Evolução da tecnologia DWDM

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1 V SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2016 Evolução da tecnologia DWDM Guilherme Kazama Tsujigushi, André Luis da Rocha Abbade Abstract This paper shows a brief historical evolution of technologies involved in WDM optical networks, the components that allowed the increase in transmission capacity and the transport networks used. It also presents the trends in DWDM systems. Index Terms optical communications, optical network, WDM. Resumo Este artigo apresenta um breve histórico da evolução das tecnologias envolvendo as redes ópticas WDM, os componentes que permitiram o aumento da capacidade de transmissão e os tipos de redes de transporte utilizados. Ao final são apresentadas tendências para os sistemas DWDM. Palavras chave comunicações ópticas, redes ópticas, WDM. I. INTRODUÇÃO As comunicações ópticas representam um importante passo na evolução das telecomunicações. Ao longo da história observou-se que a fibra óptica apresentava um grande potencial para transmitir altas taxas de dados. Com a evolução no processo de fabricação das fibras, a aplicação de novos tipos de amplificadores, dentre outros componentes, foi possível levar a informação a lugares mais distantes além da possibilidade de alocar inúmeros canais, utilizando Wavelength Division Multiplexing, WDM. Comparada a outras tecnologias como cabos metálicos e meios sem fio, a fibra óptica representa uma grande vantagem, pois um único feixe óptico possui a capacidade de trafegar dados na ordem de Tera bits por segundo e com baixa atenuação. Por volta do ano de 2000, o volume de tráfego de dados crescia exponencialmente chegando a ultrapassar o tráfego de voz [1]. Um dos principais motivos para este avanço é a disseminação do uso da internet. Com uma maior demanda há a necessidade de redes capazes de escoar todo este volume de dados. Portanto a fibra óptica se tornou o principal meio nas redes backbone das empresas de telecomunicações. O objetivo deste trabalho é apresentar um histórico da evolução da tecnologia óptica através dos principais acontecimentos nesta área no mundo e no Brasil. Tal avanço veio através do aperfeiçoamento de várias áreas que permitiram que a capacidade de transmissão fosse elevada, e os efeitos não desejados minimizados. Com isso foi possível Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. André Luis da Rocha Abbade. Trabalho aprovado em alocar uma quantidade cada vez maior de canais dentro de uma única fibra, caracterizando assim a tecnologia WDM e posteriormente o Dense WDM. Outro fator de grande relevância é a transparência no tráfego de diferentes protocolos de transporte tais como IP, ATM, SDH, SONET e OTN. Considerando que há grande capacidade de exploração do uso das fibras é apresentado como está atualmente o mercado de comunicações ópticas e as tendências para as próximas redes ópticas. Este artigo está estruturado da seguinte forma: a Seção II apresenta um breve histórico da evolução dos sistemas ópticos no mundo e no Brasil. A Seção III descreve o emprego de novos componentes numa rede WDM que possibilitaram o aumento da distância e da capacidade das fibras ópticas. Na Seção IV são apresentadas as principais redes de transporte que utilizam a fibra como meio de transmissão. Na Seção V são fornecidas características dos estados das redes atuais e das redes futuras empregando a tecnologia DWDM. Por fim, a Seção VI apresenta uma conclusão sobre o artigo e propõe temas para novos estudos que possam complementar as informações apresentadas neste. A. No mundo II. INÍCIO DOS SISTEMAS ÓPTICOS Nos dias atuais a fibra óptica está presente nas mais variadas aplicações da sociedade tais como nas redes de acesso, redes metropolitanas, backbone e até mesmos em outros campos tais como a medicina. Contudo, as primeiras pesquisas envolvendo o guiamento da luz datam do século XIX, quando em 1870 John Tyndall provou que era possível fazer curvas com a luz. Entretanto, na época não havia tecnologia