Global Standardization Trends of BAN(Body Area Network) · PDF file종류 IT-BT-NT 융합에필수적 ... Pacemaker ICD Actuators Insulin Pump Hearing Aid(W,I) Retina Implants Wireless

2008 Investor Relations2008 Investor Relations

Global Standardization Trends of BAN(Body Area Network)

전자부품연구원

박창원([email protected])

“Korea Internet Conference 2008”

2008. 6. 24

Agenda

Case Study

IEEE 802.15.6 BAN TG(Task Group)

BAN(Body Area Network)

Conclusion

Ubiquitous Healthcare


3

1. Ubiquitous Healthcare

전 자 부 품 연 구 원Korea Electronics Technology Institute

- 4 -The 16th Korea Internet Conference

Evolution : Healthcare

Paradigm

Space scope

Focus

Time Space

Treatment

Today Tomorrow

Patient Treatment Public Health

Supplier (Medical Institute) Focus

User (Patient) Focus

Life Time, PreventiveTemporary, Treatment

Hospital Focus

Invasive, uncomfortable

Regional Society, Home

NO Pain, No Consciousness



Evolution: Ubiquitous Computing

AnyContent

Telematics on the Road Internet @ Office

Internet @ Meetings

Internet in the Air

Internet @ Leisure

Internet @ Hotel

Internetvia Taxi

on

AnywhereAny

Device

over

AnyNetwork

at

AnyTime



Healthcare + Ubiquitous = U-Healthcare

Mobile

Home

U-Healthcare

Hospital

Home Server

Multimedia Device

Healthcare Chair

Healthcare Toilet Healthcare Bath

Well-being House/

Sliver Town

Home bio-sense checking device

GPS Ship

Emergency Control System

Health monitoring system

Medical test data share

Biomedical checking device

Outpatients registration

Medical test data saving

Medical test data sharing device

Kiosk device

Wellbeing Automobile

Mobile Healthcare

Applications

Wearable Sensor

Variousu-Health Tools

Cellular Phone

Healthcare PC

New Paradigm evolving …..



Home Healthcare

Body Information at Bed Room

- Breath, ECG, Heart

Video · Voice Treatment

Body Information at Bath Room

- Weight, Body Fat, Urine

Display Body information by mirror



Mobile Healthcare

Pulmonary Function

ECG

Blood Pressure

Oxygen saturation

Tracking Location

Mobile Healthmonitoring

Blood Sugar

Body Temperature

Actuator

웰빙폮



U-Hospital

[Mobile Hospital System]

[USN 기반의 U-Hospital] [RFID/USN 기반의 U-Hospital]



U-Healthcare : Core Technology

모든 기능을 핚 칩에 넣는 멀티 기능 칩초소형, 초저젂력

시스템 온 칩(SoC)

3세대 무선 통신 - Body Area Network(BAN)

근거리 무선 통신기술 – 블루투스, HomeRF, Zigbee, UWB

광대역 통합통신망

젂자(반도체) 기술, 기계 기술, 광 기술 등을 융합하여 마이크로 단위의 작은 부품및 시스템을 설계, 제작, 응용 하는 기술사물이나 생물에 심어져서 동작소형화, 고성능, 고싞뢰성, 동시·다량 제조, 저단가

미세젂자기계시스템(MEMS)

센서의 감지대상 및 검지물질이 다양해져 최귺에는 생체물질 또핚 감지대상고효율화, 고성능화, 자동화, 효율화주파수 인식 시스템(RFID)는 바코드, 마그네틱, IC카드 등 자동인식의 핚 분야

센서와 RFID

통싞기술


2. BAN(Body Area Network)



BAN(Body Area Network)

사람이 착용하는 옷이나 인체에 부착된 여러 디바이스들로 구성된 무선 네트워크

인체를 중심으로 센서와 구동체 기기 갂의 결합을통해 통싞이 이루어지는 새로운 유형의 네트워크

Human Body Communication(인체통싞)

Wired BAN

Wireless BAN : Implant • On • Out Body

종류

IT-BT-NT 융합에 필수적 요소



BAN 기술분류

응용분야 채널 사용 미디어

Medical인체표면과 Access point 까지의 통싞 Wireless(Data, Data & Power)

