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论文 MIMO技术的发展论文 摘要摘 要 多入多出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Out-put)或多发多收天线(MTMRA，Multiple Transmit Multiple Receive Antenna)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。目前，各国已开始或者计划进行新一代移动通信技术（后3G或者4G）的研究，争取在未来移动通信领域内占有一席之地。随着技术的发展，未来移动通信宽带和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题，而MIMO系统是人们研究较多的方向之一。 本文主要研究了MIMO无线通信技术的原理，分析了MIMO技术的发展历史，国内外研究现状与发展趋势，最后就MIMO技术的应用予以分析介绍，为深入认识与研究MIMO通信技术奠定了基础。关键词：MIMO 多输入多输出技术 无线移动通信ABSTRACT MIMO，which is short of Multiple-Input Multiple-Out-put or MTMRA，which is short of Multiple Transmit Multiple Receive Antenna is smart Antenna Engineerings major Breakthrough in Wireless Mobile Communication field.Such technology can multiply the capacity of communication system and the spectrum efficiency,which is the key technology that must be used in the new generation of mobile communication system. Currently, countries have started or plan the research of the new generation of mobile communications technology (3 G or 4 G) to ensure there is a place in the future of mobile communication field.With the development of technology, the future mobile broadband and wireless access fusion system become the hot research topic,and the multiple-input multiple-output (MIMO) system is one of the study direction which most people in it. This paper mainly studies the principle of MIMO wireless communication technology, analyzes the MIMO technology development history, the domestic and foreign research present situation and the development tendency,finally the MIMO technology application is introduced and analyzed,such lay the foundation for furth understanding and research of MIMO communication technology.Keywords: MIMO Multiple-Input Multiple-Out-put Wireless Mobile Communication论文 1引言 随着移动通信业务规模和种类的迅速发展，如何有效地利用相对贫乏的频谱资源提供更高质量、更高速率的通信服务成为业界关注的焦点。新一代无线通信技术以其高质量、高速率的移动多媒体传输目标让人耳目一新。然而，实现这一振奋人心的通信目标并非易事，常规单大线收发通信系统目前而临着严峻的挑战，即使采用常规发送分集、接收分集或智能大线技术也已小足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。可庆幸的是，多入多出(MIMO)无线通信技术提供了解决该问题的新途径，它在无线链路两端均采用多大线，分别同时接收与发送，能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源和发送功率的情况卜，成倍地提升通信系统的容量与可靠性。然而，与常规单大线收发通信系统相比，MIMO通信系统中多大线的应用而临大量亟待研究的问题。 从2001年10月NTT DoCoMo开始提供3G商用业务以来，一些国家也陆续准备部署3G网络，但与此同时，世界各国也已经开始或者计划开始新一代移动通信技术的研究，争取在未来移动通信领域内占有一片立席之地。这里所提到的新一代移动通信是指后(beyond) 3 G或者4G。日前普遍认为后3G的最高传输速率将超过100M ;能够实现全球无缝漫游;具有非常高的灵话性，能自适应地进行资源分配;支持下一代Internet( IPv6)，而且是全IP网络;当然服务成木低也将是后3G的一个重要特征。随着时势的发展，未来移动通信广带无线移动和无线接入融合系统成为当前热门的研究课题。而MIMO(多进多出)系统是人们研究较多的方向之一。2 MIMO技术的概念所谓的MIMO（多入多出），就是指无线网络信号通过多重天线进行同步收发，MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，这样可以提高传输率。更确切地说就是信号通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送。