suficiente para o prosseguimento dos trabalhos, com isso estudos de maior relevância voltaram a aparecer quase cem anos depois [2]. Na década de 60, os doutores Charles Kao e G. A. Hockham enviaram a Associação Britânica de Ciência Avançada uma especificação de requisitos para que fosse possível a utilização da fibra óptica em redes de telecomunicações. Um dos principais requisitos era que a atenuação do meio deveria ser menor do que 20 db/km. Em 1972, uma equipe da Corning Glass Works dos Estados Unidos começava a fabricar, em pequena escala, fibras com atenuação na ordem de 4 db/km. Em meados da década de 70, foi implantado o primeiro link comercial utilizando fibra óptica para a Polícia de Dorset, na Inglaterra [3]. A década de 80 foi um marco para as comunicações em longas distâncias envolvendo fibra óptica. A primeira rede

2 óptica nacional foi instalada nos Estados Unidos interligando Washington à cidade de Cambridge, no estado do Massachusetts. No fim desta década, foi implantada a primeira Rede Óptica Internacional que interligava os Estados Unidos à Inglaterra e a França. Este sistema era baseado na tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda, WDM (Wavelength Division Multiplex) e tinha a capacidade para 40 mil conversas telefônicas simultâneas. Este cabo foi denominado de TAT-8 [4]. No início dos anos 90, começaram a surgir no mercado equipamentos WDM com oito canais sendo que o espaçamento entre estes era de 400 GHz. A esta tecnologia se dava o nome de WDM de banda estreita, Narrowband WDM. O termo DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) surgiu em meados da década de 90, expandindo assim a capacidade das redes óticas existentes. Esta tecnologia tinha a capacidade de multiplexar até 40 canais com espaçamento entre portadoras de 100 GHz. Estes sistemas operavam na Banda C, com comprimentos de onda de 1530nm a 1565nm, sendo que esta faixa possui baixa atenuação além da possibilidade da utilização de amplificadores ópticos. Tais fatores são essenciais para a aplicação em redes de longas distâncias [5]. A Tabela I apresenta o esquema de nomeação das bandas ópticas e as faixas de comprimentos de onda destinadas [6]. TABELA I BANDAS OPTICAS. tecnologia fotônica teve rápido desenvolvimento e com isso novos equipamentos surgiram a fim de possibilitar o aumento da capacidade de transmissão em cada portadora, a quantidade de canais por fibra, dentre outras características. Tais fatores serão explorados ao longo do trabalho. B. No Brasil Na década de 70, três pesquisadores brasileiros Rogério Cerqueira Leite, Sérgio Porto e José Ripper Filho acompanharam o desenvolvimento da fibra óptica na empresa Corning nos Estados Unidos. Posteriormente, a convite do fundador da Universidade Estadual de Campinas, UNICAMP, os três pesquisadores lideraram as pesquisas brasileiras nesta área óptica [10]. Com a criação da estatal Telebrás em 1972, o Brasil começou a investir no desenvolvimento de tecnologia para fabricação de fibra óptica no país. Após cinco anos dos trabalhos, foi criada a primeira fibra brasileira. Cerca de dez anos mais tarde, a empresa ABC X-Tal contratou os serviços da Telebrás para a produção de 2 mil quilômetros de fibras, sendo que os primeiros lotes ficaram prontos em 1984 [10]. No final dos anos 90, a empresa Eletronet contava com uma rede óptica de mais de 16 mil km de extensão, interligando as principais capitais brasileiras. Entretanto, devido a problemas políticos e de casos de corrupção, esta rede nunca foi usada plenamente [11]. A Figura 1 apresenta o mapa desta rede. BANDA DESCRIÇÃO FAIXA [nm] O Original 1260 a 1360 E Extended 1360 a 1460 S Short Wavelength 1460 a 1530 C Conventional 1530 a 1565 L Long Wavelength 1565 a 1625 U Ultra-Long Wavelength 1625 a 1675 Nessa mesma época, para identificar e diferenciar os sistemas de quatro a oito canais, surgiu a definição CWDM, Coarse WDM. Esta tecnologia vinha sendo estudada para os padrões 10 Gigabit Ethernet. A fim de criar uma padronização para as redes ópticas, devido a grande utilização