室內(nèi)LED 可見光定位若干關鍵技術(shù)的比較研究

趙嘉琦，遲 楠

(復旦大學 通信科學與工程系;電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海 200433)

0 引言

隨著智能通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起與發(fā)展，基于位置識別的服務(Location Based Services，LBS)正受到越來越多的關注，其中定位技術(shù)是實現(xiàn)LBS 的關鍵。

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)作為目前最為常用的導航定位系統(tǒng)，其技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，并且得到了廣泛的應用。但由于多徑衰落的影響、其他無線設備的干擾以及建筑物的阻擋，GPS在室內(nèi)的信號覆蓋度差，可靠性低，定位效果并不理想。為解決定位導航“最后一公里”的問題，各研究機構(gòu)在室內(nèi)定位技術(shù)方面開展了大量的研究，涌現(xiàn)了很多新的技術(shù)，如基于紅外線、超聲波、藍牙、超寬帶、射頻識別、WiFi、可見光通信等的室內(nèi)無線定位技術(shù)，有效填補了LBS 在室內(nèi)定位這一塊的空白。其中基于LED 可見光通信的定位技術(shù)是近年來新興的一種定位技術(shù)，具有極大的發(fā)展前景，文章后半部分將對這種技術(shù)進行詳細的介紹。

1 室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位技術(shù)主要分為兩大類，廣域室內(nèi)定位和局域室內(nèi)定位。廣域室內(nèi)定位是承載到廣域網(wǎng)上實現(xiàn)廣域覆蓋，局域室內(nèi)定位技術(shù)是承載到局域網(wǎng)上實現(xiàn)局部區(qū)域覆蓋。廣域室內(nèi)定位技術(shù)需要改造基站及手機芯片等設備模塊，成本高，周期長;局域室內(nèi)定位技術(shù)成本較低，周期短，是目前商業(yè)化推廣運作較好的選擇方案，因此文章將主要討論局域室內(nèi)定位技術(shù)。

圖1 室內(nèi)定位流程圖

通常，局域室內(nèi)定位技術(shù)的流程是，先將環(huán)境的特征信息加載到所要發(fā)射的信號上，如紅外線、超聲波、藍牙等，然后由相應的傳感器感知信號的強度、到達時間等信息，再根據(jù)相應的定位算法計算出待測點的確定位置，定位流程如圖1 所示。

1.1 紅外線定位技術(shù)

紅外線是波長在770 nm～1 mm 之間的電磁波。紅外線室內(nèi)定位的原理是，紅外線發(fā)射器發(fā)射周期性帶有唯一身份ID 的紅外信號，通過安裝在室內(nèi)的光學傳感器進行接收，然后再通過有線或無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸給控制中心實現(xiàn)定位。

較為經(jīng)典的紅外線定位系統(tǒng)是由AT＆T 劍橋?qū)嶒炇议_發(fā)的Active Badge 定位系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，待定位目標上裝有紅外發(fā)射器，作為移動站，周期性發(fā)射唯一身份標志ID。同時，在室內(nèi)布置大量的紅外接收器作為基站，基站通過有線方式連接到控制中心，當移動站進入相應定位區(qū)域并且被該區(qū)域基站識別后，控制中心就可以確定目標當前的位置。

近年來，涌現(xiàn)了一些改進的紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)，比如:使用多對紅外發(fā)射器和紅外接收器交叉組成的探測信號網(wǎng)絡來覆蓋待測空間，采用基于最小二乘法原理的極小化誤差法增加探測距離，提高定位精度。

雖然紅外線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但由于直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內(nèi)定位的應用受到很大限制。此外，紅外線容易被室內(nèi)其他光源干擾，影響定位精度。

1.2 超聲波定位技術(shù)

