武文強(qiáng)
摘 要:文中對(duì)NB-IoT的概念和其產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展以及其在生活中的智慧應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述。首先介紹LPWAN低功耗廣域網(wǎng)技術(shù),包括LoRa,SigFox和華為主推的NB-IoT技術(shù)。然后詳細(xì)闡述NB-IoT的關(guān)鍵技術(shù)和NB-IoT的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。最后介紹NB-IoT在生活中的智慧應(yīng)用,如智慧井蓋、智慧路燈、智慧農(nóng)業(yè)、智慧環(huán)保、智慧交通等。分析表明NB-IoT已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈,其核心芯片受主流廠家的支持。
關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);低功耗廣域網(wǎng);NB-IoT;蜂窩網(wǎng);小功率廣域網(wǎng);LoRa
中圖分類(lèi)號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):2095-1302(2020)07-00-03
0 引 言
物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有很多,主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是ZigBee,WiFi等短路程的通信連接技術(shù);另一類(lèi)是廣域網(wǎng)。廣域網(wǎng)具體可劃分成兩類(lèi):一類(lèi)是運(yùn)行于未得到授權(quán)的頻譜LoRa方法;另一類(lèi)是運(yùn)行于授權(quán)頻譜環(huán)境下,3GPP支持的4G,5G蜂窩通信技術(shù),如EC-GSM,LTECat-m,NB-IoT等[1]。
1 LPWAN低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)
低功耗廣域網(wǎng)是一種低功耗的無(wú)線(xiàn)通信廣域網(wǎng)絡(luò),其以低速率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。多數(shù)LPWAN技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾千米甚至幾十千米的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。由于其具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、終端功耗低等特點(diǎn),更適合于大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署。目前業(yè)內(nèi)最主要的LPWAN技術(shù)有LoRa,SigFox以及華為主推的NB-IoT技術(shù)[2]。
1.1 LoRa
LoRa (Long Range)是Semtech公司私有的技術(shù),其采用LoRaWAN 的物理層,主要應(yīng)用于IoT、M2M、智慧城市、工業(yè)等領(lǐng)域。目前國(guó)際主流運(yùn)營(yíng)商均未全面部署LoRa網(wǎng)絡(luò)。LoRa的行業(yè)典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示[3]。
1.2 SigFox
SigFox可理解為一種窄帶、超窄帶技術(shù),其通過(guò)設(shè)定BPSK的調(diào)制方式,從而完成數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)只運(yùn)用到較窄的頻譜塊,可通過(guò)對(duì)無(wú)線(xiàn)電波的相位進(jìn)行調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)編碼的程序。這樣接收機(jī)只能收聽(tīng)一小段頻譜,以減輕噪音的影響。它只需要廉價(jià)的端點(diǎn)無(wú)線(xiàn)電和更復(fù)雜的基站來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)。SigFox目前沒(méi)有在中國(guó)地區(qū)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署及相關(guān)部署計(jì)劃[4]。
1.3 NB-IoT
2014年5月,華為提出了窄帶技術(shù)NB M2M;2015年5月融合NB OFDMA形成了NB-CIoT;2015年7月,NB-LTE跟NB-CIoT進(jìn)一步融合形成NB-IoT;NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)在3GPP R13前出現(xiàn),并于2016年6月份凍結(jié)。
NB-IoT聚焦于低功耗廣域網(wǎng)市場(chǎng),其屬于一種在世界范圍內(nèi)大量運(yùn)用的新型技術(shù)方案,具有大面積覆蓋、連接廣泛、速率小、成本可控等突出優(yōu)勢(shì)。NB-IoT通過(guò)License頻段,靈活運(yùn)用帶內(nèi)、保護(hù)帶等三種不同的設(shè)計(jì)方案,從而達(dá)到與當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)的并存效果[5]。
