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 一、移動通信的發(fā)展史

從人類社會誕生以來，更加高效快捷的通訊就成為人類矢志不渝的追求。中國古代有飛鴿傳書、烽火狼煙方式傳遞信息，這些傳遞信息的方式存在一定局限性。1844年，美國人莫爾斯發(fā)明了莫爾斯電碼，并在電報機(jī)上傳遞了第一條電報，開創(chuàng)了人類使用“電”來傳遞信息的先河。1864年麥克斯韋從理論上證明了電磁波的存在，1876年赫茲用實(shí)驗證實(shí)了電磁波的存在，1896年意大利人馬可尼第一次用電磁波進(jìn)行了長距離通訊實(shí)驗，從此世界進(jìn)入了無線電通信的新時代，即移動通訊。

現(xiàn)代移動通訊以1986年第一代通訊技術(shù)(1G)發(fā)明為標(biāo)志，經(jīng)過三十多年的爆發(fā)式增長，極大地改變了人們的生活方式，并成為推動社會發(fā)展的最重要動力之一。

1G：“大哥大”橫行的年代

1986年，第一代移動通信系統(tǒng)在美國芝加哥誕生。1G時代是大哥大橫行的時代，代表公司是美國的摩托羅拉。

1G采用模擬訊號傳輸，即將電磁波進(jìn)行頻率調(diào)制后，將語音信號轉(zhuǎn)換到載波電磁波上，載有信息的電磁波發(fā)布到空間后，由接收設(shè)備接收，并從載波電磁波上還原語音信息，完成一次通話。但各個國家的1G通信標(biāo)準(zhǔn)并不一致，使得第一代移動通訊并不能“全球漫游”，這大大阻礙了1G的發(fā)展。同時，由于1G采用模擬訊號傳輸，所以其容量非常有限，一般只能傳輸語音信號，且存在語音品質(zhì)低、訊號不穩(wěn)定、涵蓋范圍不夠全面，安全性差和易受干擾等問題。

1G標(biāo)準(zhǔn)制定于上世紀(jì)80年代，全球1G標(biāo)準(zhǔn)有：

NMT：北歐國家、東歐以及俄羅斯

AMPS：美國，72多個國家地區(qū)采用

TACS：英國，30個國家地區(qū)采用(包括中國)

JTAGS：日本移動電話系統(tǒng)

C-Netz：西德移動電話系統(tǒng)

Radiocom 2000：法國移動電話系統(tǒng)

RTMI：意大利移動電話系統(tǒng)

中國的第一代模擬移動通信系統(tǒng)于1987年11月18日在廣東第六屆全運(yùn)會上開通并正式商用，2001年12月31日中國移動關(guān)閉TACS模擬移動通信網(wǎng)，1G系統(tǒng)在中國的應(yīng)用長達(dá)14年，用戶數(shù)最高達(dá)到了660萬。

2G：諾基亞崛起時代

1992年，第二代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開始了， 2G采用的是數(shù)字調(diào)制技術(shù)，比1G多了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，這樣手機(jī)就不僅可以接打電話，發(fā)短信就成為了時髦的交流方式。

1G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)各不相同，只有“國家標(biāo)準(zhǔn)”，沒有“國際標(biāo)準(zhǔn)”，國際漫游是個大問題，第二代移動通信系統(tǒng)(2G)就是要解決這些問題。2G技術(shù)研發(fā)制定過程中嘗試了很多技術(shù)方式，如：時分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)。

時分多址TDMA就是基站輪流和手機(jī)通信，但是循環(huán)非常快，人感覺就像一直在通信。時分多址TDMA的“址”就是輪流分得的發(fā)送時間。

頻分多址FDMA就是不同手機(jī)在不同的頻率上給基站同時發(fā)送信號，各個頻率互不干擾。頻分多址FDMA的“址”就是分配給用戶的不同車道。

碼分多址CDMA就是手機(jī)都在和基站通信，但是不同手機(jī)的信號前帶有自身標(biāo)簽，基站接收到手機(jī)發(fā)來的信號后，通過標(biāo)簽就能分辨信號來自哪個手機(jī)。碼分多址CDMA的“址”就是標(biāo)識手機(jī)的標(biāo)簽碼。

