近年(nian)來(lai)，隨(sui)著“一(yi)箭多星(xing)”、火(huo)箭回收利用等關鍵技術的突(tu)破，極(ji)大地(di)降低了(le)發(fa)(fa)(fa)射(she)成(cheng)本，并(bing)增加了(le)有(you)效(xiao)荷(he)載，提升了(le)衛(wei)星(xing)發(fa)(fa)(fa)射(she)的整機經濟效(xiao)益(yi)。此外，隨(sui)著現(xian)代移動(dong)通(tong)信和電子元器(qi)件等技術的飛速發(fa)(fa)(fa)展(zhan)，衛(wei)星(xing)的設計研(yan)制也呈(cheng)現(xian)出小型化(hua)的發(fa)(fa)(fa)展(zhan)態勢，促使衛(wei)星(xing)的研(yan)制成(cheng)本大幅降低，生(sheng)產(chan)周期大幅縮短。
發射(she)成本和衛(wei)星(xing)制(zhi)造(zao)門檻的日益降(jiang)低，為更多的商業(ye)衛(wei)星(xing)應用探索創造(zao)了可能性。在(zai)此背(bei)景下，通(tong)信衛(wei)星(xing)系(xi)統悄然復(fu)蘇， 并受到諸(zhu)多互聯(lian)網、通(tong)信、航天航空等巨(ju)頭企業(ye)的青睞。
在已經凍結的3GPP R17標準中，引入了非地面網絡（non-terrestrial network，NTN），將衛星通信網(wang)作(zuo)為地面網(wang)絡的(de)(de)必要補充。其中，除了提供(gong)用(yong)于衛星通話(hua)的(de)(de)5G NR NTN標準(zhun)(zhun)規范(fan)外，R17還提供(gong)了支持NB-IoT和(he)eMTC等物聯(lian)網(wang)技(ji)術與NTN融合的(de)(de)標準(zhun)(zhun)規范(fan)。
業內人士普遍認為，相較手機終端，衛星物聯網相關的應用場景更為豐富多樣，能滿足更多細分場景下設備的通信需求。因此，相比于NR-NTN，支撐物聯網的IoT-NTN標準進展更快，IoT-NTN的商用成熟度也更高。
此外，空天地一體網絡也是6G核心方向之一，被ITU列為6G七大關鍵網絡需求之一。衛星物聯網(wang)是空天地(di)(di)一體(ti)網(wang)絡的重要組成，通(tong)過利(li)用衛星平(ping)臺為(wei)物聯網(wang)設備(bei)提(ti)供通(tong)信服務，能夠彌補(bu)地(di)(di)面(mian)蜂窩網(wang)絡在(zai)覆蓋(gai)范(fan)圍、災難恢(hui)復、緊急(ji)通(tong)信等方(fang)面(mian)的不足，與地(di)(di)面(mian)蜂窩網(wang)絡優(you)勢互補(bu)、深度融(rong)合(he)，共(gong)同形成空天地(di)(di)一體(ti)的異構網(wang)絡架構。
此前，物聯網智庫已經(jing)發表(biao)了多(duo)篇文(wen)章(zhang)討論(lun)衛(wei)(wei)星物聯(lian)(lian)網(wang)的(de)發展狀(zhuang)況(kuang)及(ji)相(xiang)關(guan)技術。這篇文(wen)章(zhang)中，我(wo)們將就之前(qian)文(wen)章(zhang)中涉及(ji)較少的(de)衛(wei)(wei)星物聯(lian)(lian)網(wang)的(de)架構(gou)、發展前(qian)景(jing)及(ji)通信企業在該(gai)領(ling)域的(de)布(bu)局等話題展開討論(lun)，以期圍繞(rao)衛(wei)(wei)星物聯(lian)(lian)網(wang)相(xiang)關(guan)的(de)討論(lun)拼圖更加完整。
本文為智次方?物聯網智庫中國AIoT產業年會暨2024年智能產業前瞻洞察大典活動預熱專欄「智聯先知 一期一會」的第三期內容——【衛星物聯網的技術架構及其發展前景】。
什么是(shi)衛(wei)星物聯網(wang)的概念、體系架構(gou)？ 為(wei)什么(me)當前衛星(xing)物聯網正處于(yu)高速發展期？往后的(de)發展趨(qu)勢將(jiang)會如何？ 通(tong)信相關廠商圍繞衛(wei)星(xing)物聯網進行了哪些(xie)積(ji)極(ji)布局？ 衛星(xing)物(wu)聯網仍然存在的技(ji)術難題有哪些？
