4G中高速總線互連架構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要　在4G無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于智能天線、OFDM、MIMO空時(shí)編碼等一系列最新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，新一代系統(tǒng)整體的算法復(fù)雜度和傳輸性能較上一代系統(tǒng)有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，迫切需要一種高效、高帶寬、靈活的總線互連架構(gòu)。文章正是基于以上考慮，在對(duì)B3G TDD無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的高速串行總線互連架構(gòu)來(lái)解決問(wèn)題。

1、引言

從1897年馬可尼在一個(gè)固定站與一艘拖船之間完成的無(wú)線通信試驗(yàn)開(kāi)始，無(wú)線通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。目前通信行業(yè)的熱點(diǎn)是第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）具有較高的無(wú)線頻率利用效率，能提供快捷、方便的無(wú)線應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)（傳輸速度最低為384k，最高為2M）。雖然3G系統(tǒng)可以比舊有的2G系統(tǒng)傳輸速率快上很多倍，但是仍無(wú)法滿足未來(lái)多媒體的通信需求。未來(lái)通信市場(chǎng)的主流服務(wù)需要為客戶提供方便快捷的全球咨詢信息的獲取能力，因此未來(lái)通信服務(wù)必須具有寬帶性（Broadband）、全球性（Globalization）、即時(shí)性（Immediacy）與移動(dòng)性（Mobility）。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，必須將寬帶互聯(lián)網(wǎng)和寬帶無(wú)限通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，然而要實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和寬帶核心骨干網(wǎng)的融合，包括3G在內(nèi)的當(dāng)前所使用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都力不從心，發(fā)展4G無(wú)線通信技術(shù)以支援無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)已刻不容緩。目前國(guó)際上尚未制定統(tǒng)一的4G通信標(biāo)準(zhǔn)，因此各發(fā)達(dá)國(guó)家均希望在未來(lái)4G標(biāo)準(zhǔn)制定上取得一席之地，歐美日等國(guó)很早就投入巨資開(kāi)始研究，我國(guó)也在2002年啟動(dòng)了4G的研發(fā)工作，基本上與國(guó)際同步。

據(jù)預(yù)測(cè)，4G系統(tǒng)中將會(huì)采用大量新一代先進(jìn)的通信技術(shù)，如OFDM、SDR、MIMO和智能天線、空時(shí)編碼等，所提供的峰值速率可達(dá)到100Mb/s，以滿足未來(lái)對(duì)實(shí)時(shí)多媒體服務(wù)高帶寬的業(yè)務(wù)需求。但是，隨著這一系列最新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新一代系統(tǒng)整體的算法復(fù)雜度和傳輸性能較上一代系統(tǒng)有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，如何為系統(tǒng)中諸多的處理、控制單元提供一種高效、高帶寬、靈活的互連架構(gòu)，成為4G無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極具挑戰(zhàn)性的難題。

2、4G系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)的搭建所面臨的問(wèn)題

（1）數(shù)字基帶處理算法復(fù)雜度的增大

4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中引入了MIMO無(wú)線通信技術(shù)。即在分布式接入方式下，傳輸信號(hào)由多個(gè)天線同時(shí)發(fā)送和接收，發(fā)送端和接收端之間的無(wú)線信道由傳統(tǒng)的單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成（MIMO）系統(tǒng)。MIMO信道可看作一組并行的子信道，其總的信道容量為各獨(dú)立子信道的信道容量之和，理論上，隨著天線個(gè)數(shù)的增加，信道容量顯著增大，為提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信息吞吐量、擴(kuò)大覆蓋區(qū)域和提高傳輸質(zhì)量提供了巨大的潛力。但多天線環(huán)境下MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)的帶來(lái)的問(wèn)題是基帶信號(hào)處理的復(fù)雜度成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。按現(xiàn)有的可編程邏輯器件邏輯規(guī)模，很難在單片或單板的條件下實(shí)現(xiàn)所有的基帶邏輯算法，必然要求基站有復(fù)雜的平臺(tái)互連結(jié)構(gòu)。

