Cogni've Beamforming for Spectral Coexistence of Satellite - - PowerPoint PPT Presentation
Cogni've Beamforming for Spectral Coexistence of Satellite and Terrestrial Networks Shree Krishna Sharma (shree.sharma@uni.lu) Dr. Symeon Chatzinotas Prof.
Shree ¡Krishna ¡Sharma ¡(shree.sharma@uni.lu) ¡
¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ SnT, ¡University ¡of ¡Luxembourg ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
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¡ ¡ 9-‑11 ¡Oct ¡2013, ¡Rome, ¡Italy ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
2 ¡ q Introduc'on ¡ ¡
Ø CogniLve ¡SatComs ¡ Ø Beamforming ¡
q Proposed ¡Scenarios ¡ q Receive ¡Beamforming ¡
Ø Signal ¡Model ¡ Ø Applicable ¡Techniques ¡ Ø Results ¡
q Transmit ¡Beamforming ¡
Ø Signal ¡Model ¡ Ø Applicable ¡Techniques ¡ Ø Results ¡
q Numerical ¡Results ¡ q Conclusions ¡
Ø Increasing ¡Spectrum ¡demand ¡ Ø Temporal ¡and ¡spaLal ¡variaLons ¡
Ø Spectrum ¡segmenta'on ¡ ¡ Ø Sta'c ¡frequency ¡allocaLon ¡ ¡
Ø Dynamic ¡Spectrum ¡Access ¡ Ø Primary/secondary ¡cogniLon ¡ q Cogni've ¡Radio ¡Techniques: ¡Spectrum ¡Sensing, ¡Underlay, ¡Overlay, ¡Database ¡ 3 ¡
q Hybrid ¡Satellite ¡Terrestrial ¡ Coexistence ¡ q Dual ¡Satellite ¡Coexistence ¡ ¡
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Techniques ¡for ¡Satellite ¡Communica'on ¡Systems” ¡in ¡proc. ¡IEE ¡ VTC ¡fall ¡, ¡Las ¡Vegas, ¡NV, ¡2013. ¡
Operator 1 Satellte Operator 2 Satellite Gateway 1 Gateway 2 Cognition
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q Spectral ¡sharing ¡opportunity ¡in ¡the ¡angular ¡domain ¡(same ¡Lme, ¡frequency ¡and ¡ geographical ¡locaLon) ¡ q Underlay ¡CR ¡ ¡
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q Beamforming ¡Types: ¡depending ¡on ¡how ¡beamforming ¡weights ¡are ¡chosen. ¡ ¡ ¡ Ø Data ¡independent ¡beamforming ¡ ¡ ¡ Ø Sta's'cally ¡op'mum ¡beamforming: ¡Weights ¡are ¡chosen ¡based ¡on ¡the ¡staLsLcs ¡of ¡ the ¡received ¡data ¡at ¡the ¡array. ¡
§ MulLple ¡Side-‑lobe ¡Canceler ¡(MSC) ¡ § Minimum ¡Variance ¡Distor'onless ¡Response ¡(MVDR) ¡ § Linearly ¡Constrained ¡Minimum ¡Variance ¡(LCMV) ¡ ¡
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Uplink ¡Coexistence ¡with ¡Receive ¡Beamforming ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Downlink ¡Coexistence ¡with ¡Transmit ¡Beamforming ¡
q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Spa'al ¡Filtering ¡for ¡Underlay ¡Cogni've ¡SatComs”, ¡ ¡in ¡proc. ¡PSATS ¡, ¡Toulouse, ¡ France, ¡June ¡2013. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Transmit ¡Beamforming ¡for ¡Spectral ¡Coexistence ¡of ¡ ¡Satellite ¡and ¡Terrestrial ¡ Networks”, ¡in ¡proc. ¡CROWNCOM ¡2013, ¡Washington ¡DC, ¡USA, ¡July ¡2013. ¡
Satellite Terrestrial BS Terrestrial Terminals Weak Interfering Link Strong Interfering Link Primary Link Secondary Link Satellite Terminals Satellte Terrestrial BS Terrestrial Terminals Weak reception links Strong Interfering Link P r i m a r y L i n k Secondary Link Satellte Terminals
