李晗
摘要:面向5G的傳送網(wǎng)面臨大帶寬、低時延、網(wǎng)絡(luò)分片、靈活連接、高精度時間同步、組網(wǎng)架構(gòu)變化等多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。指出了分組傳送網(wǎng)(PTN)、基于IP的無線接入網(wǎng)(IPRAN)、光傳送網(wǎng)(OTN)等現(xiàn)有技術(shù)難以完全滿足5G的長遠(yuǎn)需求,靈活以太網(wǎng)(FlexE)、靈活光傳送網(wǎng)(FlexO)、分段路由(SR)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)等新技術(shù)為5G承載提供了新的選擇,基于25 G的光管芯也逐漸成為了高速光通信的基礎(chǔ)。認(rèn)為5G為新的傳送網(wǎng)技術(shù)的引入提供了重要驅(qū)動和時間窗口,并首次提出了將切片分組網(wǎng)(SPN)體系架構(gòu)用作5G前傳、中傳和回傳的統(tǒng)一承載,同時還對其關(guān)鍵技術(shù)做了介紹。
關(guān)鍵詞: 5G;傳送網(wǎng);SPN
Abstract: The 5G oriented transport network faces many technical challenges, such as large bandwidth, low latency, network fragmentation, flexible connection, high precision time synchronization, and network architecture change. Current transport technologies, including packet transport network (PTN), IP radio access network (IPRAN), and optical transport network (OTN), are difficult to fully meet the long-term needs of 5G. New technologies including flexible Ethernet (FlexE), flexible OTN (FlexO), segment routing (SR), and software defined networking (SDN) have provided new choices for 5G transport. The 25 G-based optical chip has gradually become the basis for high-speed optical communications. 5G will provide an important driving force and time window for new transport technologies. The 5G transport network is divided into three scenarios, including fronthaul, mid-haul and backhaul, which unified by slicing packet network (SPN) architecture. In addition, the key technologies of SPN are introduced.
Key words: 5G; transport network; SPN
1 現(xiàn)有傳送網(wǎng)技術(shù)無法完全
滿足5G傳送網(wǎng)需求
面向5G承載的傳送網(wǎng)面臨多方面挑戰(zhàn),如:無線接入網(wǎng)絡(luò)(RAN)架構(gòu)變化、更高的帶寬需求、更低的時延、網(wǎng)絡(luò)分片、更高的時間同步等。現(xiàn)有技術(shù)包括:分組傳送網(wǎng)(PTN)、基于IP的無線接入網(wǎng)(IPRAN)、光傳送網(wǎng)(OTN)等都無法完全滿足5G的需求,需要新的技術(shù)體制[1-3]。
1.1 5G RAN架構(gòu)變化