衛星物聯網的定義及優勢
本質上，衛星物聯網(wang)就是利用衛星通信網(wang)絡和各種傳(chuan)感器，實現(xian)(xian)空天(tian)地一體化的人、物連接(jie)和信息交互(hu)，并通過對信息的分(fen)析(xi)和處(chu)理，實現(xian)(xian)對更大(da)范(fan)圍(wei)的物理世界的管理、控制(zhi)和決策。
根據科技論文《天基物聯網: 基本概念、體系架構及發展趨勢》的描述，我們可以將衛星物聯網定義為：以衛星通信為信息傳輸的主要方式，按照空天地一體化信息網絡的標準通信協議，利用衛星通信傳感器和地面通信網絡不便于連接的其它傳感器等信息感知裝置，獲取物體信息，并通過多種網絡接入技術，將物與物、人與物、人與人連接起來，進行信息交換與通信，以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能的一種互聯互通操作的信息網絡。
相比于傳統物聯網，衛星物聯網的優勢體現為：
覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)范(fan)圍(wei)廣，可以實(shi)現全(quan)球覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)。衛(wei)星的覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)范(fan)圍(wei)半徑高達上千(qian)千(qian)米，多顆(ke)衛(wei)星組成的星座可以滿足全(quan)球覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)需求。同時，地(di)面(mian)傳感(gan)器的布設突破地(di)域空間的約束，可任(ren)意部(bu)署，在衛(wei)星覆(fu)(fu)蓋(gai)(gai)區域內，也(ye)易于(yu)向(xiang)大(da)范(fan)圍(wei)運動目標（飛機(ji)、艦(jian)船等）提供無間斷的網絡連接等。
受天氣(qi)、地(di)理條(tiao)(tiao)件影響(xiang)小，可全天時不(bu)間斷工作。由于衛星位于高(gao)空(kong)，地(di)面的地(di)形條(tiao)(tiao)件和天氣(qi)情況對(dui)它的影響(xiang)相對(dui)較(jiao)小，系統(tong)可實現全天時全天候不(bu)間斷地(di)工作。
抗毀性強，提(ti)高系(xi)統(tong)可(ke)靠性。當發生(sheng)地(di)震、洪(hong)澇(lao)、臺(tai)風等自然災(zai)害(hai)時，地(di)面通(tong)信(xin)(xin)(xin)網(wang)很有可(ke)能遭受破壞，無法提(ti)供(gong)服(fu)(fu)務，而利用衛(wei)星(xing)通(tong)信(xin)(xin)(xin)手(shou)段依然可(ke)以提(ti)供(gong)正常的物聯網(wang)通(tong)信(xin)(xin)(xin)服(fu)(fu)務，為災(zai)區提(ti)供(gong)緊急通(tong)信(xin)(xin)(xin)及(ji)救援服(fu)(fu)務。
系統容量(liang)(liang)大，可支持海量(liang)(liang)連接。衛(wei)星的(de)可用(yong)頻帶很寬，加之現階段(duan)被廣(guang)泛(fan)采用(yong)的(de)多波束星載天(tian)線技術，提高了系統容量(liang)(liang)，可支持海量(liang)(liang)終端連接需求。
衛星物聯網的系統體系架構
根據技術體系架構，可將衛星物聯網的系統體系架構從物理空間和功能組成上分為空間段、地面段和用戶段。
空(kong)間段
