波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM PON)核心技術(shù)分析
訊石光通訊網(wǎng)
2011/8/11 15:59:28
隨著互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展，各種新業(yè)務(wù)層出不窮，使得人們對網(wǎng)絡(luò)接入帶寬的需求持續(xù)增加，特別是網(wǎng)絡(luò)游戲、會議電視、視頻點播等業(yè)務(wù)，使傳統(tǒng)的接入方式不能滿足帶寬的需求。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，未來3年，用戶的平均帶寬需求將超過10M。與其他有線、無線接入技術(shù)相比，光纖接入在帶寬容量和覆蓋距離方面具有很大的優(yōu)勢。隨著低成本PON技術(shù)的出現(xiàn)和迅速成熟，以及光纖光纜成本的快速下降，運(yùn)營商接入網(wǎng)絡(luò)光纖化的想法將逐步得以實現(xiàn)。
目前，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是解決接入網(wǎng)“最后一公里”、實現(xiàn)FTTX的最具吸引力的技術(shù)。“無源”是指ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。因此，其管理維護(hù)的成本較低，這是PON在接入網(wǎng)發(fā)展中最具優(yōu)勢的一面。
PON按信號分配方式可以分為功率分割型無源光網(wǎng)絡(luò)（PSPON）和波分復(fù)用型無源光網(wǎng)絡(luò)（WDMPON）。目前，APON、BPON、EPON、GPON均屬于PSPON。PSPON采用星型耦合器分路，上/下行傳送采用TDMA/TDM方式，實現(xiàn)共享信道帶寬，分路器通過功率分配將OLT發(fā)出的信號分配到各個ONU上。WDMPON則是將波分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用在PON中，光分路器通過識別OLT發(fā)出各種波長，將信號分配到各路ONU。
雖然PSPON較為成熟，特別是EPON、GPON在北美、日本已經(jīng)有較大規(guī)模的部署，但PSPON仍然存在關(guān)鍵問題需要解決，比如快速比特同步、動態(tài)帶寬分配、基線漂移、ONU的測距與延時補(bǔ)償、突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設(shè)計等。雖然一些問題得到了解決，但成本較高。而基于波分復(fù)用技術(shù)的WDMPON采用波長作為用戶端ONU的標(biāo)識，利用波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)上行接入，能夠提供較寬的工作帶寬，可以實現(xiàn)真正意義上的對稱寬帶接入。同時，還可以避免時分多址技術(shù)中ONU的測距、快速比特同步等諸多技術(shù)難點，并且在網(wǎng)絡(luò)管理以及系統(tǒng)升級性能方面具有明顯優(yōu)勢。隨著技術(shù)的進(jìn)步，波分復(fù)用光器件的成本尤其是無源光器件的成本大幅度下降，質(zhì)優(yōu)價廉的WDM器件不斷出現(xiàn)，WDMPON技術(shù)將成為PON接入網(wǎng)一個可以預(yù)見的發(fā)展趨勢。下面，對WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技術(shù)問題逐一進(jìn)行分析。
OLT光源的選擇
