미래전은 Sensor-to-Shooter 개념에 기반한 네트워크 중심전(NCW : Network Centric Warfare) 양상을 지닌다. 이러한 NCW의 핵심적인 요소들 중 하나로 무선 비디오 센서 네트워킹 기술이 군 감시정찰용으로 활발히 적용되고 있다. 감시정찰 센서 네트워크에서는 침입탐지 및 추적정보의 신뢰성 향상을 위하여 이미지 센서가 결합된 복합 센서가 사용되고 있으나 대용량의 네트워크 자원 및 에너지 소비를 요구하는 문제가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 자원 예약을 통한 이미지 데이터 전송 기법을 제안한다. 제안 기법은 네트워크 자원가용성을 고려하여 이미지 데이터 해상도 및 압축률 조정을 시도하는 동시에 다중 인터페이스의 적절한 선택을 통하여 안정적인 이미지 데이터 전송을 가능토록 한다. NS-3 시뮬레이션 기반의 성능분석을 통해서 제안기법의 전송 안정성 및 에너지 효율성의 증가를 확인하였다.
미래전은 Sensor-to-Shooter 개념에 기반한 네트워크 중심전(NCW : Network Centric Warfare) 양상을 지닌다. 이러한 NCW의 핵심적인 요소들 중 하나로 무선 비디오 센서 네트워킹 기술이 군 감시정찰용으로 활발히 적용되고 있다. 감시정찰 센서 네트워크에서는 침입탐지 및 추적정보의 신뢰성 향상을 위하여 이미지 센서가 결합된 복합 센서가 사용되고 있으나 대용량의 네트워크 자원 및 에너지 소비를 요구하는 문제가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 자원 예약을 통한 이미지 데이터 전송 기법을 제안한다. 제안 기법은 네트워크 자원가용성을 고려하여 이미지 데이터 해상도 및 압축률 조정을 시도하는 동시에 다중 인터페이스의 적절한 선택을 통하여 안정적인 이미지 데이터 전송을 가능토록 한다. NS-3 시뮬레이션 기반의 성능분석을 통해서 제안기법의 전송 안정성 및 에너지 효율성의 증가를 확인하였다.
Future combat systems can be represented as the NCW (Network Centric Warefare), which is based on the concept of Sensor-to-Shooter. A wireless video sensor networking technology, one of the core components of NCW, has been actively applied for the purpose of tactical surveillance. In such a surveill...
Future combat systems can be represented as the NCW (Network Centric Warefare), which is based on the concept of Sensor-to-Shooter. A wireless video sensor networking technology, one of the core components of NCW, has been actively applied for the purpose of tactical surveillance. In such a surveillance sensor network, multi-composite sensors, especially consisting of image sensors are utilized to improve reliability for intrusion detection and enemy tracing. However, these sensors may cause a problem of requiring very high network capacity and energy consumption. In order to alleviate this problem, this paper proposes an image data transmission scheme based on resource reservation. The proposed scheme can make it possible to have more reliable image data transmission by choosing proper multiple interfaces, while trying to control resolution and compression quality of image data based on network resource availability. By the performance analysis using NS-3 simulation, we have confirmed the transmission reliability as well as energy efficiency of the proposed scheme.
Future combat systems can be represented as the NCW (Network Centric Warefare), which is based on the concept of Sensor-to-Shooter. A wireless video sensor networking technology, one of the core components of NCW, has been actively applied for the purpose of tactical surveillance. In such a surveillance sensor network, multi-composite sensors, especially consisting of image sensors are utilized to improve reliability for intrusion detection and enemy tracing. However, these sensors may cause a problem of requiring very high network capacity and energy consumption. In order to alleviate this problem, this paper proposes an image data transmission scheme based on resource reservation. The proposed scheme can make it possible to have more reliable image data transmission by choosing proper multiple interfaces, while trying to control resolution and compression quality of image data based on network resource availability. By the performance analysis using NS-3 simulation, we have confirmed the transmission reliability as well as energy efficiency of the proposed scheme.
