Planificación UMTS

Planificación de redes UMTS

Juan J. Velasco Rivera

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Índice

Introducción a UMTS Aspectos a estudiar en la planificación de UMTS Emplazamiento de Nodos B Optimización de recursos radio Interconexión de Nodos B a RNC Resumen

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Introducción a UMTS

Con 3G entendemos los sistemas de tercera generación de telefonía móvil, es decir, servicios que proporcionan la posibilidad para transferir tanto voz como datos (descarga de programas, e-mail, steaming, etc).

UMTS es una de las tecnologías usadas por los móviles de tercera generación. Desarrollada como sucesor de GSM por el 3GPP (3rd Generation Partnership Project), un proyecto común en el que colaboran: ETSI (Europa), ARIB/TTC (Japón), ANSI T-1 (USA), TTA (Korea), CWTS (China).

UMTS ofrece los siguiente servicios: Facilidad de uso y bajos costes: UMTS proporciona servicios de uso fácil,

amplia gama de terminales para realizar fácil acceso a los distintos servicios y bajo coste de los servicios para asegurar un mercado masivo.

Nuevos y mejorados servicios: Los servicios vocales mantendrán una posición dominante durante varios años. Los usuarios exigirán a UMTS servicios de voz de alta calidad junto con servicios de datos e información. Posibilidad de introducir servicios de valor añadido en zonas en los que la red fija no permitía su llegada por el elevado coste en despliegue.

Acceso rápido: La principal ventaja de UMTS es la capacidad de soportar altas velocidades de transmisión de datos. Esta capacidad sumada al soporte inherente del Protocolo de Internet (IP), se combinan poderosamente para prestar servicios multimedia interactivos y nuevas aplicaciones de banda ancha, tales como servicios de video telefonía y video conferencia.

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Introducción a UMTS. Arquitectura.

UMTS usa una comunicación terrestre basada en una interfaz radio W-CDMA, conocida como UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA).

Los sistemas de telefonía móvil son sistemas celulares, i-e, dividen el territorio en celdas (cells) que son cubiertas por una estación base que les da servicio.

La división en celdas permite la reutilización de las frecuencias en células lo suficientemente distantes como para que la interferencia cocanal sea despreciable.

Los elementos que intervienen en una arquitectura celular son: Estaciones Base Terminales Cliente Controladores de Estaciones Base Elementos de control de la red

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La estructura de la red UMTS se divide en dos subredes: la red de acceso y la red de gestión o core network. Núcleo de Red (Core Network). El Núcleo de Red

incorpora funciones de transporte y de inteligencia: transporte de la información de tráfico, señalización y conmutación. A través del Núcleo de Red, el UMTS se conecta con otras redes de telecomunicaciones, de forma que resulte posible la comunicación no sólo entre usuarios móviles UMTS, sino también con los que se encuentran conectados a otras redes.

Red de acceso radio (UTRAN). La red de acceso radio proporciona la conexión entre los terminales móviles y el Core Network. Se compone de una serie de sistemas de red radio o RNC (Radio Network Controller) y una serie de Nodos B dependientes de él. Los Nodos B son los elementos de la red que se corresponden con las estaciones base.

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Arquitectura UMTS Release 99

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Introducción a UMTS. Referencias:

Joseph C.S. Cheung, Mark A. Beach and Joseph P. McGeehan. “Network Planning for Third-Generation Mobile Radio Systems”. IEEE Communications Magazine. November 1994. P. 54.

Evert Buintenwerf, Giovanni Colombo, Häkan Mitts and Phil Wright. “UMTS: Fixed Networks Issues and Design Options”. IEEE Personal Communications. February 1995. P. 30.

Ermanno Berruto, Mikael Gudmundson, Raffaele Menolascino, Werner Mohr and Marta Pizarroso. “Research Activities on UMTS Radio Interface, Network Architectures and Planning”. IEEE Communications Magazine. February 1998. P. 82.

Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”. Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.

“Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en UMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana. Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3

M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, Fundación Airtel Vodafone, 2002.

J. M. Hernando Rábanos, “Comunicaciones móviles”, Ed. Centro de Estudios Ramón Areces, 1997.

David Roldán. “Comunicaciones inalámbricas. Un enfoque aplicado”. Septiembre 2004. Ed. Ra-Ma. ISBN:8478976213.

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Introducción a UMTS Aspectos a estudiar en la planificación de

UMTS Emplazamiento de Nodos B Optimización de recursos radio Interconexión de Nodos B a RNC Resumen

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Aspectos a estudiar en la planificación UMTS

La planificación UMTS se centra en UTRAN, dejando fuera de ello el core de la red (que es algo propio de cada operador).

