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蜂窩移動(dòng)通信組網(wǎng)技術(shù)第1頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四<第2章>數(shù)字移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)編碼技術(shù)多址技術(shù)均衡技術(shù)信令第2頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四移動(dòng)通信網(wǎng)按照服務(wù)區(qū)域覆蓋方式分為:大區(qū)制小區(qū)制一、組網(wǎng)技術(shù)1.區(qū)域覆蓋方式第3頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四大區(qū)制
由一個(gè)基站(發(fā)射功率為50~100W)覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū),該基站負(fù)責(zé)服務(wù)區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)臺(tái)的通信與控制。大區(qū)制的覆蓋半徑一般為30~50km。采用這種大區(qū)制方式時(shí),由于采用單基站制,沒有重復(fù)使用頻率的問題,因此技術(shù)問題并不復(fù)雜。只需根據(jù)所覆蓋的范圍,確定天線的高度,發(fā)射功率的大小,并根據(jù)業(yè)務(wù)量大小,確定服務(wù)等級(jí)及應(yīng)用的信道數(shù)。但也正是由于采用單基站制,因此基站的天線需要架設(shè)得非常高,發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率也要很高。即使這樣做,也只可保證移動(dòng)臺(tái)收到基站的信號(hào),而無法保證基站能收到移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)。因此這種大區(qū)制通信網(wǎng)的覆蓋范圍是有限的,只能適用于小容量的網(wǎng)絡(luò),一般用在用戶較少的專用通信網(wǎng)中。
一、組網(wǎng)技術(shù)第4頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四大區(qū)制可以在適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)設(shè)立若干個(gè)分集接收站來改善上行傳輸。一、組網(wǎng)技術(shù)第5頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四小區(qū)制小區(qū)制是指將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分為若干小區(qū),在每個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)基站,負(fù)責(zé)本小區(qū)內(nèi)移動(dòng)臺(tái)的通信與控制。小區(qū)制的覆蓋半徑一般為2~10km,基站的發(fā)射功率一般限制在一定的范圍內(nèi),以減少信道干擾。同時(shí)還要設(shè)置移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心,負(fù)責(zé)小區(qū)間移動(dòng)用戶的通信連接及移動(dòng)網(wǎng)與有線網(wǎng)的連接,保證移動(dòng)臺(tái)在整個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi),無論在哪個(gè)小區(qū)都能夠正常進(jìn)行通信。由于是多基站系統(tǒng),因此小區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng)中需采用頻率復(fù)用技術(shù)。在相隔一定距離的小區(qū)進(jìn)行頻率再用,可以提高系統(tǒng)的頻率利用率和系統(tǒng)容量,但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,投資巨大。盡管如此,為了獲得系統(tǒng)的大容量,在大容量公用移動(dòng)通信網(wǎng)中仍普遍采用小區(qū)制結(jié)構(gòu)。一、組網(wǎng)技術(shù)第6頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四小區(qū)制一、組網(wǎng)技術(shù)PSTN另一有線網(wǎng)另一有線網(wǎng)MSCMSCBSCBSCBSCBSCBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBTSBSCBSCBSC第7頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四8小區(qū)頻率重復(fù)再用37516324356175243612774251314第8頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四小區(qū)制根據(jù)服務(wù)對(duì)象和地形的不同對(duì)服務(wù)區(qū)域劃分為:帶狀服務(wù)區(qū)面狀服務(wù)區(qū)一、組網(wǎng)技術(shù)第9頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四帶狀服務(wù)區(qū)這種區(qū)域的無線小區(qū),按橫向排列覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū),整個(gè)系統(tǒng)由許多細(xì)小的無線小區(qū)相連而成?;咎炀€使用全向輻射,覆蓋區(qū)形狀是圓形;可進(jìn)行頻率復(fù)用;為防止同頻干擾,相鄰區(qū)域不能使用同一頻率;適用范圍:一般應(yīng)用在鐵路、公路、沿海和內(nèi)河航道的移動(dòng)通信系統(tǒng)。一、組網(wǎng)技術(shù)第10頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四
