La technologie sans fil est l’un des modes de communication (connectivité) les plus prisés qui permet de relier deux ou plusieurs appareils. Grâce à cette technologie, la transmission des données est assurée via des ondes électromagnétiques telles que les fréquences radio, les liaisons infrarouges et le réseau satellite, sans recourir à des câbles ou à des fils.

Les communications sans fil s’effectuent à des fréquences spécifiques sur le spectre électromagnétique. Ces fréquences, dites « ondes radio », sont comprises entre 3 Hz et 3 000 GHz (3 THz). La technologie sans fil est utilisée dans le cadre d’applications informatiques et de communication diverses et variées : appareils mobiles de 3e à 5e génération (3G/4G/5G), connexions haut débit, réseaux Wi-Fi domestiques, systèmes V2V (de véhicule à véhicule), capteurs intégrés, applications de radio-identification (RFID), micro-ondes, services de radio aéronautiques, maritimes, radios commerciales ou privées.

Compte tenu des besoins évolutifs des technologies sans fil, différentes méthodes et normes de communication sans fil ont été établies dans le monde en fonction de diverses considérations commerciales (portée de transmission et champ d’application spécifiques, par exemple). Ces technologies peuvent être classées en quatre grandes catégories : les réseaux personnels sans fil (WPAN, Wireless Personal Area Network), les réseaux locaux sans fil (WLAN, Wireless Local Area Network), les réseaux métropolitains sans fil (WMAN, Wireless Metropolitan Area Network) et les réseaux étendus sans fil (WWAN, Wireless Wide Area Network). Comme leur nom l’indique, les propriétés de ces réseaux en matière de portée et de débit de données sont optimisées pour une utilisation et une couverture sur quatre niveaux différents : personnel, local, métropolitain et mondial.

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RFID

La radio-identification (RFID, Radio Frequency Identification) peut être définie comme la technologie d’identification automatique qui utilise des champs électromagnétiques à radiofréquences pour identifier les objets porteurs de balises, lorsqu’ils sont à proximité d’un lecteur. La technologie RFID est une méthode simple d’échange de données entre deux entités, à savoir un lecteur/émetteur et une balise. Cette communication permet d’obtenir des informations à propos de la balise ou de l’élément portant la balise et, de cette façon, de gérer plus facilement les processus.

L’utilisation de la technologie RFID s’est généralisée dans de nombreux domaines d’environnements, tels que les secteurs des affaires, de la santé et de la fabrication. La RFID fournit une technologie idéale pour le suivi des actifs et leur identification à l’aide d’une simple antenne à faible coût attachée à la cible. Elle est utilisée pour tout identifier, de l’étiquetage pour les magasins au suivi des véhicules, améliore la distribution et la visibilité dans les chaînes d’approvisionnement et permet le contrôle des accès dans les situations où une sécurité est nécessaire.

De même qu’une radio doit être réglée à différentes fréquences pour entendre les différents canaux, les balises RFID et les lecteurs doivent être réglés sur la même fréquence afin de communiquer. La RFID utilise plusieurs fréquences radio, et il existe de nombreux types de balises avec différentes méthodes de communication et sources d’alimentation. Les balises RFID sont généralement dotées d’une puce électronique avec une antenne afin de transmettre des informations sur l’interrogateur (également connu sous le nom de station de base ou plus généralement, lecteur). L’ensemble est appelé une incrustation et est ensuite conditionné pour être capable de supporter les conditions dans lesquelles il fonctionnera. Ce produit fini est appelé une balise, une étiquette ou un transpondeur.

La RFID est considérée comme un dispositif à courte portée non spécifique. Elle peut utiliser des bandes de fréquence sans licence. Sa portée se situe entre 1 et 12 mètres avec une vitesse de 640 kbit/s. La RFID doit être conforme à la réglementation locale (ETSI, FCC, etc.). La plupart des pays ont affecté les fréquences 125 à 134 kHz du spectre aux systèmes RFID basse fréquence ; 13,56 MHz est généralement utilisé dans le monde entier pour les systèmes RFID haute fréquence. Les systèmes RFID UHF utilisent les fréquences de 433 et 860-960 MHz, ainsi que les fréquences très élevées de 2,45-5,8 GHz.