空間段(duan)是(shi)衛(wei)(wei)星物聯(lian)網相比于(yu)傳(chuan)統物聯(lian)網，在(zai)物理表現形式上(shang)的(de)最大(da)(da)不(bu)(bu)同(tong)。空間段(duan)分布了位于(yu)大(da)(da)氣層外(wai)不(bu)(bu)同(tong)軌道平面和高度的(de)通信(xin)、導航、遙感(gan)等衛(wei)(wei)星以及位于(yu)大(da)(da)氣層內鄰近空間的(de)飛艇等。這些衛(wei)(wei)星和飛艇上(shang)搭載(zai)了各類傳(chuan)感(gan)器和通信(xin)、路由等設備，形成互(hu)聯(lian)互(hu)通的(de)空間網絡(luo)。
地(di)面段(duan)
衛(wei)星物(wu)聯(lian)網的(de)地面段主要(yao)(yao)包括分布于地面或(huo)距離地表較近(jin)的(de)信(xin)息采(cai)(cai)集設備(bei)(bei)及(ji)其他傳(chuan)感器(qi)、地面部署的(de)數據(ju)(ju)傳(chuan)輸網絡以(yi)及(ji)地面數據(ju)(ju)處理站網。衛(wei)星物(wu)聯(lian)網地面段的(de)設備(bei)(bei)或(huo)傳(chuan)感器(qi)因(yin)各種原因(yin)需要(yao)(yao)通過衛(wei)星網絡進行接入和數據(ju)(ju)傳(chuan)輸。這(zhe)些(xie)設備(bei)(bei)或(huo)傳(chuan)感器(qi)有空(kong)中飛行的(de)民航客機、海上(shang)航行的(de)艦(jian)船搭載的(de)傳(chuan)感設備(bei)(bei)、海面上(shang)的(de)浮(fu)標、野(ye)外戰(zhan)場中布設的(de)環境傳(chuan)感器(qi)等。這(zhe)些(xie)地面或(huo)地表附近(jin)的(de)信(xin)息采(cai)(cai)集設備(bei)(bei)和傳(chuan)感器(qi)與(yu)空(kong)間(jian)段中的(de)衛(wei)星傳(chuan)感器(qi)共同(tong)構(gou)成了衛(wei)星物(wu)聯(lian)網的(de)立體感知網絡。
用(yong)戶段
衛星物聯網的用戶段就是廣泛分布于天、空、地、海的各個角落的用戶終端。
天空用戶包括各類航天飛行器和臨近空間飛行器中搭載的用戶終端。航天飛行(xing)器在空(kong)中的正常運行(xing)和任務執行(xing)均需(xu)要(yao)衛星(xing)物聯(lian)網提供功能支撐。空(kong)中用戶(hu)主(zhu)要(yao)包括各(ge)種航空(kong)飛行(xing)器，如(ru)民航客機、軍用飛機、無人機等(deng)飛行(xing)器以及(ji)這些飛行(xing)器上搭載的乘客、設(she)備等(deng)均需(xu)要(yao)通(tong)過衛星(xing)物聯(lian)網獲取通(tong)信(xin)服務。
地面用戶是衛星物聯網占比最大、數量最多的用戶群體。第一類是(shi)不便于通過地面(mian)網絡接入的(de)用戶，如位于荒(huang)漠、山(shan)區(qu)、叢林、野外的(de)旅客、居民、士兵(bing)等(deng)。第二類是(shi)政府部(bu)(bu)門(men)(men)、行業用戶等(deng)，如國(guo)土資源部(bu)(bu)門(men)(men)需(xu)要(yao)利用衛(wei)(wei)星(xing)(xing)物聯網對國(guo)土資源進行周(zhou)期性的(de)測繪(hui)，氣象部(bu)(bu)門(men)(men)需(xu)要(yao)利用衛(wei)(wei)星(xing)(xing)物聯網對氣候變化情況進行及時的(de)監測。
海洋是衛星物聯網應用的重要場景，地球約80%的面積都被海(hai)(hai)洋覆蓋，而在海(hai)(hai)洋上(shang)的(de)信(xin)(xin)息傳輸基(ji)本只能(neng)依靠衛星(xing)通信(xin)(xin)實現。各類(lei)艦船等(deng)海(hai)(hai)上(shang)運載工具搭載的(de)設備和乘客(ke)均(jun)是衛星(xing)物聯(lian)網的(de)用戶。海(hai)(hai)面上(shang)的(de)浮標、海(hai)(hai)島上(shang)的(de)燈塔等(deng)也(ye)可通過(guo)衛星(xing)物聯(lian)網實現信(xin)(xin)息的(de)傳輸。
