无线传感器网络通过多网关接入到电信网的接入控制方法及装置 |
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| 申请号 | CN201010511678.8 | 申请日 | 2010-10-19 | 公开(公告)号 | CN102457903B | 公开(公告)日 | 2015-08-12 |
| 申请人 | 中兴通讯股份有限公司; | 发明人 | 贾倩; 马景旺; 余万涛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种无线 传感器 网络通过多网关接入到电信网的接入控制方法，应用于包含 无线传感器网络 和电信网络结合的网络中，所述无线传感器网络中设有WSN 节点 和多个WSN网关；所述电信网络中设置有管理平台；所述管理平台用于为WSN节点分配接入电信网络时所使用的WSN网关。本发明同时公开了一种无线传感器网络到电信网的接入控制的装置。本发明保证了结合网络的正常、高效地运行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种无线传感器网络通过多网关接入到电信网的接入控制方法，应用于无线传感器网络和电信网络结合的网络中，所述无线传感器网络中设有WSN节点和WSN网关；所述电信网络中设置有管理平台；其特征在于，所述管理平台用于进行WSN网关的调度分配，为WSN节点分配接入电信网络时所使用的WSN网关； |
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| 说明书全文 | 无线传感器网络通过多网关接入到电信网的接入控制方法及装置 技术领域背景技术[0002] 无线传感器网络作为计算、通信和传感器三项技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术。由于近来微型制造技术、通讯技术及电池技术的改进，促使微小的传感器终端可具有感应、无线通讯及处理信息的能力。此类传感器终端不但能够感应及侦测环境的目标物及其改变，并且可处理收集到的数据，并将处理过后的资料以无线传输的方式送到数据收集中心。这些传感器终端通常由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和执行软件这几部分构成。其中，电源为传感器节点提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知、获取外界的信息，并将其转换为数字信号。嵌入式处理器负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。通信部件负责与其他传感器或观察者进行通信。执行软件则为传感器终端提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。借助于传感器终端中内置的形式多样的感知部件来测量该传感器终端所在周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多信息。传感器终端一般通过自组织或预配置的方式构成网络。在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络的使用，一般称作无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)。目前使用比较广泛的无线低功率通信技术包括：IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.15.4和Zigbee技术。 [0003] IEEE 802.15.4是由IEEE开发的低速无线个域网(WPAN，Wireless PersonalArea Network)标准。IEEE 802.15.4规定了物理层和介质访问控制层(MAC，Media Access Control)标准。符合IEEE 802.15.4标准的通信模块具备低成本、低耗电、小尺寸的特点。 [0004] WSN节点的微处理能力和无线通信能力使无线传感器网络有广阔的应用前景，其应用包括军事应用、生物和环境监测、健康应用、家庭应用、工业控制和监测等。