GSM网络优化毕业设计论文.docx
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GSM网络优化毕业设计论文
通信技术专业
毕业综合实践论文（报告）开题报告
第1章绪论
全球移动通信系统GlobalSystemforMobileCommunication就是众所周知的GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。
全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM电话。
GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署"漫游协定"后用户的国际漫游变得很平常。
GSM较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代（2G）移动电话系统。
这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。
GSM是一个当前由3GPP开发的开放标准。
GSM是基于窄带TDMA制式，允许在一个射频同时进行8组通话。
GSM80年代兴起于欧洲，1991年投入使用。
到1997年底，已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准，到了2001年，在全世界的162个国家已经建设了400个GSM通信网络。
但GSM系统的容量是有限的，在网络用户过载时，就不得不构建更多的网络设施。
值得欣慰的是GSM在其他方面性能优异，它除了提供标准化的列表和信令系统外，还开放了一些比较智能的业务如国际漫游等。
GSM手机的方便之处在于它提供了一个智能卡，人们称之为SIM卡，并且机卡可以分离，这样用户更换手机并且定制个人信息这方面都十分便利了。
GSM手机还允许用户接收160字长度的短信息。
第2章GSM网络基本原理
2.1GSM系统的基本结构
2.1.1系统构成
OSS：
操作支持子系统
2.1GSM网络系统结构图
BSS：
基站子系统
NSS：
网路子系统
NMC：
网路管理中心
DPPS：
数据后处理系统
SEMC：
安全性管理中心
PCS：
用户识别
OMC：
操作维护中心
MSC：
移动业务交换中心
VLR：
访问户位置寄存器
HLR：
归属位置寄存器
AUC：
鉴权中心
EIR：
移动设备识别寄存
BSC：
基站控制器
BTS：
基站收发信台
PDN：
公用数据网
PSTN：
公用电话网
ISDN：
综合业务数字网
MS：
移动台
由上图可见，一个GSM系统可由三个子系统组成，即操作支持子系统（OSS），基站子系统（BSS）和网路子系统（NSS）三部分组成。
其中，基站子系统BSS是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分，它通过无线接口直接与移动台相连，负责无线发送接收和无线资源的管理。
网路子系统是整个系统的核心，它对GSM移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换、连接与管理的功能。
主要负责完成呼叫处理、通信管理、移动管理、部分无线资源管理、安全性管理、用户数据和设备管理、计费记录处理、公共信道、信令处理和本地运行维护等。
基站子系统BSS主要负责无线信息的发送与接收及无线资源管理；同时，它与NSS相连，实现移动用户间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信息和用户信息等；当然，也要与操作支持子系统OSS之间实现互通。
2.2各子系统介绍
2.2.1移动台（MS）
移动台是用户直接使用，完成移动通信的设备。
对于数字移动通信来讲，已经从一定程度上具备了个人化的特点──即具有用户私人信息的SIM卡和通信的物理实现设备的分离。
SIM卡上包含所有与用户有关的无线接口一侧的信息，也含有鉴权和加密实现的信息；而物理设备可以是手持机，车载机或是由移动终端直接与终端设备相连而构成。
2.2.2基站子系统（BSS）
