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1 Protocol Design and Received Methods of Emergency Broadcasting System for ATSC Mobile DTV 유샛별 * 조민주 ** 황준 *** Saet-Byeol Yu Min-Ju Cho Jun Hwang 요 약 본논문에서는 ATSC(Advanced Television System Committee) Mobile DTV 에서신뢰성이보장되고빠른시간안에재난정보가수신될수있도록하는재난방송시스템을제안한다. 미국에서현재사용되고있는 Cable 용재난표준인 EAM(Emergency Alert Message) 을기반으로프로토콜을정의하였으며, 가장신속하게재난정보가전달될수있도록성능측정을하여최적의방법을제안하였다. 기존미국식방송규격인 ATSC legacy 시스템에영향을전혀미치지않으며모바일방송을전송할수있도록하는 ATSC Mobile DTV 는, 전원에구애받지않고재난방송을전달할수있는효과적인매체라는장점과함께미국전역뿐만아니라 ATSC 규격을채택한다양한국가에서적용이가능하다. ABSTRACT In this paper, a fast and reliable emergency broadcasting system for Advanced Television System Committee (ATSC) Mobile DTV is proposed. The proposed protocol is based on the Emergency Alert Message (EAM) standard currently used for cable TV emergency broadcasting in the United States. The protocol is implemented and evaluated to enable fast emergency information propagation. ATSC Mobile DTV enables digital mobile broadcasting without affecting the existing ATSC legacy digital TV system. Since ATSC Mobile DTV devices are mobile and self-powered, they can effectively propagate emergency information. The proposed emergency broadcasting protocol can be applied in all countries adopting the ATSC standard. keyword : ATSC-M/H, ATSC Mobile DTV, 재난방송, EWS, EAS 1. 서론 기상이변으로인하여세계곳곳에서재해가발생하고있으며그에따라재해에대한우려및대응에대하여관심이높아지고있다. 세계각국에서는재난정보를신속하게전달하기위해보급률이 * 준회원 : 서울여자대학교컴퓨터학과석사과정 venusyu0713@gmail.com ** 준회원 : 서울여자대학교컴퓨터학과박사과정 cmj1228@swu.ac.kr *** 종신회원 : 서울여자대학교멀티미디어학과교수 hjun@swu.ac.kr [2011/10/12 투고 /10/25 심사 /11/07 심사완료 ] 본논문은 2010 학년도서울여자대학교교내학술연구에의해수행된것임 높은 TV 및라디오를통하여재난방송을실시하고있다. 그러나큰규모의재해가발생하였을경우기간시설이파괴되어국민에게재해에대한정보및대책방안을전달하기힘들다. 모바일방송은단말기를가지고있는사용자에게영상뿐만아니라음성, 문자및다양한데이터를전송할수있다는특징과함께재난방송을전달하는가장효과적인매체로거론되고있으며최근이를활용한모바일재난방송이활발하게연구가되고있다 [8,9]. 현재미국에서사용되고있는디지털방송규격인 ATSC는 HD급의우수한화질을제공한다는장점과함께다양한국가의디지털방송표준으로채택되어사용되고있다. 그러나다른디지털방송규격에비해전력소비가크고이동성에제약이있 한국인터넷정보학회 (12 권 6 호 ) 129