超聲波室內(nèi)定位原理是，在被定位端加裝超聲波發(fā)射器(接收器)，置于裝有若干超聲波接收器(發(fā)射器)的環(huán)境中，通過測量超聲波從發(fā)射器到接收器的時間從而計算距離。為了減小信號的同步要求，通常移動端攜帶發(fā)射器，參考點攜帶接收器，采用三邊定位法計算出移動端當前的位置。

超聲波定位通常會結(jié)合其他的方式比如射頻信號來實現(xiàn)定位。目前主要基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng):AT＆T 實驗室的Active Bat 系統(tǒng)及麻省理工學院的Cricket 系統(tǒng)就是超聲定位與射頻結(jié)合的例子。由于射頻信號傳輸速率遠高于超聲波，因此可以利用射頻信號預先激活電子標簽，開始接收超聲波信號，再利用TDOA 的方法測距，進行位置估算。有研究引入了節(jié)能機制，改進Cricket 室內(nèi)定位系統(tǒng)的信道分配策略，當信標與發(fā)射機的距離范圍為0～6 m 時，誤差在1.2 cm 左右。

超聲波的傳輸速度遠小于電磁波，且不受可視距離限制，能夠在介質(zhì)中遠距離傳播，因此定位精度較高，可達厘米級。目前超聲波測距在工業(yè)中已得到廣泛應用，但在定位系統(tǒng)中通常需要其他技術(shù)如無線電輔助定位，導致硬件設施成本增加。

1.3 藍牙定位技術(shù)

藍牙技術(shù)是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)。基于藍牙的定位系統(tǒng)通常采用兩種測量算法:基于傳播時間的測量方法和基于信號衰減的測量方法。對于前者，由于室內(nèi)環(huán)境多變，存在多徑效應，為減小誤差必須采用納秒級的同步時鐘，這在實際應用中很難實現(xiàn)。而對于后者有兩種思路:一是完全根據(jù)理論公式進行計算，但由于實際應用中信號的衰減受多種因素影響，依靠理想模型公式定位效果較差;二是利用經(jīng)驗方法進行定位，定位之前預先測定目標區(qū)域內(nèi)多個參考點的信號強度，建立數(shù)據(jù)庫，利用接收強度與數(shù)據(jù)庫的強度分布匹配完成定位。

Nokia 在2011年v提出HAIP(High Accuracy Indoor Positioning)室內(nèi)精確定位方案，該方案采用增強型藍牙技術(shù)以增加藍牙發(fā)射天線的指向性，通過三角定位算法實現(xiàn)精確定位，精度最高可達到亞米級。

藍牙室內(nèi)定位技術(shù)的最大優(yōu)勢在于其設備體積小并且易于集成在手機等移動終端內(nèi)，只要設備的藍牙功能開啟，藍牙定位系統(tǒng)就能對其進行位置判斷。不足之處在于藍牙模塊相對于移動設備而言其耗電量比較大，并且對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。

1.4 超寬帶定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信新技術(shù)。通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz 量級的帶寬，不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波。

圖2 超聲波定位結(jié)構(gòu)圖

超寬帶定位系統(tǒng)包括UWB 接收器、UWB 參考標簽和主動UWB 標簽。定位結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，定位過程中由UWB 接收器接收標簽發(fā)射的UWB 信號，過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾后，得到有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。

超寬帶技術(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)的典型實例為英國Ubisense 公司的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用碼分多址技術(shù)和TDOA/AOA 算法，定位精度可達亞米級，并且已經(jīng)應用于寶馬和阿斯頓馬丁公司。

超寬帶技術(shù)發(fā)射的是持續(xù)時間極短、占空比低的窄脈沖信號，因此它具有較強的多徑分辨能力，可以提供更高精度的定位。另外UWB 信號自身的功率譜密度很低，具有良好的頻段共存性。但是，目前該技術(shù)還處于新興研究階段，沒有統(tǒng)一的標準，因此硬件成本比較高。

1.5 射頻識別定位技術(shù)