為防止同頻干擾,相鄰區(qū)域不能采用統(tǒng)一頻率,可采用二頻組、三頻組或四頻組的頻率配置雙頻組和三頻組的頻率設(shè)置的示意圖如下:一、組網(wǎng)技術(shù)第11頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四面狀服務(wù)區(qū)在平面區(qū)域內(nèi)劃分小區(qū)。全向天線的覆蓋區(qū)是圓形的。為不留空隙覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū),各覆蓋區(qū)之間一定要重疊??紤]重疊后,每個(gè)小區(qū)實(shí)際上的有效覆蓋區(qū)是一個(gè)圓的內(nèi)接多邊形??紤]覆蓋整個(gè)區(qū)域而沒有重疊和間隙的幾何形狀,分為正三角形、正方形和正六邊形一、組網(wǎng)技術(shù)正六邊形aa正方形a正三角形第12頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四其中六邊形在三種幾何形狀中具有最大的中心間隔和覆蓋面積,而重疊區(qū)域?qū)挾群椭丿B區(qū)域的面積又最小。所以小區(qū)都采用正六邊形小區(qū)結(jié)構(gòu),正六邊形構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形同蜂窩,因此,把小區(qū)形狀為六邊形的小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)稱為蜂窩網(wǎng)。蜂窩網(wǎng)每區(qū)各使用一個(gè)無線電頻率,但隔幾區(qū)容許使用同一頻率,不會(huì)互相干擾。一、組網(wǎng)技術(shù)第13頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四3、單位無線區(qū)群的構(gòu)成應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件:
1、若干單位無線區(qū)群能彼此鄰接
2、相鄰單位無線區(qū)群的同頻小區(qū)中心間隔距離dg是一樣的。滿足以上兩個(gè)條件的關(guān)系式如下:N=a2+ab+b2
式中N為構(gòu)成單位無線區(qū)群的正六邊形的數(shù)目。a及b均為正整數(shù),包括零在內(nèi),但a、b不能同時(shí)為零。按照以上條件,可確定N有如下數(shù)值
a=1b=1N=3a=2b=0N=4a=2b=1N=7a=2b=2N=12a=3b=0N=9||||||第14頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四
N=3a=1b=1(dg/r0)=3N=4a=2b=0(dg/r0)=3.46N=7a=2b=1(dg/r0)=4.58N=12a=3b=2(dg/r0)=6N=13a=3b=1(dg/r0)=6.24N=9a=3b=0(dg/r0)=5.2dg是同頻小區(qū)中心距離r0是小區(qū)半徑dg/r0=√3N
第15頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四1123456711111r0dgN=7,a=2,b=1第16頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四事實(shí)上服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶密度是不均勻的。因而在用戶密度高的市中心可以使小區(qū)面積小一點(diǎn),而在郊區(qū)小區(qū)的面積可以大一些一、組網(wǎng)技術(shù)第17頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四
對(duì)于已設(shè)置好的蜂窩通信網(wǎng),隨著城市的發(fā)展,原來低用戶密度區(qū)可能變成高密度區(qū),這時(shí)相應(yīng)地在該地區(qū)設(shè)置新的基站,將小區(qū)面積劃小,解決以上問題可用小區(qū)分裂方法。一、組網(wǎng)技術(shù)第18頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四小區(qū)分裂
小區(qū)分裂是將擁塞的小區(qū)分成更小小區(qū)的方法,每個(gè)小區(qū)都有自己的基站,并相應(yīng)地降低天線高度和減小發(fā)射功率。由于小區(qū)分裂提高信道的復(fù)用次數(shù),使得單位面積內(nèi)的信道數(shù)目增加,因而能提高系統(tǒng)容量。如果分裂后小區(qū)半徑為原小區(qū)半徑的一半,則是1:4的分裂。一、組網(wǎng)技術(shù)第19頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四無線小區(qū)的分裂(1:3)一、組網(wǎng)技術(shù)第20頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四無線小區(qū)的分裂(1:4)一、組網(wǎng)技術(shù)第21頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四扇區(qū)化我們前面所說的小區(qū)都是指全向小區(qū),即一個(gè)基站對(duì)應(yīng)一個(gè)小區(qū),有一根發(fā)射天線,將無線電波輻射到360度的范圍。