目前，有多種方法構(gòu)造多波長光源。第一種方法是選擇一組波長接近的、離散的、可調(diào)諧的DFB激光器（DFB激光器陣列），利用溫度調(diào)諧產(chǎn)生多波長的下行信號。DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制溫度統(tǒng)一調(diào)諧，容易實現(xiàn)波長監(jiān)控，但由于DFB激光器輸出波長隨波導(dǎo)有效折射率變化，很難精確控制輸出光譜與波長路由器信道間隔匹配。
第二種方法是采用多頻激光器（MFL）。MFL是一種基于集成半導(dǎo)體放大器和WGR（WaveguideGratingRouter）技術(shù)的新型WDM激光器，包含N個光放大器和一個1хN的陣列波導(dǎo)光柵，陣列波導(dǎo)光柵的每個輸入端集成一個光放大器。在光放大器和陣列波導(dǎo)光柵輸出端之間形成一個光學(xué)腔，如果放大器的增益克服腔內(nèi)的損耗，則有激光輸出，輸出波長由陣列波導(dǎo)光柵的濾波特性決定。通過直接調(diào)制各個放大器的偏置電流，就可以產(chǎn)生多波長的下行信號。MFL的波長間隔由陣列波導(dǎo)光柵中的波導(dǎo)長度差決定，可以精確控制，各波長可以通過控制同一個溫度統(tǒng)一調(diào)節(jié)，便于波長監(jiān)控，是理想的OLT光源。目前已經(jīng)開發(fā)出16信道間隔為200GHz和20信道間隔為400GHz的MFL的產(chǎn)品，直接調(diào)制速率為622Mbit/s。
第三種方法是比特交錯光源。它使用了一個飛秒級（10-15）光纖激光器產(chǎn)生一個1.5um附近70nm譜寬的脈沖，這一脈沖被22KM長的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖啁啾。隨著脈沖的傳輸，數(shù)據(jù)可在高速調(diào)制器中以比特交錯的方式被加以編碼。
光分路器的選擇
在WDM－PON中，波分復(fù)用器通常稱為波長路由器，它解復(fù)用下行信號，并分配給指定的OUN，同時把上行信號復(fù)用到一根光纖，傳輸?shù)絆LT。波長分路器主要由陣列波導(dǎo)光柵（AWG）構(gòu)成。目前，在波長分路器實現(xiàn)中需要關(guān)注串?dāng)_、溫度穩(wěn)定性問題以及色散效應(yīng)。
針對AWG器件，由于隔離度不理想或者非線性光學(xué)效應(yīng)的影響，其他光通道的信號會泄露到傳輸通道形成噪聲，從而對系統(tǒng)性能造成影響。AWG由輸入輸出波導(dǎo)、平板波導(dǎo)和波導(dǎo)陣列組成，都集成在同一襯底。聚焦模場和輸出波導(dǎo)的場分布不是矩形結(jié)構(gòu)，它是串?dāng)_的最直接來源。目前，已經(jīng)有三種方法來抑制串?dāng)_，即激光束逐點掃描法、變跡相位模板法、均勻相位模板法。
在WDMPON系統(tǒng)中，AWG器件一般都放在野外，環(huán)境溫度變化比較大。由于AWG的主要材料是石英，而石英的折射率易隨著溫度的變化而變化，因此，AWG復(fù)用的信道波長容易受溫度的影響。溫度變化時，如何保證信道波長的穩(wěn)定性是一個值得研究的問題。目前，人們已研究出多種方法增強(qiáng)AWG的溫度穩(wěn)定性。其中，有利用折射率隨溫度作反方向變化的波導(dǎo)或在陳列波導(dǎo)之間刻蝕不同長度的凹槽的方法來實現(xiàn)溫度控制。此種方法可以讓AWG的光譜響應(yīng)在-20℃～80℃幾乎沒有變化。另外，也有利用聚合物材料制造陣列波導(dǎo)光柵的，如丙稀鹽酸和聚硅樹脂，這些材料可以減少熱膨脹系數(shù)，使折射率得到控制。
隨著WDMPON系統(tǒng)接入距離的增加，光纖色散和陣列波導(dǎo)的色散效應(yīng)會導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增加。目前認(rèn)為能夠比較好地解決色散效應(yīng)的方法是色散補(bǔ)償光纖光柵，通過在AWG中加入補(bǔ)償光纖光柵改善色散特性。色散補(bǔ)償是對頻率的二次相移所造成的脈沖展寬進(jìn)行壓縮補(bǔ)償。如果波導(dǎo)光柵輸出的響應(yīng)頻率的二次相移特性比較平坦，頻帶較寬且幅度滿足要求，則認(rèn)為此波導(dǎo)光柵的色散補(bǔ)償特性較好。
