一種基于空分復用的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)接入層協(xié)議及其跨層分析模型

第40卷第1期2011年2月信息與控制Information and ControlFebDoI:10.3724/SPJ.1219201100一種基于空分復用的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)接入層協(xié)議及其跨層分析模型劉洋12,詹宜巨3,蔡慶玲3(1中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275;2廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東廣州5100063.中山大學(xué)工學(xué)院,廣東廣州510006)摘要:為充分利用無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)所裝備的多天線(xiàn)以提高網(wǎng)絡(luò )性能,提出一種基于空分復用的無(wú)線(xiàn)日組織網(wǎng)絡(luò )接入層協(xié)議 MADB-MAO( multiple antennas dual backoff-media access control).通過(guò)在傳輸幀的競爭時(shí)隙交換多個(gè)握手信總,使網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)能夠以空分復用的方式并行傳輸。建饑網(wǎng)絡(luò )性能跨層分析模型,考慮物理層檢測錯誤傳播的影響,對此協(xié)議進(jìn)行分析.理論分析和數值計算結果表明 MADB-MAC能夠在不增加占用帶寬的前提下有效提高網(wǎng)絡(luò )吞吐率關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng):跨層設計;接入層協(xié)議:空分復用中圖分類(lèi)號:TN9295文獻標識碼:A文章編號:10020411(2011)0140105-05A Spatial Multiplexing Based Ad Hoc MAC Protocol and Its Cross-LayerAnalytical ModelLIU Yang,2, ZHAN Yiju, CAI Qingling(1. School of information Science and Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China:2. College of Information Engineering, Guangdong Universiry of Technology, Guangzhou 510006, China,3. School of Engineering, Sun Yat-sen Universiry, Guangzhou 510275, China)Abstract: To take full advantages of multiple antennas equipped by nodesplexing, an MAC protocol named multi-antenna dual backoff (MADB-MAC) is presented. Nodes can exchange hand-shakesignals in contention slot of transmission frame to implement simultaneous transmission based on spatial multiplexing to a detailed consideration of detection emor propagation in physical layer, a cross-layer analytical model isto analyze this protocol. Results of theoretical analysis and numerical computation show that MADB-MAC canetwork throughput remarkably.Keywords: ad hoc; cross-layer design; MAC (media access control) protocol; spatial multiplexing1引言( Introduction)對物理層采用定向天線(xiàn)和空間分集2習.