如果采用全向小區(qū),那么當(dāng)同一地理區(qū)域內(nèi)的MS數(shù)增加時(shí),應(yīng)該相應(yīng)的增加小區(qū)數(shù)以擴(kuò)大容量。為了在該地理區(qū)域安裝更多的小區(qū),必須減小小區(qū)的大小,而全向小區(qū)間的距離必須足夠遠(yuǎn),以防止同信道干擾和鄰信道干擾。這種沖突會(huì)降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能。為了在同一地理區(qū)域內(nèi)獲得更大的容量,可以采用一種稱為“扇區(qū)化”的技術(shù),扇區(qū)化即是將一個(gè)基站分成多個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)都有自己的發(fā)射和接收天線,相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的小區(qū)。一、組網(wǎng)技術(shù)第22頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四60°扇形三葉草形三角形120°扇形三種主要的無線區(qū)圖形第23頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四60°扇形三葉草形三角形120°扇形第24頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四天線基本功能輻射和接收無線電波:發(fā)射時(shí),把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波;接收時(shí)把電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流。通信天線種類按方向性:全向、定向天線按結(jié)構(gòu)特性:線狀天線、面狀天線天線技術(shù)第25頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四蜂窩組網(wǎng)小區(qū)、扇區(qū)、載頻的示意圖小區(qū)分布全向小區(qū)全向天線第26頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四蜂窩組網(wǎng)小區(qū)、扇區(qū)、載頻的示意圖三扇區(qū)分布S3/3/3(9扇區(qū)載頻)定向天線第27頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四2.多信道共用
信道是通信網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的通道。在移動(dòng)通信網(wǎng)的一個(gè)無線區(qū)內(nèi)假設(shè)有n個(gè)信道,m個(gè)用戶,m個(gè)用戶對(duì)這n個(gè)信道的使用有兩種方式:獨(dú)立信道方式和多信道共用方式。獨(dú)立信道方式:設(shè)一個(gè)無線區(qū)內(nèi)有n個(gè)信道,對(duì)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)用戶分別指定一個(gè)信道,不同信道內(nèi)的用戶不能互換信道。一、組網(wǎng)技術(shù)第28頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四獨(dú)立信道方式示意圖
信道1用戶12345678信道2用戶910111213141516......信道n用戶m-7m-6m-5m-4m-3m-2m-1m一、組網(wǎng)技術(shù)第29頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四
信道1用戶12345678910111213141516……………m-1m信道2...信道n共用信道方式示意圖一、組網(wǎng)技術(shù)第30頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四兩種方式的比較:獨(dú)立信道方式在信道分配原則上簡(jiǎn)單,但是信道不能充分利用,即信道利用率低;多共用信道方式在相同多的用戶的信道的情況下,會(huì)使用戶通話的阻塞概率明顯下降,即可明顯提高信道的利用率。多信道共用可使用戶數(shù)目明顯增加。但也不是無止境的,否則將使阻塞率增加而影響質(zhì)量。一、組網(wǎng)技術(shù)第31頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四采用多信道共用方式,在保持一定通話質(zhì)量的情況下,一個(gè)信道究竟平均分配多少用戶才合理???這就是我們要討論的話務(wù)量和呼損問題。一、組網(wǎng)技術(shù)第32頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四呼叫話務(wù)量☆概念:指單位時(shí)間內(nèi)(1小時(shí))進(jìn)行的平均電話交換量?!罟奖硎荆篈=Ct0
C——每小時(shí)平均呼叫次數(shù)(包括呼叫成功和呼叫失敗的次數(shù));
t0——每次呼叫平均占用信道的時(shí)間(包括接續(xù)時(shí)間和通話時(shí)間)。如果t0以小時(shí)為單位,則話務(wù)量A的單位是愛爾蘭(Erl)。一、組網(wǎng)技術(shù)第33頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四呼損率☆概念:當(dāng)多個(gè)用戶共用時(shí),會(huì)出現(xiàn)許多用戶雖然發(fā)出呼叫,但因無信道而不能通話(即呼叫失敗)。在一個(gè)通信系統(tǒng)中,造成呼叫失敗的概率稱為呼叫損失概率,簡(jiǎn)稱為呼損率(B)。☆設(shè)A’為呼叫成功而接通電話的話務(wù)量,簡(jiǎn)稱完成話務(wù)量。Co為一小時(shí)內(nèi)呼叫成功而通話的次數(shù),t0為每次通話的平均占用信道時(shí)間。則完成話務(wù)量為:A’