（2）巨量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求

4G系統(tǒng)中物理層基帶處理要求處理節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的傳輸有較高的實(shí)時(shí)性。如果采用傳統(tǒng)的共享型總線（如：PCI，CompactPCI等），隨著基帶處理節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，節(jié)點(diǎn)間交互數(shù)據(jù)量急劇增大，必然對(duì)設(shè)備間傳輸實(shí)時(shí)性能造成影響。所以采用傳統(tǒng)的共享型架構(gòu)的系統(tǒng)內(nèi)連總線很難達(dá)到上述要求。因此需要設(shè)計(jì)新型的平臺(tái)架構(gòu)，以確保在有好的擴(kuò)充性的前提下，實(shí)現(xiàn)連接在總線上的設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有小的總線潛伏期。

（3）高擴(kuò)展性和靈活性的要求

目前國(guó)際上4G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，采用的基帶處理算法和鏈路層協(xié)議還在不斷的驗(yàn)證和完善之中。所以4G系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)連總線應(yīng)該具有高的可擴(kuò)展性，使現(xiàn)在和今后不同的實(shí)現(xiàn)方案可以在對(duì)硬件平臺(tái)改動(dòng)極小的情況下得以實(shí)現(xiàn)。從而不必再擔(dān)心由于改動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)方案技術(shù)而使系統(tǒng)的性能受到影響或降低原有系統(tǒng)平臺(tái)的可用度。

同時(shí)，設(shè)計(jì)無(wú)線接入MIMO系統(tǒng)出于設(shè)計(jì)靈活性的考慮要求整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都盡可能實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，并可以進(jìn)行參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整和重新配置。平臺(tái)設(shè)計(jì)中總線的可重配置技術(shù)特征是實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的有力支持�？芍嘏渲眉夹g(shù)具有充分參數(shù)化、完全的可編程性、模塊化設(shè)計(jì)、同時(shí)支持多種業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，完全適應(yīng)不同連接類(lèi)型對(duì)互連平臺(tái)的性能要求。

3、4G系統(tǒng)高速互連架構(gòu)的需求分析

目前，4G標(biāo)準(zhǔn)尚未制定，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU也不能確定4G是什么東西，也就是說(shuō)，4G只是開(kāi)發(fā)者的一種設(shè)計(jì)概念和開(kāi)發(fā)方向罷了。因此，ITU-R建議采用“IMT-2000的增強(qiáng)系統(tǒng)（Enhancement of IMT-2000）”或“后IMT-2000系統(tǒng)（Systems Beyond IMT-2000）”的說(shuō)法，其中核心研究部分就是Beyond 3G，也即超三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。我國(guó)在2002年啟動(dòng)了十五863計(jì)劃“Beyond 3G蜂窩移動(dòng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)”，目前為止已經(jīng)進(jìn)展到了第二期，基站和移動(dòng)站的研究均已進(jìn)入實(shí)現(xiàn)階段。本文將以此項(xiàng)目為例，對(duì)新一代的B3G TDD系統(tǒng)的平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。因此在下面介紹4G系統(tǒng)的高速總線互連架構(gòu)時(shí)，均以術(shù)語(yǔ)B3G來(lái)代替4G。

3.1　B3G TDD系統(tǒng)的基帶處理系統(tǒng)架構(gòu)框圖簡(jiǎn)介

在B3G TDD系統(tǒng)中，基站端和移動(dòng)站端有很多單元的設(shè)計(jì)方法相同，只是基站端的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，規(guī)模更為龐大，限于篇幅，本文將選取更有代表性的基站端收發(fā)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)進(jìn)行分析。圖1為B3G TDD基站端基帶處理系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)[2]。