ONU光源的選擇
ONU的光源選擇原則是易于安裝維護(hù)、成本低、光譜應(yīng)工作于WDMPON的整個波長范圍內(nèi)。目前，有4種ONU光源。
1.單頻激光器。目前，寬調(diào)諧單模DFB激光器陣列可以滿足要求，但由于價格昂貴、仍處于實驗階段，距市場化應(yīng)用還有一定的距離。
2.回環(huán)。光回環(huán)技術(shù)是利用OLT發(fā)出的一部分下行光信號作為載波，在ONU中調(diào)制上行信號，再發(fā)送到OLT。光回環(huán)技術(shù)避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持上下行傳輸。如果沒有高功率的OLT光，替代方法是放大上行信號。為了在OLT和ONU間保持無源設(shè)備，放大器必須放在ONU內(nèi)，這樣就導(dǎo)致了ONU成本的增加?；丨h(huán)的另一個缺點是，為了避免瑞利后向散射造成的較大干擾，必須將上下行信號分離在不同的光纖里進(jìn)行傳輸，導(dǎo)致光纖數(shù)量、路由器端口數(shù)量成倍增加，設(shè)備安裝維護(hù)的復(fù)雜度提高。
3.光譜分割。光譜分割的原理是WDM－PON利用寬帶光源作為ONU的光源，發(fā)射光通過復(fù)用器AWG后，輸出信號的頻譜是原來寬帶信號的一部分，其波長取決于與ONU相連的復(fù)用器端口，輸出信號復(fù)用到一根光纖上，在OLT通過解復(fù)用器到達(dá)目的接收機(jī)。目前，WDM－PON系統(tǒng)中普遍采用窄帶光濾波器對寬頻譜的光源進(jìn)行頻譜分割，使每個WDM信道獲得唯一光波作為上行光源。頻譜分割WDM－PON系統(tǒng)采用寬帶光源（如LED，發(fā)光二極管），與可調(diào)諧單頻激光器相比，寬帶光源簡單，成本低，對成本敏感的接入網(wǎng)很有吸引力。光譜分割的主要缺點是頻譜分割導(dǎo)致光功率損耗很大（18dB），而LED的入纖功率一般只有-10dBm，造成功率預(yù)算緊張；還會引起信道間的串?dāng)_，限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍；同時，由于多?；?qū)拵Ч庠垂逃械膸追N噪聲（模分散噪聲、強(qiáng)度噪聲、光差拍噪聲）的存在，使得調(diào)制速率受限。
4．波長鎖定FP激光器。最近，基于波長鎖定FP激光器的WDMPON系統(tǒng)被采納并開始商用。該系統(tǒng)把FP激光器作為OLT和ONU的信號發(fā)射器。工作原理為摻鉺光纖放大器產(chǎn)生光譜放大自發(fā)輻射（ASE）信號，ASE通過OLT到達(dá)AWG，并被AWG進(jìn)行光譜分割，產(chǎn)生多個窄帶信號。這些信號被注入到不同的ONU的同一類型的FP激光器中，迫使FP激光器產(chǎn)生單波長模式，抑制了多波長模式的產(chǎn)生。最近的產(chǎn)品可支持16個WDM信道，信道間隔為200GHz，每信道速率為1.25Gb/s，可支持大約21dB的ODN鏈路預(yù)算。
自PON出現(xiàn)以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了APON、EPON、GPON、WDM－PON等一系列技術(shù)概念，而WDM－PON結(jié)合了WDM技術(shù)和PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點，日益成為一種高性能的接入方式。目前，WDM－PON系統(tǒng)面臨的最大困難是器件成本過高，多數(shù)仍處于實驗室的理論研究階段。但在光接入網(wǎng)方面表現(xiàn)突出的韓國，最近開始測試并小規(guī)模試商用WDM－PON系統(tǒng)，其最大的運(yùn)營商KT與一家新興器件公司Novera于2005年開始合作進(jìn)行50000戶、16波的WDM－PON實驗。