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La deuxième génération (2G) du système cellulaire
Présentation du réseau GSM
A l’origine, l’avènement du GSM fut rendu possible par la décision de la CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) qui définit en 1982 des bandes de fréquence communes à l’Europe entière dans la bande des 900Mhz. La même année, le CEPT crée un groupe de travail baptisé « Groupe Spéciale Mobile » ou GSM et lui confie la tâche d’élaborer les spécifications nécessaires à l’établissement d’un réseau Européen de téléphonie mobile. En 1988, une charte Européenne du GSM est ratifiée par 17 pays Européens et chacun de ces signataires s’engagent à introduire un système cellulaire numérique respectant les normes imposés par le GSM. En 1992, le GSM est rebaptisé Global System for Mobile Communication, un changement de nom qui symbolise le passage dit concept laboratoire à une norme concrète [1] [3].
Dans le réseau GSM, les différents utilisateurs communiquent à tour de rôle, ils ont donc un slot de temps réservé: c’est la technique d’Accès Multiple à Répartition dans le Temps (AMRT). De plus, les utilisateurs communiquent non pas sur une fréquence fixe, mais sur plusieurs fréquences car le GSM dispose de 124 fréquences porteuses de 200 kHz chacune, totalisant une bande de 25 MHz. À chaque slot correspond une fréquence : c’est la technique de saut de fréquences, pour limiter les erreurs de transmission ou la technique d’Accès Multiple à Répartition en Fréquence (AMRF).
Les bandes occupées par le GSM sont 890 et 915 MHz pour la voie montante, et 935 et 960 MHz pour la voie descendante. La liaison est donc full-duplex, car les deux communications peuvent se faire au même instant sur deux bandes de fréquences distinctes. On a donc porté la technologie GSM 900 MHz vers une bande ouverte à plus haute fréquence. C’est le système DCS-1800 (Digital Communication System) dont les caractéristiques sont quasi identiques au GSM en termes de protocoles et de service. Les communications montantes se faisant alors entre 1710 et 1785MHz et les communications descendantes entre 1805 et 1880 MHz [2] [3] [4].
Architecture du réseau GSM
Le réseau GSM a pour premier rôle de permettre des communications entre abonnés mobiles (GSM) et abonnés du réseau téléphonique commuté (RTC – réseau fixe).
Ce réseau s’interface avec le réseau RTC et comprend des commutateurs et se distingue par un accès spécifique: la liaison radio.
Le réseau GSM est composé de trois sous-ensembles :
Le sous-système radio BSS (Base Station Subsystem)
Le sous-système d’acheminement NSS (Network and Switching Subsystem)
Le sous-système d’exploitation et de maintenance : OSS (Operation SubSystem)
Figure 1.01 : Architecture du réseau GSM
Le BSS assure et gère les transmissions radios et est constitué des unités fonctionnelles suivantes:
• La Base Transceiver Station (BTS) est un ensemble d’émetteurs-récepteurs appelés TRX (Transceiver). La BTS prend en charge la modulation/démodulation, le chiffrement, la mise en trames et en paquets élémentaires radios. C’est un organe avec peu d’intelligence.
• La Transcoder and Rate Adapter Unit (TRAU).
• La Base Station Controller (BSC) commande un ensemble de stations radios BTS. Il gère la ressource radio, exploite les mesures effectuées par les BTS et les mobiles pour décider un handover. Le BSC permet aussi d’effectuer une concentration des circuits vers le MSC.
Le NSS comprend l’ensemble des fonctions nécessaires pour appels et gestion de la mobilité.
Il est constitué des unités fonctionnelles suivantes :
• VLR (Visitor Location Register), HLR (Home Location Register), EIR (Equipment Identity Register), et AUC (Authentification Center) qui sont des bases de données et des authentifications
• Le Mobile Switching Controller (MSC) permet des fonctionnalités telles que la commutation, la fonction de passerelle, …
• L’OSS (Operations SubSystem) est constitué de centres d’opérations et de maintenances, qui sont utilisés pour des contrôles à distance, des administrations et des maintenances. Il permet à l’opérateur d’exploiter son réseau. Les éléments nouveaux dans le réseau sont délimités par le nuage [5] [7].
