DE19521327A1 - Secure information transmission method using multi-component coding - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gesicherten Übertra gung von Information nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine hierzu geeignete Codiereinrichtung.The invention relates to a method for secure transmission supply of information according to the preamble of the claim 1 and a coding device suitable for this.
Bei der Übertragung von Information über gestörte Datenkanäle treten häufig Störungen auf. Diese Störungen können bei binärer Übertragung einzelne Bits oder Gruppen von Bits invertieren. Um diese Übertragungsfehler empfangsseitig erkennen und gegebenenfalls korrigieren zu können, werden sendeseitig zu den Informationsbits noch Kontrollbits hinzu gefügt und übertragen. Eine Übersicht über die verbreitetsten Verfahren zur Kanalcodierung ist in J. G. Proakis "Digital Communications", McGraw-Hill International Editions, 1989 beschrieben.When transmitting information via disturbed data channels faults often occur. These disorders can binary transmission single bits or groups of bits invert. To receive these transmission errors be able to recognize and correct if necessary control bits are added on the transmission side to the information bits added and transferred. An overview of the most common The method for channel coding is in J.G. Proakis "Digital Communications ", McGraw-Hill International Editions, 1989 described.
C. Berrou stellte 1993 ein neues leistungsfähiges, auf der parallelen Verkettung von mindestens zwei rekursiven systema tischen Faltungscodes und ihrer iterativen Decodierung basie rendes Verfahren zur Kanalcodierung, die "Turbo-Codierung", vor.C. Berrou introduced a new powerful one in 1993 parallel concatenation of at least two recursive systems table convolutional codes and their iterative decoding channel coding method, the "turbo coding", in front.
Dieses Codierungsverfahren ist in den folgenden Literatur stellen ausführlich beschrieben:This coding method is in the following literature described in detail:
- - C. Berrou, "Near Shannon limit error-correcting and deco ding: Turbo-Codes (1)", Proc. ICC′93, May 1993;- C. Berrou, "Near Shannon limit error-correcting and deco thing: Turbo-Codes (1) ", Proc. ICC'93, May 1993;
- - Demande de brêvet europ´en, N. de publication: 0 511 141 A1, Inventeur: C.Berrou, "Proc´d´ de codage correcteur d'erreurs à moins deux codages convolutifs syst´matiques en parallèle, proc´d´ de d´codage int´ratif, module de d´codage correspondants"- Demande de brêvet europ´en, N. de publication: 0 511 141 A1, inventory: C. Berrou, "Proc´d´ de codage correcteur d'erreurs à moins deux codages convolutifs syst´matiques en parallel, proc´d´ de d´codage int´ratif, module de d´codage correspondants "
- - J. Hagenauer et al, "Iterative ("Turbo") decoding of syste matic convolutional codes with MAP and SOVA algorithms", ITG Fachtagung "Codierung", München, Okt. 1994- J. Hagenauer et al, "Iterative (" Turbo ") decoding of system matic convolutional codes with MAP and SOVA algorithms ", ITG Conference "Coding", Munich, October 1994
- - J. Hagenauer, L. Papke, "Decoding "Turbo"-Codes with the Soft Output Viterbi Algorithm (SOVA)", 1994 International Symposium on information theory, Trondheim, 1994.- J. Hagenauer, L. Papke, "Decoding" Turbo "codes with the Soft Output Viterbi Algorithm (SOVA) ", 1994 International Symposium on information theory, Trondheim, 1994.
Bei einem Mehrkomponenten-Code, dem sogenannten Turbo-Code, werden mehrere verkettete Komponenten-Codes parallel gene riert. Die Coderate, das Verhältnis der Informationsbits zu der Gesamtheit von Informationsbits und Kontrollbits, ergibt sich aus den Coderaten der verwendeten Komponenten-Codes und einer Selektionsvorschrift, durch die aus den Codesymbolen der generierten Codefolgen eine Auswahl erfolgt. Auf diese Weise kann in einem weiten Bereich die Coderate festlegt wer den, mit der allerdings die Fähigkeit zur Fehlerkorrektur bzw. Fehlererkennung eng verknüpft ist.With a multi-component code, the so-called turbo code, several concatenated component codes are created in parallel riert. The code rate, the ratio of information bits to the totality of information bits and control bits from the code rates of the component codes used and a selection rule, from which the code symbols the generated code sequences are selected. To this The code rate can be set in a wide range the one with the ability to correct errors or error detection is closely linked.