Para el despliegue de una red UMTS deben resolverse 3 problemas: Ubicación de los Nodos B en base a la densidad de la demanda a

cubrir. Optimización de los recursos radio de un Nodo B (control de potencia y

admisión de clientes). Interconexión de los Nodos B.

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Emplazamiento de Nodos B

La localización de los Emplazamientos para Nodos B en UMTS en particular, y estaciones base en general en las redes de telefonía móvil es una tarea compleja; no sólo por la resolución del problema que optimiza la cobertura sino por otra serie de factores que también influyen en el resultado final, como la aversión generalizada a la instalación de antenas de telefonía o la imposibilidad de obtener un emplazamiento concreto.

La ubicación de las estaciones base responde a modelos que estiman la demanda de tráfico, en condiciones normales, en base al número de llamadas medias y su duración.

Por tanto, los factores a tener en cuenta en este problema son:

Lugares candidatos a ser Emplazamientos para Nodos B.

Demanda del tráfico. Modelo de propagación de la zona

de influencia del Nodo B. Otros factores: coste, calidad de

señal y coberura del servicio.

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Edoardo Analdi et-al., proponen que mediante una simulación previa se obtengan una serie de puntos a candidatos a ser los emplazamientos (continuo discreto).

Modelar el tráfico en base a unos puntos que concentran la demanda (Analdi et-al y S. Sohn et-al.).

El primero, modela el tráfico en ambos enlaces (uplink y downlink), en cambio Sohn sólo se encarga del enlace más restrictivo (uplink).

En ambos casos, el problema de la ubicación de Nodos B es Np-Hard. Analdi et al. y Lee at-al. plantean metaheurísticas para su resolución, empleando búsquedas tabú.

Las herramientas software de planificación radio utilizan este modelado.

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Referencias: Edoardo Analdi, Antonio Capone, Federico Malucelli and

Francesco Signori. “Optimization models and algorithms for downlink UMTS radio planning”. Wireless Communications and Networking, 2003. WCNC 2003. 2003 IEEE Volume: 2, p: 827- 831.

Edoardo Analdi, Antonio Capone and Federico Malucelli. “Planning UMTS Base Station Location: Optimization Models with power control and algorithms”. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 2 Nº5 September 2003, p. 939-952.

Chae Y. Lee and Hyon G. Kang. "Cell Planning with Capacity Expansion in Mobile Communications: A Tabu Search Approach". IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 49, NO. 5, SEPTEMBER 2000.

S. Sohn and G.S. Jo. “Optimization of base stations positioning in Mobile Networks”. Lecture Notes in Computer Science Vol. 3981 (2006), p. 779-787

Manuel F. Cátedra, Jesús Pérez-Arriaga. “Cell Planning for Wireless Communications”. Ed Artech House. 1999. Chap. 6.

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Optimización de recursos radio

El despliegue y el mantenimiento de las redes UMTS implica la optimización de un alto número de parámetros de configuración para poder dar los servicios requeridos de la forma adecuada y con la QoS requerida.

En “Automated optimization of service of En “Automated optimization of service of coverage and base station antenna coverage and base station antenna configuration in UMTS Networks” [IEEE configuration in UMTS Networks” [IEEE Wireless Communications. December Wireless Communications. December 2006, p 16-252006, p 16-25] se presenta el problema de la optimización de los recursos radio, centrándose en optimizar la cobertura y los parámetros de configuración de las antenas que forman el Nodo B.

Existe un canal radio en el interfaz aire (CPICH) que se utiliza para que los terminales estimen la relación portadora/interferencia y ajusten su potencia de emisión.

Si el canal piloto emite con menos potencia, menor será la potencia de los terminales y, por tanto, la interferencia que provocan todos los terminales disminuye también, minimizando los efectos de la reducción de capacidad y diámetro de cobertura por aumento de la demanda de recursos (respiración celular).

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Referencias: Iana Siomina, Peter Värbrand and Di Yuan. “Automated

optimization of service of coverage and base station antenna configuration in UMTS Networks”. IEEE Wireless Communications. December 2006, p 16-25.

Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”. Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.

“Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en UMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana. Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3

M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, Fundación Airtel Vodafone, 2002.

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Interconexión de Nodos B a RNC

Una vez localizados los emplazamientos de los Nodos B de la red UMTS hay que dotarlos de los enlaces que encaminarán el tráfico hacia el core de la red, es decir, enlazar los Nodos B con los RNCs.

La elección de la topología más adecuada en cada caso depende de varios factores: dispersión geográfica de los nodos-B, ahorro de líneas de transmisión, redundancia ante caídas, disponibilidad de fibras o radioenlaces, etc.

