1、2012/04/DTPT 无线通信 RadioCommunication 肖清华 ， 毛卓华， 凌文杰， 张建国 TD-LTE 容量能力综合分析 收稿日期 ： 2012-02-22 肖清华 ， 毛卓华 ， 凌文杰 ， 张建国 （ 华信邮电咨询设计研究院有限公司 ， 浙江 杭州 310014 ） Xiao Qinghua ， Mao Zhuohua ， Ling Wenjie ， Zhang Jianguo （HuaxinPost Maximum number of simultaneously scheduled subscribers; VoIP; Cell peak throughput;
2、 Cell average throughput 0 前言 LTE 通 过 采 用OFDM 、 单 载 波FDMA （SC-FDMA ） 和MIMO 等 多 种 关 键 技 术 可 以 实 现 比 目 前2G/3G 系 统 更 快 的 数 据 速 率 、 提 供 更 高 的 小 区 容 量 ， 以 及 显 著 降 低 用 户 平 面 和 控 制 平 面 的 时 延 。 由 于TD-LTE 频 谱 利 用 率 高 ， 其 组 网 规 划 也 越 来 越 引 起 大 家 的 关 注 。 在 组 网 规 划 中 ， 覆 盖 和 容 量 是2 个 特 别 需 要 关 注 的 问 题 。 TD-LTE
3、覆 盖 能 力 ， 已 经 有 很 多 学 者 研 究 ， 而TD-LTE 容 量 能 力 ， 由 于 其 受 限 因 素 比 较 多 ， 如 系 统 带 宽 、 子 帧 配 比 、 信 道 开 销 、 业 务 类 型 等 ， 且 采 用 自 适 应 凋 制 编 码 方 式 ， 网 络 能 够 根 据 信 道 质 量 指 示 （CQI ） 、 秩 指 示 （RI ） 和 预 编 码 指 示 （PMI ） 的 反 馈 动 态 调 整 用 户 数 据 的 编 码 方 式 及 所 占 用 的 资 源 ， 因 此 ， TD-LTE 并 不 是 一 个 给 定 信 噪 比 （SNR ） 门 限 就 可
4、以 准 确 估 算 整 体 容 量 的 系 统 ， 其 容 量 建 模 相 当 复 杂 ， 小 区 吞 吐 量 取 决 于 用 户 所 处 的 信 道 环 境 ， 因 此 ， 迄 今 为 止 研 究 并 不 多 。 为 此 ， 本 文 拟 重 点 对PDSCH 、 PUSCH 进 行 容 量 分 析 ， 给 出TD-LTE 的VoIP 容 量 、 最 大 同 时 可 调 度 用 户 数 、 小 区 峰 值 吞 吐 量及小区平均吞吐量的计算模型 。 1 TD-LTE 容量影响因素分析 影 响TD-LTE 的 系 统 容 量 因 素 有 很 多 ， 包 括 系 统 带 宽 、 调 度 算 法 、
5、基 站 功 率 、 循 环 前 缀 （CP ） 长 度 、 资 源 分 配 方 式 、 子 载 波 间 隔 、 上 下 行 时 隙 及 特 殊 子 帧 配 置 、 上 下 行 链 路 开 销 、 MIMO 、 干 扰 消 除 等 。 由 于 篇 幅 所 限 ， 本 文 只 针 对 系 统 带 宽 、 CP 长 度 、 上 下 行 时 隙 及 特 殊 子帧配置 、 上下行链路开销对TD-LTE 的容量影响进 36邮电设计技术/2012/04 无线 通信 RadioCommunication 肖清华 ， 毛卓华， 凌文杰， 张建国 TD-LTE 容量能力综合分析 下行信道开销 PDSCH 业务信道
6、 RS 参考符号 控制信道 SCH 信道 BCH 信道 5MHz 19.87 9.05 9.5 0.69 0.63 10MHz 19.20 0.34 0.31 15MHz 18.99 0.23 0.21 20MHz 18.88 0.17 0.16 表3 下行总体开销 上 行信道开销 PUSCH 业务信道 RS 参考符号 控制信道 RACH 信道 SRS 参考信号 5MHz 25.1 14.3 4 2.4/4.8/7.2 3.6 10MHz 23.5 2 1.2/2.4/3.6 15MHz 21.6 1.3 0.8/1.6/2.4 20MHz 20.7 1 0.6/1.2/1.8 表2 TD-L