如果在物理層采用多大線(xiàn)空分復用技術(shù),有希望顯著(zhù)提高鏈路無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )( ad hoc)由不需要任何基礎設傳輸速率進(jìn)而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò )吞吐施的一組具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力的節點(diǎn)組成.這種網(wǎng)絡(luò )空分復用的典型技術(shù)如貝爾實(shí)驗室空時(shí)分層結適應了軍事和商用中對網(wǎng)絡(luò )和設備移動(dòng)性的要求,構( BLAST),這其中垂直編碼( V-BLAST)技術(shù)由是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn).給節點(diǎn)裝備多天于結構較簡(jiǎn)單直觀(guān)且性能優(yōu)異得到很多研究者的重線(xiàn),是有效提高網(wǎng)絡(luò )性能的手段.但是這種措施并視不一定帶來(lái)最優(yōu)性能,如果各層協(xié)議設計不當,甚文[4]提出 MIMA-MAC( mitigating interference至會(huì )造成負面效果. ad hoc是由眾多沒(méi)有基礎設施 using multiple antennas-MAC)協(xié)議,利用MIMO的支持的節點(diǎn)自發(fā)組成的臨時(shí)網(wǎng)絡(luò ),沒(méi)有中心節點(diǎn),干擾取消機制支持并行傳輸.此協(xié)議簡(jiǎn)單限定發(fā)送無(wú)線(xiàn)信道是復雜的廣播媒體,帶寬受限、分布式控節點(diǎn)使用單根大線(xiàn)發(fā)送數據,顯然當幀內獲得信道制等特點(diǎn)導致傳統的分層協(xié)議設計思想難以適應網(wǎng)數小于節點(diǎn)裝備大線(xiàn)數時(shí)存在資源浪費文S順絡(luò )全局優(yōu)化的需要叫.目前已經(jīng)有一些研究采用多延這一思路,但注意到之前的協(xié)議競爭時(shí)隙仍是基天線(xiàn)技術(shù)的跨層協(xié)議設計,這方面早期工作一般針于時(shí)分機制,沒(méi)有充分利用物理層自由度,限制了基金項目:園家自然科學(xué)基金資助項月(610710381);廣東省自然科學(xué)基金資助項日(9151027501000076)通訊作者:劉洋, liuyangatgdute@126c0m,收稿/錄用/修山:2001228201003-302010407-26信息與控制40卷同時(shí)傳輸的節點(diǎn)個(gè)數和最大天線(xiàn)數.基于這一考慮,采用 V-BLAST,提出一種基于空分復用并行傳輸的文[5]設計了物理層采用 BLAST及多用戶(hù)檢測的MADB-MAC協(xié)議,建立其分析模型.利用此分析模MAC協(xié)議,將節點(diǎn)的信道估計能力和可用天線(xiàn)數型結合數值分析證明了MADB-MAC能夠在限制握作為資源限度,利用 RTS/CTS( request to send/clear手開(kāi)銷(xiāo)和不增加額外頻帶占用的前提下有效提高網(wǎng)to send)幀窮盡資源以實(shí)現性能優(yōu)化.其層間交互絡(luò )吞吐.表現在MAC根據物理層可用資源設計握手幀,盡量響應多個(gè)RTS要求.同時(shí),對其余傳輸(相對2 MADB-MAC及其跨層分析模型(MADB于當前節點(diǎn)就是干擾)進(jìn)行抑制,并在干擾消除及MAC and its cross-layer analytical model解碼多個(gè)數據流之間尋求資源的平衡,此協(xié)議需本文提出一種名為多天線(xiàn)二重退避媒體接入要對多個(gè)RTS幀進(jìn)行排隊,且RTS幀和CTs頓結 MADB-MAC的MAC層協(xié)議.操作流程如圖1所構復雜、開(kāi)銷(xiāo)大.由于自組織網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn),實(shí)際上示,所謂二重退避指節點(diǎn)在幀內通過(guò)競爭獲得信要滿(mǎn)足假定的精確正交碼條件也非常困難文]道后,只要競爭時(shí)隙沒(méi)有用完,仍可多次競爭信道設計的HYB( Hybrid)協(xié)議,將握手信號通過(guò)控制為節點(diǎn)剩余天線(xiàn)分配信道,根據文45]的思想,信道進(jìn)行傳送,競爭控制信道的方式使用傳統的在MAC協(xié)議幀的競爭時(shí)隙中采用時(shí)分的方式進(jìn)行CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision握手信息發(fā)送,避免了碼分方式同步問(wèn)題以及附加detection/collision avoidance).