图1为结合网络结构的示意图，如图1所示，结合网络具体包括无线传感器网络和电信网络结合，电信网络如第二代(2G)移动通信、第三代(3G)移动通信、xDSL(x Digital Subscriber Line)、FTTx(Fiber To The x，x为home、building、node、premises)、宽带无线接入、卫星/微波等，可以使无线传感器网络作为现有网络的延伸，扩展通信网络的能力，使通信对象从人扩展到物理世界，具有良好的发展前景。无线传感器网络与现有的电信网络结合后，可以使无线传感器网络感知的数据有效地传递到数据中心，通过对数据的整理和分析，可以极大程度地改变人类获取自然世界的数据的方式，同时也能够对无线传感器网络进行集中的管理，解决目前分散在各处的无线传感器网络难以管理的问题。 [0005] 无线传感器网络与电信网络结合，是指将无线传感器网络与电信网络相连接，利用电信网络对无线传感器网络及其提供的业务进行监控、管理及完成业务的承载与合作实施，并通过电信网络扩展无线传感器网络所提供的业务。无线传感器网络和电信网络的结合一般是无线传感器网络通过WSN网关设备连接至电信网络平台。WSN节点为构成无线传感器网络的传感器节点，通过一跳或多跳与WSN网关连接。WSN节点负责采集并上传数据，以及接收并执行命令。组成无线传感器网络的设备少则几个多则几百个，设备间可根据需要以星形、树形或网状(MESH)等方式组网，其中某些设备或具有较强的组网和数据转发能力。 [0006] 无线传感器网络和电信网络结合后，无线传感器网络中的WSN节点通过WSN网关将数据上报给电信网络侧的有关网络单元实体。无线传感器网络内的WSN节点可能为多种类型，包括温度测量器、电表、火警报警器等，这些不同类型的WSN节点对应着不同的业务应用。 [0007] 在电信网络侧可以设置多个网络单元实体，由这些网络单元实体管理不同的业务应用。具体的，电信网络平台包括管理平台和业务平台等功能实体。管理平台负责实施设备管理功能；业务平台负责整合各个服务提供商提供的业务，并将其提供给终端用户，同时对用户使用业务的情况进行管理，负责完成整个业务流程。 [0008] WSN网关作为连接无线传感器网络与电信网络的设备，主要完成无线传感器网络配置与组网、协议转换、地址映射和数据转发等功能。 [0009] WSN节点通过WSN网关连接至电信网络平台。WSN节点为构成无线传感器网络的传感器节点，通过一跳或多跳与WSN网关连接。WSN节点负责采集并上传数据，以及接收并执行命令。组成WSN的设备少则几个多则几百个，设备间可根据需要以星形、树形或MESH方式组网，其中某些设备或具有较强的组网和数据转发能力。WSN节点为延伸网的最末端。 [0010] WSN节点密集部署的特点使得一个无线传感器网络往往节点数量众多，可能会对WSN网关造成较大的负荷，尤其当数据量很大的时候，还可能造成拥塞和数据的丢失，影响正常的工作，因而，在无线传感网络与电信网络结合时，为平衡负载，分担网络负担，需要解决负荷较大和可能的拥塞问题。 [0011] 在现有技术中，无线传感器网络中可以存在多个WSN网关，有一个主WSN网关和多个从WSN网关，由主WSN网关对从WSN网关进行调度，分配WSN节点接入电信网络时所使用的从WSN网关。因主WSN网关本身也承担无线传感器网络配置与组网、协议转换、地址映射和数据转发等功能，如果主WSN网关再进行多WSN网关的调度，势必会影响到主WSN网关的工作执行效率。由于目前结合网络技术尚在探讨阶段，如何保证WSN节点准确高效地选择合适的WSN网关接入电信网络，目前并未有技术方案可供参考。 发明内容[0012] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无线传感器网络通过多网关接入到电信网的接入控制方法及装置，由电信网络中的管理平台为WSN节点接入电信网络提供接入控制方法。 [0013] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： [0014] 一种无线传感器网络通过多网关接入到电信网的接入控制方法，应用于无线传感器网络和电信网络结合的网络中，所述无线传感器网络中设有WSN节点和WSN网关；所述电信网络中设置有管理平台；所述管理平台用于进行WSN网关的调度分配，为WSN节点分配接入电信网络时所使用的WSN网关。 [0015] 优选地，进行WSN网关的调度分配，为WSN节点分配接入电信网络时所使用的WSN网关具体为： [0016] 所述管理平台确定无线传感器网络中有WSN节点加入，或有WSN网关加入，或WSN网关退出时，为新加入的WSN节点分配WSN网关，或为新加入的WSN网关分配WSN节点，或为退出WSN网关下连接的WSN节点重新分配WSN网关；并将WSN节点与为该WSN节点所分配WSN网关的对应信息分别通知WSN节点与为该WSN节点所分配WSN网关。 [0017] 优选地，所述管理平台为WSN节点分配接入电信网络所使用的WSN网关时，将该WSN节点的相关信息和通信连接配置信息发送给所分配的WSN网关，并将所分配的WSN网关的相关信息和所述通信连接配置信息发送给所述WSN节点。 [0018] 优选地，所述方法还包括： [0019] 所述管理平台存储有WSN网关及该WSN网关下连接的WSN节点的对应关系，各WSN网关及该WSN网关下连接的各WSN节点的相关信息以及对应的通信连接配置信息。 [0020] 优选地，所述WSN节点的相关信息包括WSN节点的标识、地址信息；所述WSN网关的相关信息包括WSN网关的地址信息；所述通信连接配置信息为WSN节点和分配给该WSN节点的WSN网关之间建立通信连接所需的配置参数。 [0021] 优选地，WSN网关中记录和保存通过该WSN网关接入电信网络的WSN节点的标识和网络地址、WSN节点和该WSN网关之间的通信连接配置信息；WSN节点中保存与网关之间的通信连接配置信息以及网关的地址信息。 [0022] 优选地，所述无线传感器网络中的各WSN网关之间通过无线传感器网络或通过电信网络进行通信。 [0023] 优选地，一个WSN节点与一个以上的WSN网关具有对应关系。 [0024] 一种无线传感器网络通过多网关接入到电信网的接入控制装置，应用于包含无线传感器网络和电信网络的结合网络中，所述装置包括： [0025] 分配单元，用于进行WSN网关的调度分配，为WSN节点分配接入电信网络时所使用的WSN网关。 [0026] 优选地，所述分配单元进一步包括：确定子单元、分配子单元和通知子单元；其中， [0027] 确定子单元，用于确定无线传感器网络中有WSN节点加入，或有WSN网关加入，或WSN网关退出时，触发分配单元； [0028] 分配子单元，用于为新加入的WSN节点分配WSN网关，或为新加入的WSN网关分配WSN节点，或为退出WSN网关下连接的WSN节点重新分配WSN网关； [0029] 通知子单元，用于将WSN节点与为该WSN节点所分配WSN网关的对应信息分别通知WSN节点与为该WSN节点所分配WSN网关。 [0030] 优选地，所述确定子单元为WSN节点确定接入电信网络的WSN网关时，所述通知子单元进一步地，将该WSN节点的相关信息和通信连接配置信息发送给所确定的WSN网关，并将所确定的WSN网关的相关信息和所述通信连接配置信息发送给所述WSN节点。 [0031] 优选地，所述装置还包括： [0032] 存储单元，用于存储WSN网关及该WSN网关下连接的WSN节点的对应关系；和，WSN网关及该WSN网关下连接的各WSN节点的相关信息以及对应的通信连接配置信息。 [0033] 本发明中，由电信网络的管理平台对无线传感器网络中的多WSN网关进行调度分配，多网关之间处于对等工作模式，不必再由WSN网关中的主WSN网关为WSN节点确定WSN网关，即能使WSN网关专用于WSN节点的数据通信，提高了WSN节点接入到电信网络的效率，也可以避免因WSN网关用于WSN网关分配而导致通信效率的低下而导致的数据拥塞问题，保证了结合网络的正常、高效地运行。附图说明 [0034] 图1为结合网络结构的示意图； [0035] 图2为本发明为WSN节点确定WSN网关的方法的流程图； [0036] 图3为本发明为WSN节点确定WSN网关的装置的功能框图。 具体实施方式[0037] 本发明的基本思想是：由电信网络的管理平台对无线传感器网络中的多WSN网关进行调度分配，多网关之间处于对等工作模式，不必再由WSN网关中的主WSN网关为WSN节点确定WSN网关，即能使WSN网关专用于WSN节点的数据通信，提高了WSN节点接入到电信网络的效率，也可以避免因WSN网关用于WSN网关分配而导致通信效率的低下而导致的数据拥塞问题，保证了结合网络的正常、高效地运行。 [0038] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。 [0039] 下面以基于ZigBee技术的无线传感器网络为例来说明WSN节点通过多WSN网关接入电信网络的方法。 [0040] ZigBee是一种短距离、低速率、低成本、低功耗的无线网络技术。它采用直接序列扩频(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrdm)技术，工作频率为868MHz、915MHz或2.4GHz，都是无须申请执照的频率。基于ZigBee技术配置无线个域网是近年来近距离无线通信技术的一种新发展，在工业自动化领域以及智能家居领域获得了越来越广泛的应用。 [0041] ZigBee网络中有三种功能设备：网络协调器、路由器和终端节点。网络协调器的功能是协调建立网络，是网络中的第一个设备，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的功能。路由器可以参与路由发现、消息转发，通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。终端节点通过网络协调器或者路由器连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络。 [0042] 本发明的应用场景为图1所示的电信网络与无线传感器网络结合的网络中，需要说明的是，本发明中的结合网络的大致结构与现有的结合网络结构完全相同，只是其中的某些网元所实现的功能与现有的网元有所区别。本发明中，主要是由电信网络中的管理平台执行WSN节点的WSN网关的分配。 [0043] 以下首先对结合网络作进一步描述。如图1所示，电信网络中包括管理平台及业务平台，管理平台负责实施设备管理功能；业务平台负责整合各个服务提供商提供的业务，并将其提供给终端用户，同时对用户使用业务的情况进行管理，负责完成整个业务流程。WSN网关作为连接无线传感器网络与电信网络的设备，主要完成无线传感器网络配置与组网、协议转换、地址映射和数据转发等功能，网络中可以存在多个WSN网关。WSN节点通过WSN网关连接至电信网络平台。 [0044] 在本发明中，第一个加入无线传感网络的WSN网关作为ZigBee网络中的协调器，负责无线传感网络的组建。后续加入的WSN网关作为路由器加入无线传感网络，WSN节点可以作为路由器或者终端节点加入无线传感网络，WSN网关和WSN节点均需支持ZigBee技术。 [0045] 为实现ZigBee网络的安全和密钥的管理等，ZigBee网络中存在信任中心。信任中心是在网络中分配安全钥匙的一种令人信任的设备，它允许通信相关设备加入无线传感网络，并分配密钥，因而确保设备之间端到端的安全性。在采用安全机制的网络中，网络协调器可成为信任中心。为了实现信任管理，设备需要从信任中心接收初始主密钥，链接密钥等也必须采取安全的方式从信任中心获得。 [0046] 一般地，第一个加入无线传感网络的WSN网关作为信任中心进行网络的安全管理。 [0047] WSN网关和电信网络中的管理平台或其他网络实体之间通过WSN网关的身份标识实现对WSN网关的身份认证和安全通信。WSN网关与WSN节点通过链接密钥进行安全连接。 [0048] 本发明中，第一个加入无线传感网络的WSN网关作为网络协调器创建无线传感网络后，需要到管理平台注册，并完成到电信网络的接入认证；后续要加入的WSN网关可以作为路由器加入到该无线传感网络，WSN网关加入无线传感网络后，网络协调器可以将新加入的WSN网关信息发送给管理平台，也可以由新加入的WSN网关到管理平台进行注册。管理平台将保存和维护各WSN网关的信息。这些信息包括WSN网关的地址、接入能力等参数。 [0049] 在本发明中，WSN节点经网络协调器认证和配置后加入无线传感网络，之后网络协调器将通知管理平台，并将该WSN节点的相关信息上报给管理平台。管理平台将保存和维护各WSN节点的相关信息，这些信息包括WSN节点的标识、地址等。