2G通訊系統(tǒng)有：

GSM：基于TDMA，源于歐洲、已全球化

IDEN：基于TDMA，美國電信系統(tǒng)商N(yùn)extell使用

IS-136(D-AMPS)：基于TDMA，源于美國

IS-95(CDMA One)：基于CDMA、源于美國

PDC：基于TDMA，僅在日本普及

2G時代也是移動通信標(biāo)準(zhǔn)爭奪的開始，主要通訊標(biāo)準(zhǔn)有以摩托羅拉為代表的CDMA美國標(biāo)準(zhǔn)，和以諾基亞為代表的GSM歐洲標(biāo)準(zhǔn)。最終隨著GSM標(biāo)準(zhǔn)在全球范圍更加廣泛的使用，諾基亞擊敗摩托羅拉成為了全球移動手機(jī)行業(yè)的霸主。

中國從1996年引進(jìn)GSM商用，中國主要使用GSM-800, GSM-900, GSM-1800頻段一直到今天。2020年5月工信部強(qiáng)調(diào)，要引導(dǎo)新增物聯(lián)網(wǎng)終端不再使用2G/3G網(wǎng)絡(luò)，同時推動存量2G/3G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)向NB-IoT/4G(Cat1)/5G網(wǎng)絡(luò)遷移。

由于3G是個相當(dāng)浩大的工程，從2G到3G不可能一步到位，因此出現(xiàn)了中間過渡的2.5G技術(shù)。2.5G的系統(tǒng)大致有：GPRS、EDGE、CDMA1X。2.5G俗稱GPRS， EDGE俗稱2.75G，在中國2.5G指的就是GPRS。2.5G時代的手機(jī)可以上網(wǎng)了，雖然數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群苈?，但文字信息的傳輸由此開始了，這成為移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)。

3G：移動多媒體時代

2001年，3G正式登上了歷史的舞臺，2G雖然相比1G大大提升了效率， 但是滿足不了人們對的圖片和視頻傳輸?shù)囊?，因?G應(yīng)運(yùn)而生。采用更寬的頻帶，傳輸?shù)姆€(wěn)定性也大大提高，保證了速度和質(zhì)量，移動通訊有更多樣化的應(yīng)用，因此3G被視為是開啟移動通訊新紀(jì)元的重要關(guān)鍵。

1940年，美國女演員海蒂?拉瑪和她的作曲家丈夫喬治?安塞爾提出一個Spectrum頻譜的技術(shù)概念，也稱碼分?jǐn)U頻技術(shù)。1942年8月11日，這項技術(shù)在美國通過專利申請，美國國家專利局網(wǎng)站上的存檔顯示這個技術(shù)專利最初是用于軍事用途的，二戰(zhàn)結(jié)束后暫時失去了價值，美國軍方封存了這項技術(shù)。1985年，在美國的圣迭戈成立了一個名為“高通”的小公司，這個公司利用美國軍方解禁的碼分?jǐn)U頻技術(shù)開發(fā)出一個被名為“CDMA”的新技術(shù)， CDMA就是3G的根本基礎(chǔ)原理。在3G時代，不管是那個國家的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)都是基于高通CDMA，高通的CDMA是核心專利，通信方面一定繞不過去，就像修樓房一定離不開鋼筋水泥沙子一樣，只要說用3G網(wǎng)絡(luò)，就一定會給高通交專利費(fèi)，這就是行業(yè)人稱的"高通"稅。

這個階段，移動通信出現(xiàn)了新的玩家，除了北美和歐洲，中國也開發(fā)了自己的標(biāo)準(zhǔn)。

3G的標(biāo)準(zhǔn)有：

美國CDMA2000：高通為主導(dǎo)提出應(yīng)用日韓北美

歐洲WCDMA：主要以GSM系統(tǒng)為主的歐洲廠商

中國TD-SCDMA：中國移動一家采用

三大標(biāo)準(zhǔn)之外，Intel為首的一批廠商又推出了極具競爭力的WiMAX技術(shù)，由于中國和歐洲的通訊生產(chǎn)商都一起對付美國WiMAX，連美國高通都不想生產(chǎn)WiMAX的支持設(shè)備和芯片，2010年，WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的最大支柱Intel先撐不住了，宣布解散WiMAX部門。

2000年5月， ITU(國際電信聯(lián)盟)正式宣布三大3G國際標(biāo)準(zhǔn)，但中國標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA的技術(shù)不成熟，運(yùn)營商和終端芯片方案商都不支持，但最終國家主推，“中國標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系到我國移動通信的發(fā)展方向，要舉全國之力搞好TD-SCDMA”，所以建設(shè)TD-SCDMA網(wǎng)的艱巨而又光榮的任務(wù)交給了中國移動，為防止運(yùn)營商同時有兩張3G牌照，會優(yōu)先發(fā)展更成熟的WCDMA或CDMA2000，導(dǎo)致TD-SCDMA會被邊緣化，因此重新對運(yùn)營商進(jìn)行了重組合并，明確每個運(yùn)營商只建設(shè)一張網(wǎng)。中國聯(lián)通采用WCDMA，中國電信采CDMA2000，中國移動采用中國標(biāo)準(zhǔn)的TD-SCDMA。