Salvo en el caso de la configuración en estrella, las distintas topologías representadas, permiten considerar la posibilidad de efectuar concentración de tráfico a medida que nos aproximamos al RNC, permitiendo un mejor aprovechamiento de los enlaces, minimizando su número pero aumentando su capacidad.

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Topología real

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Referencias: Matteo Fischetti, Giorgio Romanin

Jacur, Juan José Salazar González. “Optimisation of the interconnecting network of a UMTS radio mobile telephone system”. European Journal of Operational Research, 144 (2003), p 56-67.

Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithms for UMTS access network topology design”. European Journal of Operational Research, 164 (2005), p 456-474.

Dos puntos de vista para resolver un mismo problema: “Una vez ubicados los Nodos B, ¿dónde ubicar los RNC y cómo conectarlos con los Nodos B?

En ambos casos, el planteamiento del problema es similar: modelar el problema como un grafo en el que hay emplazados N-Nodos (Nodos B) que hay que conectar hacia el RNC, pero la estructura del árbol y la nomenclatura cambia entre una referencia y otra.

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Interconexión de Nodos B a RNC Fischetti et-al. En “Optimisation of the interconnecting network of a

UMTS radio mobile telephone system” plantean un modelo con una nomenclatura y elementos que no vienen reflejados en el estandar de UMTS y alejado de situaciones reales, en el que se asume lo siguiente: Los Nodos B pasan a llamarse BTS, los RNC pasan a ser CSS y se

introduce un nuevo elemento, el LS (un RNC con conexión al core). El árbol se plantea a 3 capas: BTS – CSS – LS, por tanto, no existe

conexión BTS – BTS ni CSS – CSS. El modelo planteado se basa en programación lineal, considerando un

conjunto de n BTS, un conjunto de m CSS (potenciales, porque no se usan todos) y un conjunto de p LE (también potenciales).

Cada BTS cursa un tráfico t a través de d canales de comunicación. Los canales de comunicación son funciones enteras de la capacidad del canal usado y el tráfico a cursar, siendo un entero por exceso.

En base a los costes de los enlaces, instalación de CSS y LS se realiza una búsqueda tabú para minimizar el coste de la instalación total activando o desactivando CSS y LE del conjunto de “conmutadores potenciales”.

Conclusiones del modelo: Nomenclatura alejada del estándar El RNC puede tener conexión hacia otro RNC o hacia el core, por

tanto, el modelo está muy alejado de una topología habitual. No se admiten conexiones Nodo B – Nodo B, algo también alejado de

lo normal.

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Alpár Jüttner et-al. en “Two new algorithms for UMTS access network topology design” plantean un modelo algo más parecido con la realidad.

Función objetivo: minimizar el coste total de interconexión teniendo en cuenta los siguientes costes: Costes de los RNCs: instalación y coste de los enlaces con los

Nodos B. Coste de los enlaces entre Nodos B que dependen de el origen,

el destino y el nivel que ocupan en la estructura del árbol.

El objetivo de este modelo es emplazar de forma óptima los RNCs y cómo conectar los Nodos B hacia los RNCs, ya sean de forma directa o indirecta. Se admiten conexiones Nodo B – Nodo B

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Modelado (I): Todos los elementos a interconectar se modelan como nodos

de un grafo tipo árbol, G=(N,E) donde N es el número de Nodos B y E son los enlaces, en el que el nivel más alto (raíz) se sitúan a los RNC.

El problema no abarca la interconexión entre RNCs o su conexión al core de la red.

El problema se analiza desde dos puntos de vista, por un lado, se presenta una descripción general del problema y el modelo, introduciendo la notación, los objetivos y las condiciones para su resolución. En base a toda esta información genérica se presentan algoritmos para su resolución, en términos generales y sin entrar en un modelado matemático.

No obstante, la simplicidad del modelo presentado permite dividir el problema de interconexión de Nodos B en UMTS en subproblemas basados en el árbol planteado en el modelo.

Teniendo en cuenta que factores como la disponibilidad del servicio imponen minimizar los efectos de las caídas de estaciones base, se asume como “normal” que el máximo número de niveles del árbol sea 3, y teniendo en cuenta este dato se plantea un modelo matemático muy próximo a un problema real.

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Modelado (II): Función objetivo (general)

El coste total de la red está formado por los siguientes factores: Coste de implantación de los RNCs (número x coste) Coste de los enlaces. El coste de los enlaces no es un valor

constante, puesto que depende del nivel en el que se encuentre dicho enlace dentro del árbol, el nodo origen y el nodo destino. Por tanto, cost_link = f(i,j,l), donde i es el nodo origen, j el nodo destino y l es el nivel del árbol.

Los autores plantean esta función genérica e indican cómo se resolvería (algoritmo), si bien sí que se plantea el caso base: “Single tree problem”

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