Capitolo
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Sistemi di localizzazione
1.1 Introduzione alla localizzazione
Ad ognuno di noi sarà capitato in qualche occasione di essere solo in un posto
sconosciuto. Avremmo sicuramente pensato a come sarebbe stato comodo essere
accompagnati da un amico originario del posto, che conoscesse moltissime cose
dell’area, i luoghi da visitare, e sapesse come trovare la strada giusta e i punti di nostro
interesse. Si potrebbe considerare la possibilità di convogliare queste conoscenze
all’interno di dispositivi elettronici di comune impiego e, per quanto ciò possa sembrare
irrealistico, è proprio questo il risultato cui la ricerca mira: realizzare una guida mobile
che abbia pure la conoscenza delle nostre preferenze. Grazie alle possibilità delle
moderne tecnologie di comunicazione si è sviluppata di recente un’area di ricerca
particolarmente interessante, quella del Location-aware computing, che ha un grande
Capitolo 1 Sistemi di localizzazione
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potenziale in settori quali la sicurezza personale, i servizi, il turismo e l’entartainment.
Ora che sono tecnicamente realizzabili applicazioni grafiche interattive, sarebbe
auspicabile implementare un’applicazione che presenti su di una mappa un indicatore
della nostra posizione, e che sia in grado di rispondere a domande come “Dove sono?” e
“Dov’è il più vicino negozio/fermata del bus/ospedale?”.
D’altro lato la localizzazione potrebbe essere vista come un filtro per l’ammontare
sempre crescente di informazioni che ci vengono fornite ogni giorno. Ad esempio le
persone difficilmente potrebbero interessarsi alle offerte di esercizi commerciali distanti
da loro centinaia di chilometri, mentre sarebbero di sicuro più sensibili a quelle dei
negozi nelle loro vicinanze.
Informazioni di localizzazione potrebbero essere utili non solo agli utenti del dispositivo
Location-aware,(che cioè ha conoscenza della posizione che occupa), ma anche, ad
esempio, a persone che vogliono sapere dove sono i loro amici, a compagnie desiderose
di monitorare i loro beni, a squadre di soccorso che vogliono conoscere la posizione dei
feriti.
Si distinguono diversi modi di fornire informazioni sulla posizione, in considerazione
delle esigenze delle differenti applicazioni. I principali sono la posizione fisica, quella
simbolica, la posizione assoluta o ancora quella relativa [1].
La posizione fisica è data in forma di coordinate che identificano un punto su una
mappa a due o tre dimensioni, ad esempio utilizzando il sistema di coordinate
gradi/minuti/secondi (DMS) .
Quella simbolica esprime la posizione in un modo naturale, informando ad esempio che
l’oggetto è nel laboratorio, in camera, in ufficio.
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La posizione assoluta usa una griglia di riferimento condivisa per tutti gli oggetti
localizzati.
Quella relativa è basata sulla vicinanza a punti di riferimento, come ad esempio i punti
di accesso ad una rete wireless.
La tendenza è verso uno sviluppo rapido dei servizi basati sulla localizzazione,
sostenuto dalle esigenze di enti pubblici e privati. Nel tentativo di stimare la posizione
occupata da un terminale mobile, è immaginabile l’impiego dei segnali radio trasmessi
o ricevuti dallo stesso.
Andiamo quindi ad addentrarci in un problema conosciuto con diversi nomi, quali:
stima della posizione, geolocalizzazione, identificazione della posizione, localizzazione,
posizionamento e, se usa tecnologie wireless, radiolocalizzazione.
Alcuni sistemi di stima della posizione, come il GPS, utilizzano segnali trasmessi da
satelliti, mentre altri si basano sulle comunicazioni terrestri. I costi addizionali per
l’aggiunta del servizio di localizzazione sono minimi per il fornitore di quest’ultimo nel
caso in cui esso si basi sulle infrastrutture già esistenti. Purtroppo, con dispositivi che
non sono stati progettati per la stima della localizzazione, le misure che possono essere
sfruttate sono spesso scarse e di scarsa qualità, il che comporta un’accuracy di tali
sistemi spesso inadeguata per i servizi di localizzazione che si desidera offrire. In molte
reti, l’unica grandezza disponibile è il valore dell’intensità del segnale ricevuto (RSS
Received Signal Strenght).