인체표면 갂 통싞Wired

Non-Medical인체 내와 인체표면 갂의 통싞

인체매질통싞인체 내 통싞

Medical BAN

„언제 어디서나‟ 이용 가능한 건강관리 및 의료서비스(U-Healthcare)를 위한 핵심기술

Issue Wearable BAN Implant BAN

Current Available Frequency Band ISM, UWB, WMTS, others MICS

Channel Model Multi Path Path Loss

Human Body SafetySAR

Interference to other devices

SARInterference to other devices

Packaging materials



Medical BAN 기반의 U-Healthcare 서비스



BAN System Overview

Network Access UnitBAN Com

GSM,

DECT,

Bluetooth

BANCom

Air

Interface

Body Sensor Unit

Sensor BAN

Slave

Body Central Unit

BAN

Master

BCU

I/O Unit

BCU

Access

ComNAU

Access

Com

Medical-

Gateway

BCU

Central

Processing

Unit

BSI

BHCI

BAN Com Interfaces: BSI (BAN Sensor Interface): - A / D conversion for analogue sensors

(also multiplexed or multi-channel)

- digital I/O

BHCI (BAN Host Controller Interface): serial (RS 232)



BAN Components : Body Sensor Units

Data acquisition and (pre-)

processing

Actuator control

Data transmission

Basic user feedback / interface

Comfortable-to-wear,

“invisible” component

packaging

Minimal size and weight

Body Central Unit(BCU)

ECG

Blood pressure

Temperature

MicropumpRespiration

UWB Bluetooth

LAN/WANNetwork

Implants

Glucose

: Body Sensor Unit



BAN Components : Body Central Unit

Linking multiple sensor / Actuator units

Data concentration, compression, proce

ssing, actor control, etc.

Event detection and management

Protocol translation for (semantic) inter

operability (e.g. ISO 11073 / VITAL)

External (wireless) network access (BT,

UWB, WLAN, CDMA...)

Personalised user interface

Body Central Unit(BCU)

ECG

Blood pressure

Temperature

MicropumpRespiration

UWB Bluetooth

LAN/WANNetwork

Implants

Glucose


3. IEEE 802.15.6 BAN TG(Task Group)



IEEE 802.15 WPAN 구성도

IEE 802.15

WPAN

IEEE 802.15.1

Bluetooth

IEEE 802.15.2

Coexistence

IEEE 802.15.3

High rate

IEEE 802.15.4

Low rate

IEEE 802.15.5

Mesh

IEEE 802.15.6

BAN

IEEE 802.15 WNGStanding Committee

Wireless Next

Generation

IEEE 802.15

SG RFID

IEEE 802.15

IG THz

IEEE 802.15

IG VLCIEEE 802.15.4 c

Alternative PHY

For China

IEEE 802.15.4 d

Alternative PHY

For Japan

IEEE 802.15.4 d

WPAN

Enhancement

U-Healthcare service 실현을 위한 통신 기반 의료 시스템과 관련된 기술적표준을 논의하는 연구반



IEEE 802.15.6 BAN Profile

2006년 5월 IG(Interest Group) 구성 후 BAN에 대핚 응용, 주파수 그리고 기술

적 요구사항(PAR, 5C) 등 관렦 기술에 관해 포괄적으로 논의

2006년에 IEEE 802.15 WG에서 WPAN의 SG BAN 의장인 필립스의 S.Drude에

의해 BAN 기고서가 작성. 2007년 11월에 IEEE 802.15.6 TG로 승격.

IEEE 802.15.6 BAN은 초기에 의료분야를 위핚 Medical BAN(mBAN)으로맊 표준

화를 짂행하다가 현재는 비 의료분야를 위핚 Wireless BAN(WBAN)으로 구분하

여 표준화를 짂행중임.

2008년부터 2009년 동안 IEEE 802.15.16 TG BAN의 표준 규격이 제정될 예정이

며, PHY/MAC 계층에 대핚 표준화를 위핚 기고와 연구가 짂행 될 것으로 젂망.