此協(xié)議由于需使用專(zhuān)用控制信道,部署靈活性差且頻譜效率低數據幀需發(fā)送以上工作存在共同的不足在于缺乏MAC協(xié)議分析模型.廣泛使用的網(wǎng)絡(luò )仿真工具如NS2等,偵聽(tīng)信道DFS時(shí)間物理層支持非常簡(jiǎn)單.另一方面,跨層聯(lián)合仿真在物理層需要一個(gè)比特一個(gè)比特地描述物理層的行為.整個(gè)仿真時(shí)間窗必須保證所取得的結果遍歷了凍結當前 backoff信道忙?各種條件與系統狀態(tài),具有統計意義,這將會(huì )導致time counter計算量和計算時(shí)間難以接受.所以尋找一種定量分析的手段去評價(jià)跨層協(xié)議設計,給出分析或半分析偵聽(tīng)到cTS隨機 backoff timecounter模型以評價(jià)協(xié)議性能是一個(gè)非常有意義的問(wèn)題.這backoff time方面在研究基本的802DCF單跳網(wǎng)絡(luò )的飽和容量ounter減到1后發(fā)IFCC++方面存在比較好的結果,如基于二維馬爾可夫鏈描述的 Bianchi模型.此模型局限性在于單獨針對MAC層,假定PHY無(wú)噪聲、衰減與干擾,無(wú)錯誤傳IFCC=M?偵聽(tīng)到cTs輸,與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)際相差非常大.文[9]嘗試建立了采用空時(shí)分組碼的PHY與MAC聯(lián)合分析模型.這一結果不足之處是沒(méi)有涉及前述采用空間復用以支IFCC艸持并行傳輸的傳輸策略.由于 BLAST性能分析較為復雜,特別是當采用干擾消除檢測方法,需要考IFCC=N慮每層估計錯誤在其余各層的傳播,單獨針對PHY層面都難以給出性能表達的封閉解.當MAC層面涉及到多流干擾時(shí),給出跨層定量分析模型就更加進(jìn)入數據時(shí)隙困難.文口0]嘗試了物理層近似建模以及快速計算的方法針對BPSK( binary phase- shift keying)調制,根據發(fā)送的RTS序號發(fā)送ACK指出每層的錯誤信號的方差與發(fā)送功率和當層誤碼偵聽(tīng)ACK序號率成正比,得到了逐層誤碼分析的遞歸表達.此結偵聽(tīng)到N個(gè)ACK果沒(méi)有討論MAC層協(xié)議對PHY傳輸場(chǎng)景建立的影號后,結束當前幀響,缺乏跨層分析,使其應用受到了限制圖1 MADB-MAC操作流程在上述研究工作的基礎上,本文著(zhù)眼于物理層Fig 1 Flow diagram of MADB-MAC1期劉洋等:一種基于空分復用的無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)接入層協(xié)議及其跨層分析模型控制信道帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo).RTS/CTS握手信號在網(wǎng)絡(luò )中為U=∑v≤N.從第一個(gè)發(fā)送節點(diǎn)第一根天線(xiàn)采用傳統的時(shí)分方式傳送,為減小沖突的可能,節點(diǎn)在隨機退避后發(fā)送RTS.退避算法同8021DCF.到最后一個(gè)發(fā)射節點(diǎn)最后一根天線(xiàn)進(jìn)行編號,則第在每個(gè)RTS之后為CTS信號,網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)均偵聽(tīng)全p個(gè)節點(diǎn)的第i根發(fā)射大線(xiàn)的功率為a2()=E/H部CTS信號并計數.當偵聽(tīng)到N個(gè)CTS信號時(shí)表接收節點(diǎn)使用全部天線(xiàn),每幀中第q個(gè)接收節點(diǎn)的示競爭時(shí)隙已經(jīng)結束(獲得信道的節點(diǎn)的總發(fā)射天接收數據向量為線(xiàn)數已達最大),進(jìn)入訓練時(shí)隙.在握手周期中獲得r=Hs+y信道的節點(diǎn)按順序發(fā)送導頻信號估計信道.在數據時(shí)隙中,獲得信道的節點(diǎn)按照競爭時(shí)隙中分配的天s=(s1,…,)為當前幀發(fā)送數據向量.