<!-- title: NR PUSCH功率控制双环机制与TPC博弈 -->
<!-- domain: ran -->

# NR PUSCH功率控制双环机制与TPC命令博弈

> 基于3GPP TS 38.213 V19.x Section 7.1.1 / TS 38.321 Section 6.1.3.5 / TS 38.214 Section 6.2.1

## 1. 为什么PUSCH功率控制如此关键？

NR上行功率控制是gNB射频资源管理的核心抓手。与LTE简单的开环+闭环模式不同，NR引入了**双环功率控制架构**：开环路径损耗补偿（OLPC）负责粗调，闭环TPC命令积累（CLPC）负责精调，两环协同在毫秒级时间尺度上维持目标SINR。

设计哲学的核心矛盾在于：**终端发射功率是稀缺资源**（最大23dBm/200MHz），而NR的灵活参数集（numerology）、BWP切换、波束赋形切换都会改变路径损耗模型，导致功率控制必须动态适配。

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                   PUSCH 功率控制双环架构                      │
│                                                             │
│  ┌──────────────────┐          ┌──────────────────┐        │
│  │  开环环 (OLPC)    │          │  闭环环 (CLPC)    │        │
│  │                  │          │                  │        │
│  │  P0 + α·PL +     │  基准    │  ∑ TPC命令       │        │
│  │  10log10(M) +    │───────→  │  累积修正        │        │
│  │  ΔTF + ΔMCSS    │          │  (DCI format 0_1)│        │
│  └──────────────────┘          └──────────────────┘        │
│         │                              │                    │
│         └──────────┬───────────────────┘                    │
│                    ▼                                        │
│         PUSCH发射功率 = min{PCMAX, PPUSCH}                  │
│                    │                                        │
│                    ▼                                        │
│              gNB测量SINR                                    │
│                    │                                        │
│         ┌─────────┴──────────┐                              │
│         │  TPC命令生成        │                              │
│         │  DCI 0_1 / DCI 2_2 │                              │
│         └────────────────────┘                              │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

## 2. 功率控制公式全参数拆解

根据TS 38.213 Section 7.1.1，PUSCH发射功率计算公式为：

$$P_{PUSCH} = \min\{P_{CMAX}, P_{O\_PUSCH} + \alpha \cdot PL + 10\log_{10}(M) + \Delta_{TF} + f(\Delta_{TPC})\}$$

### 2.1 各参数逐一解读

| 参数 | 含义 | 取值范围 | 配置来源 | 调整粒度 |
|------|------|----------|----------|----------|
| P_CMAX | 终端最大发射功率 | -40~23 dBm | TS 38.101-1 | 按UE能力固定 |
| P_O_PUSCH | 开环基准功率目标 | -202~+24 dBm | RRC + DCI | 16-bit精度 |
| α (alpha) | 路径损耗补偿因子 | 0, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1 | RRC | 离散8值 |
| PL | 下行路径损耗估计 | — | UE测量RSRP | 连续值 |
| M | PUSCH RB分配数 | 1~275 | DCI调度 | 按调度动态 |
| Δ_TF | MCS相关功率偏移 | — | RRC配置 | 半静态 |
| f(Δ_TPC) | 闭环TPC累积量 | 累积/绝对 | DCI | ±1~±4 dB |

### 2.2 P_O_PUSSSCH的二维结构

P_O_PUSCH由两部分组成，这是NR相比LTE的重要增强：

$$P_{O\_PUSCH} = P_{O\_NOMINAL\_PUSCH} + P_{O\_UE\_PUSCH}$$

- **P_O_NOMINAL_PUSCH**：小区级基准，通过SIB1或专用RRC信令广播，代表gNB期望的"标称"接收功率
- **P_O_UE_PUSCH**：UE级偏移，通过专用RRC配置，允许gNB对不同UE差异化补偿

```mermaid
graph TD
    A[P_O_PUSCH 二维结构] --> B[P_O_NOMINAL_PUSCH<br/>小区级广播]
    A --> C[P_O_UE_PUSCH<br/>UE级专用]

    B --> B1[SIB1下发<br/>所有UE共享]
    B --> B2[RRC重配更新<br/>半静态调整]

    C --> C1[初始接入: 由Msg2配置]
    C --> C2[连接态: RRCReconfiguration]
    C --> C3[按UE位置/业务差异化]

    B1 --> D[设计意图:<br/>小区边缘UE vs 中心UE<br/>差异化功率基准]
    C3 --> D

    style A fill:#ff6b6b,color:#fff
    style D fill:#4ecdc4,color:#fff
```