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q Unique ¡Propaga'on ¡characteris'c ¡of ¡satellite ¡terminals ¡ q SpaLal ¡Filtering ¡(Receive ¡Beamforming) ¡at ¡terrestrial ¡BS ¡ ¡ q The ¡angular ¡sector ¡in ¡which ¡interfering ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡satellite ¡terminals ¡are ¡located ¡is ¡known ¡to ¡the ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡beamformer. ¡ ¡ q ¡The ¡number ¡of ¡interfering ¡terminals ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡their ¡exact ¡loca'ons ¡are ¡not ¡known. ¡ ¡ q Objec've: ¡to ¡miLgate ¡interference ¡coming ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡from ¡whole ¡angular ¡sector ¡and ¡to ¡maximize ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SINR ¡of ¡desired ¡user. ¡ 7 ¡
q M: ¡number ¡of ¡antennas ¡in ¡the ¡BS ¡array, ¡K: ¡total ¡number ¡of ¡users ¡ ¡(one ¡SU+(K-‑1) ¡PU) ¡ ¡ q Received ¡Signal ¡y ¡at ¡BS ¡ ¡ q Signal ¡Direc'onal ¡Matrix ¡(SDM) ¡
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q SINR ¡of ¡the ¡kth ¡desired ¡user ¡ ¡
q MVDR ¡Problem ¡and ¡Solu'on ¡ q LCMV ¡Problem ¡and ¡Solu'on ¡ 9 ¡
q GEO ¡satellite ¡ ¡ q Satellite ¡terminals ¡at ¡azimuth ¡range ¡of ¡10◦ ¡ to ¡85 ¡◦ ¡seen ¡from ¡the ¡BS. ¡ q A ¡single ¡desired ¡user ¡at ¡-‑30 ¡◦. ¡ q The ¡considered ¡interfering ¡sector ¡is ¡ quanLzed ¡in ¡the ¡interval ¡of ¡5◦ ¡and ¡ consider ¡one ¡terminal ¡in ¡each ¡quanLzed ¡
q Number ¡of ¡interferers=16 ¡
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beamformers ¡in ¡the ¡proposed ¡scenario ¡(M=20, ¡K=17) ¡
q LCMV ¡provides ¡similar ¡SINR ¡as ¡ that ¡of ¡MVDR ¡beamformer ¡ towards ¡the ¡desired ¡user ¡and ¡ can ¡provide ¡very ¡low ¡SINR ¡ towards ¡the ¡interfering ¡sector ¡ than ¡the ¡MVDR. ¡ ¡ q LCMV ¡can ¡reject ¡the ¡ interference ¡more ¡effecLvely ¡ than ¡MVDR ¡in ¡the ¡considered ¡
50 100 150
A zimuth angles (degrees) SINR in dB L C MV MV D R
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with ¡ ¡beamformer ¡designed ¡for ¡M=18, ¡K=17. ¡ ¡ ¡ ¡
q The ¡SINR ¡for ¡both ¡decreases ¡ as ¡the ¡number ¡of ¡interfering ¡ users ¡increases ¡in ¡the ¡ considered ¡interfering ¡sector. ¡ ¡ q LCMV ¡shows ¡beTer ¡ performance ¡compared ¡to ¡ MVDR ¡for ¡low ¡number ¡of ¡ interferers ¡(< ¡9 ¡in ¡Fig.) ¡and ¡for ¡ higher ¡number ¡interferers, ¡ MVDR ¡shows ¡beTer ¡ performance ¡than ¡the ¡LCMV. ¡
2 4 6 8 10 12 14 16
5 10 15 20 Number of interferers SINR in dB L C MV MV D R
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q Transmit ¡Beamforming ¡at ¡terrestrial ¡BS ¡ q Objec'ves: ¡ ¡ Ø to ¡miLgate ¡interference ¡towards ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡the ¡considered ¡angular ¡sector ¡and ¡to ¡maximize ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SINR ¡of ¡a ¡desired ¡user. ¡ Ø To ¡miLgate ¡the ¡interference ¡which ¡may ¡be ¡picked ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡up ¡by ¡the ¡backlobe ¡of ¡ ¡the ¡satellite ¡terminals ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡located ¡beyond ¡ ¡the ¡sector ¡of ¡interest ¡ ¡ ¡ ¡ 13 ¡
Satellite Terminals
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Satellite
N S E W BS SAT Terminal Terr Terminal Dish Receiving interference with main lobe Dish Receiving interference with back lobe
q M: ¡number ¡of ¡antennas ¡in ¡the ¡BS ¡ ¡array, ¡K: ¡total ¡number ¡of ¡PUs ¡in ¡the ¡considered ¡ sector, ¡one ¡SU. ¡ ¡ q Received ¡Signal ¡at ¡the ¡desired ¡user ¡(SU) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