Migliorare l’accuracy e l’applicabilità di sistemi di posizionamento basati su
infrastrutture di rete esistenti sarebbe molto utile ed è l’obiettivo principale di questo
lavoro, in quanto si ritiene che soltanto con dei significativi miglioramenti in tal senso,
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le tecniche di localizzazione arriverebbero ad avere quelle prestazioni loro richieste, che
le farebbero parere indispensabili in molti servizi già presenti e sarebbero da sprone per
l’introduzione di nuove applicazioni Location-based.
1.2 Il nostro sistema
Questa tesi si concentra proprio sullo sviluppo di un’applicazione Location-based. Il
lavoro che andremo a svolgere si pone all’interno di un progetto condotto dal
laboratorio Co.Ri.TeL, presso l’Università di Salerno, che prevede la progettazione e la
realizzazione di un sistema di gestione automatica di un parcheggio, che sia in grado di
fornire agli utenti tutta una serie di servizi innovativi rispetto ad altri sistemi del genere.
L’utente che si serve del servizio di parcheggio avrà la possibilità di interagire col
sistema di parcheggio e fornire le proprie disposizioni direttamente dall’interno
dell’autovettura.
Nell’ambito di tale progetto è prevista una localizzazione continua dell’autoveicolo,
sfruttando il fatto che esso disporrà di tecnologia wireless, necessaria per la
comunicazione col sistema. Infatti, a seconda della posizione occupata dal veicolo sarà
applicata una determinata tariffa. Immaginando che l’area di parcheggio sia divisa in
più zone, l’obiettivo è di conoscere con grande affidabilità in che zona ricada lo stallo
occupato da ogni macchina che usufruisce del parcheggio. Una situazione del genere va
ad inserirsi nell’ambito delle problematiche di Location-billing, in cui si stabilisce il
pagamento in base alla posizione occupata.
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Bisogna sottolineare che per le altre funzionalità che il sistema di parcheggio
automatico intende fornire all’utente è già previsto il dispiegamento di una rete di
accesso wireless all’interno dell’area in esame. Eventualmente sarebbe opportuno
sfruttarla anche per soddisfare le esigenze di localizzazione.
L’area in cui si intende sviluppare il sistema è costituita da un parcheggio coperto
situato all’interno dell’Università degli Studi di Salerno, di cui si mostra la pianta in
figura 1.1.
Figura 1.1
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All’interno di questa area si eseguiranno tutte le prove sperimentali atte allo sviluppo
del nostro sistema di localizzazione indoor.
La rete wireless cui abbiamo accennato in precedenza, qualora volesse fornire anche il
servizio di localizzazione, dovrà includere un Location Server, che abbia il compito
specifico di ricavare la posizione degli autoveicoli all’interno della struttura. Il compito
del Location Server è proprio quello di informare il server centrale di gestione del
servizio di parcheggio automatico, il Parking Server, riguardo alla posizione dei veicoli.
Esso invierà quindi al Parking server dei messaggi ogni qualvolta un veicolo cambia il
proprio stato.
All’interno del parcheggio un autoveicolo può essere in quattro stati:
nell’area di ingresso
parcheggiato
in movimento
nell’area di uscita.
Il Location server invierà quindi la prima informazione a proposito di un veicolo che
usufruisce del parcheggio quando questo è localizzato “nell’area di ingresso”. Il sistema
procederà così ad una verifica delle credenziali dell’utente e alla definizione, mediante
l’interazione con l’utente stesso, della modalità di fruizione del servizio. A seguire il
Location server farà pervenire al cliente un messaggio contenente informazioni
riguardanti lo stato di occupazione del parcheggio, e contemporaneamente si alzerà la
sbarra all’ingresso, consentendo all’autoveicolo di accedere all’area.