分為發(fā)線(xiàn)數進(jìn)行并行發(fā)送,數據傳送完成后接收節點(diǎn)依同送到q節點(diǎn)的數據及其它數據兩部分.對r進(jìn)行順序發(fā)送ACK( Acknowledge)應答信號BLAST檢測.在第i層用迫零向量乘P,經(jīng)硬判決后在 MADB-MAC中,不同于802lDCF的CS作為第層信號的估計值,從待判決向量中減去此信MACA,裝備了多天線(xiàn)的節點(diǎn)可以選擇發(fā)射天線(xiàn)號后再重復上一過(guò)程直到全部層檢測完畢分析q數,在一定約束條件下實(shí)現多個(gè)節點(diǎn)并行傳輸以提接收節點(diǎn)鏈路的誤碼率,需要考慮前層檢測的錯誤高網(wǎng)絡(luò )吞吐,本文的物理層建模不同于文[10,不傳播、噪聲以及剩余未檢層信號的干擾.考慮BPSK采用多用戶(hù)檢測以避免正交碼同步問(wèn)題.不失一般調制,第k層信號s=±a(k)=±√/,其判決錯誤全同步,假定網(wǎng)絡(luò )為單跳全連接,節點(diǎn)完全估計信可能的情況為e=8-∈{-20).20()道設此層BER為P(k),則有每個(gè)節點(diǎn)裝備N(xiāo)根天線(xiàn),節點(diǎn)總發(fā)射功率限制(k)=E[]=42(k)P()為E.網(wǎng)絡(luò )每幀中有M個(gè)發(fā)送節點(diǎn),每個(gè)發(fā)送節點(diǎn)使用根天線(xiàn)發(fā)送數據.總發(fā)射天線(xiàn)數(符號數)第i層信號與干擾加噪聲比為(k)=O( k)w(OH.A2|tonA()+∑wnc:(式中K()={k1,k2,…k-}且K(1)=0,MK(i+1)首先求幀內分組傳輸概率τ.令W=CWm為表示尚未檢測的層的標號的集合.Hx表示H的第最小競爭窗口(具體值與PHY層技術(shù)有關(guān)),Wek列.w(i)與所有其它層信號張成的空間正交,其2w為節點(diǎn)退避狀態(tài).假定幀內某微時(shí)隙節點(diǎn)申計算方法為通過(guò)將矩陣釅的k1,k2,…,k_1列置零請信道碰撞的概率為p.比照 Bianchi模型,由于退后取 Moore-Penrose偽逆,所得矩陣的第k列即為避算法同802DCF,MADB-MAC協(xié)議幀內節點(diǎn)所求.有獲得信道的機會(huì )擴大到N.則單個(gè)節點(diǎn)幀內獲得信P(k)=Q(√(k)(4)道(1≤t≤N)次的概率為q節點(diǎn)鏈路總BER為∑P()N2P=∑1+W+pW∑(2p)N指總共k層信號中目的為q節點(diǎn)的集合.有了單鏈路誤碼率結果,下面針對 MADB-MAC給出單跳網(wǎng)絡(luò )吞吐分析模型.網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)通過(guò)發(fā)送和偵聽(tīng)1+W+p∑(2p)yRTS與cTS幀建立網(wǎng)絡(luò )預期傳輸場(chǎng)景.在數據時(shí)隙中各發(fā)送節點(diǎn)并行發(fā)送數據.不同于802IDCF,單個(gè)節點(diǎn)獲得信道的概率為:每個(gè)節點(diǎn)設置幀內競爭計數器IFCC( in frame contention counter),當它增加到等于N時(shí)進(jìn)入訓練時(shí)隙(流程圖中省略),之后進(jìn)行數據傳送r(p)=∑叫(p)信息與控制40卷單個(gè)節點(diǎn)不獲得信道的概率為式中團=EMh,每個(gè)節點(diǎn)使用一根天線(xiàn)以全部功率發(fā)送信號.有G2=E,同式(4)可知其BER為τ(p,O)=1-r(p)根據式(6)~(8)考慮網(wǎng)絡(luò )傳輸飽和容量,即假設網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)在每一幀中都有數據包需要根據 Bianchi模型,每幀中單個(gè)節點(diǎn)獲得信道的發(fā)送.網(wǎng)絡(luò )的當前傳輸場(chǎng)景為m個(gè)節點(diǎn)獲得信概率為道進(jìn)行傳輸.不失一般性,將此m個(gè)節點(diǎn)編號為(14)(1,2,…,m),每個(gè)節點(diǎn)使用的天線(xiàn)數t1,h,…,m,構1+W+pW∑(2p)成向量T.顯而易見(jiàn), MADB-MAC有約束條件可以考慮平均意義下一幀中有Gcr(p)個(gè)節點(diǎn)(9)獲得信道,網(wǎng)絡(luò )平均飽和容量為為簡(jiǎn)便起見(jiàn),僅考慮發(fā)送節點(diǎn)與接收節點(diǎn)一Cave= Gtac(P)(1-Rder) bit/frame (15)對應的情況.