## 3. 开环功率控制（OLPC）的核心：α选择博弈

### 3.1 α的物理含义

α是路径损耗补偿因子，直接决定UE对路径损耗的补偿程度：

- **α = 1（全补偿）**：UE完全补偿路径损耗，gNB收到的功率与位置无关——即** fullPathloss compensation**
- **α = 0（不补偿）**：UE仅按固定功率发射，路径损耗完全不补偿
- **α = 0.4~0.9（部分补偿）**：介于两者之间，这是**NR最常用的配置**

### 3.2 α选择的运营商博弈

| 策略 | α值 | 上行干扰 | 小区边缘性能 | 终端功耗 | 典型场景 |
|------|-----|----------|-------------|----------|----------|
| 全补偿 | 1.0 | 高（边缘UE满功率） | 最优 | 最高 | VoNR保障 |
| 部分补偿-高 | 0.8 | 中等 | 良好 | 中等 | eMBB城区 |
| 部分补偿-中 | 0.6 | 较低 | 一般 | 较低 | 混合业务 |
| 部分补偿-低 | 0.4 | 低 | 较差 | 低 | 密集城区 |
| 不补偿 | 0 | 最低 | 最差 | 最低 | 理论参考 |

**运营商核心矛盾**：α越大，小区边缘用户上行吞吐量越好，但对邻小区干扰也越大（尤其同频部署）。这就是经典的**功率控制与干扰协调的权衡**。

### 3.3 PL路径损耗估计机制

UE通过测量SSB或CSI-RS的RSRP来估计下行路径损耗：

$$PL = P_{RS} - RSRP_{measured}$$

其中P_RS是参考信号发射功率，由gNB通过RRC参数`ss-PBCH-BlockPower`或`referenceSignalPower`配置。

**关键细节**（TS 38.214 Section 6.2.1）：
- UE使用与PUSCH传输在**同一BWP**内的RS资源进行PL估计
- BWP切换后，PL估计参考的RS可能改变，导致功率跳变
- gNB可通过`p0-AlphaSetId`为不同BWP配置不同的α-P0组合

## 4. 闭环功率控制（CLPC）：TPC命令全链路

### 4.1 TPC命令的两种工作模式

TS 38.213 Section 7.1.1定义了两种TPC累积模式：

**模式一：累积模式（Accumulation Mode）**

$$f(i) = f(i-1) + \delta_{TPC}(i)$$

每次收到的TPC命令**叠加**在之前的累积值上。初始值f(0)=0。

**模式二：绝对模式（Absolute Mode）**

$$f(i) = \delta_{TPC}(i)$$

TPC命令**直接替换**当前值，不累积历史。

```mermaid
sequenceDiagram
    participant UE as UE
    participant gNB as gNB
    participant Scheduler as 调度器
    
    Note over UE,gNB: 闭环功率控制流程
    
    gNB->>UE: DCI Format 0_1 (调度PUSCH)
    Note right of UE: P_PUSCH = OLPC + f(i-1)
    UE->>gNB: PUSCH传输 (功率P1)
    
    gNB->>Scheduler: 测量PUSCH SINR
    Scheduler->>Scheduler: 计算偏差 ΔSINR = SINR_target - SINR_measured
    Scheduler->>Scheduler: 生成TPC命令 δ_TPC
    
    alt 累积模式
        gNB->>UE: DCI 0_1 with TPC = +1dB
        Note right of UE: f(i) = f(i-1) + 1dB
    else 绝对模式
        gNB->>UE: DCI 0_1 with TPC = +3dB
        Note right of UE: f(i) = +3dB (直接替换)
    end
    
    UE->>gNB: PUSCH传输 (功率P2 = P1 + δ_TPC)
    
    Note over gNB: TPC命令映射表 (TS 38.213 Table 7.1.1-1)
```