7、TE 特殊子帧配置开销 开销比例1 指的是DwPTS 有1 个OFDM 符号用于传输控制信息 ， 开销比例2 指的是DwPTS 有2 个OFDM 符号用于传输控制信息 。 特殊子帧配置 0 1 2 3 4 5 6 7 8 正常CP DwPTS 3 9 10 11 12 3 9 10 11 GP 10 4 3 2 1 9 3 2 1 UpPTS 1 1 1 1 1 2 2 2 2 开销比例1/% 86 43 36 29 21 86 43 36 29 开销比例2/% 93 50 43 36 29 93 50 43 36 扩展CP DwPTS 3 8 9 10 3 8 9 GP 8 3 2 1 7
8、2 1 UpPTS 1 1 1 1 2 2 2 开销比例1/% 83 42 33 25 83 42 33 开销比例2/% 92 50 42 33 92 50 42 系统带宽/MHz 传输 带宽 保护 带宽 RB 数量 子载波 MHz MHz % 1.4 6 72 1.08 0.32 23 3 15 180 2.7 0.3 10 5 25 300 4.5 0.5 10 10 50 600 9 1 10 15 75 900 13.5 1.5 10 20 100 1200 18 2 10 行分析 。 1 . 1 系统带宽 TD-LTE 没 有 设 置 特 别 的 时 域 或 者 频 域 滤 波 器
9、， 而是通过设置过渡保护带来消除时域波形的 “ 展宽 ” 和 “ 振荡 ” 现象 ， 降低了实现的复杂性 。 保护带宽越大 ， 泄 露 到 系 统 带 宽 之 外 的 能 量 越 小 ， 但 是 过 大 的 保 护 带 宽 带来的频谱效率损失也越大 。 TD-LTE 系 统 中 的 传 输 带 宽 和 保 护 带 宽 关 系 如 表 1 所示 。 1 . 2 CP 长度 CP 长 度 需 要 远 远 大 于 无 线 信 道 的 最 大 时 延 扩 展 ， 以 避 免 严 重 的 符 号 间 干 扰 （ISI ） 和 子 载 波 间 干 扰 （ICI ） 。CP 又 不 能 过 长 ， 过 大
10、的CP 开 销 会 带 来 额 外 的 频 谱 效 率 损 失 。 在TD-LTE 系 统 中 ， 正 常CP 的CP 开 销= （5.21+64.67 ） /500=6.67% ； 扩 展CP 的CP 开 销= 16.676/500=20% 。 1 . 3 上下行时隙及特殊子帧配置 TD-LTE 系 统 支 持5 和10ms 的 切 换 点 周 期 ， 共 支 持7 种 上 下 行 时 隙 配 置 。 在 网 络 部 署 时 ， 可 以 根 据 业 务 量 的 特 性 灵 活 的 选 择 上 下 行 时 隙 配 置 。 但 对 于 TD-LTE 的 特 殊 子 帧 而 言 ， DwPTS 和
11、UpPTS 的 长 度 是 可 配 置 的 。 为 了 节 约 网 络 开 销 ， TD-LTE 允 许 利 用 特 殊 时 隙DwPTS 和UpPTS 传 输 数 据 和 系 统 控 制 信 息 。 TD-LTE 特殊子帧配置开销见表2 所示 。 1 . 4 上下行链路开销 在TD-LTE 下 行 和 上 行 信 道 中 ， 存 在 一 定 的 开 销 。 在 估 计 业 务 信 道 占 用 资 源 数 时 ， 需 扣 除 这 些 信 道 开 销 的 影 响 。 表3 和 表4 分 别 给 出 了TD-LTE 上 下 行 开销汇总 。 2 TD-LTE 系统容量评估 TD-LTE 采 用RB
12、 分 组 的 共 享 方 式 进 行 数 据 传 输 ， 即 使 是 语 音 也 通 过VoIP 共 享 空 口 资 源 。 因 此 ， 对 于 TD-LTE 的 系 统 容 量 ， 不 能 简 单 通 过 用 户 数 来 评 估 ， 还 需要结合最大同时可调度用户数 、 小区峰值吞吐量 、 小 区平均吞吐量等指标来评估 。 2 . 1 几个概念 表1 TD-LTE 系统带宽和保护带宽 表4 上行总体开销 372012/04/DTPT 无线通信 RadioCommunication 肖清华 ， 毛卓华， 凌文杰， 张建国 TD-LTE 容量能力综合分析 CFI 值 1 2 3 单天线 双天线