1、基站控制器（BSC）
BSC是基站子系统（BSS）的控制部分，主要有如下功能。
a.接口管理：
支持与MSC间A接口，与BTS间的Abis接口及与OMC间的X.25
接口。
b.BTS－BSC之间的地面信道管理
BSC对BTS间的无线信令链路，操作维护链路进行监测、对无线业务信道进行分配管理。
c.无线参数及无线资源管理
无线参数包括：
BTS载频频率、空中接口是否应用了非连续接收、发射、移动台接入网最小电平设置、逻辑信道与物理信道的映射关系。
无线资源包括：
小区内信道配置、专用信道与业务信道的分配管理、切换资源管理等。
d.测量和统计
对无线链路的测量：
处理移动台和BTS送上的测量报告，决定是否需调整BTS和移动台功率，决定是否切换。
话务量统计：
对业务信道的阻塞率，呼叫成功率，越区切换频度等作出统计，为系统扩容和小区分裂等提供凭据。
e.切换
根据小区功率电平，话音质量及干扰情况，选择切换的目的对象，对于小区内切换，同一BSC控制的小区间切换，BSC完全控制，而不同BSC控制的小区间切换则由MSC完成。
f.支持呼叫控制
通过交换电路实现话路连接，还可提供主、被叫排队机机制。
g.操作与维护
收集BSC及BTS告警，并传至DMC，同时更新自身内部资源表；配合OMC实现对BSS的软件升级。
2、基站发信台（BTS）
受控于基站控制器（BSC），属于基站子系统（BSS）的无线部分，服务于某小区的无线收发信设备，实现BTS与移动台（MS）空中接口的功能。
BTS主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。
基带单元主要用于话音和数据速率适配以及信道编码等；载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合；控制单元则用于BTS的操作与维护。
2.2.3网络子系统（NSS）
1、移动业务交换中心（MSC）
MSC是整个网路的核心，完成或参与网络子系统（NSS）的全部功能，协调与控制整个GSM网络中BSS.OSS的各个功能实体。
首先，MSC提供与BSC的接口，A接口提供GSM90011800的TDMA方式，At接口提供CDMA的接入，提供内部各功能实体的接口，实现各种相应的管理功能，提供与PSTN、ISDN、PSPDN、PLMN的接口；其次，支持一系列业务──电信业务，承载业务和补充业务；最后，支持位置登记、越区切换和自动漫游等其它网路功能。
2、访问用户位置寄存器（VLR）
访问用户位置寄存器（VLR）是服务于其控制区域内移动用户的，存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息，为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。
当某用户进入VLR控制区后，此VLR将由该移动用户的归属用户位置寄存器（HLR）获取并存储必要数据。
而一旦此用户离开后，将取消VLR中此用户的数据。
VLR通常在每个MSC中实现。
3、归属用户位置寄存器（HLR）
相对于VLR，归属用户位置寄存器（HLR）是一个静态数据库（当然，也存储部分漫游移动用户所在MSC区域的有关动态数据，包括用户识别号码，访问能力、用户类别和补充业务等数据，由它控制整个移动交换区域乃至整个PLMN）。
4、鉴权中心（AUC）
鉴权中心（AUC）存储着鉴权信息和加密密钥，防止无权用户接入系统和防止无线接口中数据被窃。
5、移动设备识别寄存器（EIR）
移动设备识别寄存器（EIR）存储着移动设备的国际移动设备识别码（IMEI），通过核查三种表格（白名单、灰名单、黑名单）使用得网络具有防止无权用户接入、监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。
2.2.4操作支持子系统（OSS）
主要包括网路管理中心（NMC），安全性管理中心（SEMC），集中计费管理的数据后处理系统（DPPS）、用户识别卡个人化管理中心（PCS）等，由于其在管理上的独立性，不再专门介绍其细节。
2.3接口与协议