射頻識別技術(shù)是一種操控簡易，適用于自動控制領域的技術(shù)，它利用了電感、電磁耦合及雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID 室內(nèi)定位系統(tǒng)通常由電子標簽、射頻讀寫器、中間件及計算機數(shù)據(jù)庫組成。射頻標簽和讀寫器通過天線架起的空間電磁波的傳輸通道進行數(shù)據(jù)交換。在定位系統(tǒng)應用中，將射頻讀寫器放置在待測移動物體上，射頻電子標簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器則通過有線或無線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫。

不同RFID 系統(tǒng)的工作頻率不同，表1 列出了工作于不同RFID 系統(tǒng)的特性。根據(jù)表1 的比較，以2.45 GHz 的微波信號搭建室內(nèi)無線定位網(wǎng)絡比較有效。2.45 GHz 信號由于其具有頻寬和傳輸速率快的優(yōu)點而受到日益廣泛的應用，并且其天線和產(chǎn)品的體積越來越小，攜帶和使用更加方便。

表1 不同頻段RFID 的系統(tǒng)特性

典型的RFID 室內(nèi)定位體統(tǒng)有LANDMARC 和VIRE。LANDMARC 通過參考標簽和待定標簽的信號強度RSS 的分析計算，利用“最近鄰居”算法和經(jīng)驗公式計算出帶定位標簽的坐標，定位精度可達1 m。該系統(tǒng)主要有兩個缺點:一是定位精度受到參考標簽分布的影響，二是計算量極大并存在冗余。VIRE 系統(tǒng)是對LANDMARC 系統(tǒng)的改進，通過引入虛擬標簽增加了大量的參考點，提高了定位精度，同時通過模糊地圖法，去掉那些不可能位置來減少冗余運算。

RFID 技術(shù)具有通用性高、速率快、天線及產(chǎn)品模塊體積小等特點，已經(jīng)廣泛應用于門禁控制、IC 卡、停車場管理等領域中。其缺點在于作用距離近，不易兼容其他系統(tǒng)聯(lián)合工作。未來基于RFID 的室內(nèi)定位技術(shù)將對系統(tǒng)的可靠性、實用性、精確度及環(huán)境的自主感知能力等提出更高的要求。

1.6 WiFi 定位技術(shù)

WiFi 是一種高速率、高覆蓋度、高帶寬的無線局域網(wǎng)(WLAN)，它基于IEEE802.11 標準，幾乎不受非視距影響，其硬件平臺也已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，使其在中短距離的無線應用中擁有極大的優(yōu)勢。由于無線信號容易受到其他電磁波的干擾并且有明顯的多徑效應，因此WiFi 定位一般采用基于RSSI 的指紋分析法。

經(jīng)典的基于WiFi 的室內(nèi)定位系統(tǒng)是微軟研究院推出的RADAR 定位系統(tǒng)，采用指紋分析法，可達到米級定位。不足之處在于前期數(shù)據(jù)庫的建立成本較高，且系統(tǒng)移植性差，一旦環(huán)境改變，原有數(shù)據(jù)庫就會失效。

WiFi 室內(nèi)定位技術(shù)的最大優(yōu)勢在于硬件平臺的成熟以及WiFi 信號的普及，它將是投入商用最有潛力的定位技術(shù)之一。未來的研究主要集中于如何在較少的數(shù)據(jù)采集情況下獲得較高的定位精度，以及如何最大程度地避免其他射頻信號的干擾。

2 可見光定位技術(shù)

可見光通信作為一種新興無線通信方式，因其能效高，綠色環(huán)保，不受電磁干擾影響，兼具照明和定位兩種功能等優(yōu)勢而成為近年來的一個研究熱點，基于可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)也隨之被提出。

2.1 定位原理

在室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)中，由天花板上固定位置的LED 陣列發(fā)射帶有位置信息的光信號，經(jīng)編碼調(diào)制后由移動目標攜帶光探測器接收光信號，通過解碼、解調(diào)等信號處理后恢復出原始信號，再由相應的定位算法分析得到移動目標的位置。定位系統(tǒng)中可見光通信結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 可見光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 定位算法