Nel momento in cui l’utente ferma il suo veicolo in un posto libero, il Location server se
ne avvede e informa il Parking server, che utilizzerà questa informazione per avviare le
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procedure di tariffazione. È proprio questa la fase più delicata per il Location server, che
dovrà stimare con precisione assoluta quale sia l’area occupata dal veicolo, in un
ambiente in cui ci sono anche molte altre automobili. La delicatezza di questo compito e
l’accuratezza richiesta derivano dal fatto che la tariffazione applicata all’utente sarà
stabilita in base alla zona in cui esso viene localizzato. Come conseguenza della
localizzazione dei singoli veicoli, il Location server avrà anche conoscenza dello stato
di occupazione complessiva del parcheggio, informazione che potrà fornire agli utenti
che sono nell’area di ingresso.
Appena l’autoveicolo ricomincia a muoversi, il Location server manda un messaggio al
Parking server, informandolo del fatto che lo stato del veicolo è passato da
“parcheggiato” a “in movimento”, e questo interromperà la procedura di tariffazione in
esecuzione.
Quando il Location server localizzerà l’auto nella zona di uscita, invierà al Parking
server un messaggio che lo informa che lo stato dell’autovettura è “nell’area di uscita”,
per cui quest’ultimo potrà inoltrare al cliente i dettagli su tutte le operazioni di
tassazione eseguite sul suo conto. Nel frattempo la sbarra di uscita si alzerà consentendo
al veicolo di lasciare la struttura.
Dall’esposizione del servizio si evince che la capacità fondamentale che deve possedere
il Location server è una grande affidabilità nell’individuare l’area esatta in cui si trova il
terminale. Nasce quindi l’esigenza di compiere uno sforzo per ridurre al massimo
l’errore medio di localizzazione del sistema, cercando di raggiungere la migliore
accuracy possibile. L’obiettivo è quello di riuscire a distinguere aree sempre più piccole
in cui è posizionato l’utente, in modo tale da fornire servizi sempre più vantaggiosi al
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cliente. Bisognerà però fare i conti con le limitazioni che ci impone la tecnologia e con
le caratteristiche dell’ambiente in cui si opera, che complicano non poco le cose.
È evidente che il nostro è un caso specifico che si colloca all’interno di un contesto ben
più ampio. Sistemi dello stesso tipo potrebbero trovare utili applicazioni anche in altri
ambienti simili, quale ad esempio un museo in cui un telefono cellulare o un PDA
possano fungere da guida per un visitatore. Essi potrebbero sfruttare la conoscenza della
posizione occupata dall’utente, insieme con le preferenze dello stesso, per fornire di
volta in volta una serie di relazioni sulle opere più vicine.
Lo sviluppo di un sistema di localizzazione indoor che abbia prestazioni elevate e costi
accessibili è quindi auspicabile per arricchire un grande numero di servizi attuali e per
sollecitare lo sviluppo di future applicazioni.
Nel seguito cercheremo di capire quale tecnica di localizzazione sia più adatta ad un
sistema con le caratteristiche del nostro parcheggio e quali siano i criteri per valutare le
prestazioni delle varie soluzioni.
1.3 Panoramica dei sistemi di localizzazione
Il problema che ci poniamo è di scegliere quale tecnica di localizzazione wireless possa
essere più adatta alle nostre esigenze in termini di prestazioni richieste e di costi
sostenibili. Per orientarci nella scelta bisogna accertare le caratteristiche di tutte le
soluzioni possibili, allo scopo di individuare quella che si sposa meglio col nostro
progetto, consentendoci di raggiungere i risultati sperati.
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Proprio per questa ragione, passeremo in rassegna le tecniche e quindi i sistemi specifici
utilizzabili per la localizzazione wireless. Partendo dalla conoscenza delle caratteristiche
di tali sistemi, dei loro limiti di utilizzo e delle loro potenzialità in termini di precisione,
potremmo scegliere la soluzione che fa al caso nostro.