在3GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)中,5G RAN從功能角度劃分為了集中單元(CU)和分布單元(DU)兩級架構(gòu),傳送網(wǎng)也相應(yīng)分為前傳、中傳、回傳,并且所需傳送功能及業(yè)務(wù)需求各不相同[4]。同時由于CU與DU是邏輯網(wǎng)元,可分開或一體化部署,所以中傳、回傳并沒有嚴(yán)格的物理界限,需統(tǒng)一承載。此外,隨著移動邊緣計算(MEC)的引入,網(wǎng)絡(luò)切片和核心網(wǎng)中將部署網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)。這種新模式將使傳輸網(wǎng)絡(luò)成為云和數(shù)據(jù)中心之間的網(wǎng)狀網(wǎng),而不再只是提供傳輸服務(wù)。因此需要新的傳輸技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來適應(yīng)5G時代的架構(gòu)轉(zhuǎn)型。
1.2 5G移動傳送網(wǎng)的超大帶寬增長
一方面,隨著4K高清、增強現(xiàn)實(AR)、虛擬現(xiàn)實(VR)、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的快速增長,流量急劇增長,傳送網(wǎng)絡(luò)需要更大的帶寬;另一方面,5G基站的峰值帶寬將增長10倍以上,接口速率較4G將增長10~100倍。這些需求驅(qū)動移動傳輸網(wǎng)絡(luò)引入新的比特率系統(tǒng)。在接入層,比特率將從100 M提至1 GE,再到50 GE/100 GE;在匯聚層,將從10 GE增長到100 GE/400 GE,在密集地區(qū),匯聚層峰值甚至可達(dá)到太比特量級。提高物理端口速率是選擇之一,更高效率的鏈路聚合也是很必要的補充技術(shù)。
1.3 5G移動傳送網(wǎng)中的嚴(yán)格低時延
要求
第3代合作伙伴計劃(3GPP)在超可靠低時延通信(uRLLC)場景中定義了多種服務(wù),主要特點是低誤碼率、低延遲和確定性延遲。這些時間敏感業(yè)務(wù)可能需在移動傳送網(wǎng)中保持亞毫秒級時延。因此,5G傳送網(wǎng)時延要求越來越苛刻,較4G需降低10~100倍。盡管可挖掘出現(xiàn)有設(shè)備/芯片的所有潛力,但現(xiàn)有傳輸技術(shù)的上限還無法滿足這類業(yè)務(wù)的需求。
1.4 網(wǎng)絡(luò)靈活性需求
5G核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(GW)下沉、MEC下沉、物聯(lián)網(wǎng)GW下沉;另外,5G轉(zhuǎn)變?yōu)橐栽茷橹行倪M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,網(wǎng)絡(luò)流量流向轉(zhuǎn)為多點到多點。因此要求5G傳送網(wǎng)能夠提供靈活連接。
1.5 5G移動傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片需求
5G傳送網(wǎng)需要支持無線、集客、家庭寬帶上聯(lián)等業(yè)務(wù),同時需支持增強型移動寬帶(eMBB),大規(guī)模機器類通信(mMTC)和uRLLC多種業(yè)務(wù)類型,這些業(yè)務(wù)具有不同特性,如:時延、帶寬、連接數(shù)量、可靠性等。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)根據(jù)不同服務(wù)的特點提供隔離、功能剪裁及網(wǎng)絡(luò)資源分片,且每個網(wǎng)絡(luò)切片可擁有獨立的網(wǎng)絡(luò)資源和管控能力,現(xiàn)有技術(shù)無法實現(xiàn)這些功能。endprint
1.6 5G傳送網(wǎng)超高精度時間同步需求
4G基站間時間同步精度要求是±1.5 us,5G如果考慮基本空口需求,超短幀情況下,時間同步精度需求預(yù)計在±390 ns;考慮基站間協(xié)作化等增強屬性不在全網(wǎng)要求,預(yù)計在±130 ns左右;考慮局部5G支持的新業(yè)務(wù)(如基站定位),預(yù)計在±10 ns左右。相比3G/4G,時間同步精度需求提高10倍以上,現(xiàn)有同步技術(shù)無法滿足。
2 SPN技術(shù)架構(gòu)更適合5G傳送網(wǎng)應(yīng)用
2.1 5G傳輸網(wǎng)端到端架構(gòu)