由于通信市场的竞争，移动通信市场中各个厂家可以生产自己的产品，为了保证电信营运部门能够选择使用不同厂家的各部分设备组网，因此需要制定技术规范以保证不同设备间接口的标准性。
同时，为使GSM系统实现国际漫游功能和在业务上迈入面向ISDN的数据通信业务，GSM系统引入7号信令系统和信令网络。
2.3.1GSM系统的主要接口
2.2GSM主要接口图
GSM系统的主要接口系指A接口、Abis接口和Um接口。
这三个接口标准使得电信运营部门能够把不同设备纳入同一个GSM数字通信网中。
1、A接口
A接口定义为网路子系统（NSS）与基站子系统（BSS）间的通信接口。
从系统上来讲，就是移动业务交换中心（MSC）与基站控制器（BSC）之间的接口，物理链路采用标准的2.048Mb/s的数字传输链路实现。
此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理、接续管理等。
2、Abis接口
Abis接口定义了基站子系统（BSS）中基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）之间的通信标准，用于远端互连方式。
而图中示中的BS接口是Abis接口的特例，用于定义基站控制器（BSC）与基站收发信台（BTS）间距离小于10米时的标准。
它们之间采用标准的2.048Mb/sPCM数字链路来实现。
此接口支持所有向用户提供的服务，并支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。
3、Um接口
Um接口（空中接口）定义为移动台与基站收发信台（BTS）之间的通信接口，用于移动台与GSM系统的固定部分之间的互通，物理链路是无线链路。
此接口传递的信息主要包括无线资源管理、移动性管理和接续管理等。
2.3.2网络子系统（NSS）的内部接口
2.3GSM网络子系统内部接口图
1、B接口
B接口定义为访问用户寄存器（VLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的内部接口，用于移动业务交换中心（MSC）向访问用户寄存器（VLR）询问有关移动台（MS）当前位置信息或通知访问用户寄存器（VLR）有关移动台（MS）的位置更新信息等。
C接口
C接口定义为归属用户寄存器（HLR）与移动业务交换中心（MSC）之间的接口。
用于传递路由选择和管理信息。
如果采用归属用户位置寄存器（HLR）作为计费中心，则呼叫结束后建立或接收此呼叫的移动台（MS）所在的移动业务交换中心（MSC）应把计费信息传送给该移动用户当前归属的归属用户位置寄存器（HLR）中。
一旦要建立一个至移动用户的呼叫时，关口移动业务交换中心（GMSC）应向被叫移动用户所属的归属用户位置寄存器（HLR）询问被叫移动台的漫游号码。
其物理链路采用标准2.048Mb/s的PCM数字传输线。
2、D接口
D接口定义为归属用户位置寄存器（HLR）与访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。
用于交换有关移动台位置和用户管理的信息。
为移动用户提供的主要服务是保证移动台在整个服务区内能建立和接收呼叫。
实用化的GSM系统结构一般把VLR综合于移动业务交换中心（MSC）中，而把归属用户位置寄存器（HLR）相连的标准2.048Mb/s的数字链路。
3、E接口
E接口定义为控制相邻区域的不同移动业务交换中心（MSC）之间的接口。
当移动台（MS）在一个呼叫进行过程中，从一个移动业务交换中心（MSC）控制的区域移动到相邻的另一个移动业务交换中心（MSC）的控制区时，为不中断通信需完成越区信道切换过程，此接口用于切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。
E接口的物理链路是通过移动业务交换中心（MSC）间的标准2.048Mb/s数字链路来实现的。
4、F接口
F接口定义为移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的接口。
用于交换相关的国际移动设备识别码管理信息。