Limite du GSM
Avec la croissance des abonnées, la capacité des réseaux 2G n’est plus suffisante, la mobilité à l’échelle mondiale n’est pas toujours garantie en plus d’une limite des offres de services. La saturation diminue mais le nombre d’abonnés augmente d’où le problème de saturation persiste encore. Son débit relativement faible de 9,6 kbit/s l’établit à des services de voix, même s’il a également popularisé le SMS (Short Message System). Il y a monopolisation de ligne par l’utilisation de la technique de commutation de circuit.
Pour contrecarrer ces insuffisances, 2 solutions peuvent être adoptées :
• A cours terme : le passage vers une technologie 2.5G (GPRS, EDGE) avec un coût d’évolution minime.
• A long terme : la conception complète d’un nouveau standard (UMTS) avec un coût élevé mais une large panoplie de service [5] [7].
La deuxième génération (2.5G) du système cellulaire: GPRS
Présentation du réseau GPRS
Les limitations en termes de débit du GSM ont conduit les professionnels à adopter de nouvelles techniques. Ces dernières optimisent les infrastructures existantes tout en minimisant le nombre de nouveaux équipements à installer pour développer le service de transmission des données.
La norme GPRS (General Packet Radio Service) est un prolongement du GSM. Elle offre un débit de données plus élevé, en l’occurrence de l’ordre de 40 kbit/s (pour un maximum théorique de 171 kbit/s).Les opérateurs ont pu passer du GSM au GPRS sans avoir à remplacer leurs équipements. Par conséquent, un certain nombre de » modules » est ajouté au réseau GSM sans changer le réseau existant. La mise en place d’un réseau GPRS va permettre à un opérateur de proposer de nouveaux services de type » Data » à ses clients [6] [7].
Architecture du réseau GPRS
Un réseau GPRS est un réseau IP (Internet Protocol) et est constitué de routeurs IP. L’introduction de la mobilité nécessite par ailleurs la précision de deux nouvelles entités : •
• Le Nœud de service – le SGSN (Serving GPRS Support Node)
• Le Nœud de passerelle – le GGSN (Gateway GPRS SuppportNode)
• Le Border Gateway –le BG joue un rôle supplémentaire de sécurité.
Le SGSN est l’équivalent GPRS du MSC dans le réseau GSM qui a la fonction de routage des données (notamment vers le GGSN) et le GGSN celui de la passerelle entre le réseau GPRS et les réseaux extérieurs comme Internet.
Les communications vocales sont envoyées au MSC tandis que les paquets GPRS sont transmis au SGSN via la PCU (Packet Control Unit). Les informations sur les utilisateurs et la gestion de la mobilité sont, comme en GSM, renseignés dans la HLR communes aux deux technologies. EDGE a également fait son apparition, une évolution du GPRS. On atteint ici la 2.75G, avec des débits théoriques de 384 kbit/s grâce à un changement de la modulation [5] [6] [7].
La deuxième génération (2.75G) du système cellulaire: EDGE
Le principe de l’EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) est d’utiliser plusieurs canaux GPRS en parallèle et les infrastructures des opérateurs n’ont pas à subir de lourdes modifications. De plus, l’EDGE encode les données de manière plus efficace que le GPRS. Ces améliorations se traduisent par un débit maximal théorique de 384 kbit/s. En pratique, on est plus proche des 100 kbit/s [7].
La troisième génération (3G) du système cellulaire
Présentation
La troisième génération des réseaux mobiles se base sur la technologie UMTS (Universal Mobile Télécommunications System) appelé aussi 3GSM pour signifier l’interopérabilité avec les réseaux GSM, mais connue comme étant simplement 3G.
Le système UMTS est standardisé par le groupe 3GPP, il constitue l’implémentation européenne des spécifications IMT-2000 de l’UIT (Union internationale des Télécommunications). IMT signifie International Mobile Telecommunications et « 2000 » représente à la fois l’année durant laquelle fut testé le système et également la bande de fréquence de 2000 MHz utilisé par le système (1885–2025 MHz et 2110–2200 MHz). En1998, lorsque la question du choix d’une interface radio unique et universelle est posée par l’UIT, plusieurs techniques ont été choisies dont nous allons citer ci-après :
Caractéristiques techniques
Selon l’UIT, le réseau d’accès radio UMTS doit satisfaire les caractéristiques techniques suivantes:
• Garantir des services à haut débit avec un minimum de 144kbps dans tout type d’environnement et jusqu’à 2Mbps dans des environnements intérieurs et avec une mobilité réduite.