2 는단점이있어이를해결하기위하여끊임없이연구개발이진행되어왔다. 한국의삼성과 LG가공동으로제안한 ATSC Mobile DTV가미국의 Mobile TV 표준으로확정되면서현재워싱턴, 라스베가스등에서시험방송이진행되고있으며, 추후미국에서상용화될것으로예상된다. 그러나현재까지재난방송과같은부가서비스에대한논의는이루어지지않고있는상황이다. 서비스가상용된이후에새로운서비스의추가는송출시스템과수신단말에예상치못한문제를발생시킬수있으며이로인하여추가비용이요구될수있기때문에현시점에서재난방송에대한논의가이루어져야한다. 본논문에서는성능테스트를통하여 ATSC Mobile DTV에서빠른시간안에재난방송을수신하여사용자에게알릴수있도록하는구조를제안하고, 재난방송시스템을구현한다. 2. 재난방송재해의증가로인하여재해피해의규모를줄이고자많은방재기관에서관련연구를수행하고있다. 사전대책으로피해를줄이는것이가장효과적이지만, 재해가발생하기직전이나발생한시점에순발력있는대응이재해의피해를줄이는데무엇보다중요한역할을한다. 따라서긴급상황이발생하였을경우피해를조금이라도경감시키기위하여신속히재해의규모, 국민행동요령등에관한정확한정보를제공할수있는재해정보전달시스템이필요하며, 현재상황을실시간으로전국의시청자에게폭넓게전달할수있는방송이재난정보전달의효과적인매체로사용되고있다. 2.1 모바일환경에서의재난방송재해가일어났을경우, 각방송사가재난방송을실시하더라도정전이나단선으로인한통신시설의마비로인하여고정형 TV를통해국민들이재난정보를얻을수없는경우가생긴다. 따라서이동중에도전원에크게구애받지않으면서디지털이 ( 그림 1) 재난방송실행과정라는장점으로텍스트및동영상등부가서비스를제공받을수있는모바일방송이재난방송을제공하는적합한매체로대두되고있다. 한국의 T-DMB (Digital Multimedia Broadcasting), 일본의 one-seg등의모바일방송은모바일특성에맞는긴급재난방송서비스를표준화하여자국의방재시스템을강화하고있다. ( 그림 1) 은재난발생시재난방송실행과정을보여준다. 재난이발생하게되면재해대책본부, 기상청과같은정보기관으로부터재난정보를방송국에전달하게된다. 방송국에서는전달되는정보를받아들여모바일재난방송규격에맞도록변환한뒤재난방송을송출하게된다. 그러나정보기관으로부터재난정보의수신이어려울경우방송국내에서수동적으로메시지를생성하여재난방송을실시할수있다. 본논문에서는방송국에서메시지를직접제작하여송출하는방식만을고려하여구현및성능측정을하였다. 2.2 재난방송요구사항분석미국, 일본등재해가자주발생하는지역에서는 EAS(Emergency Alert System), EWS(Emergency Warning System) 등방송망을이용한재난방송을실시하고있다. 한국의경우모바일방송인 DMB을통해시험방송을실시하고있다. 미국, 한국, 일본에서연구된재난방송을기반으로 ATSC Mobile DTV를위한재난방송서비스요구사항을요약하면표 1과같다. ATSC Mobile DTV용재난방송은미국 Cable 방송에서사용하고있는 EAS 표준을기반으로설계하였으며, ATSC Mobile DTV 표준을바탕으로기술요구사항을 ( 표 2) 와같이정의할수있다

3 ( 표 1) 재난방송서비스요구사항 번호 내용재난방송은가능한다른부가서비스에우선하여신속하게송출하여야한다. 자막데이터를기본으로멀티미디어정보의활용이가능하다. 지역구분코드를사용하여 GPS등의부가정보를활용할수있다. 재난메시지가수신되면현재서비스를중단하고지정된채널로서비스를전환한다. 재난방송이종료되면중지되기전의서비스로재전환한다. ( 생략 ) ( 그림 2) ATSC Mobile DTV Protocol Stack ( 표 2) 재난방송기술요구사항 번호 내용 재난방송의유무여부는최대 1 초안에알수있어야한다. 재난메시지는최대 180초간격으로반복되어야한다. 수신기는재난방송서비스여부를항상감지할수있어야하며, 재난방송수신시즉각적으로대응할수있어야한다. 정보의유형에따라수신기의동작및표현방식이달라질수있다. 재난메시지와관계없이방송서비스는정상적으로수신되어야한다. ( 생략 ) 3. ATSC Mobile DTV 시스템 3.1 ATSC Mobile DTV Service Signaling Channel 미국의차세대모바일방송표준인 ATSC Mobile DTV는지상파디지털방송이사용하고있는 ATSC의주파수대역을그대로사용하면서, 지상파디지털 TV가수신할수있는 HDTV 서비스와모바일단말기가수신할수있는모바일 TV 서비스를동시에제공한다. 서비스제공자는 HD 콘텐츠전송시생성되는여유주파수를이용하여모바일방송을제공할수있다. ATSC Mobile DTV 서비스는 legacy DTV와 Muxing되어 TS 패킷으로출력되며, Mobile DTV용 PID는 0x1EEE~0x1FFF를사용한다. 