NFC

La communication en champ proche (NFC – Near Field Communication) facilite la technologie sans fil de communication à courte portée entre les appareils compatibles utilisant des ondes électromagnétiques. La technologie permet un échange de données sans contact par l’intermédiaire d’appareils performants sécurisés via un contact point à point sur de courtes distances. La NFC utilise un faible débit de données avec des communications sans fil de fréquence de 13,56 MHz. La NFC basée sur la technologie RFID offre aux protocoles d’identification un support qui confirme le transfert sécurisé des données. Elle permet aux utilisateurs d’effectuer des transactions sans contact, d’accéder au contenu numérique et de connecter des appareils électroniques simplement en les touchant ou les mettant à proximité. Les étiquettes NFC sont intégrées dans les cartes bancaires, les smartphones et d’autres appareils portables, et sont utilisées dans diverses applications telles que l’échange de données entre deux smartphones, le paiement sans contact, les cartes de transport, la gestion des accès au parking, la billetterie mobile, les applications médicales (du suivi des patients au suivi biomédical), les applications d’étiquetage d’actifs et bien d’autres.

La technologie implique l’utilisation d’un couplage inductif pour transporter l’énergie entre deux appareils à travers un champ magnétique partagé. Lorsqu’une étiquette est placée près du lecteur, le champ de la bobine d’antenne du lecteur associe la bobine d’antenne de l’étiquette. Une tension est ensuite produite dans l’étiquette, laquelle est redressée et utilisée pour alimenter les circuits internes de l’étiquette. Le lecteur régule le champ pour communiquer ses données avec cette étiquette. Le circuit des étiquettes fait varier la charge de la bobine pour renvoyer les données au lecteur à partir de l’étiquette, même si l’onde porteuse non modulée du lecteur reste la même. Le lecteur détecte cela en raison du couplage mutuel. Cette fonctionnalité est appelée modulation de charge.

Il existe deux types d’appareils équipés de puces NFC : appareil initiateur (passif) et appareil cible (actif). Une étiquette NFC peut être à la fois active et passive. Cependant, un lecteur NFC est toujours un appareil actif. Ces appareils fonctionnent en mode actif-passif ou actif-actif (pair-pair). Les deux appareils NFC ont une alimentation indépendante en mode actif-actif, tandis qu’en mode actif-passif, l’appareil passif tire son énergie des ondes électromagnétiques de l’appareil actif. Le mode de communication de base est le semi-duplex avec la NFC : un appareil NFC transmet tandis que l’autre appareil reçoit.

Un avantage important de la NFC est que la technologie s’adapte à l’infrastructure RFID existante, aux cartes à puce sans contact et aux étiquettes RFID. Un appareil NFC combine les deux composants : un lecteur actif et un transpondeur passif. Il lit les données et les écrit vers ou depuis une étiquette qui reçoit les données, et les transmet directement à un autre appareil NFC.

Bluetooth

Bluetooth est une norme pour les communications sans fil, basée sur un système radio et conçue pour une connectivité de courte portée pour les équipements portatifs personnels. Elle définit une pile de protocoles de communication permettant aux appareils de se trouver les uns les autres et d’annoncer les services qu’ils offrent. Le Bluetooth est largement utilisé dans la technologie WPAN (réseau personnel sans fil), également appelée réseau sans fil à courte distance. La norme IEEE 802.15.1 spécifie le fonctionnement et l’architecture des périphériques Bluetooth, mais le fonctionnement est uniquement concerné par les couches physique et de contrôle d’accès au support (MAC). Les couches de protocole et les applications sont normalisées par Bluetooth SIG. Les canaux sont accessibles à l’aide de la technique FHSS (étalement de spectre par saut de fréquence), avec un débit de signal de 1 Mb/s, en utilisant une modulation par déplacement de fréquence de type GFSK.

Chaque appareil utilisant le Bluetooth porte une petite puce qui peut envoyer à la fois des données et des signaux vocaux. Un appareil fonctionne en tant que maître dans n’importe quelle configuration typique, et un ou plusieurs appareils fonctionnent en tant qu’esclaves. Cet appareil maître utilise un logiciel de gestion de liens pour discerner les autres appareils Bluetooth et créer des liens pour recevoir et envoyer des données. Les systèmes Bluetooth comprennent des piles de protocoles, des émetteurs-récepteurs et des bandes de base, et peuvent créer un réseau compact avec quelques appareils. Les systèmes créent un grand réseau distribué composé de nombreux réseaux Pico indépendants et d’un groupe de piconets interconnectés appelé scatternet. Un système Bluetooth simple comprend des antennes, des logiciels, un contrôle de liaison et une gestion de liaison.

