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天地融合信息網(wǎng)絡(luò)作為信息化發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)拓展國(guó)家利益、維護(hù)國(guó)家安全、保障國(guó)計(jì)民生、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。目前，一場(chǎng)由技術(shù)革新和商業(yè)資本驅(qū)動(dòng)的天地融合發(fā)展浪潮正席卷全球。世界多國(guó)均將天地融合視為重要發(fā)展戰(zhàn)略，美英等國(guó)相繼發(fā)布天地融合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)計(jì)劃，加緊開展全球布局，構(gòu)建天地融合低軌星座搶占發(fā)展先機(jī)。我國(guó)也大力推動(dòng)天地融合系統(tǒng)發(fā)展，諸多企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)投入到天地融合星座的研究與設(shè)計(jì)中。本文針對(duì)目前天地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向，分別對(duì)3GPP和ITU兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織的衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)研究歷程進(jìn)行了研究，分析了其中天地融合衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀和主要研究?jī)?nèi)容，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)研究后續(xù)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。 國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）是主管信息通信技術(shù)事務(wù)的聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)分配和管理全球無線電頻譜與衛(wèi)星軌道資源，制定全球電信標(biāo)準(zhǔn)，向發(fā)展中國(guó)家提供電信援助，促進(jìn)全球電信發(fā)展。ITU主要包括無線電通信部門（ITU-R）、電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）以及電信發(fā)展部門（ITU-D）3 個(gè)部門。3個(gè)部門各由多個(gè)研究組（SG）組成，每個(gè)研究組又包含了若干個(gè)工作組（WP），每個(gè)工作組制定出技術(shù)方案后，通過世界無線電通信大會(huì)（WRC）對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行決策（見圖1）。 圖1 ITU標(biāo)準(zhǔn)組織架構(gòu)圖 其中，WP4B組的研究方向?yàn)镕SS、BSS和MSS系統(tǒng)的空中接口、性能和適用場(chǎng)景等相關(guān)內(nèi)容，ITU中關(guān)于國(guó)際天地融合標(biāo)準(zhǔn)主要在該工作組中開展。 ITU-R M.2083 建議書在“IMT 愿景——2020 年及以后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)”中提出了“下一代移動(dòng)通信網(wǎng)應(yīng)滿足用戶能隨時(shí)隨地訪問服務(wù)”的需求。針對(duì)上述需求，在衛(wèi)星接入技術(shù)領(lǐng)域開展了ITU-R M.[NGAT_SAT]標(biāo)準(zhǔn)的研究，標(biāo)準(zhǔn)成果最新文件在2018年3月完成，其中對(duì)5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了定義和分析。但目前標(biāo)準(zhǔn)尚未定稿，預(yù)期ITU-RM.[NGAT_SAT]報(bào)告的發(fā)布將為下一代移動(dòng)通信和天地融合產(chǎn)業(yè)建立基本規(guī)范，指導(dǎo)通信技術(shù)的研究與實(shí)際終端設(shè)備的研發(fā)，為國(guó)際其它標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)劃基本路線。 （1）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的功能和應(yīng)用 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)能力進(jìn)行了定義，衛(wèi)星能夠覆蓋廣泛區(qū)域，具有高吞吐能力，可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：第一是可擴(kuò)展性，通過在其廣泛的覆蓋范圍，利用衛(wèi)星多播功能，同時(shí)盡可能靠近終端用戶的云中進(jìn)行本地緩存，可以獲得重要的“統(tǒng)計(jì)復(fù)用優(yōu)勢(shì)”，從而可以更高效地使用系統(tǒng)帶寬，提供更多可靠的服務(wù)；其次，由于衛(wèi)星地面站可以快速部署、連接方便，可用于連接城市、村莊、企業(yè)和家庭，為其提供相對(duì)可靠的服務(wù)質(zhì)量。此外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更健壯、更穩(wěn)定，能夠抵御物理攻擊和自然災(zāi)害，這一特性為安全通信提供了解決方案。 標(biāo)準(zhǔn)其中定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋的業(yè)務(wù)類型包括：視頻業(yè)務(wù)（包括衛(wèi)星多播和數(shù)據(jù)緩存等）；導(dǎo)航、天氣、交通和其他環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸；傳感器設(shè)備、機(jī)器通信和自動(dòng)駕駛汽車等物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸；移動(dòng)平臺(tái)通信（如飛機(jī)的飛行中連接、用于船舶和火車的寬帶服務(wù)等）。考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特性，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究對(duì)促進(jìn)下一代接入技術(shù)的發(fā)展、實(shí)現(xiàn)其“天地融合”的目的十分重要。 （2）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場(chǎng)景 ITU 標(biāo)準(zhǔn)中列出了 4 類天地融合網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)典型的應(yīng)用場(chǎng)景。 ●中繼寬帶傳輸業(yè)務(wù) 利用地靜止衛(wèi)星或非對(duì)地靜止衛(wèi)星的高吞吐量衛(wèi)星鏈路補(bǔ)充現(xiàn)有的地面連接，來實(shí)現(xiàn)視頻、物聯(lián)網(wǎng)和其他數(shù)據(jù)的高速中繼到中心站點(diǎn)的通信連接，并進(jìn)一步向本地小區(qū)站點(diǎn)（如 3G/4G/5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)）等提供服務(wù)。 ●數(shù)據(jù)回傳及分發(fā)業(yè)務(wù) 利用衛(wèi)星多播功能，將衛(wèi)星鏈路直接連接到蜂窩基站進(jìn)行補(bǔ)充，從而能夠多播相同的內(nèi)容（如視頻、HD/ UHD 電視以及非視頻數(shù)據(jù)），以及實(shí)現(xiàn)來自多個(gè)站點(diǎn)的聚合 IoT 流量的高效回傳。在需要將內(nèi)容緩存在網(wǎng)絡(luò)邊緣的超低延遲應(yīng)用的情況下，內(nèi)容可以通過衛(wèi)星分發(fā)。 ●寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù) 衛(wèi)星鏈路可以提供與高速行駛下的飛機(jī)、車輛、火車和船只的連接，并能夠根據(jù)需要的內(nèi)容（如視頻、HDTV以及其它非視頻數(shù)據(jù)消費(fèi)）在大覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行本地存儲(chǔ)或播發(fā)，實(shí)現(xiàn)與用戶設(shè)備或傳感器的高效直接連接，以補(bǔ)充現(xiàn)有的地面連接。 ●混合多媒體業(yè)務(wù) 在混合多媒體通信應(yīng)用場(chǎng)景中，衛(wèi)星可以向家庭和辦公室提供地面寬帶以外的補(bǔ)充內(nèi)容，解決地面網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重的問題，支持海量用戶的寬帶業(yè)務(wù)需求（如視頻、高清電視以及其他非視頻數(shù)據(jù)）。同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)聚合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效連接。 （3）未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) ●衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù) 在衛(wèi)星星座建設(shè)中，不同軌道高度的衛(wèi)星具有各自不同的優(yōu)勢(shì)，其中地球靜止軌道衛(wèi)星（GSO）能提供經(jīng)濟(jì)高效、即時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；中低軌道衛(wèi)星（MEO、LEO）具有較低傳播延遲。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋需要部署衛(wèi)星星座，通過將衛(wèi)星解決方案集成到下一代接入技術(shù)中，使用高/中低軌衛(wèi)星混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步降低有效延遲，充分發(fā)揮地靜止衛(wèi)星和非對(duì)地靜止衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)各自具備的優(yōu)勢(shì)。 ●高通量衛(wèi)星制造 高通量衛(wèi)星系統(tǒng)利用集中式點(diǎn)波束，寬帶有效載荷，高頻率復(fù)用和更高頻段的波段來顯著提高大范圍區(qū)域的傳輸容量和傳輸速度，可為終端用戶提供速度超過 100Mbit/s 的寬帶服務(wù)。這些系統(tǒng)可以支持多種應(yīng)用，包括廣播和多播內(nèi)容分發(fā)，并提供高速、高容量、隨時(shí)隨地的服務(wù)。圖2為傳統(tǒng)衛(wèi)星波束與HTS點(diǎn)波束的區(qū)別。 圖2 傳統(tǒng)衛(wèi)星波束與HTS點(diǎn)波束的區(qū)別示意圖 ●衛(wèi)星系統(tǒng)地面段先進(jìn)技術(shù) 將下一代移動(dòng)通信中的地面先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，包括服務(wù)交付、網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)邊緣計(jì)算、互操作和資源虛擬化等，以便衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)透明地支持端到端的垂直服務(wù)。預(yù)計(jì)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和管理系統(tǒng)將在地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的互操作。 ●相控陣天線技術(shù) 使用先進(jìn)材料提供低成本相控陣技術(shù)的新型移動(dòng)衛(wèi)星通信終端。這類終端功耗較低，同時(shí)成本大大降低，并且降低了與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的許多尺寸、重量和功率要求，適合汽車、船只、飛機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)的衛(wèi)星通信。 3GPP 最早在 R14 中開展了衛(wèi)星通信對(duì)5G地面移動(dòng)通信帶來的優(yōu)勢(shì)的研究。隨著 5G 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，目前 3GPP 在 SA 以及 RAN 工作組中先后設(shè)立了 4 個(gè) 5G 衛(wèi)星通信相關(guān)的研究項(xiàng)目和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將衛(wèi)星接入列為 5G 的多種接入技術(shù)之一，并對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的部署方案和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了具體研究和分析，各標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展情況如表1所示。 