2 NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)研究
2.1 覆蓋增強(qiáng)技術(shù)
NB-IoT在設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要任務(wù)是在GSM前提下進(jìn)一步強(qiáng)化20 dB。將144 dB設(shè)定成GSM的極限耦合路損,此時(shí)其部署的耦合路損數(shù)值不會(huì)超過(guò)164 dB。具體來(lái)說(shuō),下行過(guò)程中重點(diǎn)通過(guò)提升不同信道的重傳次數(shù),從而實(shí)現(xiàn)更大面積的覆蓋。而在上行覆蓋的強(qiáng)化上,重點(diǎn)來(lái)源有兩個(gè)部分:一是最大覆蓋狀態(tài)下,NB-IoT可以結(jié)合單子載波實(shí)現(xiàn)傳輸;二是可增加上行信道的最大重傳次數(shù)以獲得覆蓋增強(qiáng)。
2.2 低功耗
NB-IoT遠(yuǎn)端的小功耗可從軟、硬件兩個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
軟件角度,即通過(guò)物理層優(yōu)化、節(jié)點(diǎn)特征的設(shè)計(jì)、協(xié)議調(diào)整等方法來(lái)完成。通過(guò)簡(jiǎn)化物理層設(shè)計(jì),降低實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度,同時(shí)引入若干優(yōu)化方法進(jìn)行物理層優(yōu)化,從而降低能耗;新的節(jié)電特性包括節(jié)電模式PSM和增強(qiáng)的非連續(xù)接收eDRX兩項(xiàng)技術(shù)。根據(jù)LPWAN業(yè)務(wù)低速率、小數(shù)據(jù)量特征,對(duì)現(xiàn)有流程進(jìn)行簡(jiǎn)化,減少信令/數(shù)據(jù)傳輸,降低功耗;使操作系統(tǒng)更簡(jiǎn)單高效[6]。而硬件的低功耗處理,主要是通過(guò)改善集成度、提升裝置性能等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.3 低成本
NB-IoT在系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)階段,期待經(jīng)過(guò)減少終端復(fù)雜性,或者損失部分性能,從而控制整體的成本。另外,還可在集成度上下功夫,這也是控制成本的一個(gè)關(guān)鍵方案。在終端方面,通過(guò)減小儲(chǔ)存裝置要求、運(yùn)用低成本部件、運(yùn)用集成方案等多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本。
2.4 海量連接
為滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)大連接的需求,NB-IoT在設(shè)計(jì)之初所定目標(biāo)為5萬(wàn)連接數(shù)/小區(qū)。根據(jù)初期計(jì)算評(píng)估,目前版本可基本達(dá)到要求。按照物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用場(chǎng)合的實(shí)際需求,也就是小包業(yè)務(wù)的要求,在設(shè)計(jì)的最初階段就考慮運(yùn)用窄帶部署的方法,大大減小粒度帶寬,并擴(kuò)大了并行服務(wù)的用戶(hù)規(guī)模,從而達(dá)到更多終端的連接效果。
3 NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展
與過(guò)去的產(chǎn)業(yè)相比,物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)規(guī)模更大,需要從縱向、橫向兩個(gè)維度多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析。對(duì)于低功耗廣域網(wǎng)絡(luò),從縱向?qū)用鎭?lái)分析,當(dāng)下已經(jīng)創(chuàng)建起“下部芯片-模組-終端運(yùn)營(yíng)商-應(yīng)用”的整體鏈條體系。
芯片在NB-IoT的鏈條中位于關(guān)鍵位置。當(dāng)下的很多芯片以及一些生產(chǎn)廠家都設(shè)定了具體而確定的NB-IoT支持方案。眾所周知,在底層芯片領(lǐng)域,當(dāng)前華為海思、高通、英特爾、MTK等,都提供了NB-IoT芯片的研發(fā)方案與實(shí)施過(guò)程。其中華為海思以及高通NB-IoT芯片已經(jīng)在業(yè)內(nèi)廣泛使用。
在模組環(huán)節(jié),由于國(guó)內(nèi)規(guī)模巨大的NB-IoT市場(chǎng),模組主要出貨廠商已經(jīng)由以前國(guó)外的Ublox、金雅拓、Sierra向國(guó)內(nèi)的SimCom、移遠(yuǎn)、中移物聯(lián)網(wǎng)、廣和通、龍尚等主要廠商轉(zhuǎn)移。其中移遠(yuǎn)通信以及中移物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT模組率先在業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模使用。