13、10MHz （50RB ） 11 27 44 20MHz （100RB ） 22 55 88 四（八 ） 天线 10MHz （50RB ） 11 22 38 20MHz （100RB ） 22 44 77 表5 可用CCE 数 对 于TD-LTE 的 用 户 数 ， 存 在 最 大 在 线 用 户 数 、 激 活 用 户 数 、 非 激 活 用 户 数 和 最 大 并 发 用 户 数 几 种 。 前 三 种 用 户 属 于 统 计 口 径 上 的 分 类 ， 后 一 种 则 属 于 容 量 能力上的分类 。 TD-LTE 同 时 能 够 得 到 调 度 的 用 户 数 目 受 限 于 控 制
14、信 道 的 可 用 资 源 数 目 ， 即PDCCH （ 包 括PHICH 、 PC FICH ） 可 用 的CCE 数 。 一 般 情 况 下 ， 一 个 对 称 业 务 的 用 户 需 要 配 置2 条PDCCH ， 其 中PHICH 占 用1 个CCE ， 最多可复用8 个用户 。 PCFICH 指 明 给 定 带 宽 和 天 线 配 置 下 可 用 的CCE 个数 （ 见表5 ） 。 最大同时可调度用户数计算如下 ： N N MUX_PHICH + NCCN_PCFICH +NNPDCCH= NCCN （1 ） N= （ N C C E - N CCN_PCFICH ） N MUX_P
15、HICH 1 + N P D C C H N MUX_PHICH （2 ） 式中： N 可同时调度的用户数 NMUX_PHICH PHICH 的最大复用数 ， 一般取8 NCCN_PCFICH 每条PCFICH 的CCE 占用数 NPDCCH 每个VoIP 用户PDCCH 的配置数 ， 取2 NCCN 可用CCE ， 具体取值如表5 所示 对 于TD-LTE 评 估 方 式 中 的 小 区 峰 值 吞 吐 量 和 小 区 平 均 吞 吐 量 指 标 ， 由 于 牵 涉 到PUSCH 和PDSCH ， 本 文统一放入下列章节中讨论 。 3 上行信道容量分析 TD-LTE 上 行 信 道 包 括
16、PUCCH 和 PUSCH 等 。 PUCCH 占 用1 个RB ， 其 容 量 比 较 简 单 ， 在 这 不 再 详 述 。 而PUSCH 用 于 承 载 上 行 业 务 数 据 ， 其 信 道 容 量 与 具 体 的 调 度 方 式 （ 半 静 态 调 度 、 动 态 调 度 ） 、 系 统 带 宽 、 TDD 配 置 等 因 素 相 关 。 对 于 不 同 的 业 务 类 型 ， 采 用 的 调 度 方 式 不 同 ， PUSCH 容 量 的 衡 量 方 式 也 不 同 。 例 如 对VoIP 业 务 采 用 半 静 态 调 度 ， 主 要 使 用 小 区 支 持 的 满 意VoIP
17、用 户 数 来 衡 量 ， 而 对 于 数 据 业 务 或 具 有 保 证 速 率 要 求 的 流 类 业 务 ， 主 要 使 用 小 区 吞 吐 率 等 指 标 来 衡 量 。 对VoIP 用户数的容量能力分析如下 ： 一 般 情 况 下 ， 某 用 户 在 使 用VoIP 进 行 语 音 通 信 时 ， 若98% 的 数 据 包 时 延 在50ms 以 内 ， 则 认 为 该 用 户 是 满 意 的 。 而 如 果 小 区 内95% 的 用 户 是 满 意 的 ， 则 认 为 该 小 区 所 能 容 纳 的VoIP 用 户 总 数 为 该 小 区 的VoIP 容量 。 由 于VoIP 采
18、用 半 静 态 调 度 ， 可 以 不 考 虑 控 制 信 道 限 制 ， 同 时 认 为 系 统 配 置 的PHICH 反 馈 信 道 总 能 满 足 用户需求， 则可得： C= 1 1 1 + S SID / T SID S Packet / T SCH N ini_RB N _ Rup （3 ） 式中： C VoIP 容量 激活因子， 通常为0.5 SSID VoIP 用户在静默期MAC 层包的大小 （bit ） TSID 话音用户静默期SID 帧传输周期 SPacket VoIP 用 户 在 通 话 期MAC 层 包 的 大 小 （bit ） TSCH 半静态调度周期 Nini_RB