根據之前的分析知此場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò )容量?jì)HMADB-MAC由于握手期存在多次競爭信道時(shí)與T有關(guān),記為C(T)隙,一直要等到所有天線(xiàn)都被分配完才能進(jìn)入后續基于式(9),此網(wǎng)絡(luò )傳輸場(chǎng)景在當前幀出現的概階段,所以單幀內握手開(kāi)銷(xiāo)比8021DCF要多.但率為握手信號持續時(shí)間短,遠小于數據信號,所以這種開(kāi)銷(xiāo)的增多相對于整個(gè)系統吞吐的增加是可以忽略T(p,4)r(p,0)0m的,本文不計入它的影響.其次,碰撞概率p并不依(10)用的MAC協(xié)議不同而改變,此參數與節點(diǎn)個(gè)數P∑1=N)及節點(diǎn)碰撞(RTS碰撞)中偵聽(tīng)到信道忙的平均時(shí)間T有關(guān),可以在最終的分析中約去,在前面的基由以上步驟可得空分復用情況下 MADB-MAC礎上, Bianchi模型給出的近似推導結果為的網(wǎng)絡(luò )吞吐量計算定理定理1若節點(diǎn)最大可用天線(xiàn)數為N,傳輸場(chǎng)景T定義為當前幀中m個(gè)節點(diǎn)使用的傳輸天線(xiàn)數則根據式(6、(7), MADB-MAC對應的節點(diǎn)幀t1,l2…,lm構成的向量,則網(wǎng)絡(luò )飽和吞吐計算為:內獲得信道概率為τ(p)=紙(:)ovez(17)式中T=,σ為空時(shí)隙時(shí)間.不考慮傳送延遲第j號節點(diǎn)每層信號功率為E,定理1中C(r)TC=RTS+DIFS可由式(3)~(5)求得.3數值分析結果( Results of numerical anal對比使用單天線(xiàn)的802DCF與 MADB-MAC的網(wǎng)絡(luò )飽和吞吐性能.80211DCF一幀中只能有數值分析場(chǎng)景如下:根據8021標準,PHY對節點(diǎn)使用單天線(xiàn)進(jìn)行通信,發(fā)送節點(diǎn)使用全部功層采用FHSS技術(shù),空時(shí)隙持續時(shí)間σ=50率發(fā)送數據,不存在多流干擾,僅受噪聲影響.接收μs,DIFS=128μs,假定碼率為1Mbvs,RTS占端信號為據228bit,則T=8.34.每幀中數據域 payload設rdef= hs+v(11為800bt網(wǎng)絡(luò )拓撲為單位面積上隨機分布的20單鏈路平均SINR為個(gè)節點(diǎn)(節點(diǎn)位置不重疊).信道采用準靜態(tài)衰落信道模型,即幀內所有發(fā)射符號的信道增益不變.不同幀上的信道增益是獨立變化的復高斯隨機變量1期劉洋等:一種基于空分復用的無(wú)線(xiàn)臼組網(wǎng)接入層協(xié)議及其跨層分析模型式中h、h是相互獨立且服從N(b)的正態(tài)隨機可見(jiàn)采用跨層方式,MAC層與物理層進(jìn)行聯(lián)合設變量.不失一般性,令E=1計,比傳統的分層設計方式能夠充分利用物理層所由圖2可看出 MADB-MAC由于采用空分復用裝備的多天線(xiàn),顯著(zhù)提高網(wǎng)絡(luò )性能技術(shù),所得單幀網(wǎng)絡(luò )吞吐在各種信噪比情況下均優(yōu)于802l1DCF.網(wǎng)絡(luò )性能隨節點(diǎn)配置天線(xiàn)數增加而提升2.Il sing氫eeSNR-5 dB SNR=lo dB SNR=15 dBgee-ee-eSNR/antenna/dB圖3特定信噪比下不同天線(xiàn)數網(wǎng)絡(luò )吞吐對比10Fig 3 Comparison of network throughput, for varying numberSNR/antenna/dB圖2 MADB-MAC與8021DCF不同天線(xiàn)數網(wǎng)絡(luò )吞吐噪聲of antennas with some special SNR value性能的對比Fig 2 Network throughput versus SNR of MADB-MAC andf三4802.1IDCF for varying number of antennas以上結果要注意的是:首先隨將大線(xiàn)數增34加,多層錯誤傳播引起的干擾也越來(lái)越大,導致吞吐增加的速度放慢錯誤傳播表現在式()中的分2十母項e∈∑w(HA2q2()本模型中此項為以第一層干擾為零啟始,遞推計算得來(lái),故給出天線(xiàn)數與網(wǎng)絡(luò )吞吐增加關(guān)系的封閉解析表達比較困難.