### 4.2 TPC命令映射表

DCI中TPC命令字段为2 bit，映射关系如下（TS 38.213 Table 7.1.1-1）：

| TPC命令字段 | 累积模式 δ_TPC | 绝对模式 δ_TPC |
|-------------|---------------|---------------|
| 00 | -1 dB | -4 dB |
| 01 | 0 dB | -1 dB |
| 10 | +1 dB | +1 dB |
| 11 | +3 dB | +4 dB |

**设计意图解读**：
- 累积模式步长小（±1dB），适合缓慢衰落环境的精调
- 绝对模式步长大（±4dB），适合快衰落或跨BWP切换时的快速修正

### 4.3 TPC命令的三种承载方式

TPC命令不仅通过调度DCI携带，还有**专用TPC机制**：

| 承载方式 | DCI格式 | 适用场景 | 特点 |
|----------|---------|----------|------|
| 调度DCI内嵌 | DCI 0_1 / 0_2 | UE有PUSCH调度时 | 每次调度必带 |
| 组TPC (Group TPC) | DCI 2_2 | 多UE同时调整 | 节省DCI开销 |
| RNTI寻址 | DCI 2_2 + TPC-PUSCH-RNTI | 非调度UE功率维护 | 不需调度即可调功率 |

**DCI 2_2的组TPC机制**是NR的重要创新：

```mermaid
graph LR
    subgraph DCI 2_2 Payload结构
        A[blockNumber 1] --> B[blockNumber 2]
        B --> C[...]
        C --> D[blockNumber N]
    end

    subgraph 每个block内容
        E[TPC命令 2bit] --> F[UE ID 指示<br/>通过RRC配置的<br/>tpc-PUSCH-Index]
    end

    subgraph 寻址方式
        G[TPC-PUSCH-RNTI<br/>组播RNTI] --> H[组内所有UE<br/>解码同一DCI]
    end

    style A fill:#3498db,color:#fff
    style E fill:#e74c3c,color:#fff
    style G fill:#2ecc71,color:#fff
```

**实战价值**：在VoNR场景中，UE可能长时间处于SPS调度（无动态DCI），此时通过DCI 2_2组TPC可以在不改变调度的情况下维持闭环功率控制——这直接影响了VoNR的上行覆盖性能。

## 5. Msg3功率控制：随机接入中的特殊规则

### 5.1 Msg3功率爬升机制

Msg3（RRCSetupRequest等）的功率控制有独立规则（TS 38.213 Section 7.1.1.1）：

$$P_{Msg3} = P_{O\_PRE} + \alpha \cdot PL + 10\log_{10}(M_{Msg3}) + \Delta_{Msg3} + (PREAMBLE\_POWER\_RAMPING\_COUNTER - 1) \times POWER\_RAMPING\_STEP$$

其中：
- **P_O_PRE** = `preambleReceivedTargetPower`，由SIB1配置
- **Δ_Msg3** = `msg3-DeltaPreamble`，RRC配置的Msg3额外偏移（0~6 dB）
- **PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER**：前导码重传计数器，每次重传增加
- **POWER_RAMPING_STEP**：功率爬升步长，通常为2 dB

### 5.2 Msg3功率控制状态机

```mermaid
stateDiagram-v2
    [*] --> 初始功率计算
    初始功率计算 --> Msg3首次传输: PREAMBLE_POWER_RAMPING_COUNTER=1
    
    Msg3首次传输 --> 检测Msg4响应
    检测Msg4响应 --> Msg3功率确定: 收到Msg4(RAR)
    检测Msg4响应 --> 重传判断: 未收到Msg4
    
    重传判断 --> Msg3功率爬升: preambleCounter < maxTransmissions
    重传判断 --> 随机接入失败: preambleCounter >= maxTransmissions
    
    Msg3功率爬升 --> Msg3重传: 功率 + POWER_RAMPING_STEP
    Msg3重传 --> 检测Msg4响应
    
    Msg3功率确定 --> 连接态功率控制: 切换到PUSCH闭环
    
    state Msg3功率爬升 {
        [*] --> 爬升计数器递增
        爬升计数器递增 --> Preamble重传
        Preamble重传 --> 等待RAR
    }
```