da tecnologia DWDM, a ITU por meio das recomendações G.692 e G procurou especificar inúmeros pontos de uma rede, determinando potência máxima, espaçamento de canal, dispersão, sensibilidade do receptor entre outros fatores [7] [8]. Entretanto alguns pontos das recomendações ainda são alvos de futuros estudos. Mais recentemente, no ano de 2007 a Bell Labs apresentou ao mundo a primeira transmissão acima de 100Gb/s utilizando a fibra óptica, sendo que até então a maior taxa de transmissão por canal era de 85,4Gb/s. No experimento, os pesquisadores transmitiram 10 canais a uma taxa de 107Gb/s por uma distância de 400km [9]. A história recente da fibra óptica demonstra que a Figura 1. Mapa de fibra óptica da empresa Eletronet [11] III. EVOLUÇÃO DOS ELEMENTOS DA REDE ÓPTICA Nos primeiros sistemas utilizando a fibra óptica como meio de transmissão, a comunicação se dava por meio de uma conexão ponto-a-ponto, sem amplificação. Com isso a distância ficava limitada a poucos quilômetros [12]. Com o advento do LED, desenvolvido por Burrus, o avanço das pesquisas de Kogelnik e Shank envolvendo lasers em 1971

3 e com o emprego de fibras com atenuação de 0,2 db/km na faixa de 1550nm foi possível tornar as distâncias maiores [2]. A Figura 2 apresenta a evolução dos sistemas ópticos com o emprego de novas tecnologias, tais como amplificadores, multiplexadores, estações add/drop e o uso das conexões cruzadas. faziam a conversão do sinal óptico-elétrico-óptico, contudo tais sistemas apresentavam custo elevado, baixa confiabilidade devido à degradação dos componentes utilizados, variações de temperatura que acarretam variação de potência nas fontes ópticas, dentre outros fatores. Com o avanço da tecnologia, surgiram os amplificadores ópticos cujo princípio de funcionamento baseia-se em uma fonte óptica que entrega a energia necessária para o processo de ganho de potência, chamada de fonte de bombeamento, e uma fibra óptica dopada com elementos conhecidos como terras raras [2]. O processo do ganho dá-se através da transferência de energia entre a fonte de bombeamento e o feixe que leva a informação. Dentre os amplificadores ópticos podem-se citar os amplificadores Raman, Semiconductor Optical Amplifier (SOA) e o Erbium Doped Fibre Amplifier (EDFA), sendo este último mais comumente empregados nos sistemas WDM [2] [16]. O EDFA é constituído de uma fibra óptica dopada com elemento érbio, que permite emitir luz próxima à faixa de 1550nm. Esta faixa também é conhecida como a terceira janela de baixa atenuação [16]. A Figura 4 ilustra o esquema de um EDFA, onde pode ser observada a fibra dopada, a fonte de bombeamento e isoladores responsáveis em atenuar a propagação do sinal no sentido reverso. Figura 2. Evolução dos sistemas ópticos [12] Para o aumento da capacidade de transmissão utilizando mais portadoras dentro da fibra óptica, são utilizados elementos conhecidos como multiplexadores e demultiplexadores ópticos. A principal função do multiplexador é direcionar as várias portadoras nas fibras de entrada para uma única fibra e na outra extremidade do enlace o demultiplexador separa as portadoras em diversas fibras. A Figura 3 ilustra seu funcionamento. Nos sistemas ópticos cada canal pode ainda utilizar diferentes tipos de modulação do feixe, sendo que os primeiros sistemas utilizavam de chaveamentos on-off (OOK), onde os bits de informação eram transmitidos pela ausência e presença de luz [13]. Posteriormente, observou-se que era possível aumentar a eficiência espectral transmitindo mais bits por símbolo. Para isso utilizam-se modulações de maior ordem como a 8-PSK, 16-QAM e até mesmo a multiplexação OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) [14] [15]. Figura 3. Multiplexador e Demultiplexador Com distâncias maiores surge a necessidade da implantação de sistemas capazes de amplificar a potência fornecida à fibra. No início se utilizavam de repetidores-regeneradores que Figura 4. Esquema de um amplificador EDFA [17] Infelizmente, a janela de 1550nm apresenta grande dispersão cromática e