WiMAX 16d網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和建設(shè)策略
摘要:本文首先介紹了WIMAX16d網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和規(guī)劃要點(diǎn),對WiMAX16d組網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和說明,并提出面向未來網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的相關(guān)建議.。
1.前言
隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,尤其是無線通信和寬帶通信的技術(shù)的迅速發(fā)展,激發(fā)了寬帶接入網(wǎng)絡(luò)向無線化方向的演進(jìn)。值得注意的是,近年來“WiMAX”一詞的點(diǎn)擊率日益增高,它作為IEEE802.16無線城域網(wǎng)的空口標(biāo)準(zhǔn),引起了廣泛關(guān)注,并逐漸為業(yè)界熟知。
WiMAX技術(shù)的發(fā)展過程基本可以分為四個(gè)階段,即:固定接入業(yè)務(wù)階段、游牧式業(yè)務(wù)階段、便攜式業(yè)務(wù)階段和全移動(dòng)業(yè)務(wù)階段。2006年國內(nèi)外各大運(yùn)營商業(yè)務(wù)拓展的需求推動(dòng)了第一代WiMAX技術(shù)和產(chǎn)品逐漸走向成熟,固定接入式的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)一時(shí)風(fēng)生云起。在此,本文對就WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃、建設(shè)和維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)略作回顧和小結(jié),以期拋磚引玉之效用。
2.WiMAX802.16d的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和特點(diǎn)
IEEE802.16協(xié)議族定義了WiMAX網(wǎng)絡(luò)的空中物理層和MAC層接口,旨在為城域網(wǎng)的接入層提供基于IP的、具備端到端QoS保障的無線接入。目前已定制的兩大系列標(biāo)準(zhǔn)包括802.16-2004(即802.16d)和802.16-2005(即802.16e),前者面向固定式寬帶無線接入,后者側(cè)重于移動(dòng)性和便攜性。
從固定式WiMAX系統(tǒng)主體來看,它包括基站(BaseStation,簡稱BS)、用戶站(CustomerPremiseEquipment,簡稱CPE)以及網(wǎng)管等主要部分,構(gòu)成點(diǎn)到多點(diǎn)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?;竞陀脩粽局g的空口遵循IEEE802.16d規(guī)范,定位于最后一公里的接入,結(jié)構(gòu)簡潔、標(biāo)準(zhǔn)清晰。網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)圖如下:
WiMAX16d的標(biāo)準(zhǔn)定義和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系,決定了它具有以下一些突出的優(yōu)勢和特點(diǎn):
可完全融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。作為IP系統(tǒng)的二層接入部分,WiMAX以其全I(xiàn)P化的設(shè)計(jì),可以完全融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),充分利用已有的傳輸網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)。WiMAX基站向上提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口,可以方便得融入IP城域網(wǎng)和核心網(wǎng),為缺乏管線資源的地區(qū)提供迅速系統(tǒng)部署以及各類應(yīng)用服務(wù);用戶站可以直接下聯(lián)二層交換機(jī)、IAD、WLAN等設(shè)備,或者直接與終端連接,提供數(shù)據(jù)、語音等豐富的業(yè)務(wù)內(nèi)容。
IPQoS機(jī)制植入于MAC層。在這種QoS機(jī)制的保障下,WiMAX能夠真正的合理分配資源,既滿足公平性原則,也能平衡不同用戶的業(yè)務(wù)容量需求,從而最大程度得利用有限頻譜資源。MAC層QoS面向每個(gè)連接,可以獨(dú)立定制其帶寬門限、時(shí)延和QoS等級,使其能夠真正確保端到端的QoS的實(shí)現(xiàn)。QoS包括四個(gè)等級:非請求的帶寬分配業(yè)務(wù)(UGS)、實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(rtPS)、非實(shí)時(shí)輪詢業(yè)務(wù)(nrtPS)和盡力而為業(yè)務(wù)(BE)。