**关键细节**：Msg3到连接态PUSCH功率控制的**衔接点**。Msg3传输成功后，UE进入连接态。此时闭环TPC累积值f(0)的初始化有两种情况：
- 如果Msg3使用第1个前导码即成功，f(0) = 0
- 如果Msg3经过多次重传（功率爬升），f(0)仍从0开始——**功率爬升积累量不会传递到闭环**

这意味着gNB需要在Msg3之后快速通过TPC命令调整UE功率到稳态，否则会出现功率突变。

## 6. PUSCH功率控制与BWP切换的交互

### 6.1 BWP切换时的功率控制参数变化

当UE发生BWP切换时（DCI触发或定时器触发），功率控制参数可能发生以下变化：

| 参数 | BWP切换时行为 | 影响 |
|------|--------------|------|
| P_O_PUSCH | 可通过`p0-PUSCH-AlphaSet`为每个BWP独立配置 | 基准功率跳变 |
| α | 可按BWP独立配置 | 补偿因子跳变 |
| PL参考信号 | 切换到新BWP的SSB/CSI-RS | PL估计值跳变 |
| f(Δ_TPC) | **累积值不重置** | 功率连续性保持 |
| M (RB数) | 由新BWP的调度决定 | 按调度动态 |

### 6.2 BWP切换功率跳变问题

```mermaid
sequenceDiagram
    participant UE as UE
    participant gNB as gNB
    
    Note over UE: BWP1 (DL BWP ID=0)
    UE->>gNB: PUSCH (P0=-90dBm, α=0.8, PL=120dB)
    Note right of UE: P = -90 + 0.8×120 + 10log10(50)<br/>= -90 + 96 + 17 = 23dBm
    
    gNB->>UE: DCI 0_1 (BWP switch to BWP2)
    
    Note over UE: BWP2 (DL BWP ID=1)
    Note over UE: P0=-95dBm, α=0.6, PL=125dB (不同RS)
    UE->>gNB: PUSCH (BWP2首次传输)
    Note right of UE: P = -95 + 0.6×125 + 10log10(25)<br/>= -95 + 75 + 14 = -6dBm
    
    Note over gNB: 功率从23dBm骤降到-6dBm!<br/>gNB需要快速发送TPC命令修正
    
    gNB->>UE: DCI 2_2 TPC = +3dB (连续多次)
    UE->>gNB: PUSCH (功率逐步恢复)
```

**运营商实际策略**：大多数厂商在BWP切换时会预先配置好BWP间的P0/α参数映射，使功率跳变在可接受范围内（±3dB以内）。华为的实现中，BWP切换时gNB会主动发送一轮DCI 2_2 TPC命令预补偿。

## 7. 不同SCS/CP的开环参数适配

NR支持多种子载波间隔（SCS），不同SCS下的功率控制参数需要适配：

根据TS 38.213 Section 7.1.1，P_O_PUSCH和α通过`p0-PUSCH-AlphaSetId`关联到具体的上行BWP配置。对于不同SCS（15kHz/30kHz/60kHz/120kHz），关键差异在于：

| SCS | 时隙时长 | TPC反馈周期 | 开环调整频率 | 典型场景 |
|-----|---------|------------|-------------|----------|
| 15 kHz | 1 ms | 1~4 ms | 低 | eMBB广覆盖 |
| 30 kHz | 0.5 ms | 0.5~2 ms | 中 | eMBB城区 |
| 60 kHz | 0.25 ms | 0.25~1 ms | 高 | URLLC/毫米波 |
| 120 kHz | 0.125 ms | 0.125~0.5 ms | 最高 | 毫米波固定接入 |

SCS越大，时隙越短，TPC闭环调整频率越高，功率控制响应越快。这也是毫米波场景选择大SCS的原因之一——快速功率跟踪。

## 8. 抓包识别与故障排查

### 8.1 抓包时如何识别PUSCH功率控制异常

**步骤一：提取TPC命令序列**
在Wireshark中过滤DCI 0_1/2_2，提取TPC字段：
```
Filter: nr-dci.format == "0_1" || nr-dci.format == "2_2"
Display: TPC Command field
```

**步骤二：重建UE功率轨迹**
根据公式逆推UE发射功率：
```
P_PUSCH[i] = min(23, P0 + α×PL + 10log10(M[i]) + Δ_TF[i] + f(i))
f(i) = f(i-1) + δ_TPC[i]  // 累积模式
```