• Transmettre des données symétriques (même débit montant et descendant) et asymétriques (le débit dans les deux voies est diffèrent)
• Fournir des services à commutation de circuits pour la transmission de voix et à commutation de paquets pour la transmission de données
• Qualité de parole comparable à celle des réseaux câblés
• La capacité et l’efficacité spectrale doivent être supérieures à celles des systèmes cellulaires actuels de deuxième génération
• Possibilité d’offrir des services multimédias lors d’une même connexion avec des qualités de services différentes (débit, taux d’erreurs, …) pour les différents types de médias (voix, audio, données)
• Compatibilité avec les réseaux d’accès radio de deuxième génération
• Itinérance entre les différents systèmes de troisième génération, c’est-à-dire la compatibilité entre eux.
• Couverture universelle associant des satellites aux réseaux terrestres [7] [8] [10]
L’architecture générale du réseau UMTS
Le réseau UMTS vient se combiner aux réseaux déjà existants. Les réseaux existants GSM et GPRS apportent des fonctionnalités respectives de Voix et de Data ; le réseau UMTS apporte ensuite les fonctionnalités Multimédia.
L’architecture générale d’un réseau UMTS est composée de trois domaines :
• les terminaux UE (User Equipment)
• le réseau d’accès universel : UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network)
• le réseau cœur: CN (Core Network) [6] [7]
Le réseau cœur
Le réseau cœur est responsable de la commutation et du routage des communications (voix ou données) vers les réseaux externes (réseau public de téléphonie fixe, réseau internet, etc.). De plus, il assure les fonctions telles que le contrôle des paramètres du réseau, la gestion de la localisation, le contrôle de la sécurité (authentification, intégrité) et la taxation. Il se décompose en deux domaines :
• le domaine circuit (CS Circuit Switched) permet de gérer les services temps réels. Ces services nécessitent un temps de transfert réduit tel que la conversation téléphonique et la vidéo téléphonique. Le CS est composé du MSC, le GMSC et le VLR ;
• le domaine paquet (PS Packet Switched) permet de gérer les services non temps réels. Ces services correspondent à la navigation sur Internet, les jeux mobiles et les courriers électroniques. Le PS est composé du GGSN, le SGSN.
Les éléments communs de ces deux domaines sont le HLR, l’AuC, l’EIR. La base de données HLR permet d’enregistrer le profil des utilisateurs connectés au réseau. Ces informations consistent entre autre en un numéro de téléphone, une clé d’authentification, les services autorisés et des informations de la localisation [10] [13].
Le réseau d’accès UTRAN
Le réseau d’accès UTRAN est constitué d’un ou plusieurs RNCs (Radio Network Controller) qui sont liés à un ou plusieurs Nodes B par l’interface Iub.
Le Node B assure la communication radio entre les terminaux mobiles et le réseau d’accès UTRAN. Les fonctions de ce dernier sont principalement des tâches de niveau couche physique. Il convertit les données transmises sur le réseau vers l’interface radio. En particulier, il prend en charge la correction d’erreur, l’adaptation du débit, l’étalement de spectre du WCDMA, la modulation, et le contrôle de puissance du signal. Il réalise la monitorisation du réseau, par mesure du taux d’erreur par trame (Frame Error Rate –FER). L’équipement qui contrôle les Node-B est le Radio Network Controller (RNC).
Le rôle principal du RNC est le routage des communications entre le Node B et le réseau cœur. Lorsqu’un mobile est en communication, une connexion RRC (Radio Resource Control) est établie entre le mobile et un RNC de l’UTRAN. Le RNC en charge de cette connexion est appelé SRNC (Serving RNC). Lorsque l’usager se déplace dans le réseau, il peut être conduit à changer de cellule (handover) en cours de communication, et peut même se retrouver dans une cellule faisant partie d’un Node B ne dépendant plus de son SRNC.