Novera的突破在于使局端設(shè)備不需要多個激光器，從而降低了系統(tǒng)成本，使用了波長鎖定和溫度穩(wěn)定的AWG技術(shù)。同時，該公司預(yù)測，利用特殊的光學(xué)技術(shù)，有可能將每用戶成本降低到目前EPON每用戶成本的兩倍以下，并且隨著使用量的增長，價格還會降低。雖然WDM－PON技術(shù)還不穩(wěn)定，但隨著相關(guān)器件技術(shù)的成熟和用戶帶寬需求的增長，將推動業(yè)界和市場對WDM－PON技術(shù)的持續(xù)關(guān)注。（胡靜余）
目前，無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）是解決接入網(wǎng)“最后一公里”、實現(xiàn)FTTX的最具吸引力的技術(shù)。“無源”是指ODN中不含有任何有源電子器件及電子電源，全部由光分路器（Splitter）等無源器件組成。因此，其管理維護(hù)的成本較低，這是PON在接入網(wǎng)發(fā)展中最具優(yōu)勢的一面。
PON按信號分配方式可以分為功率分割型無源光網(wǎng)絡(luò)（PSPON）和波分復(fù)用型無源光網(wǎng)絡(luò)（WDMPON）。目前，APON、BPON、EPON、GPON均屬于PSPON。PSPON采用星型耦合器分路，上/下行傳送采用TDMA/TDM方式，實現(xiàn)共享信道帶寬，分路器通過功率分配將OLT發(fā)出的信號分配到各個ONU上。WDMPON則是將波分復(fù)用技術(shù)運(yùn)用在PON中，光分路器通過識別OLT發(fā)出各種波長，將信號分配到各路ONU。
雖然PSPON較為成熟，特別是EPON、GPON在北美、日本已經(jīng)有較大規(guī)模的部署，但PSPON仍然存在關(guān)鍵問題需要解決，比如快速比特同步、動態(tài)帶寬分配、基線漂移、ONU的測距與延時補(bǔ)償、突發(fā)模式光收發(fā)模塊的設(shè)計等。雖然一些問題得到了解決，但成本較高。而基于波分復(fù)用技術(shù)的WDMPON采用波長作為用戶端ONU的標(biāo)識，利用波分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)上行接入，能夠提供較寬的工作帶寬，可以實現(xiàn)真正意義上的對稱寬帶接入。同時，還可以避免時分多址技術(shù)中ONU的測距、快速比特同步等諸多技術(shù)難點，并且在網(wǎng)絡(luò)管理以及系統(tǒng)升級性能方面具有明顯優(yōu)勢。隨著技術(shù)的進(jìn)步，波分復(fù)用光器件的成本尤其是無源光器件的成本大幅度下降，質(zhì)優(yōu)價廉的WDM器件不斷出現(xiàn)，WDMPON技術(shù)將成為PON接入網(wǎng)一個可以預(yù)見的發(fā)展趨勢。下面，對WDMPON中的OLT光源、ONU光源、光分路器所涉及的核心技術(shù)問題逐一進(jìn)行分析。
OLT光源的選擇
目前，有多種方法構(gòu)造多波長光源。第一種方法是選擇一組波長接近的、離散的、可調(diào)諧的DFB激光器（DFB激光器陣列），利用溫度調(diào)諧產(chǎn)生多波長的下行信號。DFB激光器陣列輸出光譜可以通過控制溫度統(tǒng)一調(diào)諧，容易實現(xiàn)波長監(jiān)控，但由于DFB激光器輸出波長隨波導(dǎo)有效折射率變化，很難精確控制輸出光譜與波長路由器信道間隔匹配。
