale Modulation und Demodulation

Kanal(de)codierer

Digitalbereich

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selektiver Vorverstärker

Mischstufe

Zwischenfrequenzverstärker

2. Mischer (I/Q)

A D

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Vorkreis

Tiefpass

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ZF-Filter

90°

I-Signal Digitaler SignalProzessor

digitaler Oszillator

Oszillator

A D

Q-Signal

selektiver Vorverstärker

Mischstufe

Zwischenfrequenzverstärker

2. Mischer (I/Q)

1. Mischer

:

A D

Vorkreis

ZF-Filter

Tiefpass

I-Signal

90°

Oszillator Q-Signal

Analogteil

Digitalteil: DSP oder FPGA

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Empfangsfrequenz

Basisbandverstärker I-Signal Tiefpass

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A

selektiver Verstärker

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:

Basisbandsignalverarbeitung durch DSP oder FPGA

Oszillatorfrequenz fo=fe

90°

A D

Q-Signal Tiefpass Analogteil

Digitalteil

!"# I-Signal I-Daten Moduliertes Trägersignal

fo

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90°

: Oszillator

Basisbandsignalaufbereitung durch DSP oder FPGA Q-Daten

Q-Signal

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Rx

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St3

d

d

Tx Kabel (1): RG58 α 100m = 40 dB

St4 0,55 m

d

Tx

Antennenverstärker: G = 23 dB Durchgangsdämpfung: α = 0,5 dB

Kabel (2): RG196 α 100m = 90 dB

(Richt-) Antenne Gewinn: G = 8 dB

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29 dBm

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25,5 dBm

Antennengewinn

25 dBm

Isotrope Antenne 33 dBm 2W

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G= -3 dB

G= -0,5 dB

G= -0,5 dB

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0,891 -10,9 %

0,891 -10,9 %

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Kabel (1)

Verstärker

Kabel (2)

Antennengewinn

G= -1 dB

G= -3 dB

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G= -0,5 dB

G= +8 dB

0,794 -20,6 %

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Isotrope Antenne

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