On appelle alors Controlling RNC, le RNC en charge de ces cellules distantes. Du point de vue RRC, le RNC distant est appelé drift RNC. Les données échangées entre le Serving RNC et le mobile transitent par les interfaces Iur et Iub. Le drift RNC joue donc le rôle de simple routeur vis-à-vis de ces données [9] [10] [14] [15].
Figure 1.04 : Le rôle du RNC
Le RNC est le responsable de la gestion et du contrôle des canaux radio (établissement/ maintien/libération des connexions radio). Il est aussi responsable de la gestion du handover quand un terminal mobile se déplace d’une cellule radio à une autre. Il gère les mécanismes de contrôle de puissance dans les deux directions montante et descendante.
Les terminaux UE
Le terminal utilisateur (User Equipment– UE) est basé sur les mêmes principes que la station mobile de GSM, c’est-à-dire la séparation entre l’équipement mobile et les cartes SIM de l’UMTS (UMTS Subscriber Identity Module-USIM) [14] [15].
Les interfaces qui interconnectent les différents éléments du réseau sont:
• Uu : reliant les terminaux mobiles aux Node B
• Iub : reliant les Node B à un RNC
• Iur : reliant deux RNC
• Iu-CS : reliant les RNC au réseau cœur, dans le domaine circuit
• Iu-PS : reliant les RNC au réseau cœur, dans le domaine paquet
Figure 1.05 : Architecture détaillée du réseau UMTS
L’architecture en couche du réseau UMTS
L’interface radio de l’UTRAN est structurée en couches dont les protocoles se basent sur les 3 premières couches du modèle OSI (physique, liaison de données et réseau).
• La couche physique réalise les traitements du niveau physique tels que le codage de canal, l’entrelacement, l’étalement et la modulation
• La couche liaison de données est découpée en plusieurs sous-couches :
la couche MAC (Medium Access Control) permet de multiplexer plusieurs flux de données sur un même canal de transport ;
la couche RLC (Radio Link Control) permet la fiabilité du transport des données avec un protocole de liaison de données ;
la couche BMC (Broadcast/Multicast Control) a pour rôle d’assurer la diffusion des messages à plusieurs équipements usagers ;
la couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) s’occupe de la compression des données transportées, en utilisant des algorithmes de compression des données.
• La couche réseau qui est nommée RRC (Radio Resource Control) permet de gérer les ressources de l’interface radio de l’UTRAN. Cette couche traite les signaux de signalisation établis entre le réseau d’accès UTRAN et les mobiles durant les processus d’établissement ou de libération de la communication [13] [14].
Les différents canaux du système UMTS
Au niveau du réseau d’accès UTRAN, les données générées par les couches hautes sont transmises sur l’interface radio par des canaux de transport (Transport CHannel) qui sont mappés en un ou plusieurs canaux physiques (Physical CHannel). La couche physique doit pouvoir supporter des débits différents afin d’offrir des services de bande passante à la demande. La figure 1.08 montre les différents canaux du réseau UMTS.
Les canaux logiques
Les services de transfert de données de la couche MAC sont fournis sur des canaux logiques. Un ensemble de types de canaux logiques est défini pour les différents types de transferts de données offerts par la couche MAC. Chaque type de canal logique est défini par le type d’information transférée. Les canaux logiques sont généralement classifiés en deux groupes :
• les canaux de contrôle utilisés pour transférer les informations du plan contrôle (BCCH, PCCH, CCCH, DCCH);
• les canaux de trafic utilisés pour transférer les informations du plan usager (DTCH et CTCH pour le Release 99).
La notion de canal logique permet de découpler le canal de transmission de l’utilisation qui en est faite. Ainsi on peut imaginer qu’un type de canal de transmission peut convenir à deux utilisations différentes, c’est-à-dire supporter deux types de canaux logiques différents, ou encore qu’il est possible de multiplexer deux canaux logiques sur un même canal de transmission [14] [17].
Les canaux de transport
La notion de canal de transport correspond aux mécanismes destinés à fiabiliser les échanges de données de l‘interface radio, codage canal, etc. Les canaux de transport de l‘UTRAN représentent le format et plus généralement la manière dont les informations sont transmises sur l‘interface radio.