目前，LED 可見光室內(nèi)定位常用的定位算法可以分為四大類，如圖4 所示。

2.2.1 幾何測量法

第一類是幾何測量法。這種方法首先測量待測點與已知位置的LED 燈(參考點)幾何關系，再通過運算獲取待測點的位置信息。主要采用的幾何關系有三種，分別是三邊定位法、三角定位法和雙曲線定位法，如圖5 所示。

三邊定位法就是測量待測點到三個不在同一直線上的參考點的距離，以這三個參考點為圓心，以測量的三邊距離為半徑做出三個圓的交點就是待測點的位置。三角定位法依據(jù)這樣一個幾何原理:在一個三角形中，如果已知一條邊的長度和以這條邊為公共邊的兩個角的大小，那么就可以確定第三個點的位置，該點是三角形另外兩條邊的交點。雙曲線定位法應用到了形成雙曲線的幾何原理:到兩個固定點的距離差為常數(shù)的動點軌跡是以這兩個固定點為焦點的雙曲線。通過三個不在同一直線上的參考點可以確定兩組雙曲線，它們的交點就是待測點的位置。

圖4 室內(nèi)定位算法分類

圖5 三種主要幾何測量法原理圖

通過以上方法計算待測點位置時需要知道距離或是角度關系，基于距離的測量方法有信號到達時間(Time of Arrival，TOA)、信號到達時間差(Time Difference of Arrival，TDOA)、信號往返時間(Return Time of Flight，RTOF)、信號強度(Received Signal Strength，RSS)。基于角度的測量方法有信號到達角度(Angle of Arrival，AOA)。

TOA 測量信號到達時間t，通過公式R=c·t得到待測點到參考點的距離，在三邊定位中可用公式(1)計算得到待測點坐標(x0，y0)。

TDOA 測量信號到達兩個參考點的時間差，利用公式d=c·Δt計算待測點到兩個參考點的距離之差，可以用于雙曲線定位系統(tǒng)中，由公式(2)可得到待測點坐標(x0，y0)。和TOA 相比，它的優(yōu)勢在于不需要嚴格的同步。

RTOF 是TOA 的改進，由于RTOF 是對信號的往返時間進行測量，同步要求不高，計算方法同TOA 類似。這種測量非常類似一個雷達，待測點接收來自參考點的信號后隨即將信號返回，根據(jù)信號發(fā)出到返回的時間估算待測點與參考點之間的距離。

RSS 通過測量接收信號的強度，將其與特定環(huán)境的傳輸損耗模型相對應，從而計算出距離，適用于三邊定位。

2.2.2 場景分析法

第二類是場景分析法，通過觀察場景中的特征來推斷待測目標的位置，即通常所說的指紋識別法。一般場景分析法包括兩個階段，離線勘測階段和在線定位階段。離線勘測的目的是建立一個特定場景特征信息與移動設備之間的對應關系數(shù)據(jù)庫。在線定位是將實時測量的用戶信號與數(shù)據(jù)庫中的特征信息相匹配，從而實時確定目標的位置。

場景分析分為靜態(tài)場景分析(Static Scene Analysis)和差動場景分析(Differential Scene Analysis)。靜態(tài)場景分析中，各參考位置的特征信息構(gòu)建成指紋數(shù)據(jù)庫，將待觀測的特征信息與數(shù)據(jù)庫中的信息進行比對，然后映射到場景中的位置。相對的，差動場景分析則需要連續(xù)追蹤場景間的差異來估計待測點的位置。

2.2.3 近似感知法

第三類是基于鄰近關系的近似感知法。在室內(nèi)天花板上布置特定的LED 陣列，每一個LED 燈作為一個服務接入點，發(fā)射帶有位置信息的光信號。當用戶終端進入服務接入點的通信范圍內(nèi)，就可以獲取該燈的位置信息，由服務器在數(shù)據(jù)庫中查找返回接入點的位置及有可能的通信覆蓋范圍。