따라서 legacy DTV 수신기에서 TS패킷을수신하면, Mobile DTV에대한 PID에대한정보가없어해당패킷을무시하므로 legacy DTV에전혀영향을미치지않는다 [1,2]. ( 그림 2) 는 ATSC Mobile DTV 프로토콜스택을나타낸다. 빠른서비스획득을위하여 FIC(Fast Information Channel) 을운영하고있는데, FIC는앙상블과서비스와의연결관계에대한정보를제공한다. 하나의앙상블안에는여러개의서비스가존재할수있으며서비스는 IP 패킷으로전송된다. ATSC Mobile DTV는향후네트워크시스템과의호환성, 그리고인터넷프로토콜의유연성을활용하기위하여 IP 기반으로디자인되었다. 수신기에서는여러개의서비스를 IP패킷으로동시에수신하는데, 원하는서비스를디코딩하기위해서는서비스상세정보를가지고있는 SSC(Service Signaling Channel) 정보를반드시획득하여야한다. SSC 정보는 IANA 에등록된 Well-Known IP주소 ( ) 와 Port 번호 (4937) 를통하여 IP패킷으로수신된다. SSC Mobile DTV 서비스획득에필요한필수적인정보를포함하고있는 SMT(Service Map Table), 프로그램가이드의정보를포함하고있는 GAT(Guide Access Table), carrier frequency와 transmitter의정보를포함하는 CIT(Cell Information Table), 빠른시간안에채널스캔을진행할수있도록하는 SLT(Service Label Table) 그리고방송등급의정보를갖고있는 RRT(Rating Region Table) 로이루어져있다. 이중 SMT는앙상블내의서비스정보를가지고있는가 한국인터넷정보학회 (12 권 6 호 ) 131

4 ( 표 3) FIC 에서 EAT Indicator 적용 ( 그림 3) 재난방송의두가지적용방법 Syntax bit Format FIC_chunk_payload() { for(i=0; i<num_ensembles; i++) { ensemble_id 8 uimsbf reserved 3 '1111 ensemble_protocol_version 5 uimsbf SLT_ensemble_indicator 1 bslbf GAT_ensemble_indicator 1 bslbf EAT_ensemble_indicator 1 uimsbf MH_service_signaling_channel_version 5 uimsbf ( 생략 ) 장중요한 Table인데, 서비스들이수신되는 IP주소및 Port 번호를포함하고있으며또한 Component의상세정보를나타낸다 [2]. SMT는 968ms마다수신되어야하며반드시 SMT가구성되어야서비스제공을받을수있다. 사용자가서비스를선택하게되면, 수신기는 SMT의정보를바탕으로서비스가가지고있는컴포넌트들의 IP주소를필터링하여해당하는 IP 패킷을수신받으며, Component Descriptor 에있는인코딩파라메터정보를통하여올바르게디코딩이가능하도록한다. 3.2 ATSC Mobile DTV 에서의재난방송적용본논문에서는현재미국케이블방송에서사용되고있는 EAS 표준을 2장에서기술한요구사항을바탕으로 ATSC Mobile DTV 시스템에맞도록프로토콜을재설계하여적용하였다 [3-5]. 또한재난방송의특성상보다빠른수신을요구하므로 ATSC Mobile DTV 시스템에서 ( 그림 3) 과같이 SSC Level 과 Service Level 두가지방법으로적용하여수신시간을비교분석하였다 [6,7]. 첫번째로 SSC Level로적용하는방법이다. FIC 의 reserve된 1bit를이용하여 EAT(Emergency Alert Table) 의유무를시그널링하고, SMT와같이 968ms 로반복하여전송한다. ( 표 3) 은 FIC에서 EAT Indicator 의적용을보여준다. 수신기에서는 FIC를통하여재난방송의유무를감지할수있으며, 이때 EAT의 우선순위를높게하여 Table을구성한뒤사용자에게재난방송의시청을가능하게한다. 