由于无线信号在传送的过程当中为了避免发生干扰，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免被切割的信号不一致而无法重新组合，接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的各信号重新组合，并且快速正确地还原出原来信号。MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。 MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被称为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。D-BLAST:D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图1.b所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图1.b所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔 ，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2V-BLAST:另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。 考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图2所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔 来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。 3 MIMO技术分类 MIMO通信技术包括以下领域： 空分复用 (partial multiplexing)工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下，相比SISO系统成倍地提升信息传输速率，从而极大地提高了频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在“开环”，即发射端无法获得信道信息的条件下使用。Foschini等人提出的“贝尔实验室分层空时”（BLAST）是典型的空间复用技术。 空间分集(spatial diversity)：利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料，以增强资料的传输品质。波束成型(beam forming)：借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，增加信号品质，并减少与其他用户间的干扰。 预编码(precoding） 以上 MIMO 相关技术并非相斥，而是可以相互配合应用的，如一个 MIMO 系统即可以包含空分复用和分集的技术。4 MIMO技术发展历史实际上多进多出（MIMO）技术由来已久，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&T Bell实验室学者完成的。个通信系统优劣的最主要指标。1994年punlraj等人提出多输入多输出系统(MIMO)概念，即在无线通信系统的发送端和接收端同时使用多副天线收发信号来增加无线信道的容量。所以也将MIMO系统称为多天线系统。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法对角-贝尔实验室分层空时(D-BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20 bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。2002年10月,世界上第一颗BLAST芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了贝尔实验室Layered Space Time (BLAST) MIMO技术的芯片，这一芯片支持最高44的天线布局，可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。该技术用于移动通信，BLAST芯片使终端能够在3G移动网络中接收每秒19.2兆比特的数据，现在，朗讯科技已经开始将此BLAST芯片应用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该BLAST芯片，以提高无线3G数据终端支持高速数据接入的能力。2003年8月,Airgo Networks推出了AGN100 Wi-Fi芯片组，并称其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术，将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片RF芯片实现单天线系统，或增加其他RF芯片提升性能。该芯片支持所有的802.11 a、b和g模式，包含IEEE 802.11工作组推出最新标准(包括TGi安全和TGe质量的服务功能)。Airgo的芯片组和目前的Wi-Fi标准兼容，支持802.11a, b,和g模式，使用三个5-GHz和三个2.4-GHz天线，使用Airgo芯片组的无线设备可以和以前的802.11设备通讯，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a设备通讯的同时还可以以108Mbps的速度和Airgo的设备通讯。 5 MIMO技术发展现状作为无线高速数据传输的关键技术一MIMO其理论、性能、算法和实现的各方面均被各国学者广泛地进行着研究。在MIMO系统理论及性能研究方面己有一批文献。这些文献己涉及相当广泛的内容，但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段-恒定衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确已知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。 另外实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。