傳輸和業(yè)務(wù)安全性有保障。從安全性角度來說,WiMAX空中接口具備了認(rèn)證加密的功能以及其他各種準(zhǔn)入手段,可以確保數(shù)據(jù)的安全傳送。對于WiMAX網(wǎng)絡(luò)本身來說,能夠完全兼容于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各種認(rèn)證計(jì)費(fèi)手段,所以一般沒有也不需要專配計(jì)費(fèi)功能。因而,在發(fā)展部署新用戶時(shí),無需對業(yè)務(wù)控制層面進(jìn)行改動(dòng),非常靈活。
除了架構(gòu)上的優(yōu)勢之外,WiMAX面向4G的無線技術(shù)和傳輸穩(wěn)定性也為人津津樂道。作為接入技術(shù),除了數(shù)據(jù)吞吐量外,其穩(wěn)定性和可靠性是運(yùn)營商和終端用戶關(guān)注的焦點(diǎn)問題。事實(shí)表明,WiMAX先進(jìn)的無線技術(shù)特性,能適合于大部分應(yīng)用的需求,這主要?dú)w功于WiMAX16d的以下無線特性:
支持非視距傳播。從固定無線寬帶接入的發(fā)展來看,原先的3.5GHz的MMDS在解決非視距傳播方面,始終未能盡如人意。而WiMAX技術(shù)在物理層引入了OFDM調(diào)制技術(shù),使其對非視距環(huán)境中的寬帶數(shù)據(jù)傳播有較強(qiáng)的抗多徑能力。作為OFDM技術(shù)本身,其出彩之處在于:高頻譜利用率、抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾能力。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上來看,16d技術(shù)在城市非視距環(huán)境中,小區(qū)覆蓋半徑可以達(dá)到3公里左右,足以滿足一般業(yè)務(wù)的運(yùn)營需求。
頻譜利用率高。IEEE802.16d的規(guī)范定義了無線鏈路上下行至少需達(dá)到16QAM的調(diào)制解調(diào)能力,而部分廠家的設(shè)備甚至能夠支持到64QAM的調(diào)制解調(diào)。這意味著,在良好的無線環(huán)境下,空中信道中的每個(gè)符號可以攜帶6個(gè)比特;在3.5Mhz的物理帶寬下,采用OFDM512技術(shù),MAC層數(shù)據(jù)傳輸能力就可至12Mbps左右的水平。外場FTP測試表明,WiMAXBS端到CPE端的應(yīng)用速率可以輕松得達(dá)到9~10Mbps,完全能夠滿足一般個(gè)人用戶和中小企業(yè)用戶的需求。
自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。通過此項(xiàng)技術(shù),系統(tǒng)能夠自主得統(tǒng)計(jì)測量無線鏈路質(zhì)量水平,并根據(jù)系統(tǒng)定義的算法,將信號調(diào)制到與之適應(yīng)的編碼方式上。在高質(zhì)量的信號水平下,遠(yuǎn)端站能夠適配至較高的調(diào)制方式下工作;反之,則適配至低調(diào)制方式,提高鏈路的穩(wěn)健性。如此便能兼顧帶寬和穩(wěn)定兩方面的要求,使整個(gè)系統(tǒng)工作于均衡的狀態(tài)下,最大程度地利用頻譜資源。
當(dāng)然,規(guī)范本身所定義的技術(shù)細(xì)節(jié)還更加先進(jìn)廣泛,包括上行信道的子信道化,AAS的應(yīng)用等等,但是從市場定位、業(yè)務(wù)需求和成本定位來綜合考慮,各個(gè)廠家的第一代WiMAX產(chǎn)品都只是實(shí)現(xiàn)了到規(guī)范中的部分功能。即便如此,實(shí)際網(wǎng)絡(luò)經(jīng)驗(yàn)已足以證明WiMAX16d系統(tǒng)無愧于無線DSL的美譽(yù)。
3.WiMAX802.16d網(wǎng)絡(luò)部署
2006年,國內(nèi)運(yùn)營商對WiMAX從關(guān)注、測試,迅速走向了實(shí)際商用階段。數(shù)個(gè)運(yùn)營商根據(jù)自身特點(diǎn)和市場狀況,應(yīng)用WiMAX開發(fā)出了切合其自身特點(diǎn)的業(yè)務(wù)模式,并將其推向了市場。作為參與者之一,我們在這個(gè)過程中注意到了種種有意思的現(xiàn)象,積累了些許經(jīng)驗(yàn),與諸位共享和探討。
以下的討論將圍繞網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)三部分展開。
3.1.WiMAX16d系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃
和其它無線網(wǎng)絡(luò)類似,WIMAX網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于滿足覆蓋和容量的同時(shí),保證QoS和系統(tǒng)的資源能夠得到最大程度的利用。從我國現(xiàn)在3.5GHz頻段規(guī)劃來看,同城內(nèi)的每個(gè)運(yùn)營商一般都只能擁有10.5MHz帶寬,即為三個(gè)3.5MHz的WiMAX載波帶寬。頻譜資源的稀缺使組網(wǎng)設(shè)計(jì)受到很大程度的局限,因此,找出合理的站間距以消除同頻干擾現(xiàn)象對組網(wǎng)的影響非常重要。通過系統(tǒng)仿真的理論計(jì)算和外場實(shí)測認(rèn)證,所得結(jié)果表明:在大中型城市中,同頻復(fù)用距離2至3公里時(shí)的條件下,通常干擾最為惡劣的主瓣連線上的測試點(diǎn)基本沒有發(fā)現(xiàn)干擾現(xiàn)象。此數(shù)據(jù)即可成為WiMAX16d網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基本模型參數(shù),用來確立投資規(guī)模、業(yè)務(wù)分布和頻率規(guī)劃。
此外,在具體規(guī)劃的時(shí)候,不同的地理地貌環(huán)境還需要進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)參數(shù)調(diào)整,以使業(yè)務(wù)覆蓋率最大化。另外,部署規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時(shí),為降低或避免系統(tǒng)內(nèi)干擾,應(yīng)該靈活選用各種方法來調(diào)整小區(qū)覆蓋區(qū)域,例如:選擇合理的基站天線高度,充分利用不同天線極化方式,調(diào)節(jié)天線俯仰角,減小基站天線的水平半功率角度等常規(guī)手段。
同樣是無線網(wǎng)絡(luò),WIMAX的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與我們傳統(tǒng)的GMS或UMTS建設(shè)有所區(qū)別,不能完全照抄以前的經(jīng)驗(yàn)。這是由不同的網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)所決定了的,WiMAX是固定通信無線網(wǎng),而GSM/UMTS是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),二者有著不同的用戶行為、覆蓋要求和話務(wù)模型。其中,我們注意到了一個(gè)比較典型的現(xiàn)象:在建設(shè)初期,大家都習(xí)慣性地考慮“全覆蓋”的概念,即按照理論的覆蓋半徑,在地圖上標(biāo)注出若干個(gè)基站站點(diǎn),認(rèn)為這些站點(diǎn)建成之后即可實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋或者是基本覆蓋這片區(qū)域,剩余的工作就是輕松放號,業(yè)務(wù)開通。而事實(shí)上,要用WiMAX16d實(shí)現(xiàn)全覆蓋很困難,這是由其本身特點(diǎn)決定,也是為我們經(jīng)驗(yàn)證明的。
根據(jù)無線傳播理論,基站和遠(yuǎn)端站所能接收信號的強(qiáng)度及質(zhì)量與其天線高度以及傳播路徑上的阻擋情況密切相關(guān)。在二維地圖的同一點(diǎn)上,用戶站的接收信號很大程度上取決于CPE天線的放置高度,比如說,離開基站2公里處,運(yùn)營商發(fā)掘出一片用戶群體,分布于高新區(qū)的一幢15層樓的大廈內(nèi)。這些用戶有些在14樓,有些在7樓,而有些在2樓。那么對于14樓的用戶,由于其高度高于周圍平均建筑物的高度,所以可以輕松的實(shí)現(xiàn)信號收發(fā),調(diào)制方式可以達(dá)到64QAM,獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);對于7樓的用戶,高度低于與周圍建筑物的平均高度,但依然能夠依靠信號的折射和反射獲得16QAM的信號,相當(dāng)于數(shù)據(jù)帶寬能夠達(dá)到4Mbps左右;而2樓的用戶則不那么幸運(yùn)了,在高樓林立的環(huán)境下,CPE天線被群樓阻擋,無法接收WiMAX信號。(當(dāng)然通過樓內(nèi)垂直布線,將CPE天線安裝于高處并將數(shù)據(jù)信號引入至2樓辦公室的CPE室內(nèi)單元,也可以實(shí)現(xiàn)接入)此例表明,WiMAX網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是CPE天線的位置,這些數(shù)據(jù)很難在規(guī)劃期能夠一一確定,而是隨著業(yè)務(wù)發(fā)展而逐步明晰的。由此我們可以看出,在現(xiàn)有固網(wǎng)運(yùn)營商“按需接入”的發(fā)展模式下,要做出一個(gè)類似于GSM或者UMTS一樣的無縫覆蓋的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是非常困難的。
