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基于Kuhn-M unkres算法保證認(rèn)知用戶QoS的動(dòng)態(tài)頻譜分配

2013-06-01 12:30:13葉培青周小平陳小丹
關(guān)鍵詞:發(fā)送數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)利用率

葉培青,李 莉,周小平,陳小丹

(上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

基于Kuhn-M unkres算法保證認(rèn)知用戶QoS的動(dòng)態(tài)頻譜分配

葉培青,李 莉,周小平,陳小丹

(上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海 200234)

本算法采用圖論方法解決認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)頻譜分配(DSA)問題.首先,根據(jù)認(rèn)知用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)以及空閑信道的狀態(tài),分別為認(rèn)知用戶和信道劃分優(yōu)先權(quán).然后,提出一種新的計(jì)算方式預(yù)計(jì)認(rèn)知用戶使用信道可獲得的帶寬效益.最后,將劃分優(yōu)先權(quán)后的認(rèn)知用戶、信道建立二分圖,將帶寬效益作為圖的權(quán)重.在兼顧考慮認(rèn)知用戶的帶寬效益和頻譜利用率的前提下,使用Kuhn-Munkres算法將信道分配給認(rèn)知用戶.實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,本算法可以同時(shí)優(yōu)化帶寬效益和頻譜利用率,在認(rèn)知用戶等待分配信道時(shí)間方面也能取得較好服務(wù)質(zhì)量要求.

動(dòng)態(tài)頻譜分配;Kuhn-Munkres算法;優(yōu)先權(quán)

0 引 言

認(rèn)知無線電被認(rèn)為是解決有限的頻譜資源利用率不高問題的主要技術(shù)之一.動(dòng)態(tài)頻譜分配是認(rèn)知無線電的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).基于頻譜池原理[1]的動(dòng)態(tài)頻譜分配研究主要集中在帶寬效益和/或頻譜利用率方面.802.22是首個(gè)提出將認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字電視的工作組.為滿足現(xiàn)實(shí)無線通信的技術(shù)需求,802.22工作組針對認(rèn)知無線電技術(shù)制定了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn):在IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)中,無線局域網(wǎng)的產(chǎn)品在物理層應(yīng)該能提供54 Mbps的傳輸速率;在IEEE802.11n標(biāo)準(zhǔn)中,要提供600 Mbps的傳輸速率.在IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)中建議,無線區(qū)域網(wǎng)每條信道的傳輸速率要達(dá)到22 Mbps.這幾類標(biāo)準(zhǔn)均對傳輸速率提出了要求,在可用頻譜資源有限的前提下,提高帶寬效益和頻譜利用率是增大傳輸速率的一個(gè)解決方法.但是帶寬效益和頻譜利用率受到媒體接入控制和物理層開銷的限制[2],比如認(rèn)知用戶之間的相互競爭和干擾造成信道不可用,路徑損耗降低了總帶寬效益等.目前國內(nèi)外已有一些關(guān)于帶寬效益和頻譜利用率的優(yōu)化算法提出:

Swami等在文獻(xiàn)[3]中提出了一種利用圖論分配信道的算法,首次提出了將認(rèn)知用戶和信道綜合考慮的想法.具體為:首先根據(jù)每條信道可以承受的傳輸功率給信道分配優(yōu)先權(quán),然后根據(jù)吞吐量和誤碼率對認(rèn)知用戶劃分優(yōu)先權(quán),最后利用匈牙利算法擴(kuò)大增廣路徑的方法以增多分配的認(rèn)知用戶的信道數(shù).該文(匈牙利算法)可以提高頻譜的利用率,但是不能提高帶寬效益.

Im等在文獻(xiàn)[4]中提出基于信噪比干擾管理機(jī)制的貪婪算法來完善動(dòng)態(tài)頻譜分配的算法.用干擾管理機(jī)制來解決基站(BSs)之間的干擾.該文(貪婪算法)可以取得局部帶寬效益的最大值.在限制干擾后,該文算法也可以提高頻譜利用率,但是信噪比的門限很難確定.因?yàn)樾旁氡鹊拈T限在不同的傳輸環(huán)境里是不同的.所以,該算法只能應(yīng)用在特定的傳輸場合.

Xu等在文獻(xiàn)[5]中將吞吐量作為帶寬效益,并提出了一種有效的信道再分配機(jī)制.文獻(xiàn)[5]的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,將認(rèn)知用戶和信道結(jié)合考慮可以在帶寬效益和頻譜利用率方面取得更好的效果.

