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翻譯:Understanding LTE with MATLAB——2.11到2.14節(jié)
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發(fā)表于 2018-10-31 22:02:46  只看樓主 

原文 Understanding LTE with MATLAB  ,作者Houman Zarrinkoub,本文是對(duì)于該書的翻譯,書中的專業(yè)性詞匯給出了英文原文,圖和表的排版都是參考原文,翻譯不準(zhǔn)確的地方請(qǐng)讀者不吝指正。本文為個(gè)人學(xué)習(xí)研究,不得用于商業(yè)用途!


2.11 物理信號(hào)

在共享物理信道內(nèi)傳輸各種物理信號(hào),包括參考信號(hào)和同步信號(hào)。物理信號(hào)映射到PHY所使用的特定資源元素,但不承載來自更高層的信息。接下來給出LTE信號(hào)的詳細(xì)信息。


2.11.1 參考信號(hào)

頻域中的信道相關(guān)調(diào)度是LTE標(biāo)準(zhǔn)中最有吸引力的特征之一。例如,為了執(zhí)行知道實(shí)際信道質(zhì)量的下行鏈路調(diào)度,移動(dòng)終端必須向基站提供信道狀態(tài)信息(CSI)。CSI可以通過測(cè)量在下行鏈路上傳輸?shù)膮⒖夹盘?hào)得到。參考信號(hào)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的同步序列發(fā)生器再生。這些信號(hào)被放置在時(shí)間-頻率網(wǎng)格中的特定資源元素中。LTE指定下行鏈路和上行鏈路參考信號(hào)的幾種類型,它們將在下面描述。


2.11.1.1 下行鏈路參考信號(hào)

下行鏈路參考信號(hào)支持均衡解調(diào)控制和數(shù)據(jù)信息所需的信道估計(jì)功能。它們也有助于信道質(zhì)量反饋所需的CSI測(cè)量(如RI、CQI和PMI)。LTE規(guī)定了用于下行鏈路傳輸?shù)奈宸N參考信號(hào):小區(qū)特定參考信號(hào)(CSR)、解調(diào)參考信號(hào)(DM-RS,或者稱為UE特定參考信號(hào))、信道狀態(tài)信息參考信號(hào)(CSI-RS)、MBSFN參考信號(hào)和定位參考信號(hào)。


CSRs對(duì)于小區(qū)中的所有用戶都是通用的,并且在每個(gè)下行鏈路子幀中傳輸。DM-RSs用于下行鏈路多用戶傳輸模式7, 8或9。顧名思義,它們是用于在小區(qū)中由每個(gè)單獨(dú)的移動(dòng)終端執(zhí)行的信道估計(jì)。CSI-RSs首次在LTE版本10中引入。它們的主要功能是減輕在使用超過8個(gè)天線時(shí)使用CSR進(jìn)行CSI測(cè)量相關(guān)的密度問題。因此,CSI-RSs的使用限于多用戶下行鏈路傳輸模式9。在多播/廣播業(yè)務(wù)中采用的相干解調(diào)中使用了MbSFN參考信號(hào)。最后,在LTE版本9中首先引入的定位參考信號(hào)幫助支持多個(gè)單元的測(cè)量,以便估計(jì)給定終端的位置。在這一節(jié)中,我們對(duì)這里列舉的前三種類型的參考信號(hào)提供了更詳細(xì)的說明。


小區(qū)專用參考信息(Cell-Specific Reference Signals)

CRS在每個(gè)下行鏈路子幀和頻域中的每個(gè)資源塊中傳輸,從而覆蓋整個(gè)小區(qū)帶寬。在傳輸模式7、8或9的情況下,對(duì)應(yīng)于非基于碼本的預(yù)編碼,終端可以使用CRS進(jìn)行信道估計(jì),以便對(duì)除PMCH和PDCH之外的任何下行鏈路物理信道進(jìn)行相干解調(diào)。

終端也可以使用CRSS來獲取CSI。最后,諸如在CRS上執(zhí)行的CQI、RI和PMI之類的終端測(cè)量被用作小區(qū)選擇和切換決策的基礎(chǔ)。


UE專用參考信號(hào)