WSN节点加入无线传感网时，网络协调器对WSN节点进行认证，并与WSN节点之间基于初始主密钥进行协商，确定WSN节点加入该传感网所需要的链接密钥等，从而实现WSN节点成功地加入该传感网，网络协调器和WSN节点之间通过链接密钥建立安全的通信连接。 [0050] 在本发明中，管理平台根据各WSN网关的信息和WSN节点的相关信息，负责调度和分配WSN节点接入电信网络时的WSN网关。分配时，管理平台将WSN节点的相关信息和通信连接配置信息发送给指定的WSN网关，并将指定的WSN网关的相关信息和所述通信连接配置信息发送给对应的WSN节点。WSN节点的相关信息包括WSN节点的标识、地址等；WSN网关的相关信息包括WSN网关的地址。通信连接配置信息是指定的WSN网关和它所负责接入的WSN节点之间建立通信连接所需要的配置参数，包括链接密钥等参数，WSN网关和WSN节点之间通过该链接密钥建立安全的通信连接。管理平台将保存和维护一张WSN网关及其负责接入的WSN节点的对应关系，管理平台同时还保存有各WSN网关和各WSN节点的相关信息以及对应的通信连接配置信息。 [0051] 在本发明中，管理平台进行多网关的调度分配，为WSN节点分配接入电信网络时所使用的网关后，网络协调器不再为原WSN节点提供接入，WSN节点通过已经从管理平台获得的分配的网关的相关信息和通信连接配置信息与分配的网关建立安全通信连接后，由分配的网关负责为WSN节点接入到电信网。 [0052] 上述对应关系中，一个WSN节点可以对应于一个以上的WSN网关，也就是说，一个WSN节点可以通过一个以上的WSN网关接入到电信网络中，实现自身检测或监测数据的发送，以及接受电信网络发送的控制命令等。 [0053] 在本发明中，各个WSN网关中记录和保存通过该WSN网关接入电信网络的WSN节点的标识和网络地址、WSN节点和该WSN网关之间的通信连接配置信息等。 [0054] 无线传感器网络中的各WSN网关之间，可以通过无线传感器网络或通过电信网络进行通信。 [0055] 图2为本发明为WSN节点确定WSN网关的方法的流程图，如图2所示，本发明为WSN节点确定WSN网关的方法包括以下步骤： [0056] 步骤201，电信网络的管理平台记录和保存WSN网关和WSN节点的相关信息。 [0057] WSN网关和WSN节点加入无线传感网络后，管理平台接收到这些信息后，将记录保存这些信息。 [0058] 步骤202，电信网络的管理平台为WSN节点分配接入电信网络时的WSN网关。 [0059] 管理平台根据一定策略为WSN节点分配接入电信网络时的WSN网关，管理平台将WSN节点的相关信息和通信连接配置信息发送给指定的WSN网关，并将指定的WSN网关的相关信息和所述通信连接配置信息发送给对应的WSN节点。本发明中，WSN节点分配接入电信网络时的WSN网关的策略可由具体的运营商来确定，具体的，一般遵照路由跳数较少、WSN网关不超过阈值负荷以及负荷尽量均衡的原则。也就是说，首先查找出距该待分配网关的WSN节点路由跳数较少(如少于设定的跳数)的一个以上的WSN网关作为接入电信网络的网关，在查找到路由较少的WSN网关后，再在所确定的路由跳数较少的WSN网关的负载状况，选择负载最轻的WSN网关作为WSN节点接入网关。网关的选择策略并非难点，也非实现本发明技术方案的实质性内容，这里不再赘述其实现细节。 [0060] 通信连接配置信息是指定的WSN网关和它所负责接入的WSN节点之间建立通信连接所需要的配置参数，包括链接密钥等参数，WSN网关和WSN节点之间通过该链接密钥建立安全的通信连接。 [0061] 步骤203，电信网络的管理平台对无线传感器网络中的WSN网关和WSN节点进行调度分配后，将保存和维护WSN网关及其负责接入的WSN节点的对应关系，管理平台还保存有各WSN网关和各WSN节点的相关信息以及对应的通信连接配置信息。 [0062] 在本发明中，可能会发生需要变更为某WSN节点接入电信网络的WSN网关的情况，例如，管理平台可以为某个WSN节点选择另外一个距离它更近的WSN网关，从而减少它和WSN网关间的路由路径，达到减少传感网内的通信复杂度和节能的效果。 [0063] 或者，由于有WSN节点的加入和离开、WSN网关的加入和离开造成无线传感网络的负载不均衡，管理平台为了均衡负载而变更WSN节点接入的WSN网关，这时，可以由管理平台重新分配为WSN节点提供电信网络接入的新WSN网关，管理平台将该WSN节点的相关信息和通信连接配置信息发送给新指定的WSN网关，将新WSN网关的信息发送给需要变化的WSN节点，并将WSN网关变更消息通知原来为该WSN节点提供电信网络接入的WSN网关。新指定的WSN网关在该WSN网关中添加该WSN节点的相关信息，原来的WSN网关删除该WSN网关中保存的该WSN节点的相关信息。后续，新指定的WSN网关将为该WSN节点提供电信网络接入，原先的WSN网关不再为该WSN节点提供电信网络接入。 [0064] 在本发明中，有WSN节点离开无线传感网络时，管理平台和该WSN节点接入电信网络所使用的WSN网关将清除已保存的该WSN节点的相关信息，WSN网关不再为该WSN节点提供电信网络接入。 [0065] 在本发明中，当有WSN网关离开无线传感网络时，管理平台将该WSN网关负责接入的WSN节点分配给其它的WSN网关，进行WSN网关分配的调整，并更新所保存的WSN网关和WSN节点的对应关系及其对应的信息和通信连接配置信息。调整涉及到的WSN网关也需根据调度后的结果更新保存的WSN节点信息。 [0066] 在本发明中，管理平台后续可以将WSN节点的相关信息发送给电信网络业务平台，电信网络业务平台可以配置WSN节点的有关参数，启用WSN节点所支持的业务，使WSN节点能够通过WSN网关向业务平台上报数据。 [0067] 图3为本发明为WSN节点确定WSN网关的装置的功能框图，如图3所示，本发明为WSN节点确定WSN网关的装置包括应用于包含无线传感器网络和电信网络的结合网络中，所述装置包括： [0068] 分配单元30，用于进行WSN网关的调度分配，为WSN节点分配接入电信网络时所使用的WSN网关。 [0069] 上述分配单元30进一步包括：确定子单元301、分配子单元302和通知子单元303；其中， [0070] 确定子单元301，用于确定无线传感器网络中有WSN节点加入，或有WSN网关加入，或WSN网关退出时，触发分配子单元302； [0071] 分配子单元302，用于为新加入的WSN节点分配WSN网关，或为新加入的WSN网关分配WSN节点，或为退出WSN网关下连接的WSN节点重新分配WSN网关； [0072] 通知子单元303，用于将WSN节点与为该WSN节点所分配WSN网关的对应信息分别通知WSN节点与为该WSN节点所分配WSN网关。 [0073] 上述确定子单元301为WSN节点确定接入电信网络的WSN网关时，上述通知子单元303进一步地，将该WSN节点的相关信息和通信连接配置信息发送给所确定的WSN网关，并将所确定的WSN网关的相关信息和所述通信连接配置信息发送给所述WSN节点。 [0074] 如图3所示，本发明为WSN节点确定WSN网关的装置包括存储单元31，用于存储WSN网关及该WSN网关下连接的WSN节点的对应关系；和，WSN网关及该WSN网关下连接的各WSN节点的相关信息以及对应的通信连接配置信息。 [0075] 上述WSN节点的相关信息包括WSN节点的标识、地址信息；上述WSN网关的相关信息包括WSN网关的地址信息；通信连接配置信息为WSN节点和分配给该WSN节点的WSN网关之间建立通信连接所需的配置参数。 [0076] WSN网关中记录和保存通过该WSN网关接入电信网络的WSN节点的标识和网络地址、WSN节点和该WSN网关之间的通信连接配置信息；WSN节点中保存与网关之间的通信连接配置信息以及网关的地址信息。 [0077] 本发明中，无线传感器网络中的各WSN网关之间通过无线传感器网络或通过电信网络进行通信。一个WSN节点与一个以上的WSN网关具有对应关系。本领域技术人员应当理解，本发明图3所示的为WSN节点确定WSN网关的装置是为实现为WSN节点确定WSN网关的方法而设计的，图3所示WSN节点确定WSN网关的装置中各处理单元的功能可参照前述结合网络或为WSN节点确定WSN网关的方法的相关描述而理解。图中的各处理单元的功能可通过运行于处理器上的程序而实现，也可通过具体的逻辑电路而实现。 [0078] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 |
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