In der europäischen Patentanmeldung mit der Publikationsnum mer 0 511 141 werden gemäß einer fest vorgegebenen Selek tionsvorschrift (Punktierungsvorschrift) bestimmte Codesym bole aus den erzeugten Codefolgen ausgewählt. Diese Vor schrift muß natürlich auch dem Decoder bekannt sein.In the European patent application with the publication number mer 0 511 141 according to a fixed selection tion rule (puncturing rule) certain code sym bole selected from the generated code sequences. This before font must of course also be known to the decoder.
Häufig ist es aus den unterschiedlichsten Gründen, beispiels weise der Qualität des Übertragungskanals oder der erforder lichen Datensicherung, wünschenswert, unterschiedliche Code raten zu realisieren.It is often for a variety of reasons, for example the quality of the transmission channel or the required data backup, desirable, different code advise to realize.
Aus der Offenlegungsschrift DE 34 43 041 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Übertragungsqualität von Bildsignalen bekannt, das bei Störungen die Anzahl der Informationsbits reduziert und an deren Stelle Kontrollbits eines fehlerkorri gierenden Codes überträgt. Durch einen Rückkanal sind Sende- und Empfangseinrichtung über den jeweiligen Übertragungsmode informiert. Dieses Verfahren ist jedoch bei der Übertragung von Daten und auch bei bereits reduzierten Sprach- oder Bild signalen nicht anwendbar, da sämtliche Informationsbits benö tigt werden. Verschiedene Coderaten erfordern hier jeweils eine eigene Codier- und Decodiereinrichtung.A method is known from the published patent application DE 34 43 041 A1 to improve the transmission quality of image signals known that the number of information bits reduced and in its place control bits of an error corri transmitting codes. Through a return channel, and receiving device via the respective transmission mode informed. However, this procedure is in the process of transmission of data and also with already reduced speech or picture signals not applicable, since all information bits required be done. Different code rates are required here its own coding and decoding device.
Das Problem, zwischen unterschiedlichen Datensicherungsstufen oder Coderaten umschalten zu können, wird durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Eine geeignete Codiereinrichtung und Decodiereinrichtung sind in unabhängigen Ansprüchen angegeben.The problem between different levels of data protection or to be able to switch code rates is enabled by the im Claim 1 specified method solved. A suitable coding device and decoding device are specified in independent claims.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are in the depend given claims.
Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt in einer frei wählbaren Coderate mit einem der Coderate zugeordneten ande ren Codierverfahren meist überlegenen Fehlerschutz entspre chen den wechselnden Anforderungen der unterschiedlichen Dienste ohne Änderungen bei der Coder- und Decodereinrichtung durchführen zu müssen.The particular advantage of this method is that it is free selectable code rate with another assigned to the code rate Their coding method usually corresponds to superior error protection Chen the changing requirements of the different Services with no changes to the encoder and decoder setup to have to perform.
Das Verfahren ist auch vorteilhaft anwendbar, wenn wichtige Informationsabschnitte oder ausgewählte Bits mittels einer wählbaren "dynamische" Selektionsvorschrift durch Erhöhung der zugeordneten Kontrollbits einen besseren Fehlerschutz erhalten als andere Informationsabschnitte bzw. Bits geringe rer Bedeutung.The method is also advantageously applicable when important Sections of information or selected bits using a selectable "dynamic" selection rule by increasing the assigned control bits provide better error protection receive less than other sections of information or bits rer meaning.
Es ist vorteilhaft, wenn die Selektionsvorschrift in einem Speicher eingeschrieben wird. Besonders bei einem löschbaren Speicher (EEPROM) oder bei einem Schreib-Lese-Speicher (RAM) wird eine besonders flexible Codierung möglich.It is advantageous if the selection rule is in a Memory is written. Especially with an erasable one Memory (EEPROM) or read-write memory (RAM) a particularly flexible coding is possible.