衛星(xing)物聯網體系架(jia)構（引(yin)自《天基物聯網: 基本(ben)概念、體系架(jia)構及(ji)發展(zhan)趨勢》）
衛星物聯網的發展前景
一個規模可觀的衛星物聯網市場正在加速崛起。在消費電子巨頭蘋果和(he)華(hua)為的雙重推(tui)動下，手機直連衛星(xing)(xing)(xing)業(ye)務(wu)得(de)到重視，進入(ru)發(fa)展高速(su)期(qi)。以消費需求為牽引，有望加大衛星(xing)(xing)(xing)通信技術(shu)的研發(fa)和(he)探索，加快大規(gui)模低軌衛星(xing)(xing)(xing)互(hu)聯網的建(jian)設(she)，推(tui)動衛星(xing)(xing)(xing)物聯網行業(ye)快速(su)發(fa)展。
從衛星廠商、手機廠商、芯片廠商再到(dao)(dao)通(tong)信運營商，整個衛(wei)星物聯網(wang)生(sheng)態的發展(zhan)正在全面加速。綜合Omdia、ABI Research、麥肯(ken)錫(xi)等(deng)機構數據，預(yu)計到(dao)(dao)2025年(nian)，衛(wei)星物聯網(wang)產值(zhi)可達5600億美元至(zhi)8500億美元。而根據信通(tong)院預(yu)測，到(dao)(dao)2027年(nian)全球衛(wei)星通(tong)信終端市場規(gui)模將(jiang)達到(dao)(dao)109億美元。
根據Berg Insight數據，2021年(nian)全球衛星物聯網用(yong)戶群為390萬(wan)，預計(ji)2026年(nian)達到2120萬(wan)，復合年(nian)增長率(lv)為40.3%。
通信企業的布局
目前，不少通信相關企業已經開(kai)始(shi)在衛星物聯網領域(yu)展開(kai)部(bu)署。
智(zhi)次方(fang)·物聯網(wang)智(zhi)庫就行(xing)(xing)業發(fa)展現(xian)狀及前景相關的一些問題，對芯片設計(ji)公司紫光(guang)展銳進行(xing)(xing)了采訪。
對于衛星物聯芯片行業的(de)發展方面，他們在回復中提到(dao)，從(cong)芯片公司(si)的(de)角度看，技術預研和(he)產(chan)品應用的(de)落地兩個環節都至(zhi)關重要。紫光展銳(rui)在5G NTN標準化(hua)研究、業務(wu)驗證和(he)產(chan)品開(kai)發上一直在持續發力(li)，通(tong)過充分的(de)測試驗證，嘗試將(jiang)5G NTN技術擴展至(zhi)更(geng)豐富的(de)終(zhong)端(duan)平臺(tai)，進而推動終(zhong)端(duan)成本的(de)降(jiang)低與性能的(de)提升(sheng)。
截至今年初，紫光展銳已經完成全球首次L頻段、S頻段5G NTN技術上星驗證；產品開發方面，紫光展銳在今年 7 月份推出了首款5G NTN衛星通信芯片V8821，單芯片平臺上集成了基帶、射頻、電源管理(li)、存(cun)儲等通信設備常用(yong)功(gong)能。
此外(wai)，紫光展銳(rui)也表示，他們已經(jing)啟動(dong)了(le)6G基礎研究、核心關鍵(jian)技(ji)術(shu)攻(gong)關和(he)(he)標準化(hua)工作(zuo)。在推進(jin)IoT NTN技(ji)術(shu)創新和(he)(he)產品商(shang)用落地的(de)同時，紫光展銳(rui)已針對旨(zhi)在提供更高連接速率的(de)NR-NTN和(he)(he)NR-ATG（地空通信）技(ji)術(shu)進(jin)行深入研究，進(jin)一步挖掘技(ji)術(shu)演進(jin)與應用的(de)價(jia)值空間(jian)，以推動(dong)空天地一體(ti)化(hua)網絡(luo)商(shang)業化(hua)進(jin)展。
通過公開渠道，我們(men)也獲知(zhi)了其它一些企業的相關動作。
