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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
RSSF Industriais
Odilson T. Valleodilson@ifsc.edu.br
Universiade Federealde Santa Catarina
IFSC – UFSC RSSF industriais 1 / 20
IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
Sumário
1 Introdução
2 Redes de Sensores Sem FioConceitosIEEE 802.15.4
3 Redes IndustriaisEspecificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
IFSC – UFSC RSSF industriais 2 / 20
IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
O Futuro
RedesFuturas
Serviços Cientesdo Contexto
Domínio das Redesde Sensores Sem Fio
Futuro da Internet(fixa e móvel)
IWSN
VANETs BAN
BWSN
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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
Formação da Rede
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Fonte: Loureiro 2003
IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
RSSF – A Origem
Confiabilidade – ConceitoA ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida comoa probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo naocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos
Nodos não são confiáveis, podem“morrer” por exaustão de energiaSensores não são exatos: medidas dasgrandezas não são precisasComunicação sem fio não é confiável (?)A rede DEVE ser confiável! Como?
Domínio das Redesde Sensores Sem Fio
Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução detarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . .
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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
RSSF – A Origem
Confiabilidade – ConceitoA ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida comoa probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo naocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos
Nodos não são confiáveis, podem“morrer” por exaustão de energiaSensores não são exatos: medidas dasgrandezas não são precisasComunicação sem fio não é confiável (?)A rede DEVE ser confiável! Como?
Domínio das Redesde Sensores Sem Fio
Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução detarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . .
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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
RSSF – A Origem
Confiabilidade – ConceitoA ideia intuitiva de confiabilidade de redes pode ser entendida comoa probabilidade de uma rede continuar funcionando mesmo naocorrência de falhas nos enlaces e/ou nodos
Nodos não são confiáveis, podem“morrer” por exaustão de energiaSensores não são exatos: medidas dasgrandezas não são precisasComunicação sem fio não é confiável (?)A rede DEVE ser confiável! Como?
Domínio das Redesde Sensores Sem Fio
Rede Autônoma com alto grau de cooperação na execução detarefas: auto-configuração, auto-cura, fusão de dados . . .
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Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
Aumentando a confiabilidade
Técnicas tradicionais para aumentar a confiabilidade na trocade pacotes, seja em redes cabeadas seja em redes sem fio:
CRC – Cyclic Redundancy Check – Descarta pacotes comindícios de erroFEC – Forward Error Correction – Envia bits redundantespara recuperar até certo nível de erros nos pacotesARQ – Automatic Repeat reQuest – Reencaminhapacotes não ou incorretamente recebidos
As técnicas podem ser complementares, dependendo do graude confiabilidade exigido pela aplicação
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IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
Modelo de um nodo
Sistemas Embarcados:SOAplicaçãoProtocolos de comunicação
Cuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)
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ConceitosIEEE 802.15.4
Modelo de um nodo
Sistemas Embarcados:SOAplicação
Protocolos de comunicaçãoCuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)
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Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
Modelo de um nodo
Sistemas Embarcados:SOAplicaçãoProtocolos de comunicação
Cuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)
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ConceitosIEEE 802.15.4
Modelo de um nodo
Sistemas Embarcados:SOAplicaçãoProtocolos de comunicação
Cuidado com consumo energéticoRoteamento: múltiplos saltos⇒ sinkConfiabilidade (?)
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Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4
Padrão IEEE 802.15.4Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fiopessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs)
Camada Física:Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps
IEEE 802.11
IEEE 802.15.4
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ConceitosIEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4
Padrão IEEE 802.15.4Camada física e de controle de acesso ao meio para redes sem fiopessoais com baixas taxas de transmissão (LR-WPANs)
Camada Física:Frequências(MHz)/canais: 868/0, 915/1-10, 2450/11-26Taxa de transferência: 20, 40, 100 e 250 kbps
IEEE 802.11
IEEE 802.15.4
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Fonte:
Bertocco2008
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Redes Industriais
ConceitosIEEE 802.15.4
MAC IEEE 802.15.4
Sem Beacon : CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Avoidance)Com Beacon:
151413121110987654321
CAP CFP
0
Beacon Beacon
Inativo
SD = aBaseSuperframeDuration x 2 SímbolosSO
BI = aBaseSuperframeDuration x 2 SímbolosBO
GTS GTS
Ativo
0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14
15,36ms ≤ SuperframeDuration ≤ 4,2min
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ConceitosIEEE 802.15.4
Exemplos de Superquadros
BO SO BI SD Compartimento(ms) (ms) (ms) (bytes)
0 0 15,36 15,36 0,96 30
1 0 30,72 15,36 0,96 30
8 8 3932,16 3932,16 245,76 7680
14 0 251658,24 15,36 0,96 30
14 14 251658,24 251658,24 15728,64 491520
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem
Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)
Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus
HARTISA. . .
Redes Sem Fio?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem
Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)
Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidade
Network Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus
HARTISA. . .
Redes Sem Fio?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem
Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)
Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)
Redes FieldbusHARTISA. . .
Redes Sem Fio?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem
Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)
Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus
HARTISA. . .
Redes Sem Fio?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Redes Industriais/Chão de Fábrica – A Origem
Compartilhamento de recursosHeterogeneidadeGarantia de tempo de resposta médio ou máximo (Tempo real)
Confiabilidade dos equipamentos e da informação(exatidão nos dados)Conectividade e interoperabilidadeEvolutividade e flexibilidadeNetwork Control System – NCSMonitoramento – Predictive Maintenance (PdM)Redes Fieldbus
HARTISA. . .