第二種方法是采用多頻激光器（MFL）。MFL是一種基于集成半導(dǎo)體放大器和WGR（WaveguideGratingRouter）技術(shù)的新型WDM激光器，包含N個光放大器和一個1хN的陣列波導(dǎo)光柵，陣列波導(dǎo)光柵的每個輸入端集成一個光放大器。在光放大器和陣列波導(dǎo)光柵輸出端之間形成一個光學(xué)腔，如果放大器的增益克服腔內(nèi)的損耗，則有激光輸出，輸出波長由陣列波導(dǎo)光柵的濾波特性決定。通過直接調(diào)制各個放大器的偏置電流，就可以產(chǎn)生多波長的下行信號。MFL的波長間隔由陣列波導(dǎo)光柵中的波導(dǎo)長度差決定，可以精確控制，各波長可以通過控制同一個溫度統(tǒng)一調(diào)節(jié)，便于波長監(jiān)控，是理想的OLT光源。目前已經(jīng)開發(fā)出16信道間隔為200GHz和20信道間隔為400GHz的MFL的產(chǎn)品，直接調(diào)制速率為622Mbit/s。
第三種方法是比特交錯光源。它使用了一個飛秒級（10-15）光纖激光器產(chǎn)生一個1.5um附近70nm譜寬的脈沖，這一脈沖被22KM長的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖啁啾。隨著脈沖的傳輸，數(shù)據(jù)可在高速調(diào)制器中以比特交錯的方式被加以編碼。
光分路器的選擇
在WDM－PON中，波分復(fù)用器通常稱為波長路由器，它解復(fù)用下行信號，并分配給指定的OUN，同時把上行信號復(fù)用到一根光纖，傳輸?shù)絆LT。波長分路器主要由陣列波導(dǎo)光柵（AWG）構(gòu)成。目前，在波長分路器實現(xiàn)中需要關(guān)注串?dāng)_、溫度穩(wěn)定性問題以及色散效應(yīng)。
針對AWG器件，由于隔離度不理想或者非線性光學(xué)效應(yīng)的影響，其他光通道的信號會泄露到傳輸通道形成噪聲，從而對系統(tǒng)性能造成影響。AWG由輸入輸出波導(dǎo)、平板波導(dǎo)和波導(dǎo)陣列組成，都集成在同一襯底。聚焦模場和輸出波導(dǎo)的場分布不是矩形結(jié)構(gòu)，它是串?dāng)_的最直接來源。目前，已經(jīng)有三種方法來抑制串?dāng)_，即激光束逐點掃描法、變跡相位模板法、均勻相位模板法。
在WDMPON系統(tǒng)中，AWG器件一般都放在野外，環(huán)境溫度變化比較大。由于AWG的主要材料是石英，而石英的折射率易隨著溫度的變化而變化，因此，AWG復(fù)用的信道波長容易受溫度的影響。溫度變化時，如何保證信道波長的穩(wěn)定性是一個值得研究的問題。目前，人們已研究出多種方法增強(qiáng)AWG的溫度穩(wěn)定性。其中，有利用折射率隨溫度作反方向變化的波導(dǎo)或在陳列波導(dǎo)之間刻蝕不同長度的凹槽的方法來實現(xiàn)溫度控制。此種方法可以讓AWG的光譜響應(yīng)在-20℃～80℃幾乎沒有變化。另外，也有利用聚合物材料制造陣列波導(dǎo)光柵的，如丙稀鹽酸和聚硅樹脂，這些材料可以減少熱膨脹系數(shù)，使折射率得到控制。
隨著WDMPON系統(tǒng)接入距離的增加，光纖色散和陣列波導(dǎo)的色散效應(yīng)會導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率增加。目前認(rèn)為能夠比較好地解決色散效應(yīng)的方法是色散補(bǔ)償光纖光柵，通過在AWG中加入補(bǔ)償光纖光柵改善色散特性。色散補(bǔ)償是對頻率的二次相移所造成的脈沖展寬進(jìn)行壓縮補(bǔ)償。如果波導(dǎo)光柵輸出的響應(yīng)頻率的二次相移特性比較平坦，頻帶較寬且幅度滿足要求，則認(rèn)為此波導(dǎo)光柵的色散補(bǔ)償特性較好。
ONU光源的選擇
ONU的光源選擇原則是易于安裝維護(hù)、成本低、光譜應(yīng)工作于WDMPON的整個波長范圍內(nèi)。目前，有4種ONU光源。
1.單頻激光器。目前，寬調(diào)諧單模DFB激光器陣列可以滿足要求，但由于價格昂貴、仍處于實驗階段，距市場化應(yīng)用還有一定的距離。