目前各大公司均在研制实验系统。Bell实验室的BLAST系统4是最早研制的MIMO实验系统。该系统工作频率为1.9GHz，发射8天线，接收12天线，采用D-BLAST算法。频谱利用率达到了25.9bits/(Hzs)。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在3G、4G应用尚有相当大距离。在发送端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到衰落。在上述具体实验系统中，每一基台各设置2副发送天线和3副接收天线，而每一用户终端各设置1副发送天线和3副接收天线，即下行通路设置23天线、上行通路设置13天线。这样与“单输入/单输出天线”SISO相比，传输上取得了1020dB的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速率可以加倍。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时（BLAST）技术是移动通信方面领先的MIMO应用技术，是其智能天线的进一步发展。BLAST技术就其原理而言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进行“恢复”。利用BLAST技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。BLAST技术证明，在天线发送和接收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果，提高系统容量。理论研究业已证明，采用BLAST技术，系统频谱效率可以随天线个数成线性增长，也就是说，只要允许增加天线个数，系统容量就能够得到不断提升。这也充分证明BLAST技术有着非常大的潜力。鉴于对于无线通信理论的突出贡献，BLAST技术获得了2002年度美国Thomas Edison（爱迪生）发明奖。 空时编码是MIMO的基本问题，相关文献中己提出了不少MIMO及空时编码算法。但是为了在4G(第四代)等新一代系统中实际应用MIMO,在空时编码算法研究上还有大量工作要做。新一代无线通信系统计划采用空时处理技术，例如IEEE 802 16 3宽带固定无线接入标准的物理层把空时码作为内码，RS码作为外码;欧洲WND - FLEX项目研究空时处理用于室内64 100Mbit/s的无线自适应MODENI。数据速率20 M b it/、带宽效率提高20%的空时码是4G的重要技术之一。人们正在不断地提出新的或改进的空时编码方法，以改善MIMO性能，减少空时编码系统复杂性，更好地适合新一代无线通信系统的要求和信道实际的情况。 Hochwald提出了一种针对分段恒定衰落信道的新的信号调制方法单式空时调制(Unitary Space- tin e Modulation)。这种方法可以在不估计信道传输矩阵的条件下实现MIMO处理。随后，他们又将该方法推广到连续衰落信道情况，提出了微分单式空时码。Bauch提出了将Turbo码与短空时分组码串接，Narayanan提出了将Turbo码与短空时分组码串接，liu基于秩理论提出了全分集和全速率空时Turbo码，Cui等研究了并行级联Turbo空时码，Sallathurai等针对V- BLAST的问题，提出采用软对消方式实现检测的TURI30编码与BLA ST结构结合的MIMO处理方案。为了在新一代系统中实际应用MIMO技术，就必须结合具体通信体制(多址方式、双工方式、调制方式、常规信道编码方式、多用户检测方式、波束形成方式等)进行性能研究和系统设计。近来，己有一批有关的研究结果发表。Agrawal等提出了一种OFDM与空时码结合的MIMO方案，Goeokel等提出了用于OFDM的多维信号集,Wang等研究了在相关衰落信道情况O FDM空时码系统。空时码与信道编码等处理的结合是空时研究的重要方向。Liu和Hanzo的文章对空时码与信道码的级联进行了很好的综述。 随着MIMO技术日趋成熟，并向实用化迈进，国际上很多研究机构已不断推动MIMO技术的标准化进程，包括：MIMO无线传播信道模型的标准化和MIMO技术的标准化。在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动的未来通用无线通信技术研究计划（FUTURE）分为三阶段实施：在第二阶段（2004.1到2005.12），B3G/4G空中接口技术研究达到相对成熟的水平，并进行与之相关的系统总体技术研究（包括与无线自组织网络、游牧无线接入网络的互联互通技术研究等），完成联网实验和演示业务的开发，建成具有B3G/4G技术特征的演示系统，向ITU提交初步的新一代无限通信体制标准；在第三阶段（2006.1到2010.12），完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场实验，完成预商用系统的研制。 6 MIMO技术发展展望 过去的十几年中，MIMO技术己经取得相当大的进展，但是在实际的系统中要达到MIMO理论上的容量增加仍然有许多技术难点。这些技术难点也是日前MIMO技术的研究热点，主要有以下4个方面。(1)信道建模和信道容量 研究MIMO技术时必须考虑信道模型和信道容量。实现MIMO系统实际增益的关键在于建立更准确的信道模型，在对MIMO信道容量进行研究时，应该考虑多径，考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。 ( 2)MIMO系统的信号设计和信号处理 MIMO信道的识别、对于己知信道应如何设计最佳发送信号设计出适合于大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计，这些都是实际可用的MIMO系统必须考虑的问题。使用最优的发送信号方案，可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定，就可以确定各种接收端的结构，当前的研究热点是考虑信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间折衷。 ( 3)与传播相关的研究方向 如何解决MIMO系统的多径效应是一个很重要的问题，现在常用的方法一是在接收端做均衡处理，一是与OFDM技术结合。