**步骤三：对比gNB测量报告**
通过L1 RSRQ/SINR测量报告，确认gNB实际收到的信号质量。

### 8.2 常见故障模式

| 故障现象 | 根因分析 | 排查方法 | 解决方案 |
|----------|---------|----------|----------|
| UE功率持续满载 | PL估计偏高（RS配置错误） | 检查`ss-PBCH-BlockPower`参数 | 修正RS发射功率配置 |
| TPC持续+1dB但SINR不改善 | 邻小区干扰主导 | 查看同频邻区RSSI | 调整α降低或异频切换 |
| BWP切换后上行BLER突增 | P0/α参数组不匹配 | 对比两个BWP的`p0-AlphaSet` | 统一参数映射 |
| Msg3功率过低导致接入失败 | `preambleReceivedTargetPower`配置偏低 | 统计Msg3解码成功率 | 提高P_O_PRE或步长 |
| TPC累积值溢出 | 长时间未调度导致累积偏移 | 检查DCI 2_2发送频率 | 定期发送组TPC |
## 9. R19增强：Multi-TRP PUSCH功率控制

3GPP Release 19在TS 38.213中引入了Multi-TRP场景下的PUSCH功率控制增强（参见TS 38.213 V19.x Section 7.1.1A）：

**核心问题**：当UE同时向多个TRP发送PUSCH（如CoMP场景）时，不同TRP的路径损耗不同，需要独立的功率控制参数。

**R19解决方案**：
- 为每个TRP配置独立的`p0-PUSCH-AlphaSet`
- TPC命令通过不同的TCI状态关联到不同TRP
- 引入`DL-PRS-RSRP`替代传统RSRP用于更精确的PL估计

## 10. 功率控制参数优化建议

### 10.1 不同场景的推荐配置

| 场景 | P_O_NOMINAL | α | TPC模式 | 功率爬升步长 |
|------|-------------|---|---------|------------|
| 密集城区eMBB | -100 dBm | 0.6 | 累积 | 1 dB |
| 城区VoNR | -95 dBm | 0.8 | 绝对 | 2 dB |
| 农村/广覆盖 | -105 dBm | 0.9 | 累积 | 2 dB |
| 室内高频 | -90 dBm | 0.7 | 累积 | 1 dB |
| 毫米波固定接入 | -85 dBm | 1.0 | 绝对 | 3 dB |

### 10.2 KPI监控指标

- **UE平均发射功率**：应低于18dBm（留5dB余量）
- **TPC命令分布**：+1dB和-1dB应均衡，若持续单方向说明开环参数偏离
- **PUSCH BLER**：目标10%（初始MCS）和1%（重传后）
- **功率余量PHR**：应保持>0dB，持续负值说明UE功率不足

## 11. 完整信令流程时序图

```mermaid
sequenceDiagram
    participant UE as UE
    participant gNB as gNB
    participant RRC as RRC层
    participant MAC as MAC层
    participant PHY as PHY层
    
    rect rgb(230, 245, 255)
    Note over UE,gNB: 阶段1: RRC参数配置
    RRC->>UE: RRCReconfiguration
    Note right of UE: p0-NominalWithoutGrant = -95dBm<br/>p0-AlphaSets {α=0.8, P0_UE=3dB}<br/>pathlossReferenceRS = SSB#0
    end
    
    rect rgb(255, 245, 230)
    Note over UE,gNB: 阶段2: 开环功率计算
    UE->>PHY: 测量SSB#0 RSRP
    PHY->>PHY: PL = ss-PBCH-BlockPower - RSRP<br/>= 23 - (-85) = 108dB
    PHY->>PHY: P_OLPC = P0 + α×PL<br/>= (-95+3) + 0.8×108<br/>= -92 + 86.4 = -5.6dBm
    end
    
    rect rgb(230, 255, 230)
    Note over UE,gNB: 阶段3: 闭环TPC控制
    loop 每个PUSCH调度周期
        gNB->>MAC: 调度PUSCH (M=25RB)
        MAC->>UE: DCI 0_1 (MCS=15, TPC=+1dB)
        UE->>PHY: P = min(23, -5.6 + 10log10(25) + ΔTF + f(i))
        Note right of UE: f(i) = f(i-1) + 1dB
        PHY->>gNB: PUSCH传输
        
        gNB->>PHY: 测量SINR
        alt SINR < SINR_target
            PHY->>UE: DCI 0_1 TPC = +1dB (提高功率)
        else SINR > SINR_target
            PHY->>UE: DCI 0_1 TPC = -1dB (降低功率)
        else SINR ≈ SINR_target
            PHY->>UE: DCI 0_1 TPC = 0dB (维持)
        end
    end
    end
    
    rect rgb(255, 230, 255)
    Note over UE,gNB: 阶段4: BWP切换功率重配
    gNB->>UE: DCI 0_1 (BWP switch to BWP1)
    Note right of UE: 新参数组: P0=-98dBm, α=0.6<br/>PL参考: CSI-RS#2
    UE->>PHY: 重新计算OLPC
    gNB->>UE: DCI 2_2 TPC = +3dB (补偿)
    UE->>gNB: PUSCH (BWP1首次传输)
    end
```