Redes Sem Fio?IFSC – UFSC RSSF industriais 11 / 20
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Redes Sem Fio na Industria
Transição
Coexistência de redes cabeadas e sem fio por vários anos
Problemas do meio sem fioDesvanecimentoPropagação por vários caminhosSombreamentoSegurança: captura de pacotes e/ou inserção de pacotesmaliciososInterferência, com mais intensidade na Industria:
SoldasMotores elétricosInversores de FrequênciaOutras redes sem fio . . .
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Caracterização do ruído na industria
Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se usode simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever ocomportamento dos mesmo na industria deve-se ter ummodelo realista dos ruídos lá presentes.
Em rajadasModelo Gilbert–ElliottBER (CRC/FEC), PER (ARQ)Altamente dependente da distância entre comunicantes
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Caracterização do ruído na industria
Para facilitar o desenvolvimento de novos protocolos faz-se usode simuladores e/ou ensaios em laboratórios. Para antever ocomportamento dos mesmo na industria deve-se ter ummodelo realista dos ruídos lá presentes.
Em rajadasModelo Gilbert–ElliottBER (CRC/FEC), PER (ARQ)Altamente dependente da distância entre comunicantes
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
RSSF Industriais
Mudança de paradigmaNodos devem ser confiáveisSensores devem ser exatosTempo Real
Periodicidade
PermaneceCuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional
RSSF IndustriaisWirelessHARTISA 100.11aIEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e. . .
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
RSSF Industriais
Mudança de paradigmaNodos devem ser confiáveisSensores devem ser exatosTempo Real
PeriodicidadePermanece
Cuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional
RSSF IndustriaisWirelessHARTISA 100.11aIEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e. . .
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
RSSF Industriais
Mudança de paradigmaNodos devem ser confiáveisSensores devem ser exatosTempo Real
PeriodicidadePermanece
Cuidado com consumo energéticoAlta densidade/empregabilidade⇒ nodos ainda sãobaratos quando comparados com tecnologia tradicional
RSSF IndustriaisWirelessHARTISA 100.11aIEEE 802.15.4/ZigBee – IEEE802.15.4e. . .
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Classes de Uso - ISA
Categoria Classe Aplicação Descrição
Impo
rtân
cia
daat
ualid
ade
dam
ensa
gem
6Segurança 0 Ações emergenciais (sempre crítica)
<——
——
—–
Red
esS
emFi
o—
——
—–> 1 Circuito fechado
para controle regu-lamentar
(muitas vezes crítica)
Controle 2 Circuito fechadopara controle desupervisão
(geralmente não crítica)
3 Controle em malhaaberta
(humano na malha)
4 Alerta Consequências operacionais decurto prazo (por exemplo, a ma-nutenção baseada em eventos)
Monitoramento 5 Registro e downloa-ding/uploading
Sem consequências operacio-nais imediatas (por exemplo, co-leta de história, sequência deeventos, manutenção preventiva)
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Diversidades
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Diversidade TemporalCada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferentecomportamentoRetransmissão de mensagens em tempos distintos
Diversidade EspacialCada caminho percorrido por uma onda sofre diferentesatenuaçõesMIMO em RSSF é caroMúltiplos nodos fazem o papel de MIMO
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Diversidades
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Diversidade TemporalCada caminho em diferentes instantes de tempo tem diferentecomportamentoRetransmissão de mensagens em tempos distintos
Diversidade EspacialCada caminho percorrido por uma onda sofre diferentesatenuaçõesMIMO em RSSF é caroMúltiplos nodos fazem o papel de MIMO
IntroduçãoRedes de Sensores Sem Fio
Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Diversidades
Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)
Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Diversidades
Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canal
Diversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Diversidades
Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etc
Técnicas podem explorar várias diversidades
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Diversidades
Diversidade em Frequência – A propagação de sinaisem diferentes frequências experimenta diferenças emreflexão, difração e espalhamento (Salto de canal –WirelessHART, ISA 100.11a, IEEE 802.15.4e)Diversidade por Multiusuário – O aumento global dataxa de transmissão do sistema cresce com o número deusuários e com ganho na variação do canalDiversidade por Multipercurso – Em uma rede sem fiode múltiplos saltos, um determinado par emissor-receptorpode ser conectado por meio de múltiplos percursos narede. As propriedades desses percursos variam dediversas maneiras, tais como: comprimento do salto,largura de banda, atraso total, atraso na fila etcTécnicas podem explorar várias diversidades
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Redes Industriais
Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Retransmissão em RSSF
Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial
Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?
Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
Diversidade temporal?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Retransmissão em RSSF
Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial
Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?
Todos
⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
Diversidade temporal?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Retransmissão em RSSF
Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial
Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?
Todos⇒ inundação na rede
Alguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
Diversidade temporal?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Retransmissão em RSSF
Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial
Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?
Todos⇒ inundação na redeAlguns
: qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
Diversidade temporal?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
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Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial
Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?
Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?
Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
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Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial
Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?
Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Retransmissão em RSSF
Modelo predominante – ARQ – Automatic Repeat reQuestBaixa diversidade temporalNenhuma diversidade espacial
Uso de vizinhos retransmissores (Cooperação)Aumento da diversidade espacialAumento do consumo energético? Depende dos objetivosda aplicaçãoEscolha do(s) vizinho(s)?
Todos⇒ inundação na redeAlguns : qual o critério?Nodos atuadores: sem problemas energéticos!
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Perguntas?
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Especificidades das redes industriaisRedes industriais sem fio
Muito Obrigado!
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