美国Agere系统公司日前开发成功了最高传输速度为162Mbit/s的无线LAN(局域网)技术，这种技术是在收发两端使用阵列天线的多输入多输出(MIMO)和正交频分复用(OFDM)。该系统使用3对收发天线，每对收发天线可以实现54 M b it/s的传输速率。这是日前MIMO + OFDM技术所表现的强大的应用潜力。IEEE 802 11a 11g都是以OFDM作为核心技术，而IEEE 802 16系列则是以MIMO+ OFDM技术为核心。世界各国和各大电信厂商日前都己经开展了新一代移动通信系统的研究，而A. M Mn技术是具有极高频谱利用率的技术，在V-Blast算法下，理想情况下可以达到2040 bit/s/Hz,这是日前任何一种技术所达不到的。另外在各类无线通信系统中，ISI(符号间干扰)一直是影响通信质量的重要因素。OFDM技术能够有效对抗ISI，同时具有频谱利用率高、抗多径衰落性能好、成本偏低等优点，使得这两种技术特别是两者的结合有望成为过渡到4G的潜在技术。因此这两种技术己经成为日前4G研究的热点是一个非常有前景的研究方向。( 4)MIMO在未来网络中的应用 在未来的4G系统中，MIMO技术将发挥巨大的作用，但还有很多工作需要广大学者进行:研究开发适合蜂窝网络的MIMO链路;设计利用MIMO信道实现在降低干扰和提高速率之间最优的折衷算法;MIMO算法如何应用在由于用户移动造成的快速时变信道中;减少附加天线所带来的十扰;基于MIMO的物理层和MAC(媒体接入控制)层卞要功能的分析及两者之间的相互作用;多用户情况下所引入的多址干扰等。 7结束语为了适应人类社会更广泛的活动和更深远的探索，通信技术止以前所末有的速度迅速发展。通过广大科技人员的潜心研究和深度开发，无线电通信这古老而又崭新的技术必将换发出青春活力，以适应末来的人类社会通信需求。现在无线通信系统需要提供越来越高的数据速率。传统的方式通过高阶调制和更大的信号带宽来实现，新的方法却通过利用无线系统的传输信道来提高数据速率。通过使用多天线系统（典型的MIMO），可以使数据速率和信道容量有了比较大的提升。因此，MIM系统已广泛应用于多种移动通信标准，也成为了未来移动通信标准的必选项目。MIM技术是一项全新的技术，在其算法开发、信道建模、大线设计、测试平台搭建、芯片开发与标准化方而还有大量工作有待进行。尽管如此，我们还是相信，随着技术的发展和器件工艺的进步提高，MIMO终将在末来的移动通信系统中得到广泛应用。总之，MIMO无线通信技术日趋成熟，逐步从理论研究走向产品开发，其锐小可当的发展趋势已预示着高速无线传输时代的来临。 参考文献l任立刚，宋梅，郁松楠，等.移动通信中的MIMO技术j现代电信科技，2004. （1）: 425.2Telatar E Capacity of multiantenna Caussian channels M.A&T -Bell Lab,1995.3 啜钢，王文博，常永宇，李宗豪移动通信原理与系统北京：北京邮电大学出版社，20054 黄韬，袁超伟，杨睿哲MIMO 相关技术与应用北京：机械工业出版社，20065 罗涛，乐光新多天线无线通信原理与应用北京：北京邮电大学出版社，20056 Hannes Ekstrom，Anders Furuskor，Jonas Karlsson,Michael Meyer，Stefan Parkvall，JohanTorsner,Mattias Wahlqvist,Ericsson Technical Solutions for the 3G Long-TermEvolutionIEEE Communications MagazineMarch 20067 Andrea GoldsmithWireless CommumicationsCambridge University Press20058 David Tse,Pramod ViswanathCambridge University Press20049 Vahid Tarokh,Hamid Jafarkhani,and A.R.CalderbankSpace-Time Block Codes from thogonal esigns EEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY,VOL45,NO.5 JULY 199910张平第四代移动通信系统的关键技术及分析.电信科学,2002 年08 期11朱近康对3G 和后3G 发展的思考移动通信,2003 年7 月12武刚多入多出无线通信中的信道模型、空时编码及关键技术研究：博士学位论文，成都：电子科技大学出版社，200412 Jankiraman MSpcae-Time codes and MIMO systems M Artceh House,200413 Jafarkhani H.Space-Time Coding:Theory and PracticeCambridge University Press,200514 Durgir G.DSpcae-Time wireless Channels M Prentice Hall,200215 Tarokh V.，Seshadri N.，calderbank A RSpace-Time codes for high data rate wireless ommunication:Performance Criterion and Code construction J IEEE Trans InfoTheory,199816 Tarokh V.，Seshadri N.，calderbank A RSpace-Time block codes from orthogonal designsJ.IEEE Trans Info Theory,199917 Larsson E G.，Stoica PSpace-Time Block Coding for Wireless CommunicationsM Cambridge University Press,200318 Vucetic B.，Yuan JSpace-Time Coding MJohn Wiley & Sons,200319 吴伟陵移动通信中额关键技术 M 北京：北京邮电大学出版社,200320Schlegel C. 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