DM-RSs或UE專用參考信號(hào)僅用于下行鏈路傳輸模式7、8或9,其中CSRs不用于信道估計(jì)。DM-RSs 最初是在LTE版本8中引入的,以支持單層。在LTE版本9中,最多支持兩層。在版本10中引入的擴(kuò)展規(guī)范旨在支持多達(dá)八個(gè)同時(shí)發(fā)送的參考信號(hào)。


當(dāng)僅使用一個(gè)DM-RS時(shí),在一對(duì)資源塊內(nèi)有12個(gè)參考符號(hào)。當(dāng)任何給定天線上的資源粒發(fā)送參考信號(hào)時(shí),CSR需要在所有其它天線端口上的頻譜零點(diǎn)或未使用的資源粒。這是CSR和DM-Rs之間的主要區(qū)別。當(dāng)兩個(gè)DM-RSs用于兩個(gè)天線時(shí),所有12個(gè)參考符號(hào)都在兩個(gè)天線端口上傳輸。通過為每對(duì)連續(xù)的參考符號(hào)生成相互正交的模式來減輕參考信號(hào)之間的干擾。


CSI參考信號(hào)
CSI-RSs是為我們?cè)谒牡桨藗(gè)天線之間的情況而設(shè)計(jì)的。CSI-RSs首次在LTE版本10中引入。它們被設(shè)計(jì)成在LTE傳輸模式9中執(zhí)行與DM- RS的互補(bǔ)功能。在DS-RS支持信道估計(jì)功能的同時(shí),CSIRS獲取CSI。為了減少由于在資源網(wǎng)格內(nèi)具有兩種類型的參考信號(hào)而導(dǎo)致的開銷,CSI-RS的時(shí)間分辨率降低。這使得系統(tǒng)能夠跟蹤信道條件的快速變化,由于CSIRS僅與4-8個(gè)MIMO天線配置一起使用,并且這種配置只在低移動(dòng)性下有效,所以CSI-RS的低時(shí)間分辨率不會(huì)造成問題。


2.11.1.2 上行參考信號(hào)

LTE標(biāo)準(zhǔn)中有兩種上行參考信號(hào):DS-RS和探測(cè)參考信號(hào)(SRS)。兩個(gè)上行鏈路參考信號(hào)都是基于ZADOF- CHU序列的。ZADOF- CHU序列也用于產(chǎn)生下行主同步信號(hào)(PSSS)和上行鏈路前導(dǎo)碼。不同的UE的參考信號(hào)是從基帶序列的不同循環(huán)移位參數(shù)導(dǎo)出的。


解調(diào)參考信號(hào)

DM RSS作為上行鏈路資源網(wǎng)格的一部分由UE發(fā)送。基站接收機(jī)使用它們來均衡和解調(diào)上行鏈路控制(PUCH)和數(shù)據(jù)(PUSCH)信息。在PUSCH的情況下,當(dāng)使用正常循環(huán)前綴時(shí),DSR信號(hào)位于每個(gè)0.5ms時(shí)隙中的第四OFDM符號(hào)上,并且擴(kuò)展到所有資源塊。在PUCH的情況下,DSR的位置將取決于控制信道的格式。


測(cè)深參考信號(hào)

SRS在上行鏈路上傳輸,以便使基站能夠估計(jì)不同頻率的上行鏈路信道響應(yīng)。這些信道狀態(tài)估計(jì)可用于上行鏈路信道相關(guān)調(diào)度。這意味著調(diào)度器可以將用戶數(shù)據(jù)分配到信道響應(yīng)是有利的上行鏈路帶寬的部分。SRS傳輸具有其他應(yīng)用,例如時(shí)序估計(jì),當(dāng)下行鏈路和上行鏈路信道是互惠的或相同時(shí)的下行鏈路條件控制,如在TDD模式中的情況。


2.11.2 同步信號(hào)

除了參考信號(hào)外,LTE還定義同步信號(hào)。下行同步信號(hào)用于各種過程,包括幀邊界的檢測(cè)、天線數(shù)量的確定、初始小區(qū)搜索、相鄰小區(qū)搜索和切換。LTE中有兩個(gè)同步信號(hào):主同步信號(hào)(PSS)和輻同步信號(hào)(SSS)。