q Array ¡Response ¡Vector ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ q Interfering ¡signal ¡at ¡the ¡pth ¡PU ¡terminal ¡ ¡ ¡
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q Scaled ¡LCMV: ¡ ¡ q Modified ¡LCMV ¡ ¡ ¡ ¡ q SU ¡Rate ¡Maximiza'on ¡Problem ¡ ¡ ¡ 15 ¡
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standard ¡LCMV ¡for ¡the ¡considered ¡scenario ¡
q Modified ¡LCMV ¡beamformer ¡ reduces ¡the ¡SINR ¡towards ¡the ¡ direc'on ¡of ¡the ¡satellite ¡terminal ¡ located ¡at ¡DoA ¡of ¡−15◦, ¡thus ¡ protecLng ¡the ¡satellite ¡terminal ¡ from ¡secondary ¡interference ¡(IT ¡-‑80 ¡ dB ¡below ¡the ¡maximum ¡gain). ¡ ¡ q The ¡reduced ¡value ¡of ¡the ¡SINR ¡in ¡ the ¡direcLon ¡of ¡the ¡primary ¡satellite ¡ terminal ¡depends ¡on ¡the ¡choice ¡of ¡ the ¡parameter ¡IT. ¡
50 100 150
Azimuth angles (degrees) SINR (dB) Standard LCMV Modified LCMV
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versus ¡power ¡threshold ¡ ¡ ¡
q PU ¡terminals ¡from ¡45◦ ¡to ¡85◦ ¡with ¡each ¡ terminal ¡at ¡5◦ ¡interval ¡and ¡SU ¡rate ¡ maximiza'on ¡approach. ¡ ¡ q Tx ¡power ¡in ¡the ¡desired ¡user’s ¡ direc'on ¡is ¡the ¡maximum ¡when ¡the ¡ constrained ¡threshold ¡power ¡is ¡kept ¡at ¡ −10dBW ¡for ¡all ¡the ¡cases. ¡ ¡ q Tx ¡power ¡in ¡the ¡desired ¡direcLon ¡ increases ¡as ¡the ¡angular ¡difference ¡ between ¡the ¡desired ¡SU ¡and ¡the ¡ considered ¡sector ¡becomes ¡large ¡(i.e., ¡ maximum ¡at ¡0◦ ¡in ¡Figure). ¡
11.8 12 12.2 12.4 12.6 12.8 13 Constrained power threshold in the directions of PUs (dBW) Tx power to the desired user (dBW) SU-rx at 30o SU-rx at 20o SU-rx at 10o SU-rx at 0o
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¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
¡ ¡Fig. ¡Worst ¡case ¡SU ¡rate ¡versus ¡PU ¡distance ¡from ¡BS ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Fig. ¡Worst ¡SU ¡rate ¡versus ¡PU ¡distance ¡and ¡angular ¡ deviaLon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡from ¡the ¡sector ¡of ¡ ¡interest ¡ ¡
1 2 3 4 5 10 20 30 8 10 12 14 16 Distance (Km) Angular deviation (degrees) SU rate (bits/sec/Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 14.02 14.03 14.04 14.05 14.06 14.07 14.08 14.09 14.1 Distance to PU (Km) Worst case SU rate (bits/sec/Hz)
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q The ¡performance ¡of ¡LCMV ¡is ¡much ¡be8er ¡in ¡terms ¡of ¡rejecLng ¡interference ¡from ¡the ¡sector ¡
¡ q MVDR ¡beamformer ¡is ¡beTer ¡suited ¡for ¡a ¡large ¡number ¡of ¡interfering ¡terminals. ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡and ¡LCMV ¡beamformer ¡is ¡be8er ¡suited ¡for ¡the ¡case ¡of ¡DoA ¡mismatch ¡of ¡the ¡desired ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡signals. ¡ ¡ ¡ q Modified ¡LCMV ¡can ¡miLgate ¡the ¡interference ¡towards ¡the ¡specific ¡angular ¡sector ¡by ¡also ¡ providing ¡sufficient ¡protec'on ¡towards ¡PU ¡terminals ¡located ¡beyond ¡the ¡sector ¡of ¡
q The ¡worst ¡case ¡SU ¡rate ¡is ¡dependent ¡on ¡the ¡PU ¡distance, ¡the ¡permissible ¡interference ¡ threshold ¡at ¡the ¡PU ¡terminals ¡as ¡well ¡as ¡the ¡angular ¡devia'on ¡of ¡the ¡desired ¡user ¡from ¡the ¡ considered ¡angular ¡sector. ¡ q The ¡choice ¡of ¡a ¡technique ¡in ¡the ¡considered ¡scenario ¡depends ¡on ¡the ¡desired ¡performance ¡ level ¡as ¡well ¡as ¡the ¡flexibility ¡of ¡applying ¡different ¡constraints ¡to ¡the ¡opLmizaLon ¡problem. ¡ ¡