Les appareils Bluetooth utilisent la bande 2,4 GHz, une bande de fréquences libre de licences industrielle, scientifique et médicale (ISM) pour ses signaux radio, et permettent d’établir des communications entre périphériques jusqu’à une distance maximale d’environ 100 mètres. L’atout principal de la norme Bluetooth est sa capacité à gérer simultanément les transmissions de données et vocales dans des solutions innovantes telles que les casques mains libres pour les appels vocaux, les fonctions d’impression et de télécopie, et la synchronisation automatique du carnet d’adresses sur PDA, ordinateur portable et téléphone cellulaire.

Les deux spécifications de mise en œuvre les plus courantes sont Bluetooth Basic Rate ou Enhanced Data Rate (BR/EDR), validées en version 2.0/2.1, et Bluetooth basse énergie (LE), validé en version 4.0/4.1/4.2/5.0. Le Bluetooth BR/EDR établit une connexion sans fil continue et relativement courte. Le débit de données EDR de 2 à 3 Mbit le rend idéal pour les cas d’utilisation tels que le streaming audio. Le BLE permet une connexion radio longue portée en courtes rafales, ce qui le rend idéal pour les applications IoT (Internet des objets). Les balises Bluetooth sont utilisées pour les applications de localisation en intérieur, de détection d’activité et de détection de proximité. L’utilisation du BLE devient très populaire, car différentes industries adoptent des applications telles que la solution de suivi des actifs, les unités de fabrication, le système de positionnement par triangulation tridimensionnel utilisant des étiquettes BLE.

ZigBee

ZigBee est un protocole de normes de communications mondiales conforme à IEEE 802.15. Il s’appuie sur le contrôle d’accès aux médias et sur la couche physique définie dans la norme IEEE 802.15.4 pour les WPAN à bas débit. Cette norme de réseau sans fil vise à surveiller et contrôler les applications où des niveaux de débit de données relativement faibles avec une portée de 10 à 100 mètres sont nécessaires, et offre la possibilité d’utiliser des capteurs à distance alimentés par batterie. Une faible consommation d’énergie est essentielle. Les capteurs, les commandes d’éclairage, la sécurité et les multiples applications de cette technologie conviennent pour fonctionner dans des endroits isolés et dans des environnements radio difficiles. Les ZDO (ZigBee Device Objects – Objets d’appareils ZigBee) assurent le suivi des rôles des appareils, gèrent les demandes d’accès au réseau, ainsi que la sécurité et la découverte des appareils.

Le système est spécifié pour fonctionner dans l’une des trois bandes libres de licences à 2,4 GHz, 915 MHz et 868 MHz à 2,4 GHz, le débit de données maximal étant de 250 kbps. Pour 915 MHz, la norme prend en charge un débit de données maximum de 40 kbit/s, tandis qu’à 868 MHz elle peut prendre en charge le transfert de données jusqu’à 20 kbits/s. Il existe trois topologies de réseau différentes prises en charge par ZigBee, à savoir en étoile, maillée et de clusters ou hybride. Le protocole ZigBee offre de nombreux avantages, notamment sa fiabilité, son évolutivité et sa capacité de réseau maillé auto-régénérateur.

ZigBee PRO est une version de ZigBee qui bénéficie de capacités supérieures comme les techniques de routage, les sauts de réseau, le nombre maximal de périphériques et la sécurité du réseau. En adoptant la version améliorée ZigBee PRO, il est possible de fournir ces capacités supplémentaires à certaines applications, tout en conservant un empilement moins coûteux et plus simple, ainsi que de conserver une consommation énergétique inférieure pour les applications qui ne nécessitent pas les capacités supplémentaires.