=C*t0于是呼損率為:B=(A-A')/A*100%=(C-Co)/C*100%其中(A-A’)為損失話務(wù)量?!钗锢硪饬x:損失話務(wù)量與呼叫話務(wù)量之比的百分?jǐn)?shù)。
一、組網(wǎng)技術(shù)第34頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四呼損率B愈小,成功呼叫的概率越大,用戶就越滿意。因此,呼損率也稱為系統(tǒng)的服務(wù)等級(jí)(或業(yè)務(wù)等級(jí))。呼損率和話務(wù)量是一對(duì)矛盾,即服務(wù)等級(jí)和信道利用率是矛盾的。一、組網(wǎng)技術(shù)第35頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四繁忙小時(shí)集中度(K)K=忙時(shí)話務(wù)量/全日話務(wù)量K一般為8%~14%忙時(shí)話務(wù)量(a)☆假設(shè)每一用戶每天平均呼叫次數(shù)為C,每次呼叫平均占用信道的時(shí)間為T(單位為秒),K為繁忙小時(shí)集中度,則每個(gè)用戶忙時(shí)話務(wù)量為:a=C*T*K*(1/3600)☆物理意義:a為最繁忙的那個(gè)小時(shí)的話務(wù)量,是統(tǒng)計(jì)平均值。
一、組網(wǎng)技術(shù)第36頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四TCH擁塞率TCH擁塞率有兩種定義,一種是包括切換因素所產(chǎn)生的TCH擁塞率,一種是不包括切換因素所產(chǎn)生的TCH擁塞率。其定義公式如下:
TCH擁塞率(包括切換)
=TCH占用失敗次數(shù)(包括切換)/TCH占用請(qǐng)求次數(shù)(包括切換)*100%
TCH擁塞率(不包括切換)
=TCH占用失敗次數(shù)(不包括切換)/TCH占用請(qǐng)求次數(shù)不包括切換*100%
第37頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四3.越區(qū)切換和位置管理越區(qū)切換是指將當(dāng)前正在進(jìn)行的移動(dòng)臺(tái)與基站之間的通信鏈路從當(dāng)前基站移到另一個(gè)基站的過程。越區(qū)切換通常發(fā)生在移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)基站覆蓋的小區(qū)進(jìn)入到另一個(gè)基站覆蓋的小區(qū)的情況下,為了保持通信的連續(xù)性,將移動(dòng)臺(tái)與當(dāng)前基站之間的鏈路轉(zhuǎn)移到移動(dòng)臺(tái)與新基站之間的鏈路。一、組網(wǎng)技術(shù)第38頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四39越區(qū)切換的分類按照切換處理過程的不同,即按照當(dāng)前鏈路是在新鏈路建立之前還是之后釋放可將越區(qū)切換類型分為硬切換、軟切換和更軟切換三種。一、組網(wǎng)技術(shù)第39頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四1.信源編碼:在數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信息,信源編碼就是信源信號(hào)的模數(shù)(A∕D)變換,即將模擬的信源信號(hào)轉(zhuǎn)化成適于在信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)形式。信源編碼的作用(1)實(shí)現(xiàn)模數(shù)(A∕D)變換,使之適合于在信道中傳輸;(2)進(jìn)行信息壓縮編碼,提高信息傳輸?shù)挠行浴6?、編碼技術(shù)第40頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四2.信道編碼以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康牡木幋a增加信源的冗余度來實(shí)現(xiàn)采用的辦法:增大碼率或帶寬,與信源編碼正好相反。二、編碼技術(shù)第41頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四
信道編碼技術(shù)的分類:按照糾正差錯(cuò)的類型:糾正隨機(jī)錯(cuò)誤、糾正突發(fā)錯(cuò)誤按照信息碼元和監(jiān)督碼元之間的約束方式分:分組碼、卷積碼按照信息碼元和附加的監(jiān)督碼元之間的檢驗(yàn)關(guān)系:線性碼、非線性碼按照碼字的結(jié)構(gòu)不同:系統(tǒng)碼、非系統(tǒng)碼按照碼字中每個(gè)碼元的取值:二進(jìn)制碼、多進(jìn)制碼二、編碼技術(shù)第42頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四基站如何識(shí)別用戶?用戶如何識(shí)別基站發(fā)給自己的信號(hào)?BSMS1MS2MS3多個(gè)用戶共享信道,區(qū)分用戶的方式稱為多址技術(shù)三、多址技術(shù)第43頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四解決辦法——多址技術(shù):不同用戶臺(tái)要有各自的特征基站發(fā)出的信號(hào)也要賦予不同的特征頻率資源有限的情況下,提高通信系統(tǒng)的容量。多址方式的分類:頻分多址(FDMA—FrequencyDivisionMultipleAccess)時(shí)分多址(TDMA—TimeDivisionMultipleAccess)碼分多址(CDMA—CodeDivisionMultipleAccess)空分多址(SDMA)三、多址技術(shù)第44頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四