PHY/MAC 표준화 항목

구분 정의 대상 표준화 항목

BAN PHY 기술변복조 방식, 채널 모델 등의 무선 기

술 규격

변복조 기술

채널 핛당 및 선택 기술

채널 모델링 기술

초저젂력 통싞기술

BAN MAC 기술PHY 상위 계층의 매체 접귺 제어

프로토콜 정의

액세스 제어 기술

무선 링크 제어 및 QoS 기술

초저젂력 프로토콜 스택 기술

네트워크 계층에서 토폯로지 지원 기술

데이터 서비스와 관리 서비스 기술

BAN 네트워크 및 응용 프로파일

BAN의 PHY/MAC 기반의 네트워크 및응용 계층 프로파일 정의

라우팅 프로토콜

Security Service Provider 기술

Application Framework 규격

BAN Application Profile 기술



PHY/MAC

Key Issues to Decide PHY/MAC for BAN

Regulatory Compliance -> Band Plan

Size of Markets -> Single or Limited No of PHY/MAC

Channel Characteristics for Wearable/Implant BAN‟s -> PHY is dependent on Channel but MAC is not

Covered Applications -> Qos, Reliability and Security

Distinction and Relationship with Other Standards -> Different Technical Requirement such as EMC, SAR

Possible Combination of PHY/MAC

Case 1 Case 2Wearable Devices/Implant Devices

MAC

PHY

frequency

10kb/s<Data Rate<10Mb/s

· Band plan specified

· A single PHY

·A single MAC

Wearable Devices/Implant Devices

Common MAC

PHY2PHY1 PHY3

frequency

Data Rate=10Mb/s

Data Rate=10kb/s Data Rate=100kb/s

· Band plan specified

· Multiple PHY

·A single MAC



PHY issue

PHY issue

Issue : related to PHY selection for the BANs

Differences between wearable and implant BAN links

Possible approach : Two-PHY solution

Another approach : Single PHY solution

-> Studies are needed to find the possibility of a single PHY

for both wearable and implant BAN links

Different PHYs may be

necessary to provide optimal

performance for wearable

and implant BANs.



MAC issue

MAC issue

Reliable transmission

QoS guarantee

Low power consumption

Secure transmission

IEEE 802.15.1

IEEE 802.15.3 IEEE 802.15.4

IEEE 802.15SG BAN

MAC

protocol

scalable

flexible

Application

dependent

inter-networking

inter-operation



mBAN : 생체싞호 젂송, 저속젂송, 젂력 소모의 효율성 요구

WBAN : 소리, 영상 등의 젂송, 고속의 데이터 젂송 요구

BAN : Applications

[IEEE 802.15 WPAN Interim 회의, 2007.09.16]

Part Application Part Application

Vital Signals Monitoring

Temperature(W)RespiratoryHeart Rate(W)SpO2(W)Blood Pressure(W)

DisabilityAssistance

Muscle tension Sensing StimulationWeighing Scale(W)Fall DetectionAiding Sport Training

Sensor/etc

OxygenpH ValueGlucose SensorImplanted Glucose SensorSugar densityCardiac Arrhythmia

Remote Control of medical Devices

PacemakerICDActuatorsInsulin PumpHearing Aid(W,I)Retina Implants

Wireless capsule

Wireless Capsule Endoscope

Games

Remote(Body) control of entertainment devicesE-charmGlovesElectro Drive EEG, ECG, EMG

Stimulator

Deep BrainCorticalVisual neuroAudio neuroParkinson‟s DiseaseEpilepsyBrain-Computer I/F

Video2D3D

AudioHeadsetsMono, stereo, 5.1 sound

Data Transfer(image)

Secondary displays UI(Watch, Cell Phone, Camera)

Motion Capture Body Motion Capture

[Vital Signals Monitoring]

[Audio]

[Data Transfer]



BAN : 응용 요구사항

Application Target data rate Latency BER

Drug Delivery < 16 kbps < 250 ms < 10‾10

Deep Brain Simulation < 320 kbps < 250 ms < 10‾10

Capsule Endoscope 1 Mbps < 250 ms < 10‾10

ECG192 Kbps

(16 kbps, 32 channels)< 250 ms < 10‾10

EEG86.4 Kbps

(300Hz sample, 12-bit ADC, 24 channels)< 250 ms < 10‾10

EMG1.536 kbps

(8kHz sample, 16-bit ADC, 12 channels)< 250 ms < 10‾10

Glucose Level monitor < 1 kbps < 250 ms < 10‾10

Audio 1 Mbps < 200 ms < 10‾5

Video / MedicalImaging

< 10 Mbps(e.g., Standard Video)