2023 年年初，移遠通信宣布面向物聯網行業應用推出了CC200A-LB衛星通信模組。這一產品主要針對(dui)那些蜂(feng)窩網(wang)絡無法覆蓋(gai)的偏(pian)遠區域，為其(qi)提供可靠的全球無線網(wang)絡覆蓋(gai)和連接，應用在海事、運輸、重(zhong)型設備、農業、采礦以(yi)及(ji)石油(you)和天(tian)然氣(qi)監測等(deng)場景(jing)下。
2023年 6 月份，高通推出了高通?212S調制解調器和高通?9205S調制解調器兩款支持衛星通信功能的調制解調器芯片。符(fu)合3GPP R17標準，支(zhi)持地(di)球同步軌道(dao)（GSO）衛星的衛星通(tong)信(xin)，能(neng)夠在全(quan)球范圍實現連接，并提供便捷的終端設置和定位功(gong)能(neng)，賦能(neng)需(xu)要獨(du)立非地(di)面(mian)網(wang)絡連接或NTN與地(di)面(mian)網(wang)絡混合連接的離網(wang)工業用例(li)。
在 2023 年 6 月底的MWCSH 2023上海世界移動通信大會上，美格智能展示了其支持5G NB IoT、Cat.M和雙向衛星鏈路的新一代智能定位終端（Tracker）解決方案。并且宣稱，正在積極推進產品進入衛星物聯網市場，拓展模組應用領域。其正在研發的SLM156S模組支持Cat-M/NB2及IoT-NTN通信，集(ji)成了UART、USB等(deng)多個工(gong)業標(biao)準接口和豐富網絡(luo)協議，可為各(ge)類(lei)物(wu)聯網終端提供覆蓋全(quan)球的網絡(luo)連接。
需要克服的難點
盡管(guan)發展前景很美好，我(wo)們也要意識(shi)到(dao)，衛星(xing)物聯(lian)(lian)網(wang)尚處于技術(shu)研究期，仍存在許多的(de)(de)技術(shu)難(nan)點待攻克(ke)。針對衛星(xing)物聯(lian)(lian)網(wang)發展面(mian)臨的(de)(de)困境，紫光展銳(rui)在回復(fu)中提到(dao)了以下(xia)幾點：
我(wo)國存量(liang)衛(wei)星(xing)數量(liang)較小，且基本是同步(bu)衛(wei)星(xing)，新建(jian)衛(wei)星(xing)速度(du)需要加快。
目前產業生態不夠豐富，終端(duan)芯片廠商與設備廠商比較集中，運營(ying)及商業模式尚在探索當(dang)中。
在工程實(shi)踐方(fang)面(mian)存在一些難(nan)題，例如，通信場景豐富(fu)、模型復雜、規模測試難(nan)度大(da)；衛星通信與地面(mian)通信體系迥異、互(hu)通難(nan)度大(da)，融合運營挑戰(zhan)大(da)。
由非陸地平臺的特(te)點(dian)所帶來的通信技(ji)術難點(dian)，例如(ru)，傳(chuan)播時延(yan)變(bian)化快，多普勒頻(pin)偏大，大傳(chuan)播時延(yan)，大路徑損耗(hao)等。
衛星通信體制選(xuan)擇方面還存在(zai)爭(zheng)議和不確定性。
在未來的產業發展上，紫光展銳提到，衛星物聯網的發展仍需產業各方加強生態合作，從基礎科學研究和技術創新驗證到基礎設施建設，再到包括衛星服務供應(ying)商、設備(bei)商、芯片公司、終端廠家(jia)等在(zai)通(tong)(tong)信技(ji)術(shu)、元器件、通(tong)(tong)信設備(bei)、通(tong)(tong)信網絡(luo)等方面(mian)(mian)的投入與成果(guo)轉化，均應(ying)在(zai)標(biao)準、技(ji)術(shu)、業務運營(ying)方面(mian)(mian)促進創新鏈和產(chan)業鏈的融合，推動萬物互聯的天(tian)地一體化立體網絡(luo)構建。