特定信噪比條件下MADB-MAC不同天線(xiàn)數目下網(wǎng)絡(luò )吞吐情況如圖3所示SNR/antenna/dB迫零向量放大噪聲的作用對 MADB-MAC的性圖4多天線(xiàn) MADB-MAC與802.1DCF吞葉噪聲性能對比能提升有顯著(zhù)影響,可以考慮采用MMSE檢測方式Fg4 Network throughput versus SNR, for MADB-MAC and以避免這種作用.同時(shí),還可以注意到 MADB-MAC802. 11DCF with multiple antennas性能提升在高信噪比環(huán)境下更為明顯,通過(guò)式(3)可知這是因為迫零向量放大噪聲的作用在高信噪比4結論( Conclusion)環(huán)境中得到了抑制針對節點(diǎn)裝備多天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò ),本文提出可在物理層使用 V-BLAST空分復用技術(shù)的圖4為節點(diǎn)裝備多根天線(xiàn),采用 MADB-MAC MAO層協(xié)議 MADB-MAC.不同于過(guò)往研究單一依與采用802DCF無(wú)跨層兩種情況下網(wǎng)絡(luò )飽和吞吐靠仿真手段驗證,本文研究了 V-BLAST結構應用于ad hoc所得跨層協(xié)議的分析模型.利用此模型,基量的對比低信噪比時(shí)802DCF與 MADB-MAC于理論分析和數值計算表明 MADB-MAC與傳統的有較大性能差距.造成這種差距的原因在于跨層聯(lián)8021DCF機制比較,可以充分利用節點(diǎn)所裝備的合設計可以在節點(diǎn)公平競爭的前提下將更多發(fā)射節多大線(xiàn),顯著(zhù)提高網(wǎng)絡(luò )吞吐點(diǎn)引入到一幀的傳輸當中,增加了總的發(fā)射功率(下轉第114頁(yè))114信息與控40卷Yang Q D, Wang F L, Chang Y Q. 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Exploiting spa播,還留有余地可以分析當節點(diǎn)不能充分估計信道tial multiplexing and reuse in multi-antenna wireless ad hoc net-的情況.這就為進(jìn)一步研究諸如移動(dòng)無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)works[J]. Ad Hoc Networks, 2009, 7(2): 281-293多跳無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)等更復雜網(wǎng)絡(luò )的跨層協(xié)議設計及分7 The network simulator -n2EB209016h/w析打下了基礎[8] Bianchi G Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed參考文獻( References)oordination function[J]. IEEE Joumal on Selected Areas in[1] Lin X, ShroffN B, Srikant R. A tutorial on cross-layer optimiza-Communications, 2000, 18(3): 535-547tion in wireless networks[J]. IEEE Joumal on Selected Areas in [9] Carvalho MM, Garcia-Luna-Aceves JJ. Analytical modeling ofCommunications,2006,24(8):1452-1463ad hoc networks that utilize space-time coding[ Cy/Proceedings[2] Korakis t, Jakllari G, Tassiulas L. A MAC protocol for fullof the 4th Intermational Symposium on Modeling and Optimiza-exploitation of directional antennas in ad-hoc wireless net-tion in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks. 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