基于此現(xiàn)象,我們持如下觀點(diǎn):固定接入式WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò)呈點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),一般而言,用戶端數(shù)量在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)動(dòng)態(tài)發(fā)展,有增有減。用戶端設(shè)備沒有切換和漫游的需求,與需要連續(xù)分布的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有本質(zhì)上的區(qū)別。因此,在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)期間,無需強(qiáng)調(diào)“全覆蓋”或者是“無縫覆蓋”的概念,否則反而會(huì)給后期發(fā)展引入干擾問題。
簡而言之,我們認(rèn)為WiMAX16d的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃可以遵循以下兩條原則:第一,盡最大能力避免干擾,為后期發(fā)展留出余地;第二,隨著用戶容量的增加,需要在建設(shè)中調(diào)整基站的有效覆蓋區(qū)域,使網(wǎng)絡(luò)跟隨業(yè)務(wù)發(fā)展而健康成長。
3.2.WiMAX16d系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)工程
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),盡管WIMAX產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡潔緊湊為工程實(shí)施帶來便利,但是我們不能因此忽略其工程實(shí)施質(zhì)量。WiMAX的顯著優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,部署靈活迅速。事實(shí)上,第一代16d的產(chǎn)品普遍沒有引入智能天線,MIMO等更為先進(jìn)的無線技術(shù),所以CPE基本還是室外型的,也就是說,終端設(shè)備仍然離不開室外的工程安裝。從某種角度來看,用戶取得鏈路質(zhì)量的優(yōu)劣,不僅取決于基站周邊的無線環(huán)境,在很大程度上還依賴于客戶端設(shè)備的安裝質(zhì)量。所以,我們認(rèn)為有必要著重討論一下WiMAXCPE的工程建設(shè)。
經(jīng)為期一年的觀察,我們發(fā)現(xiàn)WiMAX的建設(shè)者往往比較重視WiMAX系統(tǒng)和上層核心網(wǎng)設(shè)備的互連互通問題,重視基站的工程安裝問題,卻有些忽視CPE部署的工程質(zhì)量要求。現(xiàn)網(wǎng)的部分CPE安裝比較簡陋,存在著諸多隱患。這些隱患除了會(huì)直接對系統(tǒng)造成硬件損傷之外,也會(huì)給客戶帶來不佳的體驗(yàn),直接或間接地影響WiMAX的業(yè)務(wù)拓展。因此,這里有必要對業(yè)已察覺的一些問題進(jìn)行歸納,以期引起各位建設(shè)者的重視:
CPE安裝高度不理想,影響業(yè)務(wù)穩(wěn)定性。如前所述,在基站位置已經(jīng)固定了的情況下,CPE安裝高度往往就決定了無線鏈路的優(yōu)劣。一方面,CPE天線不能高于基站天線的高度。通常情況下,基站天線的俯仰角一般為0度,而且CPE天線的垂直半功率角一般都比較小。如果CPE高于基站,通信雙方就不能良好的接收對方的發(fā)射信號,從而影響通信質(zhì)量。另一方面,CPE不建議安裝在嚴(yán)重的非視距環(huán)境下,也就是說,不建議將CPE安裝在無線傳輸路徑的第一菲涅爾區(qū)內(nèi)有嚴(yán)重阻擋的環(huán)境下,否則接收信號有很大比例是靠繞射和反射取得的,多徑信號的路徑復(fù)雜程度大大提高,每徑受到影響的因素也會(huì)增多,信號質(zhì)量不可避免地會(huì)比視距情況下有更大的波動(dòng)。雖然在給終端用戶交付業(yè)務(wù)時(shí),測試得到的信號和帶寬都不錯(cuò),但是這樣的鏈路對干擾的抵抗力比較弱,信號會(huì)時(shí)好時(shí)差,甚至在無線鏈路惡化時(shí)會(huì)發(fā)生信號中斷的情況。這會(huì)對實(shí)時(shí)性要求高業(yè)務(wù)(例如VoIP,VideoStreaming等)產(chǎn)生尤為不良影響。
CPE缺乏可靠接地,增加了系統(tǒng)的不安全性。如果說CPE并不安裝在建筑物的最高處,接地省略的風(fēng)險(xiǎn)性可能還小些,那么將其安裝于屋頂?shù)臅r(shí)候,沒有接地在夏季雷雨時(shí)節(jié)就是一個(gè)巨大的隱患了。而我們發(fā)現(xiàn),現(xiàn)網(wǎng)中有為數(shù)不少的CPE其實(shí)并沒有做好接地,更不要說是避雷防范了,這確實(shí)是非常危險(xiǎn)的現(xiàn)象。假設(shè)設(shè)備的室外部分遇到雷擊,浪涌電流若不能導(dǎo)入大地,那么很容易地就會(huì)通過饋線引入室內(nèi)單元及其連接的下端設(shè)備,一旦此類事故發(fā)生,遭受損失的可能就遠(yuǎn)不止是WiMAX設(shè)備本身,而將包括與之相連的所有設(shè)備(包括二層交換機(jī)、IAD、WiFiAP,話機(jī)和電腦等)以及電源系統(tǒng)。