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문제 정의
본 논문에서는 이미지 센서가 포함된 복합 센서로 구성된 감시정찰 센서 네트워크에서 에너지 효율적이면서도 군 지휘통제소로 전달되는 탐지정보의 신뢰성 향상이 가능하도록 효율적인 이미지 데이터 전송을 위한 자원 예약 및 인터페이스 선택 알고리즘을 제안한다. 제안 기법을 통하여, 안정적인 데이터 전송 및 에너지 효율 증대로 인한 네트워크 라이프 타임 증가를 기대할 수 있을 것이다.
[12]는 Diffserve의 대표적인 스케쥴링 기법인 PQ(Priority Queue), WRR(Weight Round Robin)의 단점을 보완하는 자원할당 알고리즘을 제안하였다. 유동적으로 변화하는 각 클래스의 큐 상태를 체크하여 큐의 상태에 따라 각 클래스의 가중치를 동적으로 할당함으로써 보다 효율적인 서비스가 가능토록 한다. 그러나 우선순위가 동일한 데이터의 경우 효과가 없다.
본 논문은 전체 센서 네트워크의 라이프 타임을 향상시키기 위하여 그림 2와 같은 네트워크 형태를 구성하고 일반정보와 긴급 정보로 구분하여 데이터를 전송한다. 클러스터 구성은 싱크가 정해진 경로를 이동하면서 비콘 메시지를 전송하면 비콘 메시지를 수신한 노드는 클러스터 헤더 후보가 되고 후보 노드는 타이머를 동작시켜 가장 먼저 타이머가 종료된 노드가 클러스터 헤더가 되어 2홉 거리의 클러스터(최상위 클러스터)를 구성한다.
자원 예약은 음향 센서 등의 센서가 이벤트를 탐지한 후 이벤트 트리거 신호가 네트워크 자원 예약모듈로 전송된 후 네트워크 자원 예약모듈에서 수행하며 해당 클러스터 헤더에게 사전 정의된 기본 품질의 이미지 데이터를 전송하기 위한 자원할당을 요청한다. 이를 수신한 클러스터 헤더는 할당 가능여부를 판단 후 자원할당을 요청한 센서에게 자원을 할당하며 동시에 라우팅 경로상의 클러스터 헤더에게 자원할당 결과를 통보하여 기본 품질의 이미지 데이터가 전송 가능한지 판단토록 한다. 라우팅 경로상의 각 CH는 필요한 자원 할당을 요청하며 각각의 CH에서 자원할당 가능여부를 판단토록 한다.
본 논문에서는 이미지 센서가 포함된 복합 센서로 구성된 감시정찰 센서 네트워크에서 에너지 효율적이면서도 군 지휘통제소로 전달되는 탐지정보의 신뢰성을 향상시키기 위하여 감시정찰 센서 노드 시스템 및 네트워크 모델, 자원예약 메시지 및 포맷, 자원예약 절차, 자원할당 및 인터페이스 선택 알고리즘을 제안하였다. 시뮬레이션 결과 제안기법은 이미지 데이터를 전송하기 위해 자원을 예약하고 네트워크 자원 가용성을 고려한 해상도 및 압축률 조정, 다중 인터페이스를 사용하도록 하여 대부분의 이미지 데이터가 허용 지연시간 내에 들어오는 결과를 보여 주었다.
가설 설정
그림 3은 제안기법의 자원예약 및 할당 예를 보여준다. 본 동작 예에서 Zigbee 인터페이스는 최대 200kbps까지 자원할당이 가능하고 사용자가 권장하는 해상도의 이미지를 전송하기 위해서는 100kbps가 필요하며 사용자가 요구하는 최소의 해상도로 이미지 데이터를 전송하기 위해서는 60kbps가 요구되는 것으로 가정한다.
제안 방법
무선 센서 네트워크에서 영상 전송의 가능성을 보여준 연구로 [6]은 초소형 무선 센서 네트워크 노드에 장착된 온도센서를 기반으로 화재감시 시스템을 구현하였다. 무선 환경에서의 높은 신뢰성 보장을 위하여 초소형 카메라 모듈을 탑재한 센서 노드를 이용하여 화재 발생 시 주변의 영상을 모니터링 서버로 전송/발생 이벤트를 확인할 수 있는 시스템을 구축하였다. 하지만 [7]의 결과에서 볼 수 있듯이 카메라 센서네트워크에서 홉 수가 증가하면 데이터 전송률 및 end-to-end 수신율이 감소하고, payload의 크기가 크면 전송시간이 길어는 문제점이 있다.