Quando si intende progettare un sistema di localizzazione wireless ci sono due approcci
basilari cui si può far riferimento. Il primo consiste nel progettare un’infrastruttura di
rete e un sistema di segnalazione mirati in primo luogo all’applicazione della
localizzazione wireless. Il secondo approccio si basa sull’utilizzo di infrastrutture di rete
wireless già esistenti, a cui si aggiunge l’applicazione di stima della posizione di un
terminale. I pregi del primo approccio stanno nella possibilità data ai progettisti del
sistema di controllare tutte le specifiche fisiche e, di conseguenza, la qualità dei risultati
della localizzazione. Ad esempio la densità dei sensori può essere adattata per
raggiungere i livelli di accuracy richiesti. Il vantaggio del secondo criterio è il risparmio
sia in termini economici che di tempo impiegato per il dispiegamento delle
infrastrutture. A fronte di tale vantaggio, questo tipo di sistema avrà solitamente
bisogno di usufruire di algoritmi di localizzazione più “intelligenti” per compensare
l’accuracy più bassa, e quindi richiederà maggiori risorse computazionali.
Dal momento che vogliamo concentrarci sui sistemi di localizzazione, e in particolare
su quelli indoor, potremmo classificare questi ultimi basandoci sugli ambienti in cui si
utilizzano o sugli algoritmi di posizionamento, ma qui di seguito li presenteremo
raggruppandoli in base alla tecnologia wireless, prestando allo stesso tempo attenzione
agli ambienti di possibile sviluppo. Si farà talvolta riferimento anche ai principi su cui si
basa la stima di posizione nelle varie situazioni prese in considerazione. Tali principi,
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qui presentati solo in modo intuitivo, saranno illustrati nel dettaglio all’interno di questo
lavoro in una successiva sezione.
La figura 1.2 mostra una panoramica dei sistemi di posizionamento wireless attuali, con
particolare attenzione al tipo di ambiente in cui sono utilizzabili e alla risoluzione che
ognuno di essi offre.
Figura 1.2
1.3.1 GPS
Il primo sistema al quale pensiamo quando si parla di localizzazione di terminali mobili
è certamente il Global Positioning System (GPS). Questo sistema basato su satelliti fu
introdotto dal Dicastero della Difesa degli Stati Uniti nel 1978, e ha rivoluzionato le
tecnologie di localizzazione e tracking, dando vita per di più a tutta una serie di usi
commerciali. Con la riduzione delle spese per integrare la tecnologia in veicoli,
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macchine, computer e telefoni cellulari, il GPS è diventato un servizio sempre più
diffuso, grazie anche all’accessibilità in tutto il mondo e al fatto che esso è disponibile a
tutti senza costi diretti [2].
Inizialmente utilizzato per applicazioni di tipo militare nello svolgimento di funzioni di
posizionamento, gestione delle flotte, e navigazione, oggi il GPS ha una vasta gamma di
altre applicazioni, tra cui il controllo della consegna dei beni, commercio mobile,
operazioni di ricerca, sorveglianza, assistenza stradale, recupero dei veicoli rubati,
processamento dei dati satellitari e gestione delle risorse. I sistemi di radio-
localizzazione come il GPS misurano i segnali radio scambiati tra il rice-trasmettitore di
un’unità mobile e un set di stazioni fisse.
Dopo molte analisi, il sistema GPS decise di servirsi di una rete di 24 satelliti in sei
differenti piani orbitali, ad una quota di circa 11 mila miglia nautiche, ognuno dei quali
è inclinato a 55
o
.
Queste orbite sono spaziate in modo tale che da ogni punto del globo
siano visibili almeno cinque satelliti.
Volendo semplificare potremmo dire che il GPS implementa un concetto di Time
Difference of Arrival, che consente di ricavare, a partire dalla conoscenza del tempo
impiegato dal segnale per viaggiare dal satellite al ricevitore, la distanza tra i due.
Ognuno dei satelliti GPS trasmette continuamente messaggi di navigazione che
forniscono la posizione precisa del satellite e un’indicazione temporale di assoluta
precisione. Tali messaggi possono essere ricevuti e processati da utenti che si trovano
ovunque nel mondo e che così possono determinare la loro posizione e l’ora con una
precisione, rispettivamente, di pochi metri e pochi nanosecondi.