終端環(huán)節(jié)中,由于NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢(shì),許多以前不方便聯(lián)網(wǎng)的終端與應(yīng)用場(chǎng)景亦可以通過(guò)NB-IoT進(jìn)行萬(wàn)物互聯(lián)。NB-IoT帶來(lái)了產(chǎn)業(yè)的升級(jí)與變革。升級(jí)是對(duì)終端的物聯(lián)化升級(jí),變革是行業(yè)商務(wù)模式的變革。典型如水表、燃?xì)獗怼㈦娏Ρ硪呀?jīng)在進(jìn)行大規(guī)模的終端物聯(lián)網(wǎng)化升級(jí),并將帶動(dòng)更多的行業(yè)進(jìn)行終端物聯(lián)網(wǎng)化升級(jí)[7]。
運(yùn)營(yíng)商環(huán)節(jié),國(guó)際主流運(yùn)營(yíng)商明確會(huì)部署運(yùn)營(yíng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。其中中國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商均表示會(huì)發(fā)力NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng),根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù),預(yù)計(jì)2022年能形成規(guī)模網(wǎng)絡(luò)覆蓋。
應(yīng)用環(huán)節(jié),NB-IoT將努力解決多種多樣的應(yīng)用需求。此類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用無(wú)法獲得過(guò)去通信時(shí)代下的同質(zhì)化業(yè)務(wù)特征,實(shí)際上表現(xiàn)出高度的碎片化特征。當(dāng)下一些常見(jiàn)的行業(yè)應(yīng)用包括:遠(yuǎn)程抄表、智能路燈、智慧消防、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)應(yīng)用。
4 NB-IoT的典型應(yīng)用
4.1 智慧井蓋
市政管網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商、水務(wù)、電力等管道規(guī)模伴隨著城市化進(jìn)程快速成倍增長(zhǎng),已成為城市生命線(xiàn),近年來(lái)全國(guó)發(fā)生的管網(wǎng)井蓋損毀、丟失導(dǎo)致公眾生命財(cái)產(chǎn)損失,同時(shí)其他行業(yè)的管道資源,越來(lái)越難以全面、有效地管理覆蓋,可以說(shuō)井蓋雖小,卻時(shí)刻考驗(yàn)著城市的生命線(xiàn)。
智能井蓋監(jiān)控管理系統(tǒng)面向通信、電力、市政等行業(yè)戶(hù)外管道人井,提供全覆蓋的管理能力,系統(tǒng)利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、業(yè)務(wù)流程,提供巡檢、正常開(kāi)啟及故障處理的業(yè)務(wù)處理能力,同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)收集為各種人井監(jiān)控終端建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐,并自動(dòng)優(yōu)化巡檢業(yè)務(wù)線(xiàn)路,形成對(duì)運(yùn)維的強(qiáng)力支撐。
系統(tǒng)由應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和設(shè)備層組成。設(shè)備層為傳統(tǒng)設(shè)備內(nèi)置通信模塊,通過(guò)GPRS/NB-IoT/LoRa等無(wú)線(xiàn)接入方式,由數(shù)據(jù)采集層統(tǒng)一,并統(tǒng)一給業(yè)務(wù)應(yīng)用提供接口,可以方便用戶(hù)編寫(xiě)自己的特色應(yīng)用,并部署到平臺(tái)上。
4.2 智慧路燈
照明是生活中必然的組成部分,按照應(yīng)用的分類(lèi)主要包含家庭照明、辦公照明、公共照明、應(yīng)急照明等。隨著能源的日趨缺乏,節(jié)能被列入了時(shí)代的主題。在上述實(shí)際應(yīng)用中,又以公共照明和辦公照明為能耗大戶(hù),他們具有使用時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備功率大、節(jié)能空間充裕等特點(diǎn)。同時(shí)在以上的應(yīng)用中,都采用集中運(yùn)營(yíng)的方式;以工作人員定期對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行巡檢,或用戶(hù)主動(dòng)上報(bào)的方式完成設(shè)備的維護(hù)。具有響應(yīng)速度慢、維護(hù)成本高、影響面積大等特點(diǎn)[8]。
為降低照明能耗、節(jié)約照明管理成本,采用智能化的照明管理控制系統(tǒng)是當(dāng)今設(shè)備的必然趨勢(shì),也必將成為時(shí)代主流,如圖2所示。
4.3 智慧農(nóng)業(yè)
而這里提到的智慧農(nóng)業(yè),即為高度借助當(dāng)代的信息技術(shù)成果,與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方法等充分結(jié)合,從而達(dá)到智能化管理的效果。通過(guò)設(shè)計(jì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合中的不同傳感節(jié)點(diǎn),以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的智能感知、預(yù)警決策裝置等,從而給農(nóng)業(yè)種植帶來(lái)更多的借鑒依據(jù)。