圖1　基站端基帶處理系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

B3G TDD系統(tǒng)的基站由3個(gè)多天線發(fā)送模塊、1個(gè)基帶發(fā)送模塊、3個(gè)多天線接收模塊、1個(gè)交換時(shí)頻序列處理模塊、3個(gè)基帶接收模塊、以及1個(gè)MAC接口處理模塊等構(gòu)成，它們通過(guò)高速背板相互連接�；鶐Оl(fā)送模塊完成編碼、調(diào)制、空時(shí)發(fā)送處理、以及導(dǎo)頻插入等，產(chǎn)生的基帶發(fā)送信號(hào)送到多天線發(fā)送模塊，進(jìn)行多載波信號(hào)合成以及數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生多天線模擬基帶發(fā)送信號(hào)，送到模擬前端。多天線接收模塊，接收來(lái)自模擬前端的多天線模擬基帶接收信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、多載波分解以及載波和時(shí)間同步，產(chǎn)生同步的接收基帶信號(hào)，經(jīng)多天線陣接收處理模塊合并后送到基帶接收模塊，基帶接收模塊完成信道估計(jì)、空時(shí)聯(lián)合檢測(cè)、解調(diào)與解碼等，重建發(fā)送的信息序列。MAC接口處理模塊完成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)控制與質(zhì)量管理，并通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口與終端計(jì)算機(jī)和控制域交互信息。

3.2　B3G TDD系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)的需求分析

（1）數(shù)據(jù)傳輸帶寬需求

從技術(shù)要求上講，B3G TDD試驗(yàn)網(wǎng)理論上的最高數(shù)據(jù)傳輸速率需要達(dá)到100Mb/s（此處講理論，是因?yàn)閷?shí)際的實(shí)現(xiàn)還會(huì)遇到很多問(wèn)題），而在系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間的數(shù)據(jù)（因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)還要進(jìn)行信道編碼，如卷積和擴(kuò)頻）肯定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100Mb/s，而基帶發(fā)送板、基帶接收板與多天線陣列之間的傳輸速率更高，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要為其預(yù)留較多的帶寬。根據(jù)設(shè)計(jì)，B3G TDD試驗(yàn)系統(tǒng)各功能單板間每條接口鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能力需要達(dá)到2Gb/s，以滿足系統(tǒng)各模塊間信息的交互及數(shù)據(jù)傳輸。在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)設(shè)備中常用的CompactPCI架構(gòu)，因?yàn)椴捎貌⑿锌偩�方式，總傳輸帶寬最多1Gb/s，而且是各單元共享此帶寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足B3G系統(tǒng)的帶寬需求。

（2）模塊聯(lián)結(jié)方式

B3G-TDD系統(tǒng)分為很多功能較為獨(dú)立的模塊，各模塊間再通過(guò)高速串行接口完成模塊間的數(shù)據(jù)傳輸互聯(lián)，互聯(lián)通道較多，模塊之間的連接如果過(guò)于復(fù)雜，不但影響開(kāi)發(fā)的效率，而且還會(huì)在進(jìn)行系統(tǒng)連調(diào)時(shí)造成很多不可預(yù)知的問(wèn)題。因此B3G TDD系統(tǒng)需要一種配置靈活且便于擴(kuò)展的總線架構(gòu)，使各模塊之間的互連需要有穩(wěn)定的高速數(shù)據(jù)傳輸功能的同時(shí)，還需要接口比較易于實(shí)現(xiàn)和連調(diào)。

（3）系統(tǒng)耦合度

根據(jù)系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)和模塊分配，需要系統(tǒng)各模塊功能比較獨(dú)立，特別是研發(fā)各小組所負(fù)責(zé)模塊之間的連結(jié)接口既要完成數(shù)據(jù)傳輸，又要易于實(shí)現(xiàn)與連調(diào)。

（4）可擴(kuò)展性

B3G TDD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尚處于研發(fā)中，整體的架構(gòu)上未能完全定稿，系統(tǒng)的處理能力還能得到很大的擴(kuò)展，因此采用的平臺(tái)架構(gòu)需要模塊化和可擴(kuò)展性強(qiáng)。

（5）時(shí)鐘系統(tǒng)

對(duì)于B3G TDD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的同步是非常重要的，因此所設(shè)計(jì)的架構(gòu)需要有很強(qiáng)的時(shí)鐘同步功能。