5G標(biāo)準(zhǔn)提出了CU和DU的分離,使得傳送網(wǎng)絡(luò)分為3部分:前傳網(wǎng)絡(luò)(Fronthaul,即遠(yuǎn)端射頻單元(RRU)到DU之間的網(wǎng)絡(luò))、中傳網(wǎng)絡(luò)(Mid-haul,即DU到CU之間的網(wǎng)絡(luò))、回傳網(wǎng)絡(luò)(Backhaul,即CU到核心網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)),如圖1所示。這3部分可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)地定位到網(wǎng)絡(luò)中,而每個部分對時延、帶寬等都有不同的要求。CU和DU的兩級架構(gòu),從應(yīng)用場景以及部署場景來看,前傳、中傳、回傳網(wǎng)絡(luò)在地理位置上是相互重疊的,光纖和機房資源是共享的,且面向分組的網(wǎng)絡(luò)是首選,這3個部分網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)可采用統(tǒng)一的具有分片功能的傳輸技術(shù)來實現(xiàn),以滿足其對帶寬、時延以及業(yè)務(wù)模型等方面的需求。針對前傳、中傳以及回傳網(wǎng)絡(luò),采用相同的傳輸技術(shù),有助于靈活地進(jìn)行端到端業(yè)務(wù)的統(tǒng)一控制、管理與維護(hù)。
在5G部署初期基站為低頻段組網(wǎng), CU和DU采用合設(shè)的方式,RRU采用分離方式;在熱點區(qū)域部署高頻站進(jìn)行覆蓋, CU與DU會采用分離的方式以實現(xiàn)統(tǒng)一錨點。在5G部署后期時,會采用高頻站組網(wǎng),傳統(tǒng)DU與RRU之間增強通用公共無線電接口(eCPRI)不能滿足流量需求,因此DU與RRU采用合設(shè)的方式,CU可采用小集中或大集中的方式。
(1)前傳網(wǎng)絡(luò)
前傳網(wǎng)絡(luò)是RRU和DU之間的網(wǎng)絡(luò),是5G移動傳輸網(wǎng)絡(luò)的一部分。 前傳網(wǎng)絡(luò)符合低延遲要求,且支持eCPRI。由于每個RRU只屬于一個DU,因此采用點對點的業(yè)務(wù)模型。由于DU距離RRU較近,主要采用光纖直驅(qū)的方式,少量采用有源設(shè)備的方式。RRU和DU之間的距離在2~5 km之間。
(2)中傳網(wǎng)絡(luò)
中傳網(wǎng)絡(luò)是指DU與CU之間的網(wǎng)絡(luò),也是5G移動傳輸網(wǎng)絡(luò)的一部分。 中傳網(wǎng)絡(luò)為非實時業(yè)務(wù)提供合理的低時延,并且支持統(tǒng)計復(fù)用。在CU集中部署時, 需要考慮負(fù)載分擔(dān)以及容災(zāi)需求,因此DU與CU之間需要支持多點到多點業(yè)務(wù)模型。設(shè)備調(diào)制之后對中傳網(wǎng)絡(luò)會有統(tǒng)計復(fù)用需求,與回傳網(wǎng)絡(luò)的需求類似。DU和CU之間的距離大約是在10~40 km之間。
(3)回傳網(wǎng)絡(luò)
回傳網(wǎng)絡(luò)是指CU與核心網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò),是5G移動傳送網(wǎng)絡(luò)的一部分。密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)是滿足日益增長的帶寬需求的可行性技術(shù)。在5G時代,MEC需要部署到CU這一側(cè),因此要求回傳網(wǎng)絡(luò)能夠提供靈活的網(wǎng)絡(luò)連接,并支持統(tǒng)計復(fù)用,其采用的是點對多點的業(yè)務(wù)模型。CU與核心網(wǎng)之間的距離可能大于80 km。
2.2 5G 傳輸網(wǎng)優(yōu)選SPN技術(shù)架構(gòu)
目前,業(yè)界主要有3種面向5G承載的技術(shù)方案,分別為:L3 OTN、升級PTN/IPRAN over OTN、切片分組網(wǎng)(SPN)。L3 OTN方案通過改造OTN支持靈活光傳送網(wǎng)(FlexO)功能,實現(xiàn)靈活帶寬能力,并新增L3功能,包括統(tǒng)計復(fù)用、橫向轉(zhuǎn)發(fā)、虛擬專用網(wǎng)(VPN)等,滿足5G對高效和靈活連接的需求,新的OTN方案需要新芯片滿足低時延和高精度時間同步需求。升級PTN/IPRAN over OTN方案是通過兩套設(shè)備來滿足新的需求,同時為滿足大容量、低時延、高精度時間同步, PTN、IPRAN和OTN都要求新平臺,新設(shè)備,并通過硬件升級支持靈活以太網(wǎng)(FlexE)、分段路由(SR)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)。