NB-IoT技術(shù)具備的超低功耗、覆蓋廣、連接多、成本低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn),使智慧農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)大部分應(yīng)用場(chǎng)景下,可以得到更優(yōu)的使用和推廣,這有效降低智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)成本和提升系統(tǒng)的安全與可靠性。
通過(guò)智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè),可以建立多渠道的“快、準(zhǔn)、新”信息服務(wù),改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和管理方式,實(shí)現(xiàn)種植農(nóng)作物和飼養(yǎng)動(dòng)物過(guò)程中的精細(xì)控制,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、加工、流通、銷(xiāo)售與現(xiàn)代信息技術(shù)相融合,加快農(nóng)業(yè)的改造過(guò)程,努力提升生產(chǎn)水準(zhǔn),加快農(nóng)業(yè)與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定化發(fā)展。
基于NB-IoT的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在大田、溫室大棚、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)、食用菌、糧庫(kù)、冷庫(kù)、冷鏈物流、農(nóng)藥殘留檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯、農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)等各個(gè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。NB-IoT和傳感器相結(jié)合,全密封設(shè)計(jì),成本低,可靠性高,直接與NB-IoT移動(dòng)基站通信,設(shè)備快速安裝在各類(lèi)農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下,可使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平上升一個(gè)大臺(tái)階,如圖3所示[9]。
4.4 智慧環(huán)保
智慧環(huán)??衫斫鉃榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)與環(huán)境信息化綜合的結(jié)果。這是數(shù)字環(huán)保概念的發(fā)展與延伸,是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將一些感應(yīng)器與設(shè)備嵌入到多種監(jiān)控對(duì)象中,利用計(jì)算機(jī)等設(shè)備以及技術(shù),進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)整合,進(jìn)而達(dá)到社會(huì)生產(chǎn)與生活和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成效果,以更加高效合理的方法,實(shí)現(xiàn)綜合化決策。
智慧環(huán)保即借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、3G/4G技術(shù)等,基于數(shù)據(jù)信息,將信息獲取、傳輸、研究、處理等過(guò)程整合為一體,從而讓環(huán)境的管理、監(jiān)控、執(zhí)法業(yè)務(wù)網(wǎng)更加高效、準(zhǔn)確,通過(guò)“智在管理、慧在應(yīng)用”,對(duì)環(huán)境管理與生態(tài)環(huán)保工作帶來(lái)多方面的支持保障。
“智慧環(huán)?!闭w而言有下述三個(gè)構(gòu)成部分:
(1)感知互動(dòng)層。通過(guò)使用多種能夠便捷感知、測(cè)定以及傳輸數(shù)據(jù)的程序,從而達(dá)成針對(duì)環(huán)境、污染以及生態(tài)等多方面因素更為深刻的感知。
(2)網(wǎng)絡(luò)傳輸層。依托專(zhuān)業(yè)的NB-IoT等網(wǎng)絡(luò)體系,綜合運(yùn)用4G、衛(wèi)星等專(zhuān)業(yè)的鏈接技術(shù),從而使得個(gè)體的電子器材、系統(tǒng)內(nèi)部存入的環(huán)境數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)高效的交互以及共享,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)更大范圍的互聯(lián)互通。