這個階段，一個重要的公司上線了——蘋果，同時一代巨頭諾基亞黯然離場。第一代iPhone的發(fā)布，使得智能手機(jī)的浪潮席卷全球，以前在電腦上才可以使用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，現(xiàn)在在手機(jī)上有了更好的體驗，觸屏操控，各類應(yīng)用軟件開始了不斷更新迭代，人類正式步入移動多媒體時代。

2008年以后，以蘋果手機(jī)為首的智能機(jī)開始大賣。移動只能跟著眼紅，卻無計可施。因為高通不愿生產(chǎn)TD-SCDMA芯片，所以蘋果手機(jī)根本不支持TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)(直到后來，才勉強(qiáng)支持)。就這樣移動眼睜睜看著用戶不斷流失，市場份額下降，但是也為后續(xù)中國通信標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

4G：移動互聯(lián)網(wǎng)時代

2008年發(fā)布的第四代網(wǎng)絡(luò)4G，中國成為標(biāo)準(zhǔn)的制定者之一。4G是在3G基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用更加先進(jìn)通訊協(xié)議的第四代移動通訊網(wǎng)絡(luò)。對于用戶而言，2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于傳速速度不同，4G網(wǎng)絡(luò)作為最新一代通訊技術(shù)，在傳輸速度上有著非常大的提升，理論上網(wǎng)速度是3G的50倍，實(shí)際體驗也都在10倍左右，上網(wǎng)速度可以媲美20M家庭寬帶，4G網(wǎng)絡(luò)可以滿足游戲服務(wù)，高清移動電視，視頻會議。

4G有兩大技術(shù)根基：LTE和IEEE802.16m(WiMax2)，LTE是Long Term Evolution長期演進(jìn)，就是在3G基礎(chǔ)上通過技術(shù)迭代慢慢達(dá)到4G。

2009年10月，ITU共計征集到了六個候選技術(shù)，六個技術(shù)可以分為兩大類，一是基于3GPP的LTE-Advanced的技術(shù);另外一類是基于IEEE802.16m(WiMax2 )的技術(shù)，中國提交的候選技術(shù)作為LTE-Advanced的一個組成部分。

六個候選技術(shù)分別是：

• 北美標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE的802.16m(WiMax2)
• 日本3GPP的FDD-LTE-Advance
• 韓國(基于802.16m)
• 中國(TD-LTE-Advanced)(LTE-TDD)
• 歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP(FDD-LTE-Advance)

4G時代，各種各樣的新型移動互聯(lián)網(wǎng)公司如雨后春筍般爭相出現(xiàn)，人們的生活被徹底改變，生活越來越便捷，4G使人類進(jìn)入了移動互聯(lián)網(wǎng)的時代。

5G：萬物互聯(lián)的時代

隨著每個人平均擁有的移動設(shè)備的增多，隨著越來越多的設(shè)備接入云端，網(wǎng)絡(luò)擁堵已經(jīng)成為了我們所需要面對的問題。而針對4G網(wǎng)絡(luò)阻塞時因為信息的傳輸率大于信道容量，5G帶來的解決方法就是加大帶寬，利用毫米波，大規(guī)模多輸入多輸出，3D波束成形，小基站等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)比4G更快的速度，更低的時延和更大的帶寬，可以同時鏈接千億個設(shè)備。

5G網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢數(shù)據(jù)傳輸速率高，最高可達(dá)10Gbit/s，比先前的4G LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100倍。另一個優(yōu)點(diǎn)是較低的網(wǎng)絡(luò)延遲，低于1毫秒，而4G的延遲為30-70毫秒。

5G的標(biāo)準(zhǔn)還未完全確立，在5G階段，3GPP組織把接入網(wǎng)(5G NR)和核心網(wǎng)(5G Core)拆開了，要各自獨(dú)立演進(jìn)到5G時代，這是因為5G不僅是為移動寬帶設(shè)計，它要面向eMBB(增強(qiáng)型移動寬帶)、URLLC(超可靠低時延通信)、mMTC(大規(guī)模機(jī)器通信)三大場景。簡單說就是5G不只是把速度搞上去就行，還得解決延遲、承受大規(guī)模機(jī)器同時通信，

提到5G，有一個詞匯雙模、雙載波，包含了目前5G最為大家討論關(guān)心的兩個方面：

(1)雙模指5G網(wǎng)絡(luò)的兩種部署方式 NSA(非獨(dú)立組網(wǎng))、SA(獨(dú)立組網(wǎng)) 用最簡單的話說就是：SA需要新建5G基站和5G核心網(wǎng)，NSA就是利用4G基站或核心網(wǎng)