PSS和SSS都作為位于DC副載波周圍的72個(gè)子載波來傳輸。然而,它們?cè)贔DD模式中的放置與TDD模式不同。在FDD幀中,它們被定位在彼此相鄰的子幀0和5中。在TDD幀中,它們沒有被緊密地放置在一起。SSS被放置在子幀0和5的最后符號(hào)中,PSS被放置在后續(xù)特殊子幀的第一OFDM符號(hào)中。


同步信號(hào)與PHY單元標(biāo)識(shí)相關(guān)。在LTE中定義了504個(gè)小區(qū)標(biāo)識(shí),它們被組織成168個(gè)組,每個(gè)組包含三個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)。PSS攜帶唯一的標(biāo)識(shí)0, 1或2,而SSS攜帶組標(biāo)識(shí)與值0 - 167。


2.12 下行幀結(jié)構(gòu)

LTE指定兩種下行鏈路幀結(jié)構(gòu)。類型1幀應(yīng)用于FDD部署,類型2幀用于TD部署。每個(gè)幀由10個(gè)子幀組成,每個(gè)子幀以時(shí)間-頻率資源網(wǎng)格為特征。我們已經(jīng)確定了資源網(wǎng)格的三個(gè)組成部分:用戶數(shù)據(jù)、控制信道和參考和同步信號(hào)。現(xiàn)在我們可以解釋在OFDM符號(hào)生成和傳輸之前,LTE資源網(wǎng)格在每個(gè)子幀中填充時(shí),這些組件如何放置以及放置在哪里。不是一般性的條件下,本書中我們將重點(diǎn)放在FDD幀結(jié)構(gòu)即類型1幀上。


圖2.10顯示了1型無線電幀結(jié)構(gòu)。每個(gè)幀的持續(xù)時(shí)間為10ms,由10至1毫秒的子幀組成,索引范圍為從0到9。每個(gè)子幀被細(xì)分為兩個(gè)時(shí)隙為0.5毫秒的持續(xù)時(shí)間。每個(gè)時(shí)隙由七或六個(gè)OFDM組成,取決于是否使用正;驍U(kuò)展循環(huán)前綴。DCI被放置在每個(gè)子幀的第一時(shí)隙內(nèi)。DCI承載PDCCH、PCFICH和PHICH的內(nèi)容,并且它們一起在每個(gè)子幀中占據(jù)多達(dá)前三個(gè)OFDM符號(hào)。這個(gè)區(qū)域也稱為L(zhǎng)1/L2控制區(qū)域,因?yàn)樗瑥膶?(MAC層)傳輸?shù)綄?(PHY)的信息。


包含MICIB的PBCH位于子幀0內(nèi),PSS和SSS位于子幀0和5之內(nèi)。PBCH信道和PSS和SSS信號(hào)都被放置在以DC副載波為中心的六個(gè)資源塊內(nèi)。此外,CSR在每個(gè)子幀中的每個(gè)資源塊中都以特定的時(shí)間和頻率分離模式放置。CSR信號(hào)的放置模式取決于MIMO模式和使用的天線數(shù)量,稍后將討論。每個(gè)子幀中的其余資源元素被分配給用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。


2.13 上行幀結(jié)構(gòu)

上行鏈路子幀結(jié)構(gòu)在某些方面與下行鏈路類似。它由1ms子幀分成兩個(gè)0.5 ms時(shí)隙組成。每個(gè)時(shí)隙由七個(gè)或六個(gè)SC-FDM符號(hào)組成,這取決于是否使用正;驍U(kuò)展循環(huán)前綴。內(nèi)部頻帶資源塊被保留用于數(shù)據(jù)資源元素(PUSCH),以減少帶外發(fā)射。不同的用戶被分配了不同的資源塊,這一事實(shí)確保了同一小區(qū)中的用戶之間的正交性。數(shù)據(jù)傳輸可以在時(shí)隙邊界上跳躍以提供頻率分集。然后將控制資源(PUCH)置于載波頻帶的邊緣,具有插槽跳頻,提供頻率分集。數(shù)據(jù)解調(diào)所需的參考信號(hào)散布在整個(gè)數(shù)據(jù)和控制信道中。圖2.11展示了上行鏈路幀結(jié)構(gòu)。