F接口的物理链接方式是通过移动业务交换中心（MSC）与移动设备识别寄存器（EIR）之间的标准2.048Mb/s的PCM数字链路实现的。
5、G接口
G接口定义为访问用户位置寄存器（VLR）之间的接口。
当采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配此TMSI的访问用户位置寄存器（VLR）询问有关此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息。
G接口的物理链路采用标准2.048Mb/s数字链路。
2.3.3GSM与其它公用电信网的接口
其它公用电信网泛指公用电信网（PSTN），综合业务数字网（ISDN），公用分组交换数据网（PSPDN）和电路交换公用数据网（CSPDN）。
GSM系统通过MSC与这些公用电信网互连，其接口必须满足CCITT的有关接口和信令标准及各个国家邮电运营部门制定的与这些电信网有关的接口和信令标准。
根据我国现有公用电话网（PSTN）的发展现状和综合业务数字网（ISDN）的发展前景，GSM系统与PSTN和ISDN的互连方式采用7号信令系统接口。
其物理链路是由MSC引出的标准2.048Mb/s数字链路实现。
如果具备ISDN交换机，HLR可建立与SDNI网间的直接信令接口，使ISDN可通过移动用户的ISDN号码直接向HLR询问移动台的位置信息，以建立至移动台当前所在MSC之间的呼叫路由。
2.3.4各接口协议
协议是各功能实体间的共同“语言”，通过各个接口相互传递有关的消息，为完成GSM系统的全部通信和管理功能建立起有效的信息传输通道。
不同的接口可能采用不同的物理链路，完成各自独特的功能。
GSM系统各接口采用的分层协议结构同时考虑到了与ISDN的互通，符合开放系统互连（OSI）参考模型。
分层的目的是允许隔离各组信令协议功能，按连续的独立层描述协议，每层协议在明确的服务接入点对上层协议提供它自己特定的服务。
如图1-6给出了GSM系统的分层协议基本结构示意图。
2.4各接口协议图
CM：
接续管理BTS：
BTS的管理部分MTP：
信息传递部分
MM：
移动性管理Um：
MS与BTS间接口MSC：
移动业务交换中心
RR：
无线资源管理Abis：
BTS与BSC间接口BSC：
基站控制器
MS：
移动台SCCP：
信令连结控制部分BTS：
基站收发信台
L1-L3：
信号层1-3A：
BSC与MSC间接口BSSMAP：
基站子系统移
LAPDm：
ISDN的Dm数据链路协议动应用部分
1、各协议分层结构描述
（1）信号层1（也称为物理层）
这是无线接口的最低部分，提供传送比特流所需的物理链路，为高层提供各种不同功能的逻辑信道，包括业务信道和逻辑信道，每个逻辑信道有它自己的逻辑接入点。
（2）信号层2
主要目的为建立移动台和基站间可靠的专用数据链路，L2协议基于ISDN的D信道接入协议（LAP-D），但作了改动，因而在Um接口中的L2协议称为LAPDm。
（2）信号层3
主要传送控制和管理信息。
L3包括三个基本子层：
无线资源管理（RR），移动性管理（MM）和接续管理（CM）。
其中接续管理（CM）层中含有多个呼叫控制（CC）单元，提供并行呼叫处理；在CM子层中还有补充业务（SS）单元和短消息业务管理（SMS）单元，用于支持补充业务和短消息业务。
第3章网络优化方法
网络优化是一个长期过程，它贯穿于网络发展的全过程。
只有不断提高网络质量，才能获得移动用户的满意，吸引和发展更多的用户。
在日常网络优化过程中，可以通过OMC统计和路测来发现问题，当然最通常的还是用户的反应。
在网络性能经常性的跟踪检查中发现话务统计指标达不到要求、网络质量明显下降或用户的反映强烈、用户群改变或发生突发事件并对网络的质量造成很大影响时、以及网络扩容后应对小区频率规划及容量进行核查等情形发生时，都要及时对网络进行优化。
网络优化的方法很多，主要有以下几种：
3.1利用优化工具
测试技术在移动通信的发展中，特别是在网络优化中起着举足轻重的作用。
3.1.1场强测试车在网络优化中的应用