그러나 ATSC Mobile DTV 표준에서는각 Table의길이를 4096byte 를초과하지않도록정의하고있기때문에, 간단한텍스트및이미지정보만이제공가능하며멀티미디어정보를제공할경우링크정보를활용해야한다. SSC Level 로적용할경우 968ms 마다수신되는 FIC를이용하기때문에 1초안의재난방송수신을보장할수있다. 그러나이미정의된 SSC 에새로운 Table을추가하여야하므로추후재난방송적용시표준의수정이요구된다. 두번째로는 Service Level로적용하는방법이다. SMT를구성할때재난방송서비스를포함한다. 수신기에서 SMT를구성후재난서비스가있음을인지하게되면재난방송서비스의 IP를 Open하여재난방송서비스를수신하게된다. SMT에서는서비스종류를알려주는 MH_service_category필드를제공하는데, 아직정의되지않은 MH_service_category 의 0x04를사용하여재난방송서비스를정의할수있으며, 이 Category 가수신될경우시그널하여재난방송수신여부를알수있도록한다. MH_service_ category에대한자세한정보는 [2] 를참조하길바란다. Service Level로적용할경우 ATSC Mobile DTV 표준의수정이필요없으며, 텍스트정보뿐만아니라음성, 영상등과같은다양한포맷의서비스제

5 ( 표 4) 재난방송기술요구사항 기준 SSC Level Service Level 표준개정여부필요불필요 수신보장 보장 ( 최소 968ms) 데이터형식텍스트, 이미지 미보장 텍스트, 오디오, 멀티미디어, 파일 ( 그림 5) SSC Level 에서의순서도 ( 그림 4) ATSC Mobile DTV 수신기블록다이어그램공이가능하다. 그러나재난방송이포함된 IP패킷의수신시간을보장할수없기때문에빠른수신을보장할수없는단점이있다. ( 표 4) 는두가지적용방법의특징을보여주는표이다. 4. 구현및결과 4.1 ATSC Mobile DTV 수신플레이어 ( 그림 4) 는본논문에서구현한 ATSC Mobile DTV 수신프로그램의블록다이어그램이다. USB 타입의리시버보드를통하여주파수스캔, 채널튜닝, RS(Reed-Solomon) Frame 디코딩, RF(Radio Frequency) 컨트롤등의기능을제공한다. 수신된 스트림은 IP Packet으로추출되며, IP Packet 으로수신된 Signaling Channel, Audio, Video, Data( 재난정보 ) 등은 IP Filter를통하여해당컴포넌트로연결된다. Signaling Channel Parser 및 Analyzer를통하여서비스정보를획득하는데, 획득한정보에는 Audio, Video를디코딩할수있는인코팅정보등을포함하고있다. 원하는서비스를선택하면동영상및데이터정보를수신할수있다. 4.2 SSC Level에서의구현 ( 그림 5) 는 SSC Level에서재난방송을적용하였을때의순서도를보여준다. 수신기는 FIC 정보를가장먼저수신하게되는데, FIC내에재난방송의유무를알려주는 EAT Indicator가수신되면수신기는 EAT를구성한다. EAT가구성되면사용자에게재난방송이수신되었음을알리고, 사용자는제공되는멀티미디어서비스를수신하면서, 재난정보를요청하게되면재난의상세정보를확인할수있다. 한국인터넷정보학회 (12 권 6 호 ) 133

6 ( 그림 6) Service Level 에서의순서도 EAT Indicator 가수신되지않았을경우, 수신기는멀티미디어서비스를제공한다. ( 그림 7) ATSC Mobile DTV 에서의재난방송구현결과 과는달리 Text, Image 정보뿐만아니라, 재난관련멀티미디어, 파일전송등데이터크기에제약을받지않고수신이가능하다 Service Level에서의구현 ( 그림 6) 은 Service Level에서적용했을때의순서도이다. 수신기에서는 968ms마다 FIC를수신하지만, Service Level 에서는재난방송의유무를인지할수없다. 재난이발생하게되면, 방송국에서는 SMT 를재구성하여송출하게된다. 수신기에서는업데이트된 SMT 정보를받아다시서비스리스트를구성하게되며, 서비스가많을수록그시간은지연된다. 서비스의종류를나타내는 MH_service_category 필드가 3.2장에서정의한값인 0x04로수신되면, 이때재난발생의유무를사용자에게알릴수있으며, Component 정보에서 IP 를확인한후, 해당하는 IP필터링을하여재난서비스를제공받을수있다. SSC Level 과마찬가지로멀티미디어서비스를수신하면서재난서비스를받을수있지만, 4096byte의제약을받는 SSC Level 4.4 결과 EAT와 EAS는 Emergency Message Generator를통하여생성되고, Transmitter를통하여송출된다. USB 타입의수신기는 EAT나 EAS가수신되었을때위에서설명한과정을통하여사용자에게알람을발생한다. ( 그림 7) 은본논문에서구현한재난방송적용결과이다. 