(2)雙載波 這個術(shù)語說的是5G的兩個頻段區(qū)間 一種是6GHz以下，又稱Sub-6GHz，跟目前2、3、4G差不多在一個頻段 一種是在24GHz以上，高頻毫米波(mmWave)

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照。

歷代移動通信的發(fā)展，都以典型的技術(shù)特征為代表，同時誕生出新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景。而5G將不同于傳統(tǒng)的幾代移動通信，5G不再由某項業(yè)務(wù)能力或者某個典型技術(shù)特征所定義，它不僅是更高速率、更大帶寬、更強(qiáng)能力的技術(shù)，而且是一個多業(yè)務(wù)多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)，更是面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶體驗的智能網(wǎng)絡(luò)，最終打造以用戶為中心的信息生態(tài)系統(tǒng)。最終實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”。盡管目前來說5G未規(guī)模商用，但所有人對即將到來的5G時代是充滿向往與期待的。

二、中國移動通信技術(shù)的發(fā)展

技術(shù)

通信技術(shù)基本保持著十年一代，但每一代都有新面孔出現(xiàn)，也有老面孔消失。1G有摩托羅拉，2G有諾基亞、愛立信和西門子，3G有高通、蘋果，而4G和5G則出現(xiàn)了華為。中國移動通信技術(shù)，1G空白、2G跟隨、3G突破、4G同步，到了5G終于看到了更具創(chuàng)新性的苗頭了，不過這樣引起部分國家的打壓，可能地主收租習(xí)慣了，擔(dān)心未來得向富裕起來的貧農(nóng)交租，領(lǐng)導(dǎo)地位被挑戰(zhàn)。關(guān)注微信公眾號 嵌入式系統(tǒng) 獲取更多信息。

運(yùn)營商

為了發(fā)展3G，尤其是支持中國標(biāo)準(zhǔn)TD_SCDMA，根據(jù)國家六網(wǎng)合三政策，中國運(yùn)營商進(jìn)行了拆分、重組、合并。2008年電信業(yè)重組之前，中國移動和中國聯(lián)通主要經(jīng)營移動業(yè)務(wù)(GSM、CDMA手機(jī)業(yè)務(wù))、中國電信、中國網(wǎng)通、中國鐵通經(jīng)營固網(wǎng)業(yè)務(wù)(固定電話、寬帶)，中國衛(wèi)通涉足航空航天和衛(wèi)星通信。

2008年重新組合后

• 移動+鐵通=新移動，主要經(jīng)營固網(wǎng)+2G(GSM)+3G(TD-SCDMA);
• 中國聯(lián)通和中國網(wǎng)通合并成為聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)公司(聯(lián)通+網(wǎng)通=新聯(lián)通)主要經(jīng)營固網(wǎng)+2G(GSM)+3G(WCDMA);
• 電信收購原聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò)，和部分中國衛(wèi)通，中國電信主要經(jīng)營固網(wǎng)+2G(CDMA)+3G(CDMA2000)。
• 三家運(yùn)營商都可以提供固網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)和移動通信業(yè)務(wù)。

在5G時代，又新增了中國廣電。目前現(xiàn)狀：

• 中國移動 主要運(yùn)營GSM、TD-SCDMA、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和固網(wǎng)。
• 中國聯(lián)通 主要運(yùn)營GSM、WCDMA、FDD-LTE，固網(wǎng)。
• 中國電信 主要運(yùn)營CDMA、CDMA2000、FDD-LTE、TD-LTE網(wǎng)絡(luò)和固網(wǎng)。
• 中國廣電 主要經(jīng)營互聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)、國內(nèi)通信設(shè)施服務(wù)業(yè)務(wù)。

三、物聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備主要具備如下大特點(diǎn)：

1、設(shè)計簡單：系統(tǒng)復(fù)雜度低能保證IoT設(shè)備在惡劣環(huán)境下正常工作

2、成本低廉：IoT設(shè)備一般都是成本低

3、大覆蓋范圍：要保證弱信號區(qū)域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)能傳輸

4、低功耗：大部分應(yīng)用場景都需要使用電池功能

5、低速率：傳輸數(shù)據(jù)量小，速率低

6、海量設(shè)備接入：小范圍存在大量終端設(shè)備入網(wǎng)。

盡管用于物聯(lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)很多，但沒有哪個技術(shù)有一統(tǒng)江湖的趨勢。