< 250 ms< 10‾3

Voice 100-50 kbps per flow < 10 ms < 10‾3

mBAN, WBAN의 각 응용분야의 젂송속도, 지연, 에러율에 대핚 요구사항을 제시



BAN : 기술 요구사항

Requirement Proposed Range

Operatingspace

In, on, or aroundThe body

Up to 3 m

Data rate Scalable Up to 10Mbps

Target bandsUnlicensed and Medical

Approved bandsMICS, MEDS, WMTS, ISM, UWB

Device dutycycle

Scalable Up to 100%

Peak Powerconsumption

Scalable Up to 40mW

CoexistenceCoexistence with legacy

Devices, primaries, and selfSimultaneous nearby operation of hundreds devices BANs belonging

to different

Security High Authentication, privacy, encryption, etc.

Safety High Meet regulation requirements for SAR

TopologyMultiple simultaneous

LinksTens of simultaneous links, no single point of failure, and multi hop

support

Network Setup Required Secure and under a few seconds

Locationinformation

Desirable Localization within a radius of a few centimeters

3m 이내 통싞 거리, 10Mbps 젂송속도, MICS, MEDS, WMTS, ISM, UWB 대역 고려생명에 직접적인 영향을 줄 수 있으므로 높은 싞뢰성과 안젂성 요구



BAN Target Position

1000 mW500 mW100 mW50 mW10 mW

1 Gbit/s

100 kbit/s

1 Mbit/s

10 Mbit/s

100 Mbit/s

1 kbit/s

10 kbit/s

IEEE 802.15.3a

IEEE 802.11 a/b/g

Bluetooth

ZigBee

200 mW20 mW5 mW2 mW



일정

2008 IEEE 802.15.6 TG BAN Schedule

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

TG CFA

Affirm Apps Matrix

TRD

SCD

CM

CFI

CFP

Issue CFP

Close CFP

Hear Proposals

TRD: technical requirements Doc. SCD: Prepare selection criteria Doc. CM: Channel ModelCFI : Call For Intent CFP: Call For Proposals

54th IEEE 802.15 WPAN MEETING May 11-16, 2008CFI open, to be closed in Sept Start working on CFPContinue to draft BAN Applications DocumentContinue to draft BAN Channel Model Document



BAN 주요현안

쟁점 항목 쟁점 사항 세부비교

응용분야

Medical 표준화 진행속도는 빠르나, 표준화 영역표 제한

MedicalNon-medical

표준화 참여는 확대가 기대되나, 인체 통신 전반에 대한 표준화가 필요하므로 쟁점사항들이 다수 발생

대역주 대역

MICS 401~406(ITU-R권고) 기반의 대역 내의 주파수만 사용

MICS+@(ISM, UWB 등)

UWB, ISM 대역 등을 추가 적용하여 Non-medical 및multimedia 분야로 확장 가능

전파도달거리WPAN 기술과의

조화

2m In-body 또는 on-body medical 분야에 필요한 전파경계

3~5mMedical 의외의 분야로 확장을 고려할 경우 가능한 거리지만, 다

른 WPAN 기술과의 경계가 모호

WPAN 기술과의조화

독자 PHY/MAC 차별화는 이루어지나, 표준제정을 위해 상당한 시간이 소요

타 WPAN 수용 타 WPAN 기술들과의 차별성 감소

IEEE 802.15.6 TG BAN 각 분과에서 논의 중인 주요 쟁점사항



국내 BAN 표준화 현황

TTA PG 304및 PG 311홗동의 일홖으로 핚국젂파짂흥원(KORPA), 제주대학교, ICU와 ETRI 등

을 중심으로 WPAN 및 USN 관렦 연구가 짂행 중이나, 아직 BAN에 대한 연구는 초기단계이

며, 향후 신설될 TTA PG WBAN을 통해 표준화가 진행될 것으로 예상

2007년도에 WBAN 중장기 표준화 로드맵을 작성하여 물리계층과 매체접근제어 계층에서의

표준화 기술 대상을 선정하였으며, 요소 기술들에 대핚 표준화가 짂행될 것으로 예상

국내에서는 RFID/USN의 센서 네트워크에 대핚 표준화를 핚국정보통싞기술협회(TTA) PG 311에서 추짂중

궁극적으로 싞체주변의 USN으로써의 BAN 표준기술은 향후 수년 이내 관렦 국내 표준화 기구들의 공동 관심사가 될 젂망



MBAN : 2007 정보통신 표준화 백서

[ 35대 중점 기술별 표준화 추짂젂략 ]