2.回環(huán)。光回環(huán)技術(shù)是利用OLT發(fā)出的一部分下行光信號作為載波，在ONU中調(diào)制上行信號，再發(fā)送到OLT。光回環(huán)技術(shù)避免了使用ONU光源，但也存在一些缺點。它要求OLT光源輸出功率很大，以支持上下行傳輸。如果沒有高功率的OLT光，替代方法是放大上行信號。為了在OLT和ONU間保持無源設(shè)備，放大器必須放在ONU內(nèi)，這樣就導(dǎo)致了ONU成本的增加?；丨h(huán)的另一個缺點是，為了避免瑞利后向散射造成的較大干擾，必須將上下行信號分離在不同的光纖里進(jìn)行傳輸，導(dǎo)致光纖數(shù)量、路由器端口數(shù)量成倍增加，設(shè)備安裝維護(hù)的復(fù)雜度提高。
3.光譜分割。光譜分割的原理是WDM－PON利用寬帶光源作為ONU的光源，發(fā)射光通過復(fù)用器AWG后，輸出信號的頻譜是原來寬帶信號的一部分，其波長取決于與ONU相連的復(fù)用器端口，輸出信號復(fù)用到一根光纖上，在OLT通過解復(fù)用器到達(dá)目的接收機(jī)。目前，WDM－PON系統(tǒng)中普遍采用窄帶光濾波器對寬頻譜的光源進(jìn)行頻譜分割，使每個WDM信道獲得唯一光波作為上行光源。頻譜分割WDM－PON系統(tǒng)采用寬帶光源（如LED，發(fā)光二極管），與可調(diào)諧單頻激光器相比，寬帶光源簡單，成本低，對成本敏感的接入網(wǎng)很有吸引力。光譜分割的主要缺點是頻譜分割導(dǎo)致光功率損耗很大（18dB），而LED的入纖功率一般只有-10dBm，造成功率預(yù)算緊張；還會引起信道間的串?dāng)_，限制了系統(tǒng)的動態(tài)范圍；同時，由于多?；?qū)拵Ч庠垂逃械膸追N噪聲（模分散噪聲、強(qiáng)度噪聲、光差拍噪聲）的存在，使得調(diào)制速率受限。
4．波長鎖定FP激光器。最近，基于波長鎖定FP激光器的WDMPON系統(tǒng)被采納并開始商用。該系統(tǒng)把FP激光器作為OLT和ONU的信號發(fā)射器。工作原理為摻鉺光纖放大器產(chǎn)生光譜放大自發(fā)輻射（ASE）信號，ASE通過OLT到達(dá)AWG，并被AWG進(jìn)行光譜分割，產(chǎn)生多個窄帶信號。這些信號被注入到不同的ONU的同一類型的FP激光器中，迫使FP激光器產(chǎn)生單波長模式，抑制了多波長模式的產(chǎn)生。最近的產(chǎn)品可支持16個WDM信道，信道間隔為200GHz，每信道速率為1.25Gb/s，可支持大約21dB的ODN鏈路預(yù)算。
自PON出現(xiàn)以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，形成了APON、EPON、GPON、WDM－PON等一系列技術(shù)概念，而WDM－PON結(jié)合了WDM技術(shù)和PON拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點，日益成為一種高性能的接入方式。目前，WDM－PON系統(tǒng)面臨的最大困難是器件成本過高，多數(shù)仍處于實驗室的理論研究階段。但在光接入網(wǎng)方面表現(xiàn)突出的韓國，最近開始測試并小規(guī)模試商用WDM－PON系統(tǒng)，其最大的運(yùn)營商KT與一家新興器件公司Novera于2005年開始合作進(jìn)行50000戶、16波的WDM－PON實驗。Novera的突破在于使局端設(shè)備不需要多個激光器，從而降低了系統(tǒng)成本，使用了波長鎖定和溫度穩(wěn)定的AWG技術(shù)。同時，該公司預(yù)測，利用特殊的光學(xué)技術(shù)，有可能將每用戶成本降低到目前EPON每用戶成本的兩倍以下，并且隨著使用量的增長，價格還會降低。雖然WDM－PON技術(shù)還不穩(wěn)定，但隨著相關(guān)器件技術(shù)的成熟和用戶帶寬需求的增長，將推動業(yè)界和市場對WDM－PON技術(shù)的持續(xù)關(guān)注。（胡靜余）
新聞來源：訊石光通訊網(wǎng)
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