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Ogni computer generatore di messaggi di navigazione a bordo dei satelliti GPS conosce
la sua posizione orbitale e il tempo del sistema con grande precisione. Una rete globale
di stazioni di monitoraggio tiene traccia con cura di questi parametri; infatti cinque
stazioni di monitoraggio e quattro antenne di terra posizionate in giro per il mondo
raccolgono passivamente le misurazioni della posizione esatta di ogni satellite. Il
sistema fa pervenire queste informazioni ad una stazione di controllo mondiale
responsabile della coordinazione complessiva della rete, che invia ad ogni satellite, con
cadenza almeno giornaliera, i dati per le correzioni. Tali correzioni includono previsioni
della posizione orbitale per ogni satellite della costellazione, basate su modelli
sofisticati e efficaci per parecchie settimane, e correzioni ai clock a bordo del satellite.
Questi ultimi sono clock atomici, vantano un’accuratezza entro pochi nanosecondi dal
Coordinated Universal Time (UTC) , il riferimento temporale universale, e hanno una
stabilità altissima, dal momento che errori legati al tempo comprometterebbero
pesantemente le prestazioni del GPS.
I messaggi trasmessi dai satelliti sono usati dai ricevitori, di solito dispositivi di piccole
dimensioni installati in un veicolo o portatili. Essi stimano, a partire dalla conoscenza
dei parametri presenti nei messaggi GPS, la posizione dei satelliti e la distanza tra questi
ultimi e gli stessi ricevitori. Un ricevitore può determinare in maniera approssimata la
propria posizione quando riceve segnali da almeno tre satelliti, secondo una tecnica
comunemente conosciuta come triangolazione, ma più precisamente detta trilaterazione.
Ma per stimare accuratamente le posizioni nello spazio tri-dimensionale, un utente deve
poter vedere quattro satelliti GPS, sufficientemente separati e orientati geometricamente
in modo tale che l’elaborazione definisca una precisa intersezione dei segnali. Il
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ricevitore GPS utilizza le informazioni di tempo e posizione contenute nei messaggi di
navigazione che viaggiano alla velocità della luce, per calcolare distanze approssimate
per ognuno dei satelliti che ricade entro la linea di vista della sua antenna. Queste
distanze approssimate sono chiamate pseudo-range dal momento che, a causa degli
errori nei clock dei ricevitori, non è possibile determinare direttamente misure di
distanza precise. Uno pseudo-range da ogni singolo satellite definisce una sfera su cui
l’utente può essere posizionato nello spazio tridimensionale. L’intersezione di tre sfere
identifica un punto, ma può essere imprecisa a causa dei suddetti errori nel clock del
ricevitore che normalmente non è atomico. L’addizione di uno pseudo-range da un
quarto satellite consente di correggere l’errore nel clock del ricevitore e permette di
calcolare con precisione la posizione del ricevitore nello spazio tri-dimensionale.
I messaggi di navigazione sono contenuti in due PseudoRandom noise code sequences,
(una sequenza di acquisizione grossolana, C/A-code, lunga 1023 bit, che si ripete ogni
millisecondo, e una sequenza crittografata, Y-code, lunga tre trilioni di bit, che si ripete
ogni settimana circa), che contengono informazioni circa la posizione dei singoli
satelliti e il tempo del sistema. Il codice C/A è anche comunemente detto “codice civile”
poiché non è crittografato. La sua ripetizione frequente consente un’acquisizione rapida
dei segnali GPS da parte di tutti gli utenti. I codici GPS tradizionalmente sono stati
trasmessi da ogni satellite a due distinte frequenze della banda L (L1 a 1572.42 MHz e
L2 a 1227.60 MHz). Successivamente si sono aggiunti a quelli appena menzionati pure
altri codici e altre frequenze portanti, sempre nella stessa banda. L’utilizzo di frequenze
della banda L minimizza l’effetto dei fenomeni atmosferici sulle trasmissioni del
segnale GPS. Inoltre, trasmettere i segnali a due frequenze separate consente agli effetti
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ionosferici di essere determinati ed eliminati. I codici delle sequenze sono differenti per
ogni satellite, selezionati da un set limitato di codici non interferenti detti “Gold Codes”.