本算法以提高帶寬效益和頻譜利用率為主要目標(biāo),綜合上述已有算法的優(yōu)點(diǎn)和不足,采用集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種結(jié)合考慮認(rèn)知用戶和信道的基于圖論的動(dòng)態(tài)頻譜分配,給出一種新的計(jì)算方式來估計(jì)信道的帶寬效益.本算法可以應(yīng)用在無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)環(huán)境下.WRAN是面向無線寬帶(遠(yuǎn)程)接入,面向獨(dú)立分散、人口稀疏的區(qū)域.WRAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸距離可以比較遠(yuǎn),與市區(qū)相比傳輸時(shí)受其他無線電干擾小.WRAN的應(yīng)用環(huán)境決定了使用無線區(qū)域網(wǎng)通信的用戶傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間長短的差異較大,并且數(shù)據(jù)傳輸時(shí)路徑損耗相對簡單的特點(diǎn).本算法主要根據(jù)這兩個(gè)特點(diǎn)設(shè)計(jì),用于提高動(dòng)態(tài)頻譜分配中帶寬效益和頻譜利用率問題,保證認(rèn)知用戶的QoS要求.

1 基于認(rèn)知用戶QoS劃分優(yōu)先權(quán)

在多用戶傳輸場景中,認(rèn)知用戶在環(huán)境干擾、傳輸距離、發(fā)送數(shù)據(jù)量等方面各不相同,對認(rèn)知用戶分類,找到合適的信道,以提高認(rèn)知用戶可以獲得的帶寬效益.假設(shè)當(dāng)前有M個(gè)認(rèn)知用戶申請發(fā)送數(shù)據(jù).

1.1 劃分策略

將認(rèn)知用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)需要占用信道的時(shí)間作為認(rèn)知用戶QoS要求.認(rèn)知用戶優(yōu)先權(quán)的劃分基于認(rèn)知用戶QoS要求,M個(gè)認(rèn)知用戶傳輸數(shù)據(jù)的平均時(shí)間作為劃分的門限值.

設(shè)第i(1≤i≤M)個(gè)認(rèn)知用戶需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)為Numi,每個(gè)數(shù)據(jù)包包含的固定比特?cái)?shù)為I,數(shù)據(jù)傳輸速率為R(Mbps),數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺缼払(MHz);發(fā)送信號(hào)的傳輸距離di(km).在不計(jì)干擾情況下,第i個(gè)用戶需要的傳輸時(shí)間可表示為式(1):

所有認(rèn)知用戶發(fā)送數(shù)據(jù)的平均傳輸時(shí)間如式(2):

若ti<,劃分認(rèn)知用戶i的優(yōu)先權(quán)為CR0,若ti≥,劃分認(rèn)知用戶i的優(yōu)先權(quán)為CR1.優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶比優(yōu)先權(quán)為CR0的認(rèn)知用戶需要發(fā)送更多的數(shù)據(jù)或者更長的傳輸距離,所以優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶占用信道的時(shí)間長于優(yōu)先權(quán)為CR0的認(rèn)知用戶.規(guī)定CR1的優(yōu)先級高于CR0.

1.2 認(rèn)知用戶的優(yōu)先權(quán)管理

優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶所需的傳輸時(shí)間較長.為了保證所有認(rèn)知用戶的帶寬效益,優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶需要比優(yōu)先權(quán)為CR0的認(rèn)知用戶更好的信道.因此頻譜管理應(yīng)該基于這樣的策略:

a) 縮短認(rèn)知用戶競爭信道的等待時(shí)間;

b) 保證對所有認(rèn)知用戶的公平性;

c) 單個(gè)認(rèn)知用戶不會(huì)長時(shí)間占用信道.

2 信道的優(yōu)先權(quán)分配

信道優(yōu)先權(quán)的劃分是基于可用信道狀態(tài)及傳輸路徑損耗.

2.1 可用信道狀態(tài)

將頻譜池中空閑頻譜劃分為N個(gè)相互正交的頻帶,每一條帶寬為B的頻帶對應(yīng)1條信道.頻譜池中的信道k(1<k<N)有2個(gè)相鄰信道,定義3種可用信道狀態(tài),記為j:j= 1,表示認(rèn)知用戶只能使用當(dāng)前信道k;j= 2,表示認(rèn)知用戶能使用當(dāng)前信道k以及相鄰信道(k-1)或(k+1);j= 3,表示認(rèn)知用戶能使用信道(k-1)、k和(k+1).