一般有兩種方法確定用戶終端的位置，分別是廣告牌算法和質(zhì)心算法。廣告牌算法是直接將接入點的位置作為用戶終端的位置，這種算法的定位誤差就是接入點的通信范圍。質(zhì)心算法是取用戶終端所有接入點坐標平均值，作為用戶終端的位置坐標，進一步改進的算法是加上信號強度作為權(quán)值進行加權(quán)平均。

文獻［13］提出了一種基于LED-ID 的定位方法，并投入使用。LED 陣列采用蜂窩結(jié)構(gòu)，將空間劃分為多個光照小區(qū)，如圖6 所示，采用廣告牌算法將目標定位到所在的光照小區(qū)內(nèi)，該方法的定位精度為兩個小區(qū)中心距離的一半，實際應用中可達米級定位。

圖6 基于蜂窩結(jié)構(gòu)的LED 陣列排布

2.2.4 圖像傳感器成像法

基于圖像傳感器的室內(nèi)LED 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，在平行于LED 燈與圖像傳感器之間的平面上放置一個透鏡，使用圖像傳感器測量法必須保證共線條件，即發(fā)射點、透鏡中心和接收點保持在同一條直線上，示意圖見圖7(b)。根據(jù)圖中的幾何關系，可通過方程組(3)計算得到待測點位置坐標。

圖7 基于圖像傳感器的室內(nèi)LED 定位系統(tǒng)示意圖

其中，f是透鏡的焦距，mi，j(i，j=1，2，3)是旋轉(zhuǎn)矩陣M 的元素，可由方程組(4)確定，ω、φ、θ 分別表示入射光線與x、y、z三個坐標軸的夾角。

仿真結(jié)果表明，隨著圖像傳感器分辨率的提升，定位精度不斷提高。但當分辨率上升到一定程度時，會出現(xiàn)一個成像點占據(jù)多個像素點的現(xiàn)象，此時就會有量化誤差的存在，影響定位精度。因此如何減小量化誤差，提高定位精度是需要突破的難點。

2.3 定位算法比較

對以上幾種室內(nèi)LED 可見光定位算法進行一個系統(tǒng)的比較，如表3 所示。

表3 室內(nèi)LED 可見光定位算法比較

幾何測量法是最為傳統(tǒng)的定位算法，通過對時間、角度或是信號強度的實時測量可以較為精確地計算出待測點的位置，但需要一定時間進行實時測量和計算，并且功耗較大。其中，TOA 要求發(fā)射機和接收機嚴格同步，較難實現(xiàn);TDOA 和RTOF 都是對TOA的改進，對同步?jīng)]有要求;RSS 的測量精度較低，這是因為光在室內(nèi)遇障礙物沿非視路傳播時，其傳播模型較為復雜，誤差較大;AOA 算法一般是和圖像傳感器定位法相結(jié)合，通過圖像傳感器測量入射光線與待測點的角度，精度高，但需要高度復雜的圖像傳感器陣列，復雜度較高。

場景分析不需要進行實時測量，定位速度快，且不需要額外的硬件成本，性能較為穩(wěn)定。不足之處在于系統(tǒng)的移植性較差，前期離線訓練階段耗費的成本太高，且隨著時間的推移位置指紋數(shù)據(jù)庫會逐漸失效，需要重新構(gòu)建。

基于鄰近關系的近似感知法實現(xiàn)較為簡單，其性能取決于所布置的LED 發(fā)射陣列的網(wǎng)格密度，密度越大，定位精度越高，但也存在復雜度提升，鄰近干擾加強的問題。

圖像傳感器成像法的定位精度依賴于各測量組件的精度，但一般都高于其他定位算法的定位精度，并且能兼具定位速度快、移植性好的優(yōu)點。隨著MIMO 技術(shù)的發(fā)展以及智能拍照手機的普及，基于圖像傳感器成像法的室內(nèi)定位技術(shù)具有極大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應用前景，是未來可見光室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展方向。