WBAN 기술 * 국제표준화 젂략목표 : 국제표준 협력•경쟁(Ver.2008)

PHY/MAC 인터페이스

MICS

802.15에서 SG -> TG 추짂 중

MBAN에 대핚 IT+BT+NT 접목

MICS(4001 ~ 406MHz) 표준고시에 따른 임플띾트 규격 확보

TTA PG304, UWB포럼(CJK), WPAN 얼라이언스 표준 연계

* IPR 확보 가능 분야 : 5WBAN 채널 모델, WBAN 변복조, WBAN

다중접속, WBAN QoS, WBAN 네트워크 토폯로지, 각 어플리케이

션 별 다수


33

4. Case Study

MICS (Medical Implant Communication Service)

WMTS (Wireless Medical Telemetry Service)

Zigbee (Ubiquitous Sensor Network)

UWB (Ultra Wide Band)



Case Study : MICS(1)

ApplicationChip

ImplantableRF Transceiver

Battery

2.45 GHzWake-Up Link

402-405 MHzRF Data Link

Implant Telemetry System

Wake-UpRF Transmit

Circuit

RF Transceiver

DataInterface

Base Station(Terminal/Gateway)

Program System

Remote monitoring

Clinic Follow Up

Central Monitoring

Emergency Call & Management




Global StandardITU-R의 권고: 401~406MHz 대역의 기존 기상서비스와 무선 의료기기 갂에 갂섭 없이 공유 가능

ITU-R SA 1346 문서: 최대젂력 25uW, 300kHz 대역폭(10개 채널)의 인체 이식 가능핚 의료기기에 3MHz의 스펙트럼 핛당 권장

구 분 국제 ITU-R한국

(2007.9월고시)미국 유럽 일본

주파수 대역 401~406MHz 402~405MHz 402~405MHz 402~405MHz 402~405MHz

출력 25uW 25uW 25uW 25uW 25uW

대역폭 300KHz 300KHz 300KHz 300KHz 300KHz

갂섭회피기술

갂섭완화기술

LBT LBT LBT LBT

관렦규정 RS.1346 AWF 3/54FCC 47 CFRPART 95

EN 301 839무선설비규칙제 49조의 14

[ITU:국제젂기통싞연합]




[PACEMAKER] [약물 펌프]

[이식용 심장제세동기]

[싞경 자극기]

TelemetrySystem

Low PowerCPU

RAM ROM

Analog Sensing &

Pacing

High Voltage Defibrillation

MEMSSensors

[Programming System

[Remote Monitoring System]



Case Study : WMTS(1)

WMTS Feature ( U.S FCC part 95, FDA 승인 )

Remote monitoring of patients health through wireless

All vital signals except voice and video

608-614MHz : 미국, 유럽

420-460MHz : 일본, 뉴질랜드

Major applications : multiple patients (several to hundreds) monitoring Per one WMTS system



Case Study : WMTS(2)



Case Study : USN based Zigbee(1)

Ayushman: Remote Medical Monitoring

Project @ IMPACT Lab, Arizona State University

Goal: To provide a dependable, non-intrusive, secure, real-time automated health monitoring.

Scalable and flexible to be used in diverse scenarios from home based monitoring to disaster relief, with minimal customization.

Vision

To provide a realistic environment (test-bed) for testing communication protocols and systems for medical applications.

EnvironmentalSensors (Temperature etc)

Medical Sensors(EKG, BP) controlledBy Mica2 motes

Body BasedIntelligence

Home/Ward Based Intelligence

External Gateway

Central Server

Medical Facility BasedIntelligence

MedicalProfessional

InternetStargateGateway




Testbed consists of medical devices interfaced using Crossbow motes to a PDA.Medical devices integrated include: BP monitor (Suntech), EKG monitor (Vernier), Gait Monitor (MicaZ based sensors) and TelosB based environment sensor

Supports query based and continuous data collection.

System Constrainst :• Low reliability• Lack of bandwidth• Low memory for processing.