## 常见问题

**Q1: 累积模式和绝对模式在实际网络中如何选择？**
A: 3GPP标准允许通过RRC参数`tpc-Accumulation`配置。大多数运营商默认使用累积模式，因为±1dB的小步长更适合慢衰落环境的精细控制。绝对模式主要用于高速移动场景（如高铁）和BWP切换后的快速功率修正，因为±4dB的大步长可以更快响应信道变化。VoNR场景中部分厂商切换到绝对模式以降低端到端时延。

**Q2: DCI 2_2组TPC命令与调度DCI中的TPC命令冲突时怎么处理？**
A: 根据TS 38.213 Section 7.1.1，如果同一时隙内UE同时收到DCI 2_2的TPC命令和调度DCI 0_1中的TPC命令，**两个命令独立处理**——DCI 2_2更新组TPC累积值，调度DCI更新该次调度的TPC值。实际网络中，厂商通常确保不会在同一时隙给同一UE发送两种TPC。

**Q3: P0参数动态调整的粒度是多少？运营商如何优化P0？**
A: P_O_NOMINAL_PUSCH精度为1dB（16-bit有符号整数，实际有效范围-202~+24dBm）。P_O_UE_PUSCH通过RRC重配消息更新，典型的动态调整周期为100ms~1s。华为设备中，gNB根据小区负载自动调整P_O_NOMINAL：负载高时降低P0以抑制干扰，负载低时提高P0以改善边缘用户吞吐量。

**Q4: 路径损耗估计使用SSB还是CSI-RS更好？**
A: 取决于场景。SSB始终存在且覆盖全小区，适合初始接入和移动性场景。CSI-RS可以配置更密的时频密度，提供更精确的PL估计，适合连接态的精细功率控制。实际网络中，初始接入用SSB，连接态切换到CSI-RS。R19中引入了DL-PRS作为第三种选择，定位精度更高。

**Q5: PHR（Power Headroom Report）与PUSCH功率控制是什么关系？**
A: PHR是UE向gNB上报的功率余量信息（TS 38.321 Section 6.1.3.5），反映UE当前发射功率距离P_CMAX的差值。PHR不直接参与功率控制计算，但gNB利用PHR来辅助调度决策——如果PHR为负值，说明UE功率不足，gNB应减少RB分配或提高MCS冗余。PHR通过MAC CE上报，触发条件包括周期性触发和路径损耗变化超阈值触发。

## 参考来源

1. [3GPP TS 38.213 V19.x](https://www.3gpp.org/DynaReport/38213.htm) — Section 7.1.1: PUSCH power control, Section 7.1.1.1: Msg3 power control
2. [3GPP TS 38.321 V19.x](https://www.3gpp.org/DynaReport/38321.htm) — Section 6.1.3.5: Power Headroom Report MAC CE, Section 5.4.1: TPC command processing
3. [3GPP TS 38.214 V19.x](https://www.3gpp.org/DynaReport/38214.htm) — Section 6.2.1: Pathloss estimation for power control
4. [ShareTechnote: NR PUSCH Power Control](https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_PUSCH_PowerControl.html) — PUSCH功率控制参数详解
5. [Qualcomm: 5G NR Uplink Power Control](https://www.qualcomm.com/news/onq/2018/11/uptime-power-control-5g-nr) — NR上行功率控制设计原理

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