2.14多入多出

在LTE和LTE-A能夠?qū)崿F(xiàn)高速率,其中一個(gè)原因是多入多出技術(shù)即MIMO技術(shù)。LTE標(biāo)準(zhǔn)的完美結(jié)合OFDM和MIMO傳輸技術(shù)。例如,LTE MIMO-OFDM系統(tǒng)。

如前文所述,在每一個(gè)天饋的OFDM傳輸技術(shù)構(gòu)建了資源網(wǎng)格,產(chǎn)生了OFDM符號(hào),并傳輸信號(hào)。在MIMO-OFDM系統(tǒng)中,這個(gè)過程是重復(fù)的多發(fā)射天線。在多個(gè)發(fā)射天線上傳輸與多個(gè)資源網(wǎng)格相關(guān)聯(lián)的OFDM符號(hào)之后,在每個(gè)接收天線處組合所有發(fā)射天線的OFDM符號(hào)。因此,MIMO接收機(jī)的目標(biāo)是分離組合信號(hào),并且基于所接收的資源元素的估計(jì),以解決在每個(gè)發(fā)射天線上發(fā)射的每個(gè)資源元素。


多天線技術(shù)依賴于由接收機(jī)或發(fā)射機(jī)處的多個(gè)天線結(jié)合高級(jí)信號(hào)處理進(jìn)行傳輸。雖然多天線技術(shù)增加了實(shí)現(xiàn)技術(shù)的復(fù)雜度,但是它們可以用于實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的系統(tǒng)性能,包括改進(jìn)的系統(tǒng)容量(換言之,每個(gè)小區(qū)的用戶更多),以及改進(jìn)的覆蓋范圍或在較大小區(qū)上傳輸?shù)目赡苄。發(fā)射機(jī)或接收機(jī)處多個(gè)天線的可用性可以用不同的方式利用以實(shí)現(xiàn)不同的目的。


2.14.1 接收分集(Receive Diversity)

最簡(jiǎn)單和最常見的多天線配置是在接收機(jī)側(cè)使用多個(gè)天線,如圖2.12。這通常被稱為接收分集。在接收分集中使用的最重要的算法稱為最大比合并 MRC。它是在LTE標(biāo)準(zhǔn)中基于單天線傳輸?shù)膫鬏斈J?使用的。這種模式也稱為SISO(單輸入單輸出),其中僅部署一個(gè)接收機(jī)天線,或者SIMO(單輸入多輸出),其中使用多個(gè)接收天線。在接收機(jī)中可以使用兩種類型的組合方法:MRC和選擇合并(SC)[2]。在MRC中,我們組合多個(gè)接收信號(hào)(通常通過對(duì)它們進(jìn)行平均)以找到發(fā)送信號(hào)的最可能估計(jì)。在SC中,僅使用具有最高SNR的接收信號(hào)來估計(jì)發(fā)送信號(hào)。

MRC是一個(gè)特別好的MIMO技術(shù)時(shí),在衰落信道中的干擾信號(hào),數(shù)量大,所有的信號(hào)顯示出平等的優(yōu)勢(shì)。因此,MRC在平坦衰落信道上的傳輸效果最好。在實(shí)踐中,大多數(shù)的寬帶通道,尤其是LTE系統(tǒng),都受時(shí)間的分散,導(dǎo)致在頻率選擇性衰落信道響應(yīng)。對(duì)抗頻率選擇性編碼的影響,我們必須進(jìn)行線性均衡,以使更有效的應(yīng)該是在頻域中進(jìn)行。接下來討論了處理這些退化類型的MIMO技術(shù)。


2.14.2 發(fā)射分集

發(fā)射分集利用發(fā)射機(jī)側(cè)的多個(gè)天線通過在多個(gè)天線上發(fā)射相同信號(hào)的冗余版本來引入分集。這種MIMO技術(shù)通常被稱為空時(shí)分組編碼(STBC)。在STBC調(diào)制中,符號(hào)被映射在時(shí)間和空間(發(fā)射天線)域中,以捕獲通過使用多個(gè)發(fā)射天線提供的分集。