재난방송프로토콜에서의우선순위및지역정보에따라사용자에게재난정보의표현을변경할수있다. 예를들어가장낮은우선순위로수신되었을경우에는단순히사용자에게재난정보가수신되었다는것을깜빡임으로알려, 사용자가재난정보를원할경우에만재난방송을제공한다. 가장높은우선순위로수신될경우사용자가시청하던방송을즉시중단하고재난방송으로변경하여사용자가재난정보를바로인지할수있도록한다

7 ( 그림 8) 적용방법에따른성능측정결과 5. 적용방법비교평가재난방송을통한빠른재난정보의전달은생명과직결되기때문에다른서비스보다빠른수신을요구한다. 따라서본논문에서는제안한두가지적용방법에서성능테스트를통하여재난방송수신시간을측정한후장단점을비교한다. 실제방송송출상황과비슷하게구성하기위하여앙상블 1개에 EPG(Electronic Service Guide) 1개, 동영상 Service 3개그리고재난방송 Service 1개로구성하여송출및측정하였다. Legacy DTV의 data rate는약 12Mbps 이며, 3개의 mobile DTV Service는약 4.1Mbps이다. 또한 EPG는 10Kbps 이하로제공한다. 제안한재난방송프로토콜은 SSC Level로제공될경우 4096bytes 를초과할수없으므로 4Kbps 미만이고, Service Level 로제공될경우다른 Mobile DTV Service와비슷하게 1.4Mpbs로제공된다. ( 그림 8) 은적용한두가지방법을오실로스코를이용하여 ATSC Mobile DTV 전용수신칩셋으로수신되는신호를측정한결과를나타낸다. ( 그림 8) 에서수신시점⑴의위치가재난의발생유무를알수있는시간이다. SSC Level 에서측정결과 FIC의정보가들어오는동시에재난의유무를알수있다. Service Level 의경우 SSC Level 에서 EAT가수신되는비슷한시점에재난발생여부만을 알수있다. 멀티미디어로수신되는데이터를디코딩하여보여주는데상당한지연이생긴다. 따라서사용자가원할때재난정보를확인하는경우라면, 사용자에게보다빠르게재난상황의발생여부만을알릴수있다. FIC의경우 968ms 마다수신되기때문에재난메시지가수신될경우사용자는 968ms 안에는무조건재난의유무를알수있다. 반면에 Service Level 로수신할경우, SMT를모두구성한후에 MH_service_category를확인하여재난발생유무를알수있으므로 SSC Level 에적용했을때보다시간이더오래걸린다. 수신시점⑵ Text 정보만을제공하였을경우, 모든데이터가수신되는시간은 SSC Level 의경우 FIC가수신된후 EAT가모두구성된약 2382ms 이후였으며, Service Level 의경우 SMT가수신된후재난방송이수신되는 IP를확인하여해당하는 IP를통해재난정보를수신하게되므로 SSC Level에서적용했을때보다평균 967ms가더걸렸다. 수신시점⑶ 멀티미디어를제공할경우, SSC Level 에서는 4096byte의길이제약으로 EAT내의 descriptor를이용하여야한다. descriptor에서는재난방송과관련된멀티미디어가수신되는 IP 주소의링크정보만을알려주는데, EAT를구성한후 descriptor내의멀티미디어가제공되는 IP를확인후재난정보를수신하는데걸리는시간이평균 970ms가걸렸다. SSC Level에서멀티미디어를제공할경우, 결과적으로는 Service Level에서 SMT를통해 IP를할당받은후데이터를수신하는것과동일하므로, Service Level과비슷한측정시간을보여준다. ( 표 5) 적용방법에따른재난방송수신시간 기준적용기법 1 적용기법 2 수신재난방송송출후 1초 FIC 수신후약 2.3 시점 < 이내 (FIC 수신시간 =A) 초후 (A+2.3s) (1) 수신시점 (2) 수신시점 (3) 비고 FIC 수신후약 2.3 초후 (EAT 구성시간 =B) EAT 구성후약 1 초후 (B+1s) < EAT 와 SMT 구성시간은동일함 SMT 구성후약 1 초후 (B+1s) SMT 구성후약 1 초후 (B+1s) 한국인터넷정보학회 (12 권 6 호 ) 135