2.4 未來發(fā)展趨勢

目前，基于LED 可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)研究尚處于起步階段，正面臨許多挑戰(zhàn)。未來的研究工作將主要集中在以下幾個方面:(1)完善硬件平臺的搭建，使之更便攜實用。(2)研究LED 陣列布局對照明和定位精度的影響，優(yōu)化布局方案。(3)研究如何有效抑制室內(nèi)其他背景光噪聲的干擾，提高定位精度。(4)融合其他無線通信手段，尋求多種技術(shù)的互補以完善系統(tǒng)性能。

3 室內(nèi)定位技術(shù)比較

表3 對各種室內(nèi)定位技術(shù)的性能進行了綜合比較。

表3 室內(nèi)定位技術(shù)比較

紅外線定位技術(shù)主要受視距傳播和通信距離短的限制，需要部署大量發(fā)射器和接收器，復雜度高、功耗大、成本高。超聲波具有良好的方向性，且不受視距影響，定位精度較高，但通常需要其他無線通信技術(shù)輔助，硬件開銷較大。藍牙最大的優(yōu)勢在于能集成在手機等移動終端上，實用性強，但藍牙設備的性能不夠穩(wěn)定，并且對于相應的移動終端而言耗電量比較大。超寬帶定位具有良好的多徑分辨能力，可以提供更高的定位精度，但目前的研究還不夠成熟，沒有統(tǒng)一的接口標準，硬件成本較大。射頻識別和WiFi 都是目前發(fā)展較為成熟的無線通信技術(shù)，已經(jīng)有了廣泛的應用，未來室內(nèi)定位領域的研究方向為提高定位精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，精簡設備，降低成本。

基于LED 可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)具有諸多優(yōu)勢:首先該技術(shù)使用發(fā)光二極管(LED)作為光源，進行定位的同時可以提供照明服務，而且除了一些必要的信號處理幾乎不需要多余的功率消耗。該定位系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何射頻干擾，因此可以部署在射頻輻射被嚴格限制的環(huán)境中(如醫(yī)院)。因為VLC 系統(tǒng)受到多徑效應以及來自其他無線手持設備的干擾較少，所以比無線電波的定位精度更高。但是，目前可見光定位的研究還處于起步階段，如何減小干擾光源的影響、優(yōu)化LED 陣列排布、簡化硬件設施等都是未來研究中需要攻克的難題。

4 小 結(jié)

文章介紹了目前主要的局域室內(nèi)定位技術(shù)及其典型的應用系統(tǒng)，并對LED 可見光室內(nèi)定位技術(shù)做了重點介紹。

雖然，目前大多數(shù)的定位系統(tǒng)基本都能完成簡單的定位任務，但離真正實現(xiàn)室內(nèi)“智能空間”的目標，并且投入商用還有一定的差距。后續(xù)的研究方向主要集中在以下幾個方面:(1)室內(nèi)定位技術(shù)的互補融合。不同的定位技術(shù)各有利弊，通過技術(shù)融合，取長補短，往往能實現(xiàn)定位精度更高、更穩(wěn)定、成本更低。(2)通用協(xié)議標準化。多種技術(shù)無縫整合的發(fā)展趨勢無疑對通用協(xié)議標準化提出了要求，這也是室內(nèi)定位未來發(fā)展必須解決的問題之一。(3)定位算法的不斷改進。定位系統(tǒng)的精度不僅僅取決于系統(tǒng)的定位技術(shù)，定位算法也起到了舉足輕重的作用，通過算法的完善能夠有效減小誤碼率，提升系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。(4)新技術(shù)開發(fā)。LED 可見光室內(nèi)定位就是近年來新興的定位技術(shù)，未來必定會有更多新型的無線通信技術(shù)應用于室內(nèi)定位系統(tǒng)中，進一步完善“智能家居”應用。

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