Les canaux de transport se divisent en trois groupes :
• Les canaux de transports communs utilisés pour le transfert de l’information d’un ou de plusieurs utilisateurs (BCH, PCH, RACH, CPCH, FACH).
• Les canaux de transports partagés utilisés pour le transport des données de contrôle ou de trafic uniquement en voie descendante et partagés dynamiquement par différents utilisateurs (DSCH).
• Les canaux de transport dédiés qui sont des canaux point à point dédiés à un seul utilisateur et qui transportent des données de contrôle ou de trafic (DCH).
Les canaux physiques
La couche physique est chargée de transporter l’information générée par les couches supérieures. Il s’agit de véhiculer cette information tout en respectant les contraintes de qualité imposées par le service (délai, débit, taux d’erreur, etc.).
Les fonctions de multiplexage et de codage canal s’appliquent aux canaux de transport par lesquels transitent les bits délivrés par les couches supérieures à la couche physique. Les bits véhiculés par les canaux de transport sont agencés sur les canaux physiques. Une fois qu’ils sont présents dans ces canaux, ils subissent des traitements de signal spécifiques pour pouvoir être transmis à travers l’air. Auparavant, les bits sont convertis en symboles et subissent l’opération d’étalement de spectre qui va les transformer en « chips ». Ce sont des « chips » qui sont transmis par l’antenne de l’émetteur après avoir été modulés et placés sur une fréquence porteuse. Les fonctions inverses sont mises en place à la réception.
Le système UMTS utilise deux types de canaux physiques dans les deux sens montant et descendant : les canaux dédiés et les canaux communs. Les canaux physiques sont les ressources utilisées sur l’interface radio pour la transmission des informations. Ils varient selon le type de l’interface qu’il soit UTRA/FDD ou soit UTRA/TDD [14] [15] [17]. La figure (1.07) illustre la chaine de transmission UTRA/FDD : Figure 1.07 : Fonctions de la couche physique dans la chaîne de transmission UTRA/FDD
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 EVOLUTION DES RESEAUX MOBILES
1.1 Introduction
1.2 La première génération (1G) du système cellulaire
1.3 La deuxième génération (2G) du système cellulaire
1.3.1 Présentation du réseau GSM
1.3.2 Architecture du réseau GSM
1.3.3 Limite du GSM
1.4 La deuxième génération (2.5G) du système cellulaire: GPRS
1.4.1 Présentation du réseau GPRS
1.4.2 Architecture du réseau GPRS
1.5 La deuxième génération (2.75G) du système cellulaire: EDGE
1.6 La troisième génération (3G) du système cellulaire
1.6.1 Présentation
1.6.2 Caractéristiques techniques
1.6.3 L’architecture générale du réseau UMTS
1.6.3.1 Le réseau coeur
1.6.3.2 Le réseau d’accès UTRAN
1.6.3.3 Les terminaux UE
1.6.4 L’architecture en couche du réseau UMTS
1.6.5 Les différents canaux du système UMTS
1.6.5.1 Les canaux logiques
1.6.5.2 Les canaux de transport
1.6.5.3 Les canaux physiques
1.6.6 Les techniques d’accès FDD et TDD
1.6.7 La technique d’accès WCDMA
1.6.7.1 Etalement de spectre
1.6.7.2 Les bits pilotes
1.6.7.3 Les codes utilisés
1.6.7.4 Largeur de bande
1.6.7.5 Organisation en temps
1.6.7.6 Caractéristiques du WCDMA
1.6.7.7 Avantages du WCDMA
1.6.7.8 Les contraintes du WCDMA
1.6.8 Les services offerts par le réseau UMTS
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 LA TECHNOLOGIE HSXPA
2.1 Introduction
2.2 La technologie HSDPA (R5 du 3GPP)
2.2.1 Modulation et codage adaptatifs (MCA)
2.2.2 Technique de retransmission HARQ