8 표준의수정없이 SSC Level에서 EAT를추가하지않고, FIC의 reserved bit를이용하여사용자에게 1초이내에재난여부만을빠르게알려줄수있도록하여재난방송의요구사항을만족시키고, 멀티미디어, GPS를활용한지도서비스등다양한부가서비스의수신시간은두가지적용방법에서의수신시간이같으므로사용자가추가적인데이터를요청할경우 Service Level를이용하여제공한다. 따라서두가지의방법을동시에적용하여빠르고효과적인재난방송을제공하는것이바람직하다고판단된다. 6. 결론본논문에서는 ATSC Mobile DTV에서재난방송프로토콜을적용해보았으며, 제안한두가지방법을적용하여수신시간을측정해보았다. SSC Level에서의적용은 1초이내에사용자에게재난의유무를알린다는장점이있으나, 보낼수있는데이터양의제약이있으며또한표준의수정이필요하다. Service Level 은다양한데이터를보낼수있지만, 재난방송의핵심인빠른수신이보장되지않는다. 따라서두가지방법을혼용하여 FIC의 reserved bit와 Service Level을이용하면사용자에게보다신속하고자세한재난정보를전달할수있다. 참고문헌 [1] ATSC, ATSC-mobile DTV standard, part 2 RF/Transmission System Characteristics', ATSC Standard, Document A/153 Part 2, Oct [2] ATSC, ATSC-mobile DTV standard, part 3 - Service Multiplex and Transport Subsystem Characteristics', ATSC Standard, Document A/153 Part 3, Oct [3] EAS, 'Emergency Alert System', e-cfc Title27, Part11. [4] SCTE, 'Emergency Alert Message for Cable', American National Standard ANSI/SCTE18, [5] 조민주, 백종호, 황준, ATSC Mobile DTV의재난방송서비스, 제5회정보통신표준화우수논문공모전, 2009 [6] 조민주, 손예진, 유샛별, 황준, ATSC-M/H를위한재난방송서비스시그널링설계기법, 한국인터넷정보학회 2010년도학술발표대회 , 한국인터넷정보학회, 2010년 6월, pp [7] S. Yu, M. Cho, Y. Park, S. Park and J. Hwang, 'Emergency Broadcasting with ATSC Mobile DTV', ICCE, pp.73-74, Jan [8] 최성종, 지상파 DMB 자동재난경보방송표준을위한재난메시지및메시지분할방법설계, 방송공학회논문지제15권제2호, 방송공학회, 2010년 3월, pp [9] A. Hornsby, I. Bouzazizi, I. Defee, Notification Service for DVB-H Mobile Broadcast', Wireless Communications, IEEE, pp.15-21, Apr

9 저자소개 유샛별 2010 년서울여자대학교멀티미디어학과 ( 공학사 ) 2010 년 ~ 현재서울여자대학교대학원컴퓨터학과 ( 석사과정 ) 2009 년 ~ 현재전자부품연구원모바일단말연구센터 ( 위촉연구원 ) 관심분야 : 디지털방송, 모바일방송, 데이터방송 venusyu0713@gmail.com 조민주 2005 년서울여자대학교컴퓨터학과 ( 공학사 ) 2008 년서울여자대학교대학원컴퓨터학과 ( 이학석사 ) 2008 년 ~ 현재서울여자대학교대학원컴퓨터학과 ( 박사과정 ) 2007 년 ~ 현재아이셋 ( 전임연구원 ) 관심분야 : 디지털방송, 모바일방송, 데이터방송 cmj1228@swu.ac.kr 황준 1985년중앙대학교컴퓨터공학과 ( 공학사 ) 1987년중앙대학교대학원컴퓨터공학과 ( 공학석사 ) 1991년중앙대학교대학원컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 1992년~ 현재서울여자대학멀티미디어학과교수관심분야 : IPTV, Convergence Computing, Digital Broadcasting hjun@swu.ac.kr 한국인터넷정보학회 (12 권 6 호 ) 137

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