isto pode prejudicar a performance de projetos de longas distâncias, podendo ser necessário o uso de fibras especiais com dispersão deslocada para a redução deste efeito indesejado [2]. Apesar da maior quantidade de canais que podem ser transportados de uma ponta a outra do sistema, nem sempre todos os canais devem seguir para o mesmo caminho. Em várias situações pode ser necessário retirar alguns canais para um equipamento intermediário no enlace ou a adição de canais que serão retirados na outra ponta. Em meados da década de 80, chegavam ao mercado os primeiros sistemas conhecidos como Optical Add/Drop Multiplexer, OADM [17]. Este componente é responsável em fazer a retirada/adição de canais no domínio óptico, vindo a ser muito empregado nas redes WDM. A Figura 5, ilustra um diagrama em blocos de um tipo de componente OADM que emprega add/drop nos dois domínios, óptico e elétrico. Há também outros modelos de OADM como aqueles baseados em Grades de Bragg, com

4 circuladores ópticos, Grades de Arranjo de Guias de onda, dentre outros [16]. Figura 5. Esquema de funcionamento de um OADM [17] Com o avanço no uso das redes WDM, as comunicações ópticas começam a exigir um esquema de roteamento dos feixes ópticos. Surgiu então à necessidade da conexão entre redes, sejam redes em anel, redes em malha, etc. A Figura 2 apresentou este tipo de conexão através de um componente capaz de realizar uma conexão cruzada óptica entre as duas topologias, Optical Cross Connection (OXC), entretanto os primeiros sistemas deste tipo realizavam esta conexão através da conversão óptica-elétrico-óptica. Tal componente permite direcionar o feixe óptico de uma entrada para outra, sendo que a principal diferença entre este e o OADM é a maior quantidade de entradas/saídas, baixa perda por inserção, e outras características. A Figura 6 apresenta um modelo genérico deste componente. Figura 7. Esquema de OXC empregando MEMS: (a) 2D (b) 3D [18] Atualmente as comunicações ópticas requerem um nível ainda maior de gerenciamento da rede. A capacidade de modificar o modo de funcionamento dos componentes e alterar o roteamento dos feixes ao longo do trajeto reduz os custos necessários para a supervisão e permite alocar recursos dinamicamente. No início do século XXI, a empresa Fujitsu apresentou ao mercado uma evolução dos antigos OADM, conhecido como ROADM (Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer). Sua principal diferença para os equipamentos OADM e OXC é permitir ao operador da rede alterar as conexões entre redes, adição/retirada de canais e balanceamento do feixe óptico de maneira remota através de um software de gerência [19] [20] [21]. Apesar da nova funcionalidade ser reconfigurável remotamente, sua principal limitação é o fato de que cada comprimento de onda é atribuído a um caminho fixo [22]. IV. TECNOLOGIAS DE TRANSPORTE O sistema DWDM possui uma grande vantagem que é transmitir vários tipos de tecnologias de transporte em um meio compartilhado, de forma transparente, como exibido na Figura 8. Essa vantagem vem sendo explorada a fim de viabilizar a implantação dessa tecnologia em áreas metropolitanas. As principais tecnologias utilizadas são SONET/SDH, ATM, Ethernet e IP e mais recentemente o OTN. Figura 6. Modelo genérico de um OXC [12] Uma técnica mais avançada na construção do OXC consiste no emprego de micro espelhos que refletem a luz para as saídas desejadas. Tais espelhos são ajustados através de micro sistemas eletromecânicos, do inglês Micro-eletro Mechanical System (MEMS). O uso de OXC baseado nestes espelhos permite ainda a reflexão em duas dimensões ou em três dimensões, aumentando a capacidade deste componente [16] [18]. A Figura 7 exemplifica este funcionamento. Figura 8. Tecnologias de transporte no DWDM A tecnologia SONET (padrão americano) ou SDH (padrão europeu) é utilizada para serviços baseados em multiplexação no domínio do tempo, principalmente serviços de voz. Devido a sua ineficiência de adaptar outros tipos de serviço, a sua