Besonders vorteilhaft kann ein selektiv verbesserter Fehler schutz erreicht werden, indem einigen Codern als Selektoren wirkende Filter vorgeschaltet werden, die jeweils nur die wichtigeren Informationsbits oder Informationsabschnitte an die Coder durchschalten.A selectively improved error can be particularly advantageous protection can be achieved by using some coders as selectors acting filters are upstream, each only more important information bits or sections of information switch the encoders through.
Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Coder für einen rekursiven systematischen Code, Fig. 1 shows a coder for a recursive systematic code,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Codier einrichtung und Fig. 2 is a block diagram of a coding device according to the invention and
Fig. 3 eine besonders vorteilhafte Codieranordnung und Fig. 3 shows a particularly advantageous coding arrangement and
Fig. 4 eine zugehörige Decodiereinrichtung. Fig. 4 shows an associated decoding device.
In Fig. 1 ist ein Coder für einen rekursiven systematischen Code mit zwei binären Speicherstufen K1, K2 sowie zwei Modulo-2-Addierern H1 und H2 dargestellt. Über einen Daten eingang 1 gelangt jeweils eine Informationssequenz I = I₁, I₂, . . . IL bitweise zum Informationsausgang 2 und gleichzeitig zu einem Eingang des ersten Modulo-2-Addierers H1, dem außer dem die in den Speicherstufen K1, K2, dem Coder-Gedächtnis, vorliegenden Bits zugeführt werden. Das Ergebnis der Modulo- 2-Addition wird dem Dateneingang der ersten Speicherstufe K1 zugeführt. Durch eine weitere Modulo-2-Addition der Modulo-2- Summe am Ausgang des ersten Modulo-2-Addierers H1 und der am Ausgang der zweiten Speicherstufe K2 anliegenden Information wird eine Kontrollsequenz P mit Kontrollbits P generiert und am Kontrollausgang 3 abgegeben. Die an den Ausgängen 2 und 3 anliegenden Codesymbole (Bits) werden in der Regel bitweise verschachtelt ausgesendet. Der Coder arbeitet in bekannter Weise mit einem Bittaktsignal, das in diesem Prinzipschalt bild nicht dargestellt ist.In Fig. 1 is a coder for a recursive systematic code with two binary storage levels K1, K2 illustrated and two modulo-2 adders H1 and H2. Via a data input 1 , an information sequence I = I₁, I₂,. . . I L bit by bit to the information output 2 and at the same time to an input of the first modulo-2 adder H1, to which the bits present in the memory stages K1, K2, the coder memory, are also supplied. The result of the modulo-2 addition is fed to the data input of the first memory stage K1. By means of a further modulo-2 addition of the modulo-2 sum at the output of the first modulo-2 adder H1 and the information present at the output of the second memory stage K2, a control sequence P with control bits P is generated and output at the control output 3 . The code symbols (bits) present at outputs 2 and 3 are usually sent out nested bit by bit. The coder works in a known manner with a bit clock signal, which is not shown in this basic circuit diagram.
In Fig. 2 ist eine Codiereinrichtung zur Erzeugung eines "Turbo-Codes" als Prinzipschaltbild dargestellt. Sie enthält mehrere Komponenten-Coder COD1 bis CODn, denen über Interlea ver IV1 bis IVn eine Informationssequenz I zugeführt wird. Die Interleaver haben die Aufgabe, die Informationsbits in einer anderen zeitlichen Reihenfolge auszugeben. Dadurch soll erreicht werden, daß von Störungen im Übertragungskanal unterschiedliche Bits betroffen werden. Es können gleiche oder auch unterschiedliche Coder verwendet werden, die aller dings in der Praxis meist mehr als zwei Speicherstufen auf weisen. Die dem Coder 1 zugeführten Informationssequenz I wird unverändert am Informationsausgang 2 abgegeben; die erzeugte Kontrollsequenz P₁ wird am Kontrollausgang 3 abge geben.In FIG. 2, an encoder for generating a "Turbo-Codes" is shown as a schematic diagram. It contains several component coders COD1 to CODn, to which an information sequence I is fed via interlea ver IV1 to IVn. The interleavers have the task of outputting the information bits in a different chronological order. This is to ensure that different bits are affected by interference in the transmission channel. The same or different coders can be used, which, however, usually have more than two memory levels in practice. The information sequence I fed to the coder 1 is delivered unchanged at the information output 2 ; the control sequence P ₁ is given abge at the control output 3 .