CPE抱桿過細(xì)或者對地未能妥善加固,也會(huì)影響用戶的長期使用感受。我們曾觀察到,抱桿如果太細(xì),或者底部不穩(wěn),其上端由于受到設(shè)備單向重力會(huì)使抱桿向設(shè)備一側(cè)略微傾斜,導(dǎo)致CPE天線俯仰角的改變,從而影響收發(fā)信號的質(zhì)量。常見的情況是在系統(tǒng)開通初期用戶能夠取得理想的數(shù)據(jù)帶寬,而一段時(shí)間之后,發(fā)現(xiàn)帶寬變小了,而經(jīng)現(xiàn)場檢查才發(fā)現(xiàn)正是由于這些細(xì)小的原因致使的。
所以,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中,我們除了關(guān)注設(shè)備本身的性能和穩(wěn)定程度之外,還應(yīng)當(dāng)對工程中的各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把控。WiMAX系統(tǒng)有其簡潔易用的一面,也存在著眾多細(xì)節(jié)方面有待我們?nèi)リP(guān)注和完善,這樣才能將WiMAX的優(yōu)勢充分體現(xiàn)。
3.3.WiMAX16d系統(tǒng)的維護(hù)
與任何無線網(wǎng)絡(luò)相仿,WiMAX系統(tǒng)建成開通后,需要堅(jiān)持不懈的維護(hù)和優(yōu)化,保障系統(tǒng)的良好運(yùn)行狀況,并為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供可借鑒的依據(jù)。一般來說,除了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)之外,最需要關(guān)注的是無線鏈路和容量兩方面的問題,以下作些簡單的經(jīng)驗(yàn)介紹。
無線鏈路監(jiān)測和優(yōu)化。從WiMAX自帶的網(wǎng)管上,可以對每個(gè)遠(yuǎn)端站的無線鏈路狀況進(jìn)行觀測,包括上下行的RSSI,SNR以及調(diào)制方式等信息。通過這些基本數(shù)據(jù),我們可以做出每日報(bào)表和曲線圖,掌握無線鏈路的變化情況,并為規(guī)劃和優(yōu)化提供依據(jù)。由于WiMAX16d是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò),無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化并進(jìn),因此在建設(shè)新基站,發(fā)展新用戶的時(shí)候,必須同時(shí)考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和頻率資源利用情況,避免干擾情況出現(xiàn)。
容量監(jiān)測和優(yōu)化。與無線鏈路相仿,基站容量和每個(gè)用戶的吞吐量也是可以通過網(wǎng)管進(jìn)行監(jiān)測的,這些數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和發(fā)展尤為重要。一方面,根據(jù)資源的統(tǒng)計(jì)使用情況,運(yùn)營商可以靈活調(diào)整客戶QoS等級,在公平發(fā)展的原則下,重點(diǎn)保障大客戶的利益;另一方面,對流量的監(jiān)測可以更準(zhǔn)確地掌握用戶的增長率,避免設(shè)備過載現(xiàn)象的產(chǎn)生,同時(shí)指導(dǎo)后期的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和工程預(yù)算工作。
對系統(tǒng)的維護(hù)和優(yōu)化,其主旨是依然提高設(shè)備的穩(wěn)定性和利用率,使動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)能夠均衡發(fā)展,為終端用戶提供業(yè)務(wù)保障。由于WiMAX還處于建設(shè)階段,對于如何維護(hù)優(yōu)化WiMAX16d網(wǎng)絡(luò),還有待更多時(shí)日的探索和積累。
4.結(jié)束語
隨著WiMAX16d技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,系統(tǒng)的真實(shí)性能已經(jīng)越來越多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)同了。通過以上篇幅,希望不僅能夠使讀者對這門技術(shù)有更多的了解,更重要的是,能令網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者們能夠得到些許啟發(fā),更加有效得進(jìn)行WiMAX網(wǎng)絡(luò)的拓展和管理,最大程度得實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)價(jià)值。
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