네트워크 안정성 향상을 위해서 [9]는 무선 센서 네트워크에서 대역폭 자원 할당과 타임 슬롯 할당을 통한 스케쥴링에 대한 해결 방법을 정리하고 있다. 실시간 트래픽 처리를 위하여 보장 시간 슬롯(GTS : Guaranteed Time Slot)를 할당하고 이러한 할당방식을 적용 시에 IEEE 802.15.4 프레임 및 부 프레임과 관련된 최적의 파라미터 획득방안을 제안한다. 그러나 다중 영상 처리에 대한 고려가 이루어지지 않고 있으며 네트워크의 확장성에 문제를 가질 수 있다.
[11]은 다중 인터페이스와 다중 채널을 사용하여 노드 간의 내부 간섭을 회피하고 목적지까지 제한된 시간 내에 도착하도록 하는 다중 홉 자원 예약 기법을 제안하였다. 본 기법은 IEEE 802.11 MAC의 CSMA/CA에서 사용되고 있는 RTS(Request-to-Send) 제어프레임을 멀티 홉에 적용할 수 있도록 수정하여 MH-RTS(Multi-Hop RTS)를 사용하였다. 하지만 본 논문의 환경과 같이 하나의 채널을 사용하는 환경에서는 멀티 홉 전 구간의 자원을 하나의 플로우가 배타적으로 점유하여 전송 효율의 저하를 가져오게 된다.
본 논문은 전체 센서 네트워크의 라이프 타임을 향상시키기 위하여 그림 2와 같은 네트워크 형태를 구성하고 일반정보와 긴급 정보로 구분하여 데이터를 전송한다. 클러스터 구성은 싱크가 정해진 경로를 이동하면서 비콘 메시지를 전송하면 비콘 메시지를 수신한 노드는 클러스터 헤더 후보가 되고 후보 노드는 타이머를 동작시켜 가장 먼저 타이머가 종료된 노드가 클러스터 헤더가 되어 2홉 거리의 클러스터(최상위 클러스터)를 구성한다. 클러스터 생성 종료 후, 군 지휘통제소로 센싱 데이터를 전달하기 위한 최상위 클러스터헤더 중심의 라우팅 트리 경로를 구성하며, 이 때, 최상위 클러스터에 포함되어있지 않은 센서 노드는 일정 시간이 경과 후 자율적으로 2홉 클러스터를 구성한다.
실제로 군에서 상용의 센서 네트워크 기술을 활용한 전투실험을 수행한 결과, 센서 탐지경보 오감지율로 인한 정확도 향상과 침입탐지/식별의 신뢰성 향상 문제를 제기한 사례가 있다. 따라서 본 논문에서는 이미지 센서가 포함된 복합 센서로 구성된 감시정찰 센서 네트워크에서 침입탐지/식별 정보의 신뢰성 향상을 통한 군 작전능력 향상을 위하여 최소의 에너지를 소모하면서 트래킹 정보인 주기적인 이미지 데이터가 실시간으로 군 지휘통제소에 전송되도록 자원예약 기법을 사용하고 이를 위한 1) 자원예약 메시지 및 포맷 정의, 2) 자원예약 절차, 3) 자원할당 및 인터페이스 선택 알고리즘을 제안한다.
감시정찰 센서 네트워크에서 동시 다발적으로 발생하는 이미지 데이터를 정해진 시간 내에 멀티 홉을 통하여 군 지휘통제소까지 전송하는 것은 쉽지 않다. 따라서 트래킹 이미지 데이터를 신뢰성 있게 전송하고 사용자가 관심이 있는 지역의 정밀한 이미지 데이터를 수집하기 위하여 자원할당 요청 메시지, 자원할당 승인 메시지, 할당자원 변경 메시지, 특정지역 집중감시 메시지, 특정지역 집중감시 해제 메시지 등 5종의 자원예약 메시지를 사용한다.