在所受背景噪聲相同的情況下,根據(jù)香農(nóng)定理,信道能夠傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾收扔趲挻笮?在可用信道狀態(tài)j=3時(shí),可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù)量,承受更大的發(fā)送功率.規(guī)定:當(dāng)把信道k分配給1個(gè)認(rèn)知用戶,是指把信道k和相鄰的可用信道一起分配給認(rèn)知用戶,表示為認(rèn)知用戶使用信道kj,j表示可用信道數(shù),j= 1, 2,3.

2.2 傳輸路徑損耗

Hata模型通常用于路徑損耗的建模.可以證明:用Hata模型建模時(shí)傳輸距離是影響路徑損耗的主要原因,頻帶內(nèi)載頻的不同對路徑損耗影響比較小,為簡便計(jì)算,本算法認(rèn)為路徑損耗只由傳輸距離決定.

2.3 信道優(yōu)先權(quán)分配

在集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,設(shè)基站的覆蓋半徑為D,將它劃分為( 0,D/3)、(D/ 3,2D/3)、(2D/ 3,D)3塊.在IEEE 802.22標(biāo)準(zhǔn)中,基站的覆蓋半徑為40~100 km.記在這3個(gè)范圍內(nèi),信號(hào)距離基站的平均半徑為Dm,m∈{ 1, 2,3}.

設(shè)L(di)表示認(rèn)知用戶i發(fā)送信號(hào)在傳輸距離為di時(shí)的路徑損耗,S/N0是接收端處的信噪比.認(rèn)知用戶i使用信道kj的帶寬效益定義為:

用βjm表示信號(hào)傳輸距離為平均半徑Dm、分別在3種可用信道狀態(tài)j∈{ 1, 2,3}下的帶寬效益,即βjm=j(luò)×B×log2(1+S/N0)/L(Dm),可計(jì)算3×3=9個(gè)帶寬效益,表示認(rèn)知用戶在不同信道狀態(tài)數(shù)和不同平均傳輸距離下獲得的帶寬效益.

根據(jù)βjm值的大小,取3個(gè)大的βjm所對應(yīng)的可用信道優(yōu)先權(quán)劃分為T1,3個(gè)小的βjm所對應(yīng)的可用信道優(yōu)先權(quán)劃分為T0.規(guī)定T1的優(yōu)先權(quán)高于T0.

中間剩下的3個(gè)βjm對應(yīng)的那部分信道被分配為優(yōu)先權(quán)T0和T1.當(dāng)優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶數(shù)多于優(yōu)先權(quán)為T1的信道數(shù)時(shí),該3個(gè)βjm所對應(yīng)的這部分信道作為優(yōu)先權(quán)為T1的信道,反之,作為優(yōu)先權(quán)為T0的信道.這樣的信道優(yōu)先權(quán)管理可以靈活地為不同優(yōu)先權(quán)的認(rèn)知用戶分配信道,增大認(rèn)知用戶可以獲得的總帶寬效益.

3 Kuhn-Munkres算法實(shí)現(xiàn)信道分配

目標(biāo)是同時(shí)提高帶寬效益和頻譜利用率,在認(rèn)知用戶等待分配信道時(shí)獲得更好的QoS要求.

建立圖G=(S,C,B).其中,S(1×M)表示申請發(fā)送數(shù)據(jù)的認(rèn)知用戶矩陣,每一個(gè)元素表示1個(gè)認(rèn)知用戶;C(1×N)表示頻譜池中空閑的授權(quán)信道矩陣,每一個(gè)元素表示1條空閑信道.B(M×N)表示效益矩陣,每一個(gè)元素bi,kj可以用公式(3)計(jì)算獲得,表示認(rèn)知用戶i使用信道k和相鄰信道后獲得的帶寬效益.圖G是對一次分配情況的描述,圖G包括申請發(fā)送數(shù)據(jù)的認(rèn)知用戶數(shù)、空閑信道數(shù)以及認(rèn)知用戶使用信道后可以獲得的帶寬效益,以便于用圖論的方法解決實(shí)際的頻譜分配問題.用矩陣A(M×N)表示圖G的分配矩陣.矩陣A是針對圖G所反應(yīng)的認(rèn)知用戶、信道以及帶寬效益情況,采用動(dòng)態(tài)頻譜分配算法后表明哪一條信道分配給哪一個(gè)認(rèn)知用戶的矩陣.

Kuhn-Munkres(KM)算法可以獲得在完備匹配下的最大權(quán)分配.完備匹配是指將信道全部分配給認(rèn)知用戶.最大權(quán)分配是指權(quán)重最大,指在分配信道后所有認(rèn)知用戶可以獲得的帶寬效益和最大.