5 hierarquia e multiplexação problemática, é uma péssima escolha a visão de futuro considerando novas aplicações e tipos de serviços, segundo a Cisco. No SDH a estrutura de transporte básica é chamada de STM-1, cuja taxa é 155,5Mb/s. Em sistemas DWDM com 80 canais transportando um STM- 64 sob OC-192 pode-se alcançar taxas em torno de 800Gb/s [12] [23]. A capacidade de transportar diversos tipos de protocolos sob uma mesma tecnologia, oferecer diferentes classes de qualidade de serviço conforme necessidade da aplicação e baixo custo de processamento fez com que o ATM fosse muito empregado nas redes de transmissão dos provedores de serviço. Uma grande desvantagem na escolha dessa tecnologia é o overhead, que chega a consumir aproximadamente 9,4% do total de bits transmitidos, comprometendo a vazão efetiva da rede [24]. Desde que o padrão Gigabit Ethernet foi ratificado, os serviços que utilizam essa tecnologia cresceram rapidamente. Com o uso do DWDM, foi possível construir redes Ethernet em grandes distâncias sem a necessidade de provisionar o tráfego em outra tecnologia de transporte como o ATM, garantindo uma rede com serviço de alta taxa e baixo custo por bits por segundo. Como é a tecnologia mais utilizada para conexão entre clientes e servidores, sua evolução oferece proteção ao capital investido em equipamentos que trabalham diretamente com essa tecnologia [15]. Muitos serviços estão migrando para redes IP, tais como voz e vídeo. Esse grande volume de tráfego necessita de grande vazão para oferecer qualidade de serviço apropriada a esses tipos de aplicações sensíveis a atraso, características essas compatíveis com o sistema DWDM. O IP pode trafegar sobre diferentes tecnologias sendo elas SDH, Ethernet, ATM, como exibido na Figura 9 [1]. canal devido a tecnologia dos transceivers existentes. Há uma forte tendência dos fabricantes em desenvolver transceivers com capacidade de transmitir 400Gb/s por canal, nesse caso em uma configuração de 80 canais uma única fibra poderá transportar até 32Tb/s. Ainda não se conhece os limites reais de transmissão de uma fibra óptica, mas já existem testes atingindo taxas de 255Tb/s [8] [26] [27]. A padronização da tecnologia de transporte Ethernet para 100Gb/s impulsionou as redes de transporte óptica OTN (Optical Transport Network), que atualmente contam com interfaces de 100Gb/s. Porém, já vem se falando do próximo avanço dessa tecnologia e a dúvida será se o próximo padrão Ethernet será com taxa de 400Gb/s ou 1Tb/s, que tem previsão de estar completamente padronizado até 2020, juntamente com o 5G [15]. O grande desafio para a implementação desses padrões com taxas mais elevadas, são as técnicas de modulação que serão empregadas para transmitir tamanho volume de dados e conseguir manter viável a instalação dos novos padrões, no que se diz respeito à distância do enlace e susceptibilidade a efeitos provocados pela fibra óptica. O padrão 100GE, padronizado em 2010, utiliza a modulação PDM-QPSK, com eficiência espectral de 2b/s/Hz e pode chegar a viajar 2500km em uma fibra G.652. Para transmitir quatro vezes mais informação seria necessário aumentar a ordem da modulação, o que requer uma maior relação sinal ruído (Optical Signal to Noise Ratio, OSNR) para manter a taxa de erro de bits. Outros efeitos indesejados deste aumento da ordem de modulação são uma maior sensibiliade a ruído de fase dos lasers empregados e a efetios não-lineares inerentes da fibra, em particular o ruído de fase não-linear. Uma solução hoje apresentada pela indústria é transportar a informação em 2 canais de 37.5 GHz utilizando duas subportadoras a 200Gb/s com a modulação PDM-16QAM resultando em uma eficiência espectral de 5.33b/s/Hz, como exibido na Figura 10 [28]. Esta foi retirada da Recomendação G da ITU e apresenta uma grade da largura de faixa para diferentes taxas de transmissão e modulações. Figura 9. Protocolos sob a camada óptica V. REDES DWDM ATUALMENTE E FUTURAS A utilização de redes DWDM para compor o backbone de grandes empresas prestadoras de serviços de telecomunicações vem sendo cada vez mais