라우팅 경로상의 각 CH는 필요한 자원 할당을 요청하며 각각의 CH에서 자원할당 가능여부를 판단토록 한다. 라우팅 경로상의 각 클러스터 헤더는 기본 품질의 이미지 데이터를 지원이 가능한지, 해상도/압축률 조정을 통하여 요청된 자원할당을 변경해야 하는지, 이미지 데이터를 전송하기 위하여 Wi-Fi 인터페이스를 사용해야 하는지를 판단하며 이를 수행하는 자원할당 판단, 인터페이스 선택 알고리즘은 3항에 제안하였다.
자원할당 요청 메시지를 수신한 노드는 그림 4의 자원할당 알고리즘을 따른다. 즉 이미지 데이터 전송을 위한 자원할당을 요청 받으면 요청한 데이터 처리를 위한 자원 할당이 가능한지를 판단하여 자원할당이 가능하면 전송하는 이미지 데이터 전송 노드 수, 인터페이스 등 할당된 정보를 기록한 후 자원할당을 수행하고 자원할당이 불가하면 다시 해상도 및 압축률 조정 등을 통하여 자원할당이 가능한지를 판단하여 자원할당이 가능하면 전송하는 이미지 데이터 전송 노드 수, 인터페이스 등 할당된 정보를 기록한 후 자원할당을 수행하고 자원할당이 불가하면 해상도, 압축률 등을 통한 자원을 재 배분한다. 이후 재 배분된 자원을 대상으로 자원할당이 가능한지를 판단하여 자원할당이 가능하면 자원할당을 시행하고 자원할당이 불가하면 Wi-Fi 인터페이스 사용 가능여부를 판단하여 사용 가능하면 인터페이스를 변경하고 자원을 할당한다.
본 논문은 이미지 데이터를 전송하기 위하여 우선적으로 Zigbee 인터페이스를 활용한다. 그러나 Zigbee 인터페이스를 활용하여 원하는 시간 내에, 사용자가 정의한 해상도의 이미지를 군 지휘통제소에 보낼 수 없을 때는 Wi-Fi 인터페이스를 사용하도록 하였다. Wi-Fi 인터페이스를 사용하면 대용량의 데이터를 빠른 시간 내에 전송할 수는 있으나 노드의 에너지 소모량이 많아 전체 네트워크의 라이프 타임은 감소된다.
침입을 탐지한 센서 노드는 2초당 1장의 사진 이미지를 싱크로 전송하게 된다. 한번 탐지된 정보는 10초간 총 5장의 이미지 정보가 지속적으로 싱크에 전송되며, 이미지 크기는 압축률 및 해상도에 따라서 총 네 가지 종류를 정의 하였다. 기본적인 이미지는 640x480 픽셀 해상도로 한 장 당 20kbyte로 설정되어 있으며, 네트워크 상황에 따라서 해상도 및 압축률 조정이 가능하다.
실험은 동시 이벤트 발생에 따른 제안 기법의 성능을 평가하기 위해서 이벤트 발생의 수를 증가시키면서 지연 허용 시간 내 도착 성공률 및 이미지 전송을 위해 사용된 평균 에너지 소모량에 대한 결과를 비교하였다.
각 이벤트는 400개의 센서 중 랜덤하게 발생할 수 있으며 총 10번의 실험 결과를 평균한 값을 그래프로 보여 주었다. WPAN만을 사용하는 경우는 고정된 이미지 데이터를 전송하는 경우와 가변 이미지 데이터를 전송하는 경우로 나누어 실험을 진행하였다. WLAN만 사용한 경우, 충분한 대역폭을 사용할 수 있기 때문에 대역폭 할당 프로토콜이 사용되지 않았으며 제안기법은 WPAN 기반의 가변 이미지 데이터를 전송하면서 필요시 WLAN을 추가적으로 사용하였다.
WPAN만을 사용하는 경우는 고정된 이미지 데이터를 전송하는 경우와 가변 이미지 데이터를 전송하는 경우로 나누어 실험을 진행하였다. WLAN만 사용한 경우, 충분한 대역폭을 사용할 수 있기 때문에 대역폭 할당 프로토콜이 사용되지 않았으며 제안기법은 WPAN 기반의 가변 이미지 데이터를 전송하면서 필요시 WLAN을 추가적으로 사용하였다.
대상 데이터
제안된 알고리즘의 성능 평가를 위하여 NS-3 시뮬레이터를 사용하였으며 실험 환경은 표 3과 같다. 1000m x 1000m 크기의 영역에 400개의 센서를 설치하고 1개의 sink를 중앙에 설치하였다.