在獲得帶寬效益方面,優(yōu)先權(quán)為T1的信道要優(yōu)于優(yōu)先權(quán)為T0的信道.為了縮短認(rèn)知用戶傳輸數(shù)據(jù)時(shí)占用信道的時(shí)間和其他申請發(fā)送數(shù)據(jù)的認(rèn)知用戶等待分配信道的時(shí)間,規(guī)定優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶只能使用優(yōu)先權(quán)為T1的信道,優(yōu)先權(quán)為CR0的認(rèn)知用戶可以使用多余的優(yōu)先權(quán)為T1的信道和優(yōu)先權(quán)為T0的信道.在一次分配管理中,使用KM算法將優(yōu)先權(quán)為T1的信道分配給優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶,再將多余的優(yōu)先權(quán)為T1的信道和優(yōu)先權(quán)為T0的信道分配給優(yōu)先權(quán)為CR0的認(rèn)知用戶.表達(dá)式(4)和(5)代表了本動(dòng)態(tài)頻譜分配算法要取得的目標(biāo).

B_benefit表示M個(gè)認(rèn)知用戶的帶寬效益和.C_fairness表示頻譜利用率,是被分配信道和空閑信道的比值.ai,k表示分配矩陣A的任意元素.ai,k∈{ 0,1}代表分配結(jié)果.當(dāng)ai,k=1時(shí),表示信道k分配給認(rèn)知用戶i;當(dāng)ai,k=0時(shí),表示信道k不分配給認(rèn)知用戶i.bi,kj表示認(rèn)知用戶i被分配信道k和相鄰信道后可以獲得的帶寬效益.在圖論中,1條信道只能被分配給1個(gè)認(rèn)知用戶.所以,通過KM算法,認(rèn)知用戶之間在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)相互干擾.

4 基于KM算法的動(dòng)態(tài)頻譜分配步驟

在集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,基站接收來自主用戶和認(rèn)知用戶的信息:當(dāng)前有M個(gè)認(rèn)知用戶申請發(fā)送數(shù)據(jù),N條空閑信道,每一個(gè)認(rèn)知用戶要傳輸?shù)木嚯x和發(fā)送數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù).

步驟1 優(yōu)先權(quán)劃分:

根據(jù)接收到的信息,基站分別對認(rèn)知用戶和信道分配優(yōu)先權(quán).

步驟2 頻譜管理規(guī)定:

規(guī)定優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶只能使用優(yōu)先權(quán)為T1的信道,優(yōu)先權(quán)為CR0的認(rèn)知用戶可以使用多余的優(yōu)先權(quán)為T1的信道和優(yōu)先權(quán)為T0的信道.

步驟3 最優(yōu)化分配:

在頻譜分配過程中,兼顧帶寬效益和頻譜利用率.利用最優(yōu)分配KM算法將空閑的信道分配給認(rèn)知用戶,獲得分配矩陣.

5 仿真分析

本算法討論在無線區(qū)域網(wǎng)(WRAN)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)頻譜分配,部分仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示.本算法按照IEEE802.22標(biāo)準(zhǔn)對WRAN的相關(guān)規(guī)定,帶寬取值為22 MHz,基站的覆蓋范圍取值為100 km.

在仿真中,比較了貪婪算法、基于KM算法實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)頻譜分配和文獻(xiàn)[3]提出的基于匈牙利算法實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)頻譜分配.圖1是對3種算法的帶寬效益比較.在頻譜池信道數(shù)多于認(rèn)知用戶數(shù)的前提下,隨著認(rèn)知用戶數(shù)增多,3種算法下帶寬效益都增大.圖1中,貪婪算法是在沒有干擾的前提下做的仿真,獲得局部最大的帶寬效益.匈牙利算法是可以獲得最大匹配的算法,但是不能獲得最大的帶寬效益.仿真可得,本算法在帶寬效益方面可以接近貪婪算法.

圖1 3種算法的帶寬效益比較

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

但在認(rèn)知用戶數(shù)為15時(shí),本算法的帶寬效益有所下降,匈牙利算法在認(rèn)知用戶數(shù)為14和19時(shí),帶寬效益也有所下降.主要是因?yàn)椴煌J(rèn)知用戶在使用相同的信道傳輸不同的距離時(shí),會(huì)獲得不同帶寬效益.在公式(3)中清楚地表示距離會(huì)影響路徑損耗,路徑損耗會(huì)影響帶寬效益.本文作者介紹的KM算法要在帶寬效益和頻譜利用率之間取得平衡,算法會(huì)犧牲帶寬效益來提高頻譜利用率.但是對于貪婪算法,在不考慮干擾的前提下,帶寬效益是隨著認(rèn)知用戶數(shù)的增加而增大的.