(3)應(yīng)用服務(wù)層。通過(guò)云計(jì)算以及虛擬化等多個(gè)方案的深入統(tǒng)籌,整體研究較為龐大的跨區(qū)域以及行業(yè)的專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù),進(jìn)一步解決大量存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)處置以及深入開(kāi)發(fā)等方面的需求,從而形成更為理想的智能化體系;通過(guò)專(zhuān)業(yè)的云服務(wù)體系,構(gòu)建面向?qū)ο蟮膶?zhuān)業(yè)系統(tǒng)以及門(mén)戶(hù),進(jìn)而為環(huán)保、生態(tài)以及管理等實(shí)現(xiàn)更為智能化的決策支持。
硬件方面的重點(diǎn)是獲取周邊的環(huán)境參數(shù),同時(shí)將獲取的參數(shù)傳遞至專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)中心,通過(guò)中心處理存儲(chǔ)、分析以及報(bào)警等多方面的需求。實(shí)際獲取的重點(diǎn)數(shù)據(jù)有溫濕度、pH值、輻射、廢水、廢氣污染源、粉塵、噪聲等。所獲取的數(shù)據(jù)重點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)的模式來(lái)解決傳遞的需求,多個(gè)采集器以及相應(yīng)的路由,能夠依靠ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)便捷的組網(wǎng),而且多個(gè)構(gòu)成部分都能夠依靠NB-IoT來(lái)提供高效的通信支持[10]。在獲取的數(shù)據(jù)大于閾值的情況下,系統(tǒng)會(huì)隨之而傳遞相應(yīng)的報(bào)警信息,依靠專(zhuān)業(yè)的報(bào)警設(shè)備、短信等模式來(lái)告知管理者,并且可自行調(diào)整相關(guān)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)指標(biāo)的有效控制。
4.5 智慧交通
智慧交通方面的現(xiàn)有設(shè)備主要有地磁探測(cè)器、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集器、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)服務(wù)器、后臺(tái)管理中心、前端手持收費(fèi)終端等。一般采用LoRa組網(wǎng),并且通過(guò)ZigBee,GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)。這樣的多節(jié)點(diǎn)、多協(xié)議的傳輸方式,經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致在數(shù)量比較大的占道停車(chē)項(xiàng)目中,出現(xiàn)部分的節(jié)點(diǎn)(個(gè)別的采集器掉線(xiàn))數(shù)據(jù)丟失,并且需要人工進(jìn)行干預(yù)。這種方式必然增加維護(hù)成本,同時(shí)因故障設(shè)備得不到及時(shí)維護(hù),影響客戶(hù)的經(jīng)營(yíng)運(yùn)營(yíng)(損失停車(chē)費(fèi)用)。
現(xiàn)有的NB-IoT占道停車(chē)系統(tǒng)是以基站為傳輸手段的系統(tǒng),可以保障數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸,設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,并實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)資源共享[11]。NB-IoT占道停車(chē)收費(fèi)管理系統(tǒng)包含NB-IoT地磁車(chē)位探測(cè)器、NB-IoT基站(移動(dòng)基站)、云平臺(tái)服務(wù)器、后臺(tái)管理中心、前端手持收費(fèi)終端等多種設(shè)備,如圖4所示。
5 結(jié) 語(yǔ)
本文詳盡闡述了NB-IoT的概念、NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展以及其在生活中的智慧應(yīng)用。對(duì)于NB-IoT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,從縱向來(lái)看,已經(jīng)形成了由芯片、模組、終端、通信設(shè)備、平臺(tái)、運(yùn)營(yíng)商和應(yīng)用組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈。而其中,芯片在NB-IoT整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中處于基礎(chǔ)核心地位,現(xiàn)在幾乎所有主流的芯片和模組廠商等都有明確的NB-IoT支持計(jì)劃和實(shí)施步驟。NB-IoT具有相當(dāng)龐大的市場(chǎng),雖然它面臨著互操作和一致性問(wèn)題、部署問(wèn)題、應(yīng)用和商業(yè)模式、與LPWAN(低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng))技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)、市場(chǎng)普及在各國(guó)間的差異等各方面的問(wèn)題,但相信在大家共同的努力下,NB-IoT會(huì)越來(lái)越成熟。
參考文獻(xiàn)
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