SPN融合以太網(wǎng)和時分復(fù)用(TDM)技術(shù)優(yōu)勢,既保證高效承載,又保證安全性和業(yè)務(wù)質(zhì)量,支持切片能力;同時引入面向傳送的分段路由技術(shù)(SR-TP)和SDN實現(xiàn)新型動態(tài)路由能力;并在新的光層技術(shù)實現(xiàn)中長距離的成本優(yōu)化。3種方案都需要芯片,設(shè)備方面的革新,并非簡單升級就能支持。通過分析,方案的SPN是基于通用的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TDM切片創(chuàng)新,通過支持面向傳送的以太網(wǎng)分片技術(shù)(SE-TP)實現(xiàn)連接,交換和監(jiān)測等方面高效傳輸,并新增SR-TP支持靈活連接和SDN統(tǒng)一管控,能滿足端到端5G傳輸要求。SPN基于高性價比的以太網(wǎng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新構(gòu)建,通過一套設(shè)備實現(xiàn)傳輸,滿足多樣傳輸需求,更易于管控運維,同時兼容已有的PTN傳輸網(wǎng)絡(luò),是滿足5G傳輸?shù)膬?yōu)選方案。
3 SPN融合多項創(chuàng)新技術(shù)
形成新一代傳送網(wǎng)體制
針對上述5G傳輸網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn),SPN系統(tǒng)在帶寬、時延、靈活連接、分片、時間同步和統(tǒng)一管控上采用了多項創(chuàng)新關(guān)鍵技術(shù),能夠滿足5G業(yè)務(wù)要求。
3.1 切片分組網(wǎng)架構(gòu)
SPN采用創(chuàng)新的以太網(wǎng)分片技術(shù)(SE)和SR-TP技術(shù),并融合光層DWDM技術(shù)的層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制。SPN總體結(jié)構(gòu)見圖2,層次包括:
切片分組層(SPL):實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)的路由處理。
切片通道層(SCL):實現(xiàn)切片以太網(wǎng)通道的組網(wǎng)處理。
切片傳送層(STL):實現(xiàn)切片的物理層編、解碼,以及DWDM光傳送處理。
3.2 切片分組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)
3.2.1 大帶寬技術(shù)
根據(jù)5G頻譜(100 M, 64T/64R)對基站帶寬需求測算,接入環(huán)帶寬達(dá)到25 G以上,匯聚環(huán)接近80 GE,核心環(huán)帶寬超過110 G,對新型以太端口的需求越來越高。對于5G傳輸網(wǎng),大部分接入環(huán)帶寬需升級到50 GE,少部分甚至需要提升到100 GE,匯聚環(huán)會出現(xiàn)超100 GE的需求,核心環(huán)需要N ×100 GE或者N ×200 GE,甚至N ×400 GE等更大的帶寬。因此,核心和匯聚層需引入彩光方案,接入層考慮采用高速的灰光接口技術(shù)。endprint
對匯聚核心層的傳輸通路,考慮使用彩光方案,基于25 G/50 G非相干DWDM和100 G/200 G相干DWDM的技術(shù),可根據(jù)性價比選擇。接入層考慮灰光方案,使用50 GE的4 級脈沖幅度調(diào)制(PAM4)或者100 GE的PAM4滿足帶寬需求。對于前傳,在光纖受限時,可考慮簡化的基于波分復(fù)用(WDM)的SPN設(shè)備,實現(xiàn)多業(yè)務(wù)、多接口的匯聚,實現(xiàn)前傳、中傳和回傳的統(tǒng)一承載。
目前高速以太網(wǎng)端口基本光管芯分為單波10 G非歸零碼(NRZ)和25 G NRZ兩種?;?0 G光電器件平臺,主要有10 GE和40 GE兩種以太網(wǎng)接口。下一代的ETH端口將基于25 G光電器件平臺,實現(xiàn)25 GE端口,并通過PAM4電調(diào)制和前向糾錯(FEC)實現(xiàn)50 G/Lane的數(shù)據(jù)端口,由于PAM4與FEC技術(shù)均使用電層技術(shù)實現(xiàn),50 GE接口單吉比特性價比優(yōu)于25 GE接口。同樣在50 GE的基礎(chǔ)之上,使用2λ、4λ模式,實現(xiàn)100 GE、200 GE接口光模塊,其中200 GE的成本構(gòu)成與100 GE的相當(dāng),單吉比特性價比則優(yōu)于100 GE。而對于400 GE,總共使用8λ,實現(xiàn)400 GE光模塊。