이론/모형
본 논문은 이미지 데이터를 전송하기 위하여 우선적으로 Zigbee 인터페이스를 활용한다. 그러나 Zigbee 인터페이스를 활용하여 원하는 시간 내에, 사용자가 정의한 해상도의 이미지를 군 지휘통제소에 보낼 수 없을 때는 Wi-Fi 인터페이스를 사용하도록 하였다.
센서 간의 통신 거리는 60m이고 각각의 센서는 WPAN 인터페이스와 WLAN 인터페이스를 장착하였으며 랜덤한 위치에서 침입 탐지 이벤트를 발생시켰다. 채널 propagation loss 모델로는 Nakagami 모델이 사용되었다. 침입을 탐지한 센서 노드는 2초당 1장의 사진 이미지를 싱크로 전송하게 된다.
성능/효과
1) 그림 3(a)에서 클러스터 헤더 B의 자식노드인 A 센서노드와 클러스터 헤더 C의 자식노드인 B 센서 노드는 각각 이벤트를 탐지한 후 이미지 데이터를 전송하기 위하여 100kbps를 자원할당 요청하였고 해당 CH 및 라우팅 경로상의 CH에서 자원할당 가능여부를 판단한 결과 100kbps 대역폭의 할당이 가능하여 최종적으로 100kbps를 할당받아 이미지 데이터를 전송하고 있다.
2) 이후 클러스터 헤더 C의 또 다른 자식노드인 C 센서노드가 3번째 이벤트를 탐지하여 이미지 데이터를 전송하기 위하여 CH에게 100kbps 자원할당을 요청하고 CH는 자원할당이 가능하므로 100kbps의 자원을 할당한다. 동시에 CH B에게 B 센서노드와 C 센서노드를 위한 할당 자원인 200kbps를 요청하며 CH B는 200kbps 자원 중 A, B, C 노드를 지원하기 위해서는 각각 60kbps씩 자원할당이 가능함을 판단하고 CH A에게 180kbps 자원할당을 요청한다.
2) 이후 클러스터 헤더 C의 또 다른 자식노드인 C 센서노드가 3번째 이벤트를 탐지하여 이미지 데이터를 전송하기 위하여 CH에게 100kbps 자원할당을 요청하고 CH는 자원할당이 가능하므로 100kbps의 자원을 할당한다. 동시에 CH B에게 B 센서노드와 C 센서노드를 위한 할당 자원인 200kbps를 요청하며 CH B는 200kbps 자원 중 A, B, C 노드를 지원하기 위해서는 각각 60kbps씩 자원할당이 가능함을 판단하고 CH A에게 180kbps 자원할당을 요청한다. CH A는 CH B 및 CH C를 경유하여 A 및 B 센서 노드에게는 100kbps에서 60kbps로 재 할당하고 3번째 이벤트를 탐지한 C 센서노드에게는 60kbps를 최종 할당한다.
WLAN의 경우 대부분의 시간을 IDLE 상태로 보내기 때문에 에너지 소모량의 차이가 크게 발생하지 않는다. 제안 기법의 경우 필요 시 WLAN 인터페이스를 선택적으로 사용함으로써, 이벤트 발생이 적은 경우 WPAN 인터페이스만을 사용한 결과와 비슷한 에너지 소비량을 보여주며, 이벤트 발생이 증가할수록 이미지 데이터 전송의 성공률을 유지하기 위해서 WLAN 인터페이스를 이용하게 되는 것을 볼 수 있다. 이를 통해서 제안기법의 높은 에너지 효율성을 기대할 수 있다.
본 논문에서는 이미지 센서가 포함된 복합 센서로 구성된 감시정찰 센서 네트워크에서 에너지 효율적이면서도 군 지휘통제소로 전달되는 탐지정보의 신뢰성을 향상시키기 위하여 감시정찰 센서 노드 시스템 및 네트워크 모델, 자원예약 메시지 및 포맷, 자원예약 절차, 자원할당 및 인터페이스 선택 알고리즘을 제안하였다. 시뮬레이션 결과 제안기법은 이미지 데이터를 전송하기 위해 자원을 예약하고 네트워크 자원 가용성을 고려한 해상도 및 압축률 조정, 다중 인터페이스를 사용하도록 하여 대부분의 이미지 데이터가 허용 지연시간 내에 들어오는 결과를 보여 주었다. 또한 이미지 데이터 전송에 참여한 노드의 평균 에너지 소모는 기본적으로 WPAN 인터페이스를 사용하고 선택적으로 WLAN 인터페이스를 사용함으로써 높은 에너지 효율성을 얻어 제안기법의 우수함을 증명하였다.