现行的蜂窝移动通信系统中频率规划和基站发射功率大都基于原CCIR推荐的Okumura-Hata（对于覆盖距离D>1km的基站）模型或欧洲电信科学研究联合会推荐的Cost-231Walfish-Ikegami（对于市区内高层建筑密集的区域，当基站覆盖半径r<1km时）传输损耗模型设计的，但由于实际地理位置不同，地形、地貌变化大，特别是城区各种高层建筑物对信号的反射、阻挡，街道走向效应对信号的影响，水面对信号的反射，加之基站设置不规则，都会导致网络规划精度下降。
利用场强测试车对无线覆盖区进行周密测试，有助于发现服务质量水准不高的症结。
利用场强测试车还可以有效地测试无线小区的干扰区、测试信号接收的质量、观察信号的接续过程、分析干扰源、检查小区切换关系、测定小区基站发射功率和频率等，通过对网络各类参数的测试收集，利用评估软件对系统作出客观的评价，同时为网络参数调整提供依据。
3.1.2利用测试手机优化无线接口
专用于测量GSM网络无线接口的测试手机在无线网络优化工作中常用的主要功能有以下几种：
1、全网覆盖测试用已安装专用无线测试软件的便携式电脑连接测试手机，有条件的还可以连接GPS和安装数字化地图，拨通一个电话后在道路上测试。
在测试过程中，对测试结果进行LOG文件记录以便测试结果的后期处理分析和回放。
在测试过程中的每个测试点都包含当时无线环路的信息（包括服务小区的强度，邻近6个小区的信号强度，物理层二、三的信息等）。
测试当中，还可以对测试过程中出现的异常（如掉话，话音断续等）加入标记，便于分析测量结果时使用。
通过对这些测试结果的分析，可以得到GSM无线网络实际的覆盖情况，了解网内盲区，各基站的重叠以及重叠区的载干比等信息。
2、特定小区覆盖测试专用测试手机具有“锁频”功能，它可以锁定在任何一个GSM频率上（无论该小区是否允许接入）并禁止切换。
利用这个功能可以得到待定小区的实际覆盖范围。
3、小区切换性能测试测试手机具有强行切换功能，可以通过设置将目前的通话强行切换到某个频率上。
主要是通过将服务小区的信号强度向BSC报告为10（Rxlev），切换目标小区的信号强度报告为63的方法来实现。
通过这个测试，可以提高切换成功率，降低掉话率，可以调整小区切换参数，使相邻小区的切换合格化。
目前，XX移动公司维护人员使用的专用测试手机为NOKIA6210，通过它可以检测出手机使用的频点（CH）及它的信强度，手机与基站间的距离和区域识别码（LAC）等数据，功能非常丰富。
3.1.3利用GSM-NPA软件进行优化
GSM-NPA是ERICSSON公司专为GSM网络优化而设计的功能强大的软件工具。
目前已在多个省的移动公司及知名通信厂商的网络优化部门得到应用，取得良好的效果。
GSM-NPA所完成的主要功能有：
1、无线小区覆盖和质量分析MS和BTS会产生上/下行链路的信号电平和质量报告。
用这些测量报告进行电平、质量和小区覆盖率的统计分析非常有效。
因为用户在小区的任何地方、任何时间都有可能出现并进行呼叫，而通常测试车要做到这一点很困难。
GSM-NPA的无线优化软件能在测量报告的基础上，产生与无线小区质量报告相关的各类分析报告。
2、掉话分析GSM-NPA软件能够查出掉话并对掉话原因进行分析。
它不但能判定某一区域没有覆盖，而且能够指出该区域的位置。
在分析问题原因的同时还能指出该问题的严重程度。
在故障分析时，能够列出某一呼叫在A和A-bis接口上的全部信令序列。
3、切换分析对某一小区的切换进行统计和分析，例如统计切换原因的分布，切换成功率以及对一次切换过程详细直观地分析。
3.2天线下倾调整
天线下倾技术是降低蜂窝移动通信系统中同频干扰的重要措施，在网络优化当中使用相当频繁，也是一种非常有用的技术。
它是利用天线垂直方向图，有效进行干扰控制和调整覆盖的重要手段。
在消除干扰方面，有时天线倾斜比降低天线高度更有效，特别是对高基站或有高树林的区域。
天线下倾会改变小区的覆盖范围，并不是天线下倾越大，蜂窝下区的载波干扰比状况越好。
天线在θ=90°时有最大增益。
随着θ角减小（相当于下倾角增大），天线增益开始衰减，当θ角减少18°（即θ=72°）时，增益衰减至最大（24.3db）。
天线下倾有以下几种作用：
1、天线下倾能使信号在水平方向传播的衰减值明显增加，达到控制本小区覆盖范围的目的，使信号限制在自己的覆盖范围内。