3.2.2 低時延技術(shù)
5G的uRLLC業(yè)務(wù)和CU/DU的部署都對時延提出了新的挑戰(zhàn)。傳輸網(wǎng)絡(luò)的時延,主要由兩部分組成:設(shè)備時延和設(shè)備間的光纖傳輸時延。設(shè)備時延是指設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的時延,光纖傳輸時延是與傳輸距離相關(guān)。設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時延通過使用新的SPN實現(xiàn),在物理層上基于時隙進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理,能大幅降低設(shè)備處理時延,并且通過使用大速率接口組網(wǎng),從現(xiàn)在的GE/10 GE 到 50 GE/100 GE/400 GE,增加了設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)速率,降低了時延。光纖傳輸時延的降低主要通過降低光纖鏈路的長度來實現(xiàn),包括了MEC或者GW部署位置下沉使得業(yè)務(wù)端到端的距離減少,并且在轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度層面通過SDN的全局智能管控,實現(xiàn)最短路徑的查找,使光纖傳輸距離降低。
3.2.3 靈活連接技術(shù)
對于5G業(yè)務(wù)來說,流量流向更趨多樣化,不僅有傳統(tǒng)的南北向流量,東西向流量也會更加的普遍和重要,因此需要靈活連接技術(shù)來滿足。SR是一種隧道技術(shù),SR-TP引入了面向連接的隧道技術(shù),提升了SR通道的管控能力,實現(xiàn)電信級的操作維護(hù)管理(OAM)和保護(hù)。SR隧道通過首節(jié)點的標(biāo)簽棧來控制網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑,基于SDN控制器算路,各轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通過內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(IGP)收集域的SR信息,再結(jié)合IGP拓?fù)湫畔ⅲㄟ^邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議-域內(nèi)鏈路狀態(tài)(BGP-LS)發(fā)給SDN控制器,計算出到達(dá)各轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的SR轉(zhuǎn)發(fā)表項并下發(fā)至轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,通過配置隧道策略,將流量封裝入SR隧道轉(zhuǎn)發(fā)。
3.2.4 網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)
5G的3種典型業(yè)務(wù)以及專線、家寬等多樣性的業(yè)務(wù)要求其提供不同類型的管道,通過硬管道分片和軟管道分片的結(jié)合,可以更好地滿足業(yè)務(wù)要求。
傳輸網(wǎng)絡(luò)需要支持硬隔離和軟隔離,基于SPN的SE技術(shù),在轉(zhuǎn)發(fā)層面提供了一條基于時分鏈路的硬隔離管道,加上傳統(tǒng)的VPN與服務(wù)質(zhì)量(QoS)結(jié)合實現(xiàn)的軟隔離管道,實現(xiàn)不同緯度的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)分片支持。網(wǎng)絡(luò)分片要求網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)業(yè)務(wù)端到端的隔離,從管理面、控制面到轉(zhuǎn)發(fā)面實現(xiàn)隔離,并利用協(xié)同器O將無線、核心網(wǎng)及傳輸聯(lián)動起來。