Dal momento che tutti i satelliti GPS trasmettono sulle stesse frequenze, il sistema usa il
CDMA per distinguere i singoli satelliti grazie alle loro sequenze di codice esclusive.
Molti fattori limitano l’accuracy del GPS. La maggiore fonte di errore è rappresentata
dal fatto che la velocità del segnale radio è costante solo nel vuoto. Il vapore acqueo e
altre particelle nell’atmosfera possono rallentare i segnali, causando ritardi di
propagazione. Possono ridurre l’accuracy anche errori dovuti al multipath fading, che si
genera quando un segnale urta contro un edificio o il terreno prima di raggiungere
l’antenna del ricevitore. In aggiunta, le misurazioni della distanza sono meno affidabili
quando i satelliti a cui un ricevitore è agganciato hanno orientazioni simili. Discrepanze
del clock atomico, rumore al ricevitore e interruzioni del monitoraggio possono causare
errori di minore rilievo. La più grande fonte di errori potenziali è selective availability,
una degradazione intenzionale del segnale civile GPS su banda L1. Fu originariamente
pensato per impedire a forze ostili e a terroristi di sfruttare il servizio, ma poi è stato
dismesso.
L’accuracy di alcuni metri offerta dal GPS tradizionale può essere migliorata. Modelli
sofisticati che confrontano la velocità relativa di due segnali di temporizzazione
possono fornire accuracy di localizzazione entro pochi centimetri, ma essi sono troppo
costosi per l’utente medio. Due alternative economiche, comunque, possono eliminare
la maggior parte degli errori associati al GPS.
Il Differential GPS (DGPS) può migliorare l’accuracy fino a due metri e anche oltre. Il
DGPS impiega sia ricevitori mobili, che misurano la posizione dei satelliti, sia ricevitori
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stazionari, in posizioni ben note, che usano la loro collocazione per calcolare il tempo di
viaggio del segnale. I ricevitori sono relativamente vicini l’uno all’altro se rapportati
alle distanze che i segnali percorrono nello spazio. Poiché i segnali che raggiungono
entrambi i ricevitori hanno errori virtualmente identici, il ricevitore di riferimento può
calcolare la differenza tra il tempo di viaggio stimato del segnale e quello reale. Il
ricevitore di riferimento non sa quale satellite stia usando il mobile per calcolare la sua
posizione, quindi calcola le correzioni da errori per tutti i satelliti visibili. In seguito
trasmette questa informazione a tutti i ricevitori mobili, che quindi apportano le
appropriate modifiche per i segnali che stanno utilizzando.
La grossa limitazione del GPS è rappresentata dal fatto che esso non opera indoor e nei
cosiddetti canyon urbani, nonché dalla lentezza con cui i vari elementi si sincronizzano,
che causa tempi piuttosto lunghi di attesa all’avvio del servizio. Ad ogni modo si è
cercato di trovare delle soluzioni che consentissero di colmare le limitazioni presenti
negli ambienti indoor.
Collegando i ricevitori mobili o ad un cellulare, o a infrastrutture basate su Bluetooth o
WLAN, che hanno un ricevitore di riferimento con una vista chiara del cielo, posto ad
esempio su un edificio elevato, si possono sostanzialmente migliorare le prestazioni del
GPS negli ambienti citati in precedenza. Si dà vita così al GPS assistito (AGPS), in cui
un ricevitore di riferimento fornisce dati di navigazione e dati di sincronizzazione del
segnale ad un Location Server, che ritrasmette questa informazione ad un cellulare
dotato di GPS o ad un PDA. Il dispositivo client preprocessa e restituisce misurazioni
GPS di base e misure statistiche che caratterizzano l’ambiente del segnale al server che
esegue una serie di calcoli complessi sui dati ricevuti dal client per determinare la
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