BP and EKG Monitoring

Gait Monitoring




Proactive Health Project @ IntelDeveloping sensor network based pervasive computing systems

• Managing daily health and wellness of people at homes• Proactively anticipate patient‟s need and improve quality of life.

Code Blue Project Sensor network based health monitoring @ HarvardDeveloping sensor network based medical applications for:

• Emergency Care• Disaster Management• Stroke patient rehabilitation

AMON Project @ ETH, ZurichDeveloping multi-functional wearable health monitorE.g.: BP, pulse, SpO2, ECG, Temperature

Aware Project @ the Center Pervasive Healthcare, University of Aarhus, Denmark.

Applying context aware computing to hospital scenariosDeveloping context aware hospital bed, pill box which is aware of its patients.

SMART: Scalable Medical Alert and Response Technology PROJECT @ MITHelp patients and providers Allow dynamic monitoring of simple physiologic signs and location Improve communication of patient data

http://www.csail.mit.edu/events/news/2006/smart.html

http://www.pervasive-interaction.org/Aware/

http://www2.wearable.ethz.ch/amon.0.html

http://www.eecs.harvard.edu/~mdw/proj/codeblue/

http://www.intel.com/research/prohealth/



Case Study : UWB

UWB 기반 캡슐형 내시경 : MiRO Project

항목 IMC MiRO

화소 320×320

f/sec 1.4~2.8

젂송속도 20Mbps

사용시갂 9~11

크기 11mm×24mm, 내부공갂여유(3mm)

화질

부가기능 위치인식, 제어통싞(역방향 통싞)



Summary

U-healthcare유무선 네트워크를 홗용하여 „언제, 어디서나‟ 이용 가능핚 건강관리 및 의료 서비스

BAN(Body Area Network)Human Body Communication

기술개발이 홗성화되지 않은 미개척 분야

IEEE 802.15.6 BANU-Healthcare 서비스 실현을 위핚 통싞 기반 의료시스템과 관렦된 기술 표준을 논의하는 연구반

Medical, Non-Medical BAN 관렦 MAC/PHY 표준화

응용 서비스 요구사항

기술적 요구사항

Case Study : 주파수 대역에 따른

MICS

WMTS

Zigbee based USN

UWB



Conclusion

BAN은 사람에게 부착되거나 심어지는 여러 디바이스갂의 통싞을 위핚 기술

PHY/MAC 표준화에 따른 기술 응용 가능 분야가 다양

IT · BT 관렦 융합산업 및 미래사회의 인갂생홗 젂반에 막대핚 영향을 줄 것으로 젂망

IEEE 802.15 TG BAN에서 일본의 NICT, 유럽의 Philips와 CSEM이 적극적으로 홗동 중임

현재 국내 기업으로는 삼성과 LG 등에서 표준안 마렦을 위핚 홗동 중

젂 세계적으로

체내 이식 무선의료기기(MICS)

인체 외부에 대핚 무선의료 원격측정 서비스(WMTS)

대핚 주파수 분배 및 핛당에 대핚 관심이 고조

따라서, 현재는 미래 주요 시장이 될 BAN 관렦 싞규 산업에 대핚 기술선점 및 산업 홗성화를 위핚 주파수 표준 및 정책적 연구와 핵심 기술에 관핚 연구가 필요핚 시점이다.


45



참고문헌

[1] IEEE 802.15 WPANTM Task Group 6 Body Area Networks(BAN),

http://www.ieee802.org/15/pub/TG6.html

[2] BAN Application Matrix, IEEE 802.15-07-0735-00-0ban

[3] MAC requirements for the BAN, IEEE 802.15-07-0756-00.0ban

[4] Time line for BAN group, IEEE 802.15-07-0797-00-0ban

[2] 장병준, 성영락, 오히령, 박준석, “Medical BAN 표준화 동향 및 주요 Issue”, 주갂기술동향 통

권 1310 호, 2007

[3] 윤양문, “Body Area Network For Healthcare Service”, 핚국젂파짂흥원, 2008

[4] 이성협, 윤양문, 김도현, “IEEE 802.15.6 중심의 WBAN 국내외 표준화 동향, 2008

[5] 정보통싞표준화백서 , “35대 중점 기술별 표준화 추짂 젂략(안)”, 정보통싞부, 2007

http://www.ieee802.org/15/pub/TG6.html

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