空頻塊編碼(SFBC)是LTE標(biāo)準(zhǔn)中選擇作為發(fā)射分集技術(shù)的一種與STBC密切相關(guān)的技術(shù)。這兩種技術(shù)的主要區(qū)別在于,在SFBC中,編碼是在天線(空間)和頻率域中進(jìn)行的,而不是像STBC那樣,在天線(空間)和時(shí)間域中進(jìn)行的。SFBC的框圖如圖2.13所示。

在LTE中,第二傳輸模式基于發(fā)射分集。SFBC和頻率切換發(fā)射分集(FSTD)分別用于兩個(gè)和四個(gè)天線傳輸。傳輸分集無助于提高數(shù)據(jù)速率,它只有助于增強(qiáng)抗信道衰落的魯棒性,并提高鏈路質(zhì)量。其他MIMO模式,特別是空間復(fù)用,直接影響LTE標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)速率的提高。


2.14.3空間多路復(fù)用

在空間多路復(fù)用中,完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)流在每個(gè)發(fā)射天線上同時(shí)傳輸。使用空間多路復(fù)用使得系統(tǒng)能夠按比例增加其數(shù)據(jù)與發(fā)射天線端口的數(shù)量。同時(shí),在相同的頻率子載波上,在不同的天線上發(fā)送不同的調(diào)制符號(hào)。這意味著空間復(fù)用可以直接提高帶寬效率,并導(dǎo)致具有高帶寬利用率的系統(tǒng)。只有當(dāng)不同天線上的傳輸不相關(guān)時(shí),才能實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的好處。這就是通信鏈路的多徑衰落特性實(shí)際上有助于性能的原因。由于多徑衰落能夠使每個(gè)接收天線端口處的接收信號(hào)去相關(guān),因此在多徑衰落信道上傳輸?shù)目臻g復(fù)用實(shí)際上可以提高性能。

只有解決描述發(fā)射天線和接收天線之間關(guān)系的線性方程組,才能實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用的所有好處。圖2.14示出了2×2天線配置的空間復(fù)用。在每個(gè)子載波上,符號(hào)S1和S2通過兩個(gè)發(fā)射天線發(fā)送。在相同的子載波r1和r2處接收的符號(hào)可以被認(rèn)為是由信道矩陣H加權(quán)的s1和s2與AWGN(加性白高斯噪聲)n1和n2的相加線性組合的結(jié)果。所得到的MIMO方程可以表示為公式(2-5)。

其中,MIMO信道矩陣H包括發(fā)射天線i和接收天線j的任何組合在每個(gè)子載波H i j處的信道頻率響應(yīng)。在任意數(shù)目的發(fā)送和接收天線廣義矩陣表示法中,發(fā)射天線和接收天線之間的關(guān)系變成公式(2-6)。其中,s表示發(fā)射機(jī)側(cè)發(fā)射信號(hào)的M維向量:s=[s1,s2,...,sM],并且向量 r 和 n 是表示接收信號(hào)和對(duì)應(yīng)噪聲信號(hào)的N維向量:r=[r1,r2,...,rM];n=[n1,n2,...,nM]。當(dāng)向量s的所有元素都屬于單個(gè)用戶時(shí),該單個(gè)用戶的數(shù)據(jù)流被多路復(fù)用到各個(gè)天線上。這被稱為單用戶多輸入多輸出(SU-MIMO)系統(tǒng)。當(dāng)不同用戶的數(shù)據(jù)流被多路復(fù)用到不同的天線上時(shí),所得到的系統(tǒng)被稱為多用戶多輸入多輸出(MU-MIMO)系統(tǒng)。SU-MIMO系統(tǒng)顯著增加給定用戶的數(shù)據(jù)速率,MU-MIMO系統(tǒng)增加小區(qū)處理多個(gè)呼叫的總?cè)萘俊?/p>


關(guān)于空間復(fù)用系統(tǒng)的操作的最基本的問題之一是相應(yīng)的MIMO方程是否能夠被求解以及它是否具有唯一解。這個(gè)問題涉及到相應(yīng)的MIMO信道矩陣的奇點(diǎn),以及它是否可以反轉(zhuǎn)。當(dāng)許多接收天線上的接收信號(hào)相關(guān)時(shí),信道矩陣H可以具有線性相關(guān)的行或列。在這種情況下,所得到的信道矩陣將具有小于其維數(shù)的秩,并且該矩陣將被認(rèn)為是不可逆的。因此,秩估計(jì)對(duì)于空間復(fù)用是必要的,因?yàn)樗_定在任何給定信道條件下是否可能執(zhí)行空間復(fù)用操作。矩陣的秩的實(shí)際值指示可以成功復(fù)用的發(fā)射天線的最大數(shù)量。在LTE術(shù)語(yǔ)中,秩被稱為MIMO的空間復(fù)用模式中的層的數(shù)目。