La technologie ZigBee est simple, fiable et rapide. Un réseau ZigBee génère des réseaux auto-organisés et accueille plusieurs appareils. Il peut créer une communication multicanal et est largement utilisé dans les industries M2M et IoT, comme les réseaux intelligents et la télédétection dans d’autres domaines. ZigBee PRO est une version de ZigBee qui offre de meilleures capacités telles que les techniques de routage, la sécurité réseau et les sauts de réseau. L’adoption d’une version améliorée de ZigBee PRO peut offrir des capacités d’application supplémentaires.

WiFi

WiFi (Wireless Fidelity) est un terme générique qui désigne la norme de communication IEEE 802.11 pour les réseaux locaux. Il utilise des ondes radio pour fournir des connexions Internet haut débit sans fil et des connexions réseau basées sur les normes IEEE 802.11. WiFi est une marque commerciale de WiFi Alliance, qui restreint l’utilisation du terme « certifié WiFi » aux produits qui passent avec succès les tests de certification d’interopérabilité.

Le WiFi offre une vitesse plus rapide, une meilleure sécurité et une portée plus longue par rapport aux technologies sans fil standard. Cette technologie sans fil locale permet aux équipements électroniques d’échanger des données ou de se connecter en ligne en utilisant les bandes radio SHF ISM 5 GHz et UHF 2,4 GHz. La plupart des appareils électroniques ont aujourd’hui des interfaces WiFi intégrées, comme les ordinateurs personnels, les consoles de jeux vidéo et les smartphones, etc. Celles-ci se connectent aux ressources du réseau (comme Internet) via un point permettant l’accès au réseau sans fil. Ces points d’accès (communément appelés hotspots) ont une portée d’environ 20 mètres à l’intérieur et une plus grande portée à l’extérieur. Tous les réseaux WiFi sont des systèmes TDD centrés sur la contention, où les stations mobiles et les points d’accès se font concurrence pour utiliser le même canal.

Les signaux radio sont des clés qui rendent la mise en réseau WiFi possible. Les récepteurs WiFi (comme les téléphones portables et les ordinateurs portables) sélectionnent ces signaux radio transmis par les antennes WiFi. Les récepteurs sont équipés de cartes WiFi. La carte WiFi lit ces signaux et crée une connexion Internet entre le réseau et l’utilisateur.

Les points d’accès, comme les routeurs et les antennes, sont les principales sources de transmission et de réception des ondes radio. Les antennes plus puissantes ont une transmission radio plus longue et un rayon d’environ 300 à 500 pieds. Cela trouve de l’utilité dans les espaces extérieurs. Le routeur plus faible, mais efficace est mieux adapté à une utilisation en intérieur avec sa transmission radio de 100 à 150 pieds. Un hotspot Wi-Fi peut être créé via l’installation d’un point d’accès de connexion Internet. Le point d’accès fonctionne comme une station de base. L’appareil compatible Wi-Fi se connecte sans fil au réseau lorsqu’il rencontre un hotspot.

La sécurité est une préoccupation majeure avec le WiFi, même avec la disponibilité de meilleurs systèmes de chiffrement. Le chiffrement est volontaire avec le WiFi et différentes méthodes sont définies. WEP a perdu de sa pertinence lorsque le WPA (WiFi Protected Access – accès protégé WiFi) a été lancé avec 802.11i et mis en œuvre via une mise à niveau du micrologiciel. La version de base du WPA est fournie avec des clés pré-partagées (WPA-PSK). Il est destiné à un usage personnel et, par conséquent, le WPA n’a pas besoin d’un serveur d’authentification. WPA-Enterprise doit utiliser le serveur RADIUS (Remote Authentication Dial-in User Service – service d’usager commuté à authentification distante) et prend en charge de nombreuses extensions EAP (Extensible Authentication Protocol – Protocole d’authentification extensible).

WPA2 était la version conforme à la norme 802.11i ratifiée à partir de 2004. Il est similaire à WPA, mais le support WPA2 est obligatoire pour les produits devant être certifiés WiFi. WPA3 améliore le WPA/WPA2 et utilise le chiffrement 128 bits et le chiffrement 192 bits en modes personnel et entreprise. WPA3 améliore la Confidentialité persistante.