2、天线下倾安装使天线在干扰方向上的增益减少，相当于天线在垂直面上去耦增加。
当天线下倾到一定角度时，天线水平方向图的主瓣方向将会出现凹坑可以减少同频干扰。
3、天线下倾后加强了本覆盖区内的信号强度，即改善了本覆盖区内的场强，又增强了抗同频干扰的能力，尤其是可以降低高层建筑干扰严重问题，从而提高了通信质量。
天线下倾时，主波束对应区域覆盖范围减少较快，而离主波束范围较远的区域，覆盖范围减少较慢。
因此选择合理的下倾角，使天线至本小区边界的射线到天线至受干扰小区边界的射线之间处于天线垂直方向图中增益衰减变化最大的部分，这样可使得对受干扰小区产生的同频干扰得以减至最小，这也是天线下倾角选择的原则。
选择合理的下倾角，还可以起到均衡邻近小区话务分布密度的作用，用利于降低网络拥塞率，提高系统接通率。
3.2.1天线下倾应注意的问题
1、天线下倾后，小区边缘信号电平的下降可通过增大天线发射功率来补偿。
这是因为天线下倾后，覆盖区边缘由于偏离了主瓣，信号强度下降，可通过合理增大基站发射功率来补偿。
这样既提高了载干比，又不会因天线下倾导致覆盖区边缘信号强度下降过大。
2、天线下倾过大会引起水平方向图发生畸变。
随着天线下倾角的增加，水平方向图变成扁平，并开始出现豁口（一般下倾20°出现豁口），对载波干扰比及覆盖控制都不利。
3、天线下倾过大时，必须考虑天线的前后辐射比，避免天线的后瓣对背后小区产生干扰和天线旁瓣对相邻扇区的干扰。
4、天线下倾到副瓣时将会引起干扰增大。
副瓣的出现会增加对同频小区的干扰，因此天线下倾角度并不是越大越好。
5、天线高度（H）与覆盖直径（2R）的比例不宜太大，若H/2R太小，天线下倾的效果不明显。
因为市内高层建筑物的阻拦，会使覆盖变差。
一般应使H/2R>0.1。
6、下倾效果的测试。
在选定天线下倾的有关设计数据后，应进行场强测试以确认对载干比的改善程度和对覆盖区的影响。
3.3微蜂窝技术
由于建筑物的阻拦，许多场所（如地下室、娱乐室、地铁、隧道等）会出现信号覆盖盲区。
另外，对于高建筑物的高层，会受到多个基站信号的重复干扰，解决这一问题的有效方法是采用微蜂窝技术。
微蜂窝技术实际上是调整覆盖，提高频率利用率。
随着容量需求的增加，高话务量地区已由点逐渐连成片，宏蜂窝已无法满足，而微蜂窝可以在一定范围内连续覆盖。
下表举例说明频带为7.2MHZ时微蜂窝对容量的提高情况。
微蜂窝主要有以下几个特点：
容量可成倍增加，但需要付出较高的经济代价。
设备体积小，容易安装。
因此应用灵活，可直接在需要的地方安装。
不需改变现有网络结构，可直接加入到现有系统中，也无须特殊手机。
可快速解决覆盖盲点，热点地区通信问题。
可采用分层结构，最大程度提高容量，但网络结构更加复杂，规划更加困难
在移动通信网络从覆盖受限转向容量受限、干扰受限的今天，早期基站（一般偏高）的负面影响已显示出来。
几年前，随着第三代移动通信系统框架的提出，分级混合的多层小区概念已深入人心。
利用宏蜂窝解决覆盖，而用微蜂窝解决话务的方案也已逐频步实施。
千佛山是著名的旅游景点，每年吸引着大量的游客慕名而来，但是千佛山地形复杂，要解决覆盖问题非常困难。
在山下设有基站，但由于它三面环山，无法解决其它景点的话务问题，因此，我们决定采用微蜂窝技术，在山顶安装微蜂窝，定义信道数为14。
旅游高峰时的话务量为1.48Erl（平均值），呼叫次数为106次（平均值），掉话率为0.11%,收到了良好的经济效益和社会效益。
3.4抗干扰技术的应用
抗干扰技术可间接提高话务质量。
GSM系统本身有许多抗干扰技术，如非连续发射（DTX）技术、射频功率控制、跳频等，这些技术的有效利用在一定程度上会提高系统的抗干扰能力，减少或均衡频率干扰，从而降低了网络的同频和邻频干扰指标。
3.4.1非连续发射（DTX）
非连续发射技术是指话音帧在有信息时开启发送和在无信息时关闭发送的系统传输控制技术。
在无线上的传输时间减少，从而使累计的干扰电平降低。
此技术可以分别单独实施于移动台到基站或基站到移动台。
对于话音通信，典型的有效通信时间对双方都是40%，在这种情况下，假如原来有
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