Weist der Code eine Datenrate < 1/2 auf, dann sind mehrere Kontrollausgänge vorhanden.If the code has a data rate <1/2, then there are several Control outputs available.
In derselben Weise werden von den weiteren Komponenten-Codern COD2 bis CODn aus verwürfelten Informationssequenzen I₂, I₃, . . . Codefolgen X₂ bis X n erzeugt. Sämtliche Codefolgen wer den einer Selektionseinrichtung SE zugeführt, die Codesymbole dieser Codefolgen auswählt (in Sonderfällen auch alle Code symbole).In the same way from the other component coders COD2 to CODn from scrambled information sequences I ₂, I ₃,. . . Code sequences X ₂ to X n generated. All code sequences are supplied to a selection device SE, which selects the code symbols of these code sequences (in special cases also all code symbols).
Der Selektionsalgorithmus SAL wird - unter Berücksichtigung der erzeugten Komponenten-Codes - beispielsweise von der Art des genutzten Dienstes, der Rahmen- oder Blockstruktur, der verfügbaren Datenrate, der Qualität des Übertragungskanals - über die eine der Codiereinrichtung zugeordnete Steuerung über einen Rückkanal informiert wird - und von den Anforde rungen an die Datensicherheit usw. bestimmt. Auch können Daten entsprechend ihrer Bedeutung oder spezielle Werte binär codierter Sprachsignale entsprechend ihrer Bedeutung für die Verständlichkeit mit einem unterschiedlichen Fehlerschutz versehen werden.The selection algorithm SAL is - taking into account the generated component codes - for example of the type the service used, the frame or block structure, the available data rate, the quality of the transmission channel - via the controller assigned to the coding device is informed via a return channel - and by the requirements data security and so on. Can too Binary data according to its meaning or special values encoded speech signals according to their meaning for the Understandability with different error protection be provided.
Die Änderung der Selektionsvorschriften kann sowohl in festen Zyklen als auch beispielsweise bei einer sich verschlechtern den Übertragungsqualität während der Verbindung erfolgen. Ebenso können für bestimmte Phasen einer Verbindung, bei spielsweise während des Verbindungsaufbaus, andere Selek tionsvorschriften angewendet werden. The change in the selection rules can be both fixed Cycles as well as deteriorate for example the transmission quality during the connection. Likewise, for certain phases of a connection, for example while connecting, other Selek regulations are applied.
Die Selektionseinrichtung, die einem Multiplexers entspricht, wird hierbei von der Steuerung STC gesteuert. Diese verfügt über alle Kriterien zur "dynamischen" Steuerung der Selek tion. Ausgegeben wird in der Regel eine serielle Codefolge X s.The selection device, which corresponds to a multiplexer, is controlled by the control STC. This has all the criteria for "dynamic" control of the selection. A serial code sequence X s is usually output.
Der Selektionsalgorithmus SAL wird in der Regel in einem Speicher eingegeben. Entsprechend der erforderlichen Flexibi lität, kann dies ein RAM oder ROM sein. In einigen Fällen kann auch eine hardwaremäßige Verdrahtung als "Speicher" Ver wendung finden.The selection algorithm SAL is usually in one Memory entered. According to the required flexibility lity, this can be RAM or ROM. In some cases can also be a hardware wiring as "memory" Ver find application.