19、半静态调度周期内初传可用的RB 数量 N 每个用户需要的平均RB 数量 Rup 上行时隙配比 4 下行信道容量分析 下 行 信 道 包 括PCFICH 、 PDCCH 、 PHICH 等 控 制 信 道 和PDSCH 业 务 信 道 ， 此 外 还 有PBCH 广 播 信 道 。 PBCH 和PCFICH 的 所 有 用 户 都 需 要 接 收 ， 不 会 限 制 小 区 容 量 。PDCCH 只 会 限 制 同 一TTI 同 时 调 度 的 用 户 数 ， 也 不 会 限 制 小 区 可 以 接 入 的 用 户 数 。 它 对 系 统 容 量的影响在于 ： a ） 小 区 中 接 入 绝 大
20、 部 分 用 户 速 率 都 比 较 低 时 ， 会 限制小区峰值速率 ， 进而影响小区平均吞吐量 。 b ）PDCCH 配 置 的OFDM 符 号 数 越 多 时 ， 相 应 PDSCH 可 用 的OFDM 符 号 数 就 越 少 ， 进 而 影 响 到 小 区 峰值速率 、 平均吞吐量 、 频谱效率等 。 对 于 用 于 承 载 下 行ACK/NACK 消 息 的PHICH ， 其 格 式 由PBCH 广 播 指 示 ， 通 过 组 映 射 来 区 分 ， 其 组 容 量 计算如下： m i N g （ N DL_RB / 8 ） normal 2 N g （ N DL_RB / 8 ）
21、extended （4 ） 38邮电设计技术/2012/04 无线 通信 RadioCommunication 肖清华 ， 毛卓华， 凌文杰， 张建国 TD-LTE 容量能力综合分析 表7 TD-LTE 配置 TDD 配置 0 1 2 3 4 5 6 上下行转 换时长/ms 5 5 5 10 10 10 5 子 帧 号 0 D D D D D D D 1 S S S S S S S 2 U U U U U U U 3 U U D U U D U 4 U D D U D D U 5 D D D D D D D 6 S S S D D D S 7 U U U D D D U 8 U U D D D
22、 D U 9 U D D D D D D 表6 PHICH 容量系数取值 TDD 配置 0 1 2 3 4 5 6 子 帧 号 0 2 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 2 - - - - - - - 3 - - 1 - - 0 - 4 - 1 0 - 0 0 - 5 2 0 0 0 0 0 1 6 1 1 0 0 0 0 1 7 - - - 0 0 0 - 8 - - 1 1 1 1 - 9 - 1 0 1 1 0 1 式中： NDL_RB 系统带宽内的RB 总数 Ng 在PBCH 中 配 置 ， 取 值 范 围 为1/6 、 1/2 、 1 和2 ； m i 与TDD
23、 配置相关 ， 具体取值如表6 所示 。 需 要 说 明 的 是 ， 在 常 规CP 下 ， 每 个PHICH 组 最 大 可达8 倍的复用系数 。 5 TD-LTE 吞吐量指标分析 吞 吐 量 指 标 与TD-LTE 的PUSCH 和PDSCH 能 力 息 息 相 关 ， 包 括 小 区 峰 值 吞 吐 量 指 标 和 小 区 平 均 吞 吐 量指标两种 。 5 . 1 小区峰值吞吐量 TD-LTE 小 区 上 下 行 峰 值 吞 吐 量 主 要 与 系 统 带 宽 、 上 下 行 时 隙 配 比 和 调 制 编 码 方 式 有 关 。 根 据 在 单 个 无 线 帧 时 间 内 承 载 的