3.2.5 超高精度時間同步技術(shù)
5G無線空口對于時間同步提出更高要求,對于傳輸網(wǎng)提出了±200 ns的時間同步要求,因此這要求時間服務(wù)器和終端時延精度達(dá)到±50 ns,設(shè)備時延精度達(dá)到±5 ns。
高精度時間同步主要包括超高精度時鐘源和超高精度的時間傳送技術(shù)。
超高精度時鐘源包括:(1)衛(wèi)星接收技術(shù)。通過共模共視或者雙頻段接收等降低衛(wèi)星接收噪聲, 擬在近期進(jìn)行測試驗證,需要升級衛(wèi)星接收模塊。(2)高穩(wěn)定頻率源技術(shù)。單一時鐘過渡到時鐘組,提高丟失衛(wèi)星的時間保持精度,目前正在研究開發(fā)銣鐘組方案。
時間服務(wù)器跟蹤衛(wèi)星,性能可從100 ns提升到30 ns。超高精度的時間傳送技術(shù)通過優(yōu)化接口時間戳處理,1 588時間同步協(xié)議演進(jìn)和單纖雙向改進(jìn)鏈路對稱性來改進(jìn)設(shè)備的傳輸時間同步精度。
3.2.6 SDN統(tǒng)一管控技術(shù)
SDN統(tǒng)一管控是5G傳輸?shù)谋剡x項,并將納入到整個編排管理中,實現(xiàn)南向、北向接口開放。
SDN可以概括為網(wǎng)絡(luò)集中控制、設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)/控制分離和網(wǎng)絡(luò)開放可編程。如圖3所示,SDN定義了業(yè)務(wù)協(xié)同層、網(wǎng)絡(luò)控制層和設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)層的3層架構(gòu),提升網(wǎng)絡(luò)可編程能力,標(biāo)準(zhǔn)的南向和北向接口實現(xiàn)全網(wǎng)資源高效調(diào)度,提供網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺,增強網(wǎng)絡(luò)智能。
域控制器分別管控一個域內(nèi)的設(shè)備和連接,域之間通過超級控制器來管理調(diào)度,再通過協(xié)同器實現(xiàn)不同領(lǐng)域的業(yè)務(wù)編排以及業(yè)務(wù)端到端的管控。
4 SPN可與PTN構(gòu)建互聯(lián)
互通網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)4G/5G
融合組網(wǎng)
SPN和PTN都是基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu),SPN基于以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行增強和完善,主要包括:以太網(wǎng)層引入切片以太網(wǎng)技術(shù)SE-TP,轉(zhuǎn)發(fā)層采用靈活的分段路由技術(shù)SR-TP,控制層采用SDN,同時引入大帶寬的以太網(wǎng)接口,進(jìn)行更高精度的時間同步。
如圖4所示,面對5G需求,需要新建SPN平面來為5G的所有功能提供承載服務(wù),同時為支持4G/5G業(yè)務(wù)協(xié)同,SPN需要能和PTN進(jìn)行融合組網(wǎng)。在轉(zhuǎn)發(fā)層面,SPN和PTN通過L3層VPN互通,實現(xiàn)業(yè)務(wù)層面的互聯(lián)互通。在控制面升級支持SPN與軟件定義分組傳送網(wǎng)(SPTN)的控制器,以實現(xiàn)跨PTN與SPN的資源調(diào)度及協(xié)同。
5 結(jié)束語
下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對于傳輸網(wǎng)絡(luò)提出了新的需求和挑戰(zhàn),需要新的傳輸體制。SPN是面向5G的新傳輸網(wǎng)技術(shù)體制,其轉(zhuǎn)發(fā)面基于 SR-TP over SE over DWDM,控制面采用SDN,分別在物理層、鏈路層和轉(zhuǎn)發(fā)控制層采用創(chuàng)新技術(shù),同時在光層采用低成本高速模塊,能夠滿足5G及未來傳輸網(wǎng)絡(luò)需要,是更適合的5G傳送網(wǎng)技術(shù)。
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