In Fig. 3 ist eine modifizierte Codiereinrichtung CODM dar gestellt, die zusätzlich zu den beschriebenen Maßnahmen eine Auswahl der wichtigeren Bits der zu codierenden Informations sequenz I durchführt und diese Bits weiteren Codern COD3, . . ., CODn zuführt. Zur Auswahl dieser Bits oder Bitfolgen ist mindestens einem Interleaver IV3, . . ., IVn ein Filter FI vor geschaltet. Der Auswahlalgorithmus wird ebenso wie der Selek tionsalgorithmus in der Steuerung STC gespeichert. Die ausge wählten Bits können beispielsweise sämtliche Bits von wichti gen Daten sein oder auch die höchstwertigen Bits von PCM- codierten Sprachsignalen. Durch diese angepaßte Codierung kann, bei einem geringeren Fehlerschutz der weniger wichtigen Bits die Übertragungsrate der ausgegebenen Codefolge X s gesenkt werden.In Fig. 3, a modified coding device CODM is presented which, in addition to the measures described, performs a selection of the more important bits of the information sequence I to be coded and these bits further coders COD3,. . ., CODn feeds. To select these bits or bit sequences, at least one interleaver IV3,. . ., IVn switched a filter FI before. The selection algorithm, like the selection algorithm, is stored in the control STC. The selected bits can, for example, be all bits of important data or the most significant bits of PCM-encoded speech signals. With this adapted coding, the transmission rate of the output code sequence X s can be reduced with less error protection of the less important bits.
Als Komponenten-Codes sind, insbesondere für die mit einem vorgeschalteten Filter versehenen Coder, auch Single-Parity- Check-Codes besonders geeignet.As component codes are, especially for those with one upstream filter provided coder, also single parity Check codes particularly suitable.
In Fig. 4 ist eine modifizierte Decodiereinrichtung CODE schematisch dargestellt, die zur Decodierung dieser Codefolge X s geeignet ist. Sie enthält einen Demultiplexer DEM, dem die digitalisierten Abtastwerte der empfangenen seriellen Codefolge Y s, die im Störungsfreien Fall mit der gesendeten Codefolge X s übereinstimmt, zugeführt wird und sie in Code folgen Y₁ bis Y n aufteilt. Sie besitzt weiter invers arbei tende Interleaver IV1* bis IV2*, Filter FI3* bis FIn*, deren Selektionsvorschrift exakt mit der Selektionsvorschrift der endcoderseitig verwendeten Filter übereinstimmt, und eine den Komponenten-Codern entsprechende Anzahl von Komponentende coder DEC1 bis DECn, denen zu den Interleavern korrespondie rende Deinterleaver DI1 bis DIn nachgeschaltet sind. Den Decodern werden über Summierschaltungen SU1 bis SUn die digi talisierten Abtastwerte und bei den folgenden Iterations schritten die Extrinsic-Komponenten L₁ bis Ln zugeführt. Über die Summierer kann den Decodern auch eine "a priori-Informa tion" PR zugeführt werden. FIG. 4 schematically shows a modified decoding device CODE which is suitable for decoding this code sequence X s . It contains a demultiplexer DEM, to which the digitized samples of the received serial code sequence Y s , which corresponds to the transmitted code sequence X s in the fault-free case, are fed and divided into code sequences Y 1 to Y n . It also has inversely working interleaver IV1 * to IV2 *, filter FI3 * to FIn *, whose selection specification exactly matches the selection specification of the filter used on the end encoder side, and a number of component end coders DEC1 to DECn that correspond to the component coders Interleavers corresponding deinterleavers DI1 to DIn are connected downstream. The decoders are supplied via summing circuits SU1 to SUn the digitized samples and in the following iterations the extrinsic components L₁ to L n . An "a priori information" PR can also be supplied to the decoders via the summers.
Bei alternativen Darstellungen werden dem ersten Summierer der ersten Decodierstufe die Abtastwerte zugeführt werden. Auf die Interleaver kann bei einem Coder und dem zugehörigen Decoder häufig verzichtet werden. Der technische Aufbau der Codier- und Decodiereinrichtung ist dem Fachmann bekannt und in der Literatur ausreichend beschrieben. Auf die Darstel lung, von Laufzeitgliedern usw. wurde daher in der Prinzip darstellung verzichtet.In alternative representations, the first totalizer the samples are fed to the first decoding stage. The interleaver can be used with a coder and the associated one Decoders are often dispensed with. The technical structure of the Coding and decoding device is known to the person skilled in the art and adequately described in the literature. On the display development, term members etc. was therefore in principle representation waived.