4、解決方案

鑒于B3G TDD系統(tǒng)需要一套支持高數(shù)據(jù)吞吐率，高兼容性（兼容各種協(xié)議）并具備高可靠性、可擴(kuò)展性和智能性的模塊化通用硬件平臺(tái)資源，目前通用的并行總線架構(gòu)的CPCI結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求，因此，本系統(tǒng)選用先進(jìn)電信計(jì)算機(jī)架構(gòu)（ATCA）[3]-[6]作為系統(tǒng)硬件平臺(tái)的物理承載，并采用高速的串行接口來(lái)完成各模塊間巨量的數(shù)據(jù)傳輸；由于國(guó)際上尚未制定具體的4G標(biāo)準(zhǔn)，因此也不可能有B3G TDD系統(tǒng)專用的基帶處理芯片，只能采用高性能的FPGA芯片完成很多復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和算法實(shí)現(xiàn)的功能，因此，選用內(nèi)嵌有千兆位串行收發(fā)器核的FPGA芯片有利于試驗(yàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理部分與模塊間高速數(shù)據(jù)傳輸接口部分的無(wú)縫結(jié)合，而各模塊均采用相同的高速串行接口，如RocketlO[7]，能簡(jiǎn)化系統(tǒng)各單元之間的互連協(xié)議，顯著地提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。具體的解決方案：系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和連接背板采用先進(jìn)的電信計(jì)算機(jī)架構(gòu)體系（ATCA），對(duì)ATCA架構(gòu)交換接口的全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以滿足B3G TDD系統(tǒng)的需求；引入高速串行接口RocketlO（單路支持傳輸速率高達(dá)3.125Gb/s）作為ATCA的交換接口，來(lái)完成系統(tǒng)各模塊間高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕ミB工作，通過(guò)將兩種先進(jìn)的技術(shù)相結(jié)合來(lái)搭建一種高性能的B3G TDD系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)。

4.1　ATCA架構(gòu)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)與配置

圖1介紹了B3G TDD基站端基帶處理系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)。在基站端涉及到很多系統(tǒng)模塊的互連問(wèn)題，本小節(jié)在此主要討論各模塊之間的互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各模塊單板上的硬件設(shè)計(jì)等就不做詳細(xì)的敘述。ATCA架構(gòu)交換接口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從主要分為兩種：星型結(jié)構(gòu)和全網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2　交換接口互聯(lián)拓?fù)?/p>

鑒于B3G TDD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，如果采用星型結(jié)構(gòu)，那么兩端節(jié)點(diǎn)之間的傳輸速率將要求太高，同時(shí)各模塊之間如果全部通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，將不可避免的影響系統(tǒng)的整體性能，而且此類(lèi)結(jié)構(gòu)也不適合B3G TDD硬件平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)。此外，B3G TDD系統(tǒng)各模塊之間基本上都需要有高速接口互連，而不是都與一個(gè)總的模塊互連，因此，本系統(tǒng)采用的是全網(wǎng)格的拓?fù)浼軜?gòu)，保證每?jī)蓚�(gè)模塊之間都至少有四個(gè)高速互連通道。

雖然采用網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是各單板插槽之間的互連并不是對(duì)稱的，一般還是將與臨近模塊互聯(lián)通道多的模塊單板放在ATCA架構(gòu)的邏輯槽1、2的位置。

具體如下：將基站端所需要高速串行接口連接最多的模塊交換/時(shí)頻時(shí)序板和基帶發(fā)送板分別置于邏輯交換槽1、2位置，他們與多天線接受陣列、多天線發(fā)送陣列、基帶接收板、MAC處理/接口板之間利用Fabric Interface高速互連。各單元之間的互連采用RocketlO接口，每個(gè)MGT（RocketlO）均工作于2Gb/s，參考時(shí)鐘為100MHz。

4.2　高速串行接口的配置

本系統(tǒng)在ATCA標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架上選用了RocketlO串行接口來(lái)實(shí)現(xiàn)其個(gè)模塊間的高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)互連，而沒(méi)有采用ATCA標(biāo)準(zhǔn)中所定義的幾種新一代串行互連標(biāo)準(zhǔn)，如InfiniBand、RapidlO Serial、XAUI、Fibre Channel，主要是與B3G TDD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體架構(gòu)以及系統(tǒng)對(duì)于高速數(shù)據(jù)互連需求有關(guān)，原因在第四小節(jié)開(kāi)始有描述。