시뮬레이션 결과 제안기법은 이미지 데이터를 전송하기 위해 자원을 예약하고 네트워크 자원 가용성을 고려한 해상도 및 압축률 조정, 다중 인터페이스를 사용하도록 하여 대부분의 이미지 데이터가 허용 지연시간 내에 들어오는 결과를 보여 주었다. 또한 이미지 데이터 전송에 참여한 노드의 평균 에너지 소모는 기본적으로 WPAN 인터페이스를 사용하고 선택적으로 WLAN 인터페이스를 사용함으로써 높은 에너지 효율성을 얻어 제안기법의 우수함을 증명하였다.
후속연구
본 논문에서는 이미지 센서가 포함된 복합 센서로 구성된 감시정찰 센서 네트워크에서 에너지 효율적이면서도 군 지휘통제소로 전달되는 탐지정보의 신뢰성 향상이 가능하도록 효율적인 이미지 데이터 전송을 위한 자원 예약 및 인터페이스 선택 알고리즘을 제안한다. 제안 기법을 통하여, 안정적인 데이터 전송 및 에너지 효율 증대로 인한 네트워크 라이프 타임 증가를 기대할 수 있을 것이다.
11 라디오를 사용하도록 한다. 센서 노드의 에너지 측면과 처리량 측면에서 좋은 결과를 얻을 수 있으나 제한된 시간 안에 데이터가 전송되어야 하는 군 센서 네트워크의 특성을 반영하는데 한계를 가진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
감시정찰 센서 네트워크의 문제점?
이러한 NCW의 핵심적인 요소들 중 하나로 무선 비디오 센서 네트워킹 기술이 군 감시정찰용으로 활발히 적용되고 있다. 감시정찰 센서 네트워크에서는 침입탐지 및 추적정보의 신뢰성 향상을 위하여 이미지 센서가 결합된 복합 센서가 사용되고 있으나 대용량의 네트워크 자원 및 에너지 소비를 요구하는 문제가 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 자원 예약을 통한 이미지 데이터 전송 기법을 제안한다.
미래전은 어떤 양상을 보이는가?
미래전은 다양한 센서들로부터 수집된 디지털 전술정보(예: 표적, 항적, 위치정보, 피아식별 및 명령 등)를 가공하여 곧바로 타격하는 Sensor-to-Shooter 개념의 네트워크 중심전(NCW : Network Centric Warfare)양상을 지닌다. NCW의 핵심적인 요소들 중 하나로 무선 센서 네트워킹 기술이 대두되고 있으며, 특히 감시정찰용 센서 네트워크는 아군이 접근하기 힘든 지역 또는 기존 플랫폼 중심 감시체계에서 감지할 수 없는 각종 전술정보를 수집함으로써 군사작전의 효율성을 제고한다.
무선 센서 네트워크 기술을 군에 적용하려는 사례로는 어떤 것들이 있을까?
네트워크 중심작전 환경 구축의 일환으로 국·내외에서 무선 센서 네트워크 기술을 군에 적용하려는 많은 시도를 하고 있다. 국외사례를 살펴보면, UC Berkeley와 MLB Company가 수행한 SensIt (Sensor Information Technology) 프로젝트, 오하이오 주립대학 등이 미국 DARPA의 지원으로 수행한 A Line in Sand 프로젝트, 2003년부터 추진 중인 미 육군의 FCS(Future Combat System) 프로젝트 등이 있으며,[3] 국내에서는 기존 상용 센서 네트워크 기술을 군에 적용하려는 U-Army 실험사업 추진, 국방부(ADD)-지경부(ETRI)간 공동 연구개발 사업으로 감시정찰 센서 네트워크 시스템 기술개발을 진행하였다.
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