Jeder Komponentendecoder verwendet folglich entsprechend dem bekannten Schema von C. Berrou nur die Kanalinformation Y über die Codesymbole der empfangenen seriellen Codefolge Ys, die Teil des zu decodierenden Komponenten-Codes sind. Ebenso verwendet jeder Komponentendecoder auch nur die "a priori Information", über Eigenschaften der Codefolge, der Informa tionsbits eben dieser Teilsequenz.Each component decoder consequently uses only the channel information Y about the code symbols of the received serial code sequence Y s , which are part of the component code to be decoded, in accordance with the known scheme of C. Berrou. Likewise, each component decoder also only uses the "a priori information", about properties of the code sequence, of the information bits of this partial sequence.
Die Komponentendecoder liefern entsprechend jeweils nur eine dem entsprechenden Teil der Informationssequenz zugeordnete aktuelle Extrinsic-Information L1a bis Lna Extrinsic-Informa tion, die an die folgenden Decoder geführt ist und deren Ent scheidung verbessert. The component decoders each correspondingly deliver only current extrinsic information L 1a to L na extrinsic information associated with the corresponding part of the information sequence, which is passed to the following decoders and improves their decision.
Jeder zum jeweiligen mit einem Filter FI versehenen Interlea ver korrespondierende Deinterleaver DI3 und DIn wird um ein Einfüge-Modul IN3 bis INn erweitert, das in die Sequenz der ermittelten Extrinsic-Informationen an den Positionen der Informationsbits, die aufgrund der Selektion durch das Filter keine Elemente der Teilsequenz sind, Nullen einfügt.Each interlea provided with a FI filter The corresponding deinterleaver DI3 and DIn is changed by one Insert module IN3 to INn extended into the sequence of Extrinsic information determined at the positions of the Information bits due to the selection by the filter are not elements of the substring, insert zeros.
Selbstverständlich müssen dem Decoder sowohl die Selektions vorschriften der Filter als auch die Verwürfelungsvorschrift der Interleaver bekannt sein. Eine dem Decoder zugeordnete Steuerung STD sorgt für eine entsprechende Verarbeitung der empfangenen Information.Of course, both the selection and the decoder regulations of the filter as well as the scrambling regulation the interleaver should be known. One assigned to the decoder Control STD ensures appropriate processing of the received information.
Die Decodierung erfolgt in mehreren "Zyklen", bei denen die gewonnene Extrinsic-Informationen den Summierereingängen und die Kanalinformation Y den Decodern erneut zugeführt wird. Die Entscheidung, welcher (in der Regel) binäre Wert empfan gen wurde, erfolgt aufgrund der Extrinsic-Informationen des letzten Decoders der Decoderkette.The decoding takes place in several "cycles" in which the Extrinsic information obtained the summing inputs and the channel information Y is fed to the decoders again. Deciding which (usually) received binary value was based on the extrinsic information of the last decoder of the decoder chain.
Wurden die Informationsbits verwürfelt, so muß die Verwürfe lung selbstverständlich - hier in einer Ausgabestufe rückgän gig gemacht werden.If the information bits have been scrambled, the scrubs must be of course - here in one edition level be made gig.
Die Decodiereinrichtung läßt sich in an sich bekannter Weise im Feed-back- oder Pipeline-Struktur realisieren.The decoding device can be in a manner known per se in the feedback or pipeline structure.
Claims (11)
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Applications Claiming Priority (1)
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| DE1995121327 DE19521327A1 (en) | 1995-06-12 | 1995-06-12 | Secure information transmission method using multi-component coding |
Publications (1)
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| DE19521327A1 true DE19521327A1 (en) | 1996-12-19 |
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Family Applications (1)
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| DE1995121327 Withdrawn DE19521327A1 (en) | 1995-06-12 | 1995-06-12 | Secure information transmission method using multi-component coding |
Country Status (1)
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