表1 3GPP天地融合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況表 3GPP中天地融合衛(wèi)星通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究主要在TR38.811和TR22.822兩個(gè)項(xiàng)目中開展。 （1）TR38.811：面向非地面網(wǎng)絡(luò)的5G新空口標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)5G應(yīng)用場(chǎng)景的需求以及現(xiàn)有衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展水平，確定衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署方案及相關(guān)參數(shù)，是保障5G系統(tǒng)衛(wèi)星通信功能和性能需求的關(guān)鍵。具體研究?jī)?nèi)容包括： ●5G非地面網(wǎng)絡(luò)的作用 定義5G非地面網(wǎng)絡(luò)的作用：基于廣覆蓋、物理攻擊和自然災(zāi)害影響較小的特點(diǎn)，非地面網(wǎng)絡(luò)將提供地面 5G 網(wǎng)絡(luò)欠覆蓋地區(qū)提供低成本覆蓋方案；對(duì)于 5G 網(wǎng)絡(luò)中的 M2M/IoT 以及在高速移動(dòng)載體上的乘客提供服務(wù)，保證無所不及的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；為網(wǎng)絡(luò)邊緣網(wǎng)元及用戶終端提供多播/廣播信息傳輸。 ●非地面網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)特性及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 包括非地面網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)具備的功能，衛(wèi)星和空中接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的原則，非地面網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星和空中接入網(wǎng)絡(luò)的特性，非地面網(wǎng)絡(luò)空中載體的特性以及非地面網(wǎng)絡(luò)的覆蓋模可選的非地面網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并根據(jù)寬帶接入網(wǎng)和窄帶接入網(wǎng)的鏈路頻率、終端類型以及是否存在星間鏈路進(jìn)行分類，提出了 5 種常見的衛(wèi)星和空中接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。 ●非地面網(wǎng)絡(luò)部署方案 標(biāo)準(zhǔn)中歸納了 10 個(gè)典型的衛(wèi)星應(yīng)用場(chǎng)景，其中eMBB 場(chǎng)景共 8 個(gè)，mMTC 場(chǎng)景共 2 個(gè)，并根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景及其功能需求，確定了典型的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景下的非地面網(wǎng)絡(luò)部署方案。 部署方案的研究包括：具體的實(shí)施方案，包括平臺(tái)軌道、載波頻率、波束模式、復(fù)用方式、非地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、終端、應(yīng)用場(chǎng)景等；各類屬性和參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述和分析；分析系統(tǒng)的多普勒和傳播時(shí)延特性。 ●非地面網(wǎng)絡(luò)信道模型 研究?jī)?nèi)容包括衛(wèi)星信道的現(xiàn)狀和預(yù)期達(dá)到的功能、衛(wèi)星與地面信道建模方法的差異分析、衛(wèi)星坐標(biāo)系模型、天線模型、大規(guī)模通信模型、快速衰落模型、用于鏈路級(jí)仿真的通道模型、信道模型修正等10個(gè)研究方向，目前該部分標(biāo)準(zhǔn)僅梳理出了研究框架，具體內(nèi)容還需在后續(xù)會(huì)議中討論。 ●引入新空口技術(shù)后對(duì)非地面網(wǎng)絡(luò)潛在應(yīng)用的支持性的分析 標(biāo)準(zhǔn)中研究了非地面網(wǎng)絡(luò)目前存在的相關(guān)限制因素，進(jìn)行非地面網(wǎng)絡(luò)的部署時(shí)，需要對(duì)5G現(xiàn)有接入技術(shù)進(jìn)行的修改。具體研究涉及傳輸信道、鏈路預(yù)算、傳播時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)接入連續(xù)性、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾淼榷鄠€(gè)方面的關(guān)鍵因素。 （2）TRTR22.822：5G衛(wèi)星接入的研究 該標(biāo)準(zhǔn)主要研究衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的接入，對(duì)終端和原有地面網(wǎng)絡(luò)提出新的要求，結(jié)合對(duì)5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景的分析，對(duì)已有服務(wù)進(jìn)行修改和更新，是實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其具體研究?jī)?nèi)容包括： ●5G衛(wèi)星接入場(chǎng)景分類 將5G衛(wèi)星接入用例分為服務(wù)連續(xù)性、服務(wù)無處不在、服務(wù)的可拓展性3類，并對(duì)各類用例的適用場(chǎng)景進(jìn)行了分析。闡述中表明這 3 種類別不是互相排斥的，一個(gè)用例可能同時(shí)屬于以上多種類別范疇。 ●5G衛(wèi)星的功能需求分析 對(duì) 5G 衛(wèi)星的功能需求進(jìn)行分析，介紹了 12 種功能需求及其對(duì)應(yīng)的使用場(chǎng)景示例，包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)之間的漫游、衛(wèi)星覆蓋的廣播與多播、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星應(yīng)急應(yīng)用、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)最佳路由、衛(wèi)星跨國(guó)服務(wù)的連續(xù)性、衛(wèi)星全球覆蓋、5G衛(wèi)星直接連接、5G接口與核心網(wǎng)之間的通信鏈路、5G移動(dòng)平臺(tái)通信、衛(wèi)星與遠(yuǎn)程服務(wù)中心的連接。 其中，詳細(xì)闡述了各用例的基本場(chǎng)景、服務(wù)前提條件、業(yè)務(wù)流程、后置條件、服務(wù)的潛在要求以及對(duì)現(xiàn)有/未來服務(wù)的潛在影響與交互性。 ●5G衛(wèi)星接入的性能指標(biāo) 分析5G衛(wèi)星接入的性能指標(biāo)，目前該部分已完成衛(wèi)星接入的延遲研究，確定了 5G 衛(wèi)星接入場(chǎng)景下LEO/MEO/GEO 3 類衛(wèi)星應(yīng)支持的最大端對(duì)端延遲要求，以及各類延遲場(chǎng)景下用戶終端所對(duì)應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量等級(jí)；其余相關(guān)性能指標(biāo)尚未確定。 ●5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的潛在應(yīng)用 分析5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的潛在要求和考慮事項(xiàng)，涉及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)收費(fèi)功能、網(wǎng)絡(luò)路由、終端功能、通信服務(wù)質(zhì)量要求等幾個(gè)方面。 如圖3所示，在天地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮衛(wèi)星接入低成本廣覆蓋、受物理攻擊和自然災(zāi)害影響較小的特點(diǎn)，與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、緊密融合，構(gòu)建立體分層的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信息在全球范圍內(nèi)的傳輸和交互。 圖3 天地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖 （1）蜂窩協(xié)議與衛(wèi)星協(xié)議的相互借鑒，通過在衛(wèi)星上支持蜂窩空口（方式 1），或在信關(guān)站支持蜂窩空口（方式2）等方式實(shí)現(xiàn)無線空口技術(shù)的深度融合。 （2）天地融合業(yè)務(wù)用戶實(shí)現(xiàn)透明接入，在衛(wèi)星與蜂窩接入技術(shù)間靈活切換。 確定天地融合各通信場(chǎng)景的業(yè)務(wù)分類，如管道類業(yè)務(wù)、移動(dòng)類業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)/數(shù)據(jù)采集類業(yè)務(wù)等業(yè)務(wù)類型；并確定各類業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的性能需求，包括衛(wèi)星覆蓋范圍、信道帶寬、通信時(shí)延、可靠性和最大連接數(shù)等。 天地融合標(biāo)準(zhǔn)體系包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、系統(tǒng)應(yīng)用和終端4個(gè)部分。 ●接入網(wǎng)：提出完整的、前后兼容性較強(qiáng)的接入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。考慮“彎管式、星上處理、星上交換”3類衛(wèi)星接入方式，統(tǒng)籌現(xiàn)存的衛(wèi)星通信體制。 ●核心網(wǎng)：提出天地深度融合的核心網(wǎng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星業(yè)務(wù)和蜂窩業(yè)務(wù)的一體化管理、安全控制、業(yè)務(wù)編排和資源分配。 ●系統(tǒng)應(yīng)用：針對(duì)不同業(yè)務(wù)、應(yīng)用場(chǎng)景，定義相應(yīng)的技術(shù)要求、協(xié)議規(guī)范。初步定義應(yīng)急通信、物聯(lián)網(wǎng)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)載、船載、基站回傳等。 ●終端：編制全球統(tǒng)一的各種終端（模組）型譜的需求、技術(shù)、性能、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。 太空域和信息域是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和軍事斗爭(zhēng)的兩個(gè)重要戰(zhàn)略制高點(diǎn)，空間信息資源已成為各個(gè)國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源。天地融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了天基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，能滿足未來經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和信息技術(shù)發(fā)展中廣覆蓋、高速率、超密度連接通信的需求，是信息技術(shù)、信息產(chǎn)業(yè)、信息網(wǎng)絡(luò)和信息化發(fā)展的重點(diǎn)、焦點(diǎn)和方向。 其中，天地融合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能、技術(shù)等方面進(jìn)行了規(guī)范，對(duì)天地融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，對(duì)天地融合行業(yè)的發(fā)展具有重要作用。本文總結(jié)了天地融合標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)天地融合衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析和探究，對(duì)天地融合標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。 |
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