工信部提出建立NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))、4G(含LTE-Cat1，即速率類別1的4G網(wǎng)絡(luò))和5G協(xié)同發(fā)展的移動物聯(lián)網(wǎng)綜合生態(tài)體系，在深化4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋、加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的基礎(chǔ)上，以NB-IoT滿足大部分低速率場景需求，以LTE-Cat1(以下簡稱Cat1)滿足中等速率物聯(lián)需求和話音需求，以5G技術(shù)滿足更高速率、低時延聯(lián)網(wǎng)需求。

簡單的可以理解為，國家推薦的是NB-IoT和LTE-Cat1，不建議GSM/GPRS。對應(yīng)大部分物聯(lián)網(wǎng)來說，目前低功耗且低成本的4G才是主流，簡稱NB和cat1網(wǎng)絡(luò)。

那什么是Cat.1?它和NB-IoT、eMTC有什么關(guān)系呢?Cat.M1和Cat.NB-1又是什么?

3GPP組織制定LTE標(biāo)準(zhǔn)，支持為不同用戶提供不同等級的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。在LTE里提出了重要的QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)概念。不同的業(yè)務(wù)，對于不同的QoS，網(wǎng)絡(luò)提供不同的帶寬和接入優(yōu)先級。

除了網(wǎng)絡(luò)之外，3GPP還打算給用戶終端(包括手機(jī)、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等)也做個分類。2009年3月，3GPP發(fā)布Release8版本、正式提出LTE的時候，同步推出了LTE Cat.1、Cat.2、Cat.3、Cat.4、Cat.5一共5個終端類別。后來，又在R10版本定義了Cat.6、Cat.7、Cat.8。在R11定義了Cat.9、Cat.10、Cat.11、Cat.12。在R12定義了Cat.13、Cat.14、Cat.15。

cat是英文單詞Category的縮寫。意思是類別、種類，不同的Cat表示不同的速率

在LTE發(fā)展初期，Cat.1并沒有被業(yè)界所關(guān)注。隨著可穿戴設(shè)備的逐漸普及，Cat.1才逐漸被業(yè)界重視。但是，Cat.1終端需要使用2根天線，對體積敏感度極高的可穿戴設(shè)備來說仍然“要求過高”(一般只配備1根天線)。所以，在R12/R13中，3GPP多次針對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化。

首先是在R12中增加了新終端等級Cat.0，放棄了對MIMO(多天線)的支持，簡化為半雙工，峰值速率降低為1Mbit/s，終端復(fù)雜度降低為普通LTE終端的40%。這樣一來，初步達(dá)到了物聯(lián)網(wǎng)的成本要求。

但是，雖然Cat.0終端的信道帶寬降至1.4MHz，但射頻的接收帶寬仍為20MHz(太大)。于是，3GPP在R13中又新增Cat.M1等級的終端，信道帶寬和射頻接收帶寬均為1.4MHz，終端復(fù)雜度進(jìn)一步降低。而Cat.M1，也就是我們之前常說的eMTC(enhanced Machine-Type Communication，增強(qiáng)型機(jī)器類型通信)。

此外，3GPP在R13中同時新增了一個Cat.NB-1，它的接收帶寬僅180kHz。這個Cat.NB-1，就是我們的NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng))。

eMTC還有一個名字，叫做LTE-M，LTE-Machine-to-Machine，LTE-機(jī)器到機(jī)器。也就是說，是機(jī)器之間用LTE通信，非常直白了，適用于物聯(lián)的LTE網(wǎng)絡(luò)。

可見，Cat.1、Cat.M1(eMTC)和Cat.NB-1(NB-IoT)，這三兄弟都是3GPP定義用于物聯(lián)網(wǎng)的。

三兄弟里面，NB-IoT的速率是最慢的，eMTC次之，Cat.1最快(也就5Mbps)。它們和其它Cat的定位如下圖：

隨著2G/3G的加速退網(wǎng)，運(yùn)營商們開始積極引導(dǎo)行業(yè)用戶使用NB-IoT和Cat.1終端模組，也是目前Cat.1日益火熱的原因之一。

NB-IoT適合低速、數(shù)據(jù)量小的場景，當(dāng)初設(shè)計的按APN分配休眠喚醒機(jī)制以及對接受運(yùn)營商主導(dǎo)，對傳統(tǒng)的tcp長連接存在一定硬傷，數(shù)據(jù)響應(yīng)和功耗方面不如Cat1。eMTC國內(nèi)目前未組網(wǎng)，Cat.1基于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，不需要增加額外投資。Cat.1芯片及模組方案成熟，價格便宜，未來cat1可能會成為國內(nèi)低成本物聯(lián)網(wǎng)的主流。

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