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q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Spa'al ¡Filtering ¡for ¡Underlay ¡Cogni've ¡SatComs”, ¡ ¡in ¡proc. ¡5th ¡Int. ¡Conf. ¡Personal ¡ Satellite ¡Services ¡(PSATS), ¡ ¡Toulous, ¡France, ¡June ¡2013. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Transmit ¡Beamforming ¡for ¡Spectral ¡Coexistence ¡of ¡ ¡Satellite ¡and ¡Terrestrial ¡ Networks”, ¡in ¡proc. ¡CROWNCOM ¡2013, ¡Washington ¡DC, ¡USA, ¡July ¡2013. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Interference ¡Alignment ¡for ¡Spectral ¡Coexistence ¡of ¡Heterogeneous ¡Networks”, ¡ EURASIP ¡Journal ¡on ¡Wireless ¡CommunicaIons ¡and ¡Networking, ¡ ¡vol. ¡2013:46, ¡2013. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Satellite ¡Cogni've ¡Communica'ons: ¡Interference ¡Modeling ¡and ¡Techniques ¡ Selec'on”, ¡in ¡Proc. ¡ASMS/SCPC ¡2012, ¡ ¡Baiona, ¡Spain, ¡Sept. ¡2012. ¡ q Shree ¡K. ¡Sharma, ¡S. ¡Chatzinotas, ¡and ¡B. ¡O8ersten, ¡“Cogni've ¡Beamhopping ¡for ¡Spectral ¡Coexistence ¡of ¡Mul'beam ¡Satellites”, ¡in ¡proc. ¡ ¡ Future ¡Network ¡Mobile ¡Summit ¡2013, ¡ ¡Lesbon, ¡Portugal, ¡July ¡2013. ¡ q Shree ¡K. ¡Sharma, ¡S. ¡Chatzinotas ¡and ¡B. ¡O8ersten, ¡“Cogni've ¡Radio ¡techniques ¡for ¡Satellite ¡Communica'on ¡Systems”, ¡ ¡in ¡proc. ¡VTC-‑fall ¡ 2013, ¡ ¡Las ¡Vegas, ¡CA, ¡Sept. ¡ ¡2013, ¡invited ¡paper. ¡ q
in ¡proc. ¡VTC-‑fall ¡2013, ¡ ¡Las ¡Vegas, ¡CA, ¡Sept. ¡ ¡2013. ¡ q Shree ¡K. ¡Sharma, ¡S. ¡Chatzinotas, ¡and ¡B. ¡O8ersten, ¡ ¡“Exploi'ng ¡Polariza'on ¡for ¡Spectrum ¡Sensing ¡in ¡Cogni've ¡SatComs,” ¡in ¡CROWNCOM ¡ Conference, ¡Stockholm, ¡Sweden, ¡ ¡June ¡2012. ¡ q Shree ¡K. ¡Sharma, ¡S. ¡Chatzinotas, ¡and ¡B. ¡O8ersten, ¡“Spectrum ¡Sensing ¡in ¡Dual ¡Polarized ¡Fading ¡Channels ¡for ¡Cogni've ¡SatComs,”in ¡Proc. ¡ IEEE ¡Global ¡CommunicaIons ¡Conference, ¡ ¡Anaheim, ¡CA, ¡December ¡2012. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Satellite ¡Cogni've ¡Communica'ons ¡and ¡Spectrum ¡Regula'on”, ¡ ¡in ¡Proc. ¡of ¡ ¡ InternaIonal ¡RegulaIons ¡of ¡Space ¡CommunicaIons ¡Workshop, ¡ ¡Luxembourg, ¡24-‑25 ¡May ¡2012. ¡ q
Beijing, ¡China, ¡July ¡2013, ¡invited ¡paper. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Effect ¡of ¡Noise ¡Correla'on ¡on ¡Frac'onal ¡Sampling ¡based ¡Spectrum ¡Sensing”, ¡ ¡in ¡
q Symeon ¡Chatzinotas, ¡Shree ¡K. ¡Sharma, ¡and ¡B. ¡O8ersten,”Asympto'c ¡Analysis ¡of ¡Eigenvalue ¡based ¡Blind ¡Spectrum ¡Sensing”, ¡in ¡proc. ¡ICASSP ¡ 2013, ¡Vancouver, ¡Canada, ¡May ¡2013. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“Eigenvalue ¡Based ¡Sensing ¡and ¡SNR ¡Es'ma'on ¡for ¡Cogni've ¡Radio ¡in ¡Presence ¡of ¡ Noise ¡Correla'on,” ¡IEEE ¡TransacIons ¡on ¡Vehicular ¡Technology, ¡ ¡vol. ¡62, ¡no. ¡8, ¡pp. ¡1-‑14, ¡2013. ¡ q Shree ¡ ¡K. ¡Sharma, ¡Symeon ¡Chatzinotas, ¡and ¡ ¡B. ¡O8ersten, ¡“SNR ¡Es'ma'on ¡for ¡Mul'-‑dimensional ¡Cogni've ¡Receiver ¡under ¡Correlated ¡ Channel/Noise,” ¡to ¡appear ¡in ¡IEEE ¡Trans. ¡Wireless ¡CommunicaIon, ¡2013. ¡
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