24、 数 据bit 量 便 可 估 算 出 上 下 行 峰值吞吐量 。 下行峰值吞吐量 （ WDL ） 为 WDL= Nstr （ ND i BS+ BD ） / L i （5 ） 式中： Nstr 下行的流数 ND i 下行配置 i 时的子帧数 ， 具体配置见表7 BS 每子帧传输比特数 ， 计算方法见式 （6 ） BD DwPTS 承载的比特数， 计算方法见式 （7 ） L i 配置 i 时的无线帧长 BS= NRB NSC （14- NCR ） - NRS MMod RT （6 ） 式中： NRB 带宽内的RB 数 NSC 每RB 的子载波数 NCR 控制符号数 NRS 参考信号数 MMod
25、 调制阶次 ， QPSK=2 ， 16QAM=4 ， 64QAM=6 RT 编码率 BD= NRB （ NSC NSO- NCR- NRS ） MMod RT （7 ） 式中： NSO 特殊子帧承载的下行符号数 上行峰值吞吐量 （ WUL ） 为 WUL= NU i NRB NSC （14- NRS ） MMod RT / L i （8 ） 式中： NU i 上行配置 i 时的子帧数 5 . 2 小区平均吞吐量 小 区 平 均 吞 吐 量 针 对 于 非VoIP 业 务 ， 主 要 使 用 动 态 调 度 。 每 调 度 一 个 初 传 用 户 ， 必 须 首 先 发 送UL Grant 。
26、若 单 用 户 数 据 速 率 较 低 ， 且 小 区 内 该 用 户 数 量 较 多 时 ， 可 能 出 现PDCCH 受 限 的 场 景 ， 从 而 影 响 小 区 平均吞吐量 。为分析方便， 下文假设不考虑此类情形 。 小 区 的 平 均 吞 吐 量 与 该 小 区 内 每 个 用 户 的 行 为 均 有 关 ， 而每个用户的行为又千差万别 ， 因此无法采用类似 峰 值 吞 吐 量 的 公 式 来 评 估 ， 此 时 可 引 入 平 均 频 谱 效 率 概念， 即考虑单位带宽下系统所能承载的平均速率 。 上行平均吞吐 量 （ WULA ） 为 WULA= ( N URB - N PRB
27、) 1 2 ( 1 4 - N DS - N SS ) E FA - 2 4 N USU N S （9 ） 式中： NURB 上行RB 总数 NPRB 上行PUCCH 占用RB 数 NDS 解调参考信号占用符号数 NSS 探测参考信号占用符号数 EFA 小 区 的 平 均 频 谱 效 率 ， 可 以 根 据 链 路 仿 真 （SINR 频谱效率曲线 ） 获取 NUSU 上行子帧数 NS 子帧总数 下行平均吞吐量 （ WDLA ） 为 392012/04/DTPT 无线通信 RadioCommunication 肖清华 ， 毛卓华， 凌文杰， 张建国 TD-LTE 容量能力综合分析 作者简介 ：
28、 肖 清 华 ， 毕 业 于 浙 江 大 学 ， 华 信 邮 电 咨 询 设 计 研 究 院 有 限 公 司 网 研 院 副 院 长 ， 高 级 工 程 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 无 线 网 络 规 划 与 设 计 工 作 ; 毛 卓 华 ， 毕 业 于 杭 州 电 子 科 技 大 学 ， 工 程 师 ， 主 要 从 事 无 线 网 络 的 规 划 设 计 和 优 化 工 作 ； 凌 文 杰 ， 毕 业 于 西 安 电 子 科 技 大 学 ， 工 程 师 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 无 线 网 络 的 规 划 设 计 和 优 化 工 作 ; 张 建 国 ， 毕 业 于 南 京 邮
29、 电 学 院 ， 工 程师 ， 硕士 ， 主要从事无线网络的规划和设计工作 。 WDLA= ( N DRB - N CRB ) 1 2 ( 1 4 - N RS ) E FA - 2 4 N DSU N S （10 ） 式中： NDRB 下行RB 总数 NCRB 下行控制信道占用RB 数 NRS 下行参考信号占用符号数 NDSU 下行子帧数 6 TD-LTE 典型容量指标 案 例 为 细 化TD-LTE 容 量 指 标 ， 下 文 给 出 具 体 的 最 大 同时调度用户数和12.2kbit/s 的VoIP 用户容量 。 6 . 1 最大同时调度用户数 假 设TD-LTE 系 统 最 大 同