圖2是在頻譜利用率方面對3種算法進(jìn)行的比較.本算法和匈牙利算法在頻譜利用率方面都能接近1.因?yàn)镵M算法能獲得在完備匹配下的最大權(quán)分配.匈牙利算法和KM算法都是基于干擾圖的,1條信道只能分配給1個(gè)認(rèn)知用戶.采用貪婪算法分配,由于認(rèn)知用戶之間為競爭獲得最大帶寬效益,多個(gè)用戶使用同1條信道,干擾過大反而造成信道不可用,所以貪婪算法的頻譜利用率不高.

圖3是認(rèn)知用戶在等待接入信道的時(shí)間比較圖.在本算法中,由于優(yōu)先權(quán)為T1的信道可以發(fā)送更多的數(shù)據(jù),再根據(jù)第四章步驟2中的規(guī)定,優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶占用帶寬效益更高的信道,優(yōu)先權(quán)為CR1的認(rèn)知用戶不會(huì)長時(shí)間得占用信道,其他的認(rèn)知用戶也不會(huì)長時(shí)間地等待分配可用信道.所以本算法在認(rèn)知用戶等待分配可用信道的時(shí)間方面要少于其他2種算法,保證了認(rèn)知用戶的QoS.文獻(xiàn)[3]提出了對不同優(yōu)先權(quán)的認(rèn)知用戶的排隊(duì)機(jī)制.這樣的安排也可以縮短認(rèn)知用戶的等待時(shí)間,但是不排除1個(gè)認(rèn)知用戶會(huì)分配到帶寬效益不好的信道,則該認(rèn)知用戶占用信道的時(shí)間就會(huì)增長,造成其他認(rèn)知用戶長時(shí)間等待可用的信道.

圖2 3種算法的頻譜利用率比較

6 結(jié) 論

本算法是基于圖論KM算法實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)頻譜分配.在帶寬效益和頻譜利用率的約束下,本算法取得了兩者的平衡和優(yōu)化.本算法的帶寬效益接近貪婪算法,頻譜利用率接近1.

在信道分配過程中,當(dāng)認(rèn)知用戶數(shù)多于空閑信道數(shù)時(shí),本算法可以一直循環(huán)執(zhí)行直到所有的信道被分配完成.本次分配中未得到分配的認(rèn)知用戶等待下一次分配.當(dāng)基站發(fā)現(xiàn)有主用戶需要通信時(shí),認(rèn)知用戶必須馬上退出屬于該主用戶的授權(quán)信道.該認(rèn)知用戶需要等待下一次分配新的空閑可用信道.在圖論中,1條信道只能被分配給1個(gè)認(rèn)知用戶.但是如果1條信道能被分配給多個(gè)用戶,這將極大地提高頻譜利用率.但隨之而來產(chǎn)生一個(gè)新的問題:多個(gè)認(rèn)知用戶使用同一條信道必定會(huì)有干擾,這是必須處理的問題.在未來的研究中,動(dòng)態(tài)頻譜分配的研究可以深入考慮干擾管理,已有部分文章對此進(jìn)行了討論[6-7],這也是下一階段可以努力的方向.

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Dynam ic spectrum allocation based on Kuhn-M unkres algorithm to guarantee cognitive users′QoS

YE Peiqing,LI li,ZHOU Xiaoping,CHEN Xiaodan
(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Based on the graph theory,this paper studies the problem about the dynamic spectrum allocation(DSA)in the cognitive radio networks.First,priorities are assigned for the cognitive users based on their Quality of Service(QoS),and for the channels based on the state of the idle channels,respectively.Then a new method is proposed to estimate the bandwidth efficiency that the cognitive users could getwhen using the channels.Finally,a bipartite graph is established for the prioritized cognitive users and prioritized channels.The weight of the bipartite graph is the bandwidth efficiency.With consideration of cognitive user bandwidth efficiency and spectrum utilization as a premise,Kuhn-Munkres algorithm is used to assign channels to the cognitive users. The experiment results show that the proposed algorithm can optimize the bandwidth and the spectrum utilization at the same time.It can also achieve better QoS requirements in terms of the waiting time for allocating the channels to the cognitive users.

dynamic spectrum allocation;Kuhn-Munkres algorithm;priority.

TN 929.5

A

1000-5137(2013)02-0137-06

(責(zé)任編輯:包震宇)

2012-11-22

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(12ZZ126);上海師范大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科(DZL156)

葉培青(1987-),女,上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生;李 莉(1962-),女,上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院教授.

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