在閉環(huán)MIMO操作中,信道矩陣的秩由UE計(jì)算并通過上行鏈路控制信道發(fā)送到基站。如果信道被認(rèn)為具有小于滿秩,那么在即將到來的下行鏈路傳輸中,只有較少數(shù)量的獨(dú)立數(shù)據(jù)流可以參與空間復(fù)用。這種被稱為秩自適應(yīng)的特征是自適應(yīng)MIMO方案的一部分,并且補(bǔ)充了LTE標(biāo)準(zhǔn)的其他自適應(yīng)特征。


2.14.4 波束賦形

在波束成形中,可以使用多個(gè)發(fā)射天線來對(duì)整個(gè)天線輻射圖案(或波束)進(jìn)行成形,以便使在移動(dòng)終端方向上的總天線增益最大化。這種波束形成為下行鏈路MIMO傳輸模式7提供了基礎(chǔ)。


波束成形技術(shù)的使用可導(dǎo)致接收器處的信號(hào)功率與發(fā)射天線的數(shù)量成比例地增加。通常,波束形成依賴于使用至少八個(gè)天線單元的天線陣列[3]。然后,通過將不同的復(fù)值增益(或者稱為權(quán)重)應(yīng)用于天線陣列的不同元件來實(shí)現(xiàn)波束成形。然后,通過向不同天線上的信號(hào)施加不同的相移,可以將整個(gè)傳輸波束轉(zhuǎn)向不同的方向,如圖2.15所示。

LTE 標(biāo)準(zhǔn)既不制定天線陣列中天線的個(gè)數(shù),也不指定調(diào)整應(yīng)用于每個(gè)陣列元素的復(fù)值增益算法。LTE規(guī)范涉及天線端口5,其表示通過使用波束成形技術(shù)創(chuàng)建的虛擬天線端口。在波束形成MIMO模式7中,UE特定參考信號(hào)用于信道估計(jì)。更高的層要求使用特定特定的參考信號(hào)到移動(dòng)終端。由于在相同的資源塊對(duì)上調(diào)度生成相互正交的參考信號(hào),所以不同的UE(移動(dòng)終端)可以解決其分配的參考信號(hào)并將其用于均衡和解調(diào)。


2.14.5 循環(huán)延遲分集(Cyclic Delay Diversity)

循環(huán)延遲分集(CDD)是LTE標(biāo)準(zhǔn)中結(jié)合開環(huán)空間復(fù)用使用的另一種分集形式。CDD將循環(huán)移位應(yīng)用于在不同天線上在任意給定時(shí)間發(fā)送的信號(hào)的矢量或塊。這是類似于已知預(yù)編碼器的應(yīng)用的效果。因此,CDD非常適合基于塊的傳輸方案,如OFDM和SC-FDM。例如,在OFDM傳輸?shù)那闆r下,時(shí)域的循環(huán)移位對(duì)應(yīng)于頻域中的頻率相關(guān)相移。由于頻率的相移——即預(yù)編碼器矩陣——是已知的和可預(yù)測(cè)的,所以在開環(huán)空間復(fù)用和高移動(dòng)性場(chǎng)景中使用CDD,其中不需要最佳預(yù)編碼器矩陣的閉環(huán)反饋。應(yīng)用CDD的凈效應(yīng)是由接收機(jī)所經(jīng)歷的人工頻率分集的引入。我們可以容易地?cái)U(kuò)展CDD到多于兩個(gè)發(fā)射天線,每個(gè)循環(huán)具有不同的循環(huán)移位。


參考文獻(xiàn)

[1] Ghosh, A. and Ratasuk, R. (2011) Essentials of LTE and LTE-A, Cambridge University Press, Cambridge.

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未完待續(xù)

2018/10/31




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