通常B3G TDD系統(tǒng)各模塊之間傳輸速率預(yù)留2Gb/s即可，但是有一些傳輸數(shù)據(jù)量大的模塊之間，可以配置更高的傳輸帶寬，如AP端的多天線接收模塊、基帶接收模塊以及交換時(shí)頻序列模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，本系統(tǒng)為其預(yù)留帶寬為8Gb/s；AP端基帶發(fā)送模塊與多天線發(fā)送模塊之間的預(yù)留4Gb/s的傳輸帶寬；MT端的幾個(gè)基帶接收模塊間的數(shù)據(jù)傳輸速率預(yù)留6Gb/s的傳輸帶寬。

4.3　本解決方案的優(yōu)點(diǎn)

（1）ATCA架構(gòu)的交換背板單板到單板間能提供最高達(dá)到20Gbps的雙向傳輸能力，并可以采用多種標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議傳輸，如Infiniband、XAUI等，還能支持自定義的傳輸協(xié)議，傳輸方式靈活；采用內(nèi)嵌有千兆位串行收發(fā)器和高性能處理核的FPGA，既能利用其先進(jìn)的互聯(lián)技術(shù)、高密度的邏輯門(mén)、塊RAM以及內(nèi)置時(shí)鐘模塊來(lái)滿足系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算沒(méi)，同時(shí)利用其無(wú)縫集成的高性能的串行通信接口和RISC核來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的高速數(shù)據(jù)傳輸接口，極大地簡(jiǎn)化了高帶寬接口的系統(tǒng)集成，允許設(shè)計(jì)人員用比以前少得多的時(shí)間高效地創(chuàng)建和實(shí)施基于所有這些新千兆位串行接口標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。

（2）ATCA架構(gòu)任意兩單板均存在直接的數(shù)據(jù)交換通道，通用性很強(qiáng)，AP/MT可以復(fù)用相同機(jī)箱/背板，ATCA背板拓?fù)淠莒`活設(shè)置，既能采用星型架構(gòu)，也能采用全網(wǎng)格架構(gòu)，可以按系統(tǒng)的需求進(jìn)行定制，并預(yù)留一些冗余的聯(lián)結(jié)通道，滿足所有可能的功能單板間的互聯(lián)通道需求和研發(fā)中的可能變化。

（3）在B3G TDD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)中，各模塊間物理層次上采用ATCA背板的物理連接架構(gòu)，傳輸協(xié)議層上使用RocketlO接口，任意兩模塊的單板間互聯(lián)僅需要2-8對(duì)差分線，系統(tǒng)耦合度非常低，便于單板調(diào)試、測(cè)試和系統(tǒng)連調(diào)測(cè)試。

（4）有14個(gè)通用的模塊接口，能預(yù)留一些剩余槽位，便于系統(tǒng)功能模塊的擴(kuò)展，如增加板數(shù)、處理能力、天線陣數(shù)、用戶數(shù)、用戶速率。

（5）ATCA架構(gòu)具有6對(duì)全局時(shí)鐘／復(fù)位差分總線，能滿足系統(tǒng)同步工作需要。

5、結(jié)束語(yǔ)

在本文描述的體系構(gòu)架中，經(jīng)過(guò)在該架構(gòu)上的兩塊板件進(jìn)行測(cè)試，得出結(jié)論：基于模擬ATCA背板的RocketlO傳輸，單通道能穩(wěn)定工作于2Gbps；按照系統(tǒng)的配置綁定4個(gè)高速串口通道后的數(shù)據(jù)，能傳輸達(dá)到8Gbps。而且在我們所進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的過(guò)程中，基本上沒(méi)有誤碼出現(xiàn)，是一種高性能高可靠的高速架構(gòu)體系，完全能滿足下一代通信系統(tǒng)對(duì)于硬件平臺(tái)架構(gòu)的要求。

當(dāng)然，本系統(tǒng)因?yàn)槭腔�于�?guó)家863計(jì)劃的，是一種試驗(yàn)架構(gòu)，比較適用于新一代通信系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程，真正的進(jìn)入實(shí)用化產(chǎn)業(yè)化后，則可以采用ATCA架構(gòu)以及其交換接口上所定義的一些通信協(xié)議，而基帶開(kāi)發(fā)等部分肯定也不會(huì)采用通用的FPGA，而是專用的基帶處理芯片。

參考文獻(xiàn)

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