2.2.3 La stratégie d’ordonnancement rapide (fast scheduling)
2.2.4 La technique MIMO
2.2.5 Nouvelles entités protocolaires
2.2.6 Les canaux introduits pour le support du HSDPA
2.2.6.1 Le canal HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel)
2.2.6.2 Le canal HS-SCCH (High Speed Shared Control CHannel)
2.2.6.3 Le canal HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel)
2.2.7 Les débits du HSDPA
2.3 La technologie HSUPA (R6 du 3GPP)
2.3.1 Présentation
2.3.2 Architecture de l’interface radio
2.3.3 Les canaux de transport
2.3.4 Les canaux physiques
2.3.4.1 Les canaux physiques de la voie montante
2.3.4.2 Les canaux physiques de la voie descendante
2.3.4.3 Synthèse des canaux physiques introduites par la release 6
2.3.5 Associations des canaux physiques, de transport et logique
2.3.6 Impact du système HSUPA sur la couche physique de l’UMTS
2.3.7 Les débits de HSUPA
2.4 Les configurations du sens montant en présence des systèmes UMTS, HSDPA et HSUPA
2.4.1 L’étalement dans la voie montante
2.4.1.1 La canalisation
2.4.1.2 L’embrouillage
2.5 Comparaison des caractéristiques
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 TRANSMISSION DE DONNEES POUR LE SYSTEME HSUPA
3.1 Introduction
3.2 La couche physique du système HSUPA
3.3 La structure de l’émetteur HSUPA
3.3.1 Le codeur CRC (Cyclic Redundancy Check)
3.3.2 Segmentation des blocs de transport
3.3.3 Le codage de canal
3.3.4 L’adaptation de débit
3.3.5 Segmentation des canaux physiques
3.3.6 L’entrelacement
3.4 La structure générale d’un récepteur des canaux E-DPDCHs
3.4.1 Le démodulateur
3.4.2 Le décodeur de canal
3.5 Le système HSUPA sur un canal gaussien
3.6 Le système HSUPA sur un canal à trajet multiple
3.6.1 Etalement Doppler
3.6.2 L’étalement temporel du canal
3.7 Les différents types d’interférences
3.7.1 Interférences intracellulaires
3.7.2 Interférences inter-cellulaires
3.8 Mobilité avec le HSUPA
3.9 Conclusion
CHAPITRE 4 MECANISME DE CONTROLE DE PUISSANCE DE LA LIAISON MONTANTE
4.1 Introduction
4.2 Le contrôle de puissance en HSUPA
4.3 Différents type de contrôle de puissance pour le HSUPA
4.3.1 Contrôle de puissance en boucle ouverte (open-loop)
4.3.2 Contrôle de puissance en boucle fermée (closed-loop)
4.3.2.1 La boucle OLPC (Outer-Loop Power Control)
4.3.2.2 La boucle ILPC (Inner-Loop Power Control)
4.4 Les traitements au niveau du Node B
4.4.1 Le récepteur RAKE
4.4.1.1 Généralités
4.4.1.2 Estimation du SIR à la sortie du récepteur RAKE
4.5 Traitement au niveau du mobile
4.5.1 Le premier algorithme de traitement des commandes TPC
4.5.2 Le deuxième algorithme de traitement des commandes TPC
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 SIMULATION DES PERFORMANCES DU SYSTEME HSUPA AVEC CONTROLE DE PUISSANCE
5.1 Introduction
5.2 Présentation d’OPNET Modeler
5.3 Hiérarchie de niveau d’OPNET Modeler
5.3.1Au niveau réseau (Network level)
5.3.2 Au niveau Noeud (Node level)
5.3.3 Au niveau processus (Process level)
5.4 Simulation sous OPNET du contrôle de puissance
5.4.1 Rapport Signal sur Interférence cible(RSI)
5.4.2 Présentation de la simulation
5.4.3 Les paramétrages des éléments du réseau
5.4.3.1 Au niveau du RNC
5.4.3.2 Au niveau du Node B
5.4.4 Résultats et interprétations
5.4.4.1 Performance du système HSUPA sans contrôle de puissance
5.4.4.2 Performance du système HSUPA avec contrôle de puissance
5.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE A : LE HANDOVER
ANNEXE B : LES ALGORITHMES DE RETRANSMISSION HARQ POUR LE SYSTEME HSUPA
BIBLIOGRAPHIE
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