Cellulaire

Les progrès en matière de réseaux mobiles sont énumérés par générations. De nombreux utilisateurs communiquent au moyen de téléphones portables sur une unique bande de fréquences. Les téléphones cellulaires et sans fil sont deux exemples d’appareils utilisant la transmission sans fil. Généralement, les téléphones cellulaires utilisent une gamme étendue de réseaux pour assurer la couverture. Les téléphones sans fil, en revanche, ont une portée limitée. Similaires aux dispositifs GPS, certains téléphones utilisent des signaux en provenance de satellites pour communiquer.

Le réseau WWAN est un moyen de communication de longue portée permettant d’utiliser, depuis n’importe où, les données du réseau cellulaire et Internet. Les réseaux WWAN établissent une connexion sur de vastes zones telles que des villes ou des pays, par le biais de multiples systèmes satellites ou de sites d’antennes gérés par un fournisseur d’accès Internet (FAI). Ces systèmes sont appelés 2G (deuxième génération). Ces réseaux nécessitent un coût élevé de déploiement puisqu’ils couvrent une vaste zone géographique. Ils comprennent les réseaux de télécommunications mobiles tels que LTE (Long Term Evolution), GSM, CDMA 2000, CDPD (Cellular Digital Packet Data) et Mobitex pour transférer des données.

L’Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) est un système de téléphonie mobile de troisième génération (3G) établissant des communications vocales et la connectivité de données haut débit, y compris l’accès à Internet, des applications de données mobiles et des contenus multimédias. Les protocoles High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) et High Speed Packet Access (HSUPA Uplink) appartiennent respectivement aux générations 3.5 et 3.75 de téléphonie mobile. La norme HSDPA possède des débits binaires de 2 Mbit/s en liaison descendante et 384 kbit/s en liaison montante, celle HSUPA permet d’envoyer des données à un débit de 1,45 Mbit/s en liaison montante.

La quatrième génération (4G) de technologies de télécommunications mobiles fournit un accès Internet mobile haut débit aux modems sans fil, smartphones et autres systèmes portatifs. Les systèmes 4G offrent des services clés améliorés, tels que les appels vidéo HD, une bande passante plus élevée, un débit de données élevé, une meilleure qualité de service et des services de jeux en ligne en streaming. Ils ont une capacité de bande passante de 40 MHz et définissent une exigence de vitesse de pointe de 100 Mbps.

La 5G, technologie cellulaire mobile naissante, bénéficie d’un débit de données élevé et d’une meilleure efficacité énergétique. Elle prend en charge un environnement de réalité virtuelle complet avec des applications audio/vidéo ultra-HD et une vitesse de données de 10 Gbit/s pour augmenter les services de cloud mobile. La 5G est basée sur des normes telles que CDMA (Code Division Multiple Access), WWWW (World Wide Wireless Web) et BDMA (Beam Division Multiple Access). Elle prend en charge une large bande passante bidirectionnelle avec des débits de données supérieurs à 1,0 Gbps avec le spectre proposé de 3 à 300 GHz via une connectivité omniprésente. Le cloud computing et Internet constituent l’infrastructure principale du réseau, qui fournit des services de communication fiables et rapides, l’IoT, la communication holographique, les appareils portables sans fil, le cloud computing, la réalité virtuelle, l’avancement de la banque en ligne sécurisée, la télévision mobile Full HD, la télémédecine, l’itinérance mondiale, le streaming vidéo Ultra HD et les services de jeux en ligne, entre autres. La 5G stimule les expériences numériques grâce à l’automatisation assistée par machine learning. La demande de temps de réponse plus rapides (p. ex. voitures autonomes) pousse les réseaux 5G à faire progresser l’automatisation avec le machine learning et, à plus long terme, l’IA et le deep learning.

Les réseaux de communication sans fil 6G devraient offrir une couverture mondiale, une sécurité, une efficacité spectrale/énergétique/économique améliorée et un meilleur niveau d’intelligence. Les réseaux 6G, pour répondre à ces exigences, s’appuieront sur de nouvelles technologies de validation, le découpage de réseau, le cloud/fog/edge computing et une architecture sans cellule. Les mêmes technologies peuvent compléter les réseaux non terrestres comme les réseaux de communication par satellite et par véhicule aérien sans pilote (UAV). Il en résulterait un réseau de communication intégré espace-air-sol-mer, comprenant les bandes de fréquences inférieures à 6 GHz, à ondes millimétriques (mmWave), térahertz (THz) et optiques.