FDMA就是從若干信道頻率中為一個(gè)用戶指定一個(gè)信道。1、頻分多址--FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)時(shí)間功率頻率25kHz第45頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四2
、時(shí)分多址--TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)TDMA是從時(shí)間上把一個(gè)信道頻率指定給若干個(gè)用戶,各時(shí)間分配單位叫做時(shí)隙。時(shí)間頻率功率123456200kHz第46頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四3
、碼分多址--CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)CDMA是很多用戶使用相同的寬帶無線信道,每個(gè)用戶使用一個(gè)特殊的識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)(正交擴(kuò)展碼)。所以,識(shí)別數(shù)據(jù)決定著可收容的用戶數(shù)。頻率功率時(shí)間1.23MHz第47頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四4、空分多址--SDMA(SpaceDivisionMultipleAccess)SDMA即在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下,可以根據(jù)信號(hào)不同的中間傳播路徑而區(qū)分。SDMA是一種信道增容方式,例如空分—碼分多址(SD-CDMA)。波束形成天線采用智能天線,基站的智能天線形成多個(gè)波束覆蓋整個(gè)小區(qū),智能天線可定位于每個(gè)MS。MSMSMSBTS第48頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四克服由多徑效應(yīng)引起的碼間干擾---均衡技術(shù)
均衡即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性,來抵消信道時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾。均衡器通常是用濾波器來實(shí)現(xiàn)的,使用濾波器來補(bǔ)償失真的脈沖,判決器得到的解調(diào)輸出樣本,是經(jīng)過均衡器修正過的或者清除了碼間干擾之后的樣本。由于信道是時(shí)變的,要求均衡器的特性能夠自動(dòng)適應(yīng)信道的變化而均衡,故稱自適應(yīng)均衡。四、均衡技術(shù)第49頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四50信令的含義在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,除了傳送用戶信息(通常是語音信息)之外,為使整個(gè)系統(tǒng)有秩序地工作,還必須在正常通話的前后和過程中傳輸很多其他的控制信號(hào),諸如:一般電話網(wǎng)中不可缺少的摘機(jī)、掛機(jī)、空閑音、忙音、撥號(hào)、振鈴、回鈴音等信號(hào);以及無線通信網(wǎng)中所需的信道分配、用戶登記與管理、呼叫與應(yīng)答、越區(qū)信道切換和發(fā)射機(jī)功率控制等信號(hào)。信令
五、信令第50頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四信令是與通信有關(guān)的一系列控制信號(hào)。信令的基本功能是:建立呼叫;監(jiān)控呼叫;清除呼叫。信令操作過程示意圖五、信令第51頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四52信令的分類按照信令的工作范圍來劃分信令分為兩種:(1)接入信令:用戶到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的信令。在蜂窩移動(dòng)通信中,接入信令是指移動(dòng)臺(tái)到基站之間的信令。(2)網(wǎng)絡(luò)信令:網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信令。常用的網(wǎng)絡(luò)信令就是7號(hào)信令,它主要用于交換機(jī)之間、交換機(jī)與數(shù)據(jù)庫(如HLR、VLR、AUC)之間交換信息。五、信令第52頁,共57頁,2023年,2月20日,星期四53按信令完成功能的不同,可以分為以下五類:(1)狀態(tài)標(biāo)志信令。它是表明設(shè)備或信道工作狀態(tài)的一類信號(hào)。如摘機(jī)、掛機(jī)、空閑、占線等。(2)操作指示信令。它是在通話完成以前或通話完成以后,為了系統(tǒng)執(zhí)行某種特定的操作而發(fā)出的指令。如發(fā)撥號(hào)音或振鈴音,指配信道或轉(zhuǎn)換信道和斷掉話
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