在技術發展上，紫光展銳認為，在未來，衛星物聯網與地面蜂窩網絡的協同和融合將主要從空口、頻率、架構等三個方面進行。在(zai)空(kong)(kong)口方面(mian)，以5G通信(xin)技術為(wei)基礎，充分考慮(lv)衛(wei)星(xing)傳輸和(he)(he)地(di)面(mian)傳輸的(de)(de)(de)差異性(xing)，形成統一融(rong)合的(de)(de)(de)空(kong)(kong)口協議設計，滿足地(di)面(mian)通信(xin)與衛(wei)星(xing)通信(xin)的(de)(de)(de)聯合需(xu)求(qiu)；在(zai)頻率(lv)方面(mian)，進行星(xing)地(di)頻率(lv)融(rong)合和(he)(he)高效互補，提高兩張(zhang)網絡的(de)(de)(de)聯合頻譜利用效率(lv)；在(zai)架構方面(mian)，接入網、承載網、核心網的(de)(de)(de)網元功能(neng)(neng)在(zai)衛(wei)星(xing)和(he)(he)地(di)面(mian)之(zhi)間進行柔(rou)性(xing)分割和(he)(he)智能(neng)(neng)重構，通過對(dui)星(xing)地(di)資(zi)源統一調度和(he)(he)控制(zhi)，實現網絡全局(ju)優化和(he)(he)資(zi)源綠色集約。
衛星物聯網與地面蜂窩網絡融合通信的應用場景非常多。比(bi)如在物(wu)(wu)流(liu)(liu)配送領(ling)域(yu)，便捷而發(fa)達的(de)(de)物(wu)(wu)流(liu)(liu)網絡(luo)(luo)，既是現代生產生活的(de)(de)重要組成，也是邊遠地(di)區(qu)新農(nong)村建設的(de)(de)重要支撐。通(tong)過(guo)星(xing)(xing)地(di)融(rong)合雙(shuang)模終端，在城鎮(zhen)區(qu)域(yu)進行(xing)地(di)面蜂窩通(tong)信，在邊遠地(di)區(qu)進行(xing)衛(wei)星(xing)(xing)物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網通(tong)信，實現運輸車(che)輛及貨(huo)物(wu)(wu)狀態(tai)的(de)(de)全(quan)球無縫(feng)回傳和(he)遠程控制(zhi)，助力物(wu)(wu)流(liu)(liu)后一(yi)公里(li)建設。在電力輸送領(ling)域(yu)，輸電線路既分布(bu)在城鎮(zhen)農(nong)村，也分布(bu)山區(qu)、戈壁等邊遠地(di)區(qu)。星(xing)(xing)地(di)融(rong)合物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網終端，可通(tong)過(guo)地(di)面網絡(luo)(luo)和(he)衛(wei)星(xing)(xing)物(wu)(wu)聯(lian)(lian)網，實現電力線路參數的(de)(de)全(quan)域(yu)無縫(feng)常態(tai)化監控。
寫在最后
伴(ban)隨低(di)軌衛星數量的(de)增(zeng)多和通(tong)信技術(shu)的(de)進步，“天網(wang)”正(zheng)在成為地面(mian)網(wang)絡(luo)的(de)有力補(bu)充，覆蓋通(tong)信連接(jie)的(de)最后一公(gong)里。在此(ci)背景下(xia)，衛星物聯(lian)網(wang)正(zheng)如火箭般蓄勢(shi)待發，我們似(si)乎已經看到了它騰(teng)飛的(de)火光，聽到了它破空的(de)隆隆聲。
站在起(qi)跑(pao)線上，各路玩家也早(zao)已摩(mo)拳擦掌。從芯片、模組企(qi)業，到終(zhong)端廠商(shang)，再(zai)到運營商(shang)，無不敏銳(rui)地洞察著衛星物聯網的發展動向(xiang)，伺機而動，他們(men)將攜手(shou)推動這艘巨(ju)輪駛向(xiang)廣(guang)袤的太(tai)空(kong)海洋(yang)。
與此同時，我們也要看到(dao)，盡(jin)管新(xin)大陸充滿(man)了誘惑，航程本身卻(que)依舊(jiu)任重道遠(yuan)。技(ji)術難點仍需克服，生態鏈亟待(dai)完善……在(zai)這條通(tong)往遠(yuan)方的道路上，衛星物聯網還需要堅實(shi)的步伐，穩(wen)健的節(jie)奏，以及所有的行業志士(shi)們匯聚(ju)起的磅礴之(zhi)力。
但(dan)我們相(xiang)信，只要循著(zhu)技術的指引，由萬物互聯的星辰大海，我們終(zhong)將會抵(di)達。
參考文獻：
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