SigFox

Sigfox fournit un opérateur de réseau de style cellulaire qui propose une solution sur mesure pour les applications de l’Internet des objets à faible débit et les applications M2M. Il connecte les périphériques distants à l’aide de la technologie Ultra Narrow Band (UNB, bande ultra étroite) et fonctionne dans les bandes non licenciées (ISM). Il utilise une méthode de transmission radio standard appelée BPSK (binary phase-shift keying).

De nombreuses d’applications ont besoin de cette forme de technologie de communication sans fil à faible coût. Il nécessite un point terminal de radio peu coûteux et une station de base plus sophistiquée pour gérer le réseau, et est principalement destiné aux applications à faible débit de données. Il nécessite une moins grande quantité d’antennes par rapport aux réseaux cellulaires traditionnels tels que GSM/CDMA. Sigfox a mis au point un protocole léger pour gérer de petits messages. Moins de données à envoyer implique une consommation énergétique moindre, et donc une plus longue durée de vie de la batterie.

À l’aide de la modulation de bande ultra étroite, Sigfox fonctionne dans les 200 kHz de la bande disponible non licenciée, pour échanger des messages radio sur les ondes (868 à 869 MHz et 902 à 928 MHz selon les régions). Chaque message utilise une fréquence de 100 Hz et est transmis à un débit de données de 100 ou 600 bits par seconde, en fonction de la région. Par conséquent, de longues distances peuvent être atteintes sans générer énormément de bruit. La transmission est non synchronisée entre le périphérique et le réseau. L’appareil diffuse chaque message 3 fois sur 3 fréquences différentes (saut de fréquence). Les stations de base surveillent le spectre et recherchent les signaux UNB à démoduler.

La densité des cellules du réseau Sigfox est basée sur une portée moyenne d’environ 30-50 km dans les zones rurales ; dans les zones urbaines, où il y a généralement plus d’obstacles et de bruit, la portée peut être réduite à entre 3 et 10 km. Les distances peuvent être bien plus élevées pour les nœuds de plein air, où SIGFOX affirme que les messages peuvent se déplacer sur 1 000 km sans obstacles.

LoRa

LoRa est une technologie sans fil, développée pour permettre la communication de données à bas débit sur de longues distances par le biais de capteurs et d’actionneurs pour des applications M2M et de l’Internet des objets. Elle utilise le spectre radio non réservé des bandes industrielles, scientifiques et médicales (ISM) pour permettre la communication de faible consommation entre des capteurs à distance et des passerelles connectées au réseau, sur une zone étendue. Ce protocole utilise la technologie d’étalement de spectre sur une large bande. Son signal modulé en fréquence utilise un gain de codage pour une sensibilité accrue des récepteurs.

LoRaWAN est une spécification open source du protocole d’infrastructure LPWAN (Low Power Wide Area Network), intégrée à la technologie LoRa développée par LoRa Alliance, permettant à d’autres entreprises de créer leurs propres réseaux IoT, basés sur ses spécifications technologiques. Cette approche fondée sur les normes, destinée à construire un réseau LPWAN, permet de configurer rapidement des réseaux IoT, publics ou privés, depuis n’importe où, à l’aide de matériel informatique et de logiciels qui soient sécuritaires de façon bidirectionnelle, interopérables et mobiles. Elle fournit une localisation précise et fonctionne selon les paramétrages effectués.

Un réseau LoRa peut être organisé pour fournir une couverture similaire à celle d’un réseau cellulaire. D’ailleurs, beaucoup d’utilisateurs de la technologie LoRa sont des opérateurs de réseau cellulaire qui pourront utiliser les mâts existants pour monter des antennes LoRa. Dans certains cas, les antennes LoRa peuvent être combinées avec des antennes cellulaires, les fréquences utilisées pouvant être proches, pour offrir des avantages significatifs en matière de coûts. Les principales caractéristiques de LoRa sont : une longue portée de 15 à 20 kilomètres, la possibilité de se connecter à des millions de nœuds et une batterie ayant une durée de vie de plus de 10 ans. Les applications de la technologie sans fil LoRa comprennent les compteurs intelligents, le suivi des stocks, les distributeurs automatiques, la surveillance des données, l’industrie automobile, les applications utilitaires pour lesquelles la communication et le contrôle des données peuvent être nécessaires.

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