30、时 可 调 度 用 户 数 为 N ， 以2 天 线 、 20MHz 系 统 带 宽 为 例 。 根 据 式 （2 ） ， 只 要 确 定 NCCE 、 NCCN_PCFICH 、 NMUX_PHICH 、 NPDCCH 等 参 数 ， 即 可 计 算 出 TD-LTE 的最大同时调度用户数 。 根 据 表4 可 知 ， 在20 MHz 的 带 宽 下 ， NCCE 取 值88 个CCE ； 而 NMUX_PHICH 表 示 每PHICH 支 持 最 大8 用 户 ， 占 用1 个CCE ， 取 值8 ； 对 于 对 称 业 务 ， 每 用 户 占 用2 条 PDCCH ， 至少 占用2 个C
31、CE ， 所以 NPDCCH 取值2 ； NCCN_PCFICH 表示每条PCFICH 占用的CCE 个数 ， 取值1 ， 则有 N= （ N CCE - N CCN_PCFICH ） N MUX_PHICH 1 + N PDCCH N MUX_PHICH = （ 8 8 - 1 ） 8 1 + 2 8 =40 即 在2 天 线 模 式 、 20MHz 带 宽 的 条 件 下 ， TD-LTE 最大可以同时调度约40 个用户 。 6 . 2 VoIP 容量能力 对 于12.2kbit/s 的VoIP 业 务 而 言 ，20ms 为 其 半 静 态 调 度 周 期 ， 即 TSCH 取 值20m
32、s ； TSID 为 话 音 用 户 静 默 期 SID 帧 传 输 周 期 ， 取 值160 ms ； SSID 在 静 默 期 内 在MAC 层 包 大 小 为144bit ； SPacket 在 通 话 期 间 在MAC 层 包 大 小 为328bit 。 在20MHz 系 统 带 宽 内 ， 共 有100 个RB ， 假 设 上 行 时 隙 配 比 为2 ， 即DL UL=3 2 ， TD-LTE 系 统 为HARQ 重 传 需 要 预 留20% 的 系 统 资 源 ， PUCCH 占 用2 个RB ， 则 在20 ms 半 静 态 调 度 周 期 内 初 传 可 用 的RB 数 量
33、为 20 （100-2 ） （1-20% ） =1568 ， 即为 Nini_RB 的取值 。 假 设 初 传 需 要 占 用2 个RB 的 用 户 占50% ， 需 要 占 用3 和4 个RB 的 用 户 分 别 占40% 和10% ， 则 每 个 用 户 初 传 平 均 需 要 的RB 个 数 为250%+340%+410%= 2.6 ， 即 为 N 的 取 值 ； 在 上 行 时 隙 配 比 为2 的 前 提 下 ， Rup 取值2/5 。 则根据式 （3 ） ， VoIP 容量为 C= 1 0 . 5 1 1 + 1 4 4 / 1 6 0 3 2 8 / 2 0 1 5 6 8 2
34、. 6 2 / 5=457 即 在20 MHz 系 统 带 宽 内 ， TD-LTE 可 以 承 载 约 457 个12.2kbit/s 的VoIP 用户 。 7 结束语 TD-LTE 的 容 量 性 能 是 对 系 统 进 行 评 估 的 重 要 指 标 ， 可以带给用户稳定 、 可靠的业务感知 。 本文结合影 响TD-LTE 系 统 容 量 的 多 种 因 素 ， 首 次 量 化 性 地 分 析 了 上 下 行 控 制 和 业 务 信 道 的 容 量 能 力 ， 包 括 最 大 可 同 时 调 度 用 户 数 、 VoIP 容 量 、 小 区 峰 值 吞 吐 量 ， 和 小 区 平 均 吞
35、 吐 量 等 容 量 指 标 ， 并 最 终 给 出20 MHz 带 宽 下 TD-LTE 系 统 的 具 体 容 量 案 例 ， 对 于 今 后 从 事TD-LTE 的网络规划有参考作用 。 参考文献 ： 1 3GPP TS 26.211 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal TerrestrialRadioAccess(E-UTRA);Physicalchannelsandmodulation S/OL . 2011-
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