comum devido a grande demanda por utilização de dados da sociedade atual. Novos serviços como comunicação M2M (Machine-to-Machine) e Internet das Coisas (IoT) tem a tendência de congestionar a rede devido ao grande número de dispositivos que farão parte da rede de comunicação nos próximos anos [25]. A maioria das atuais redes DWDM são constituídas de 40, 80 ou até 160 canais, com espaçamento de 100GHz, 50GHz e 25GHz respectivamente e podem transportar até 100Gb/s por Figura 10. Tecnologias de transporte no DWDM Os equipamentos de transmissão estão constantemente em desenvolvimento e alguns dos principais fabricantes são ADVA, Alcatel, Ciena, Cisco, Huawei, Lucent, Nortel, Siemens e Sorrento. A Figura 11 apresenta dois modelos de equipamentos usados atualmente: a parte (a) ilustra um equipamento de transmissão fabricado pela Cisco, com uma capacidade de transmissão máxima de 128Tb/s em uma configuração multi-chassi, ou seja, numa associação de equipamentos [29], já a parte (b) da figura apresenta o modelo

6 OptiX OSN9800 da Huawei com uma capacidade de transmissão de 100Tb/s, também em uma configuração multichassi [30]. Figura 11. (a) Cisco NCS 6000 (b) Huawei OptiX OSN 9800 Um grande exemplo de redes DWDM futuras será um cabo transatlântico de 8 fibras ativas entre Europa e Estados Unidos, que terá capacidade de transmissão de 160Tb/s. O projeto é uma parceira da Microsoft com o Facebook e tem previsão de conclusão para o fim de 2017 [31]. Pode-se esperar no futuro redes mais robustas, com maior capacidade para suportar o tráfego de bilhões de novos dispositivos que terão acesso à rede. As redes DWDM são responsáveis em transportar grandes volumes de dados e conectar redes remotas entre si. Terão um papel essencial para viabilizar questões como internet táctil e grande largura de banda para bilhões de dispositivos inteligentes [32]. VI. CONCLUSÕES Este artigo apresentou como foi à evolução das comunicações ópticas e os principais elementos integrantes de uma rede DWDM. Com baixa atenuação e principalmente sua grande capacidade de transmissão, a fibra óptica se tornou o principal meio de transmissão para as redes de transporte de longas distâncias. Pesquisas demonstram a possibilidade de alocar ainda mais canais ópticos nos sistemas DWDM, portanto sendo possível aumentar as taxas em uma única fibra permitindo assim alocar mais recursos para os novos serviços. Para continuar os estudos nessa área fica como sugestão o aprofundamento de conhecimento nos principais protocolos de transmissão utilizados na tecnologia DWDM, como ATM, SDH, IP e OTN. É importante conhecer os tipos de modulações adotadas, como modulação em amplitude e fase, que são utilizadas para aumentar a capacidade do canal, especialmente a 16QAM que será mais utilizada nas próximas evoluções dos padrões de taxa de transmissão juntamente com técnicas de multiplexação, como a multiplexação de polarização (Polarization Multiplexing, PM) e dupla portadora (Dual-Carrier, DC). Esses temas são complementares as informações apresentadas nesse artigo [33]. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] CISCO, Introduction to DWDM Technology, San Jose, [2] J. A. J. Ribeiro, Comunicações Ópticas, São Paulo: Érica, [3] L. F. C. Fernandes, Conceitos Básicos de Fibra Óptica (Módulo I), 3 mar [Online]. Available: [Acesso em 24 mai 2016]. [4] M. S. Palacios e S. E. E. Santo, Cabos Submarinos no Brasil, 22 set [Online]. Available: [Acesso em 24 mai 2016]. [5] M. H. Yoshida, Evolução das Comunicações Ópticas: Tecnologia WDM, Santa Rita do Sapucaí: Inatel, [6] ITU-T, Optical fibres, cables and systems, [7] ITU-T, Recommendation G.692: Transmission Systems and Media, Digital Systems and Networks, [8] ITU-T, Recommendation G.694.1: Spectral grids for WDM applications: DWDM frequency grid, [9] Lucent Technologies, Lucent Technologies Bell Labs Announces Further Breakthrough in 100 Gigabit per Second Ethernet-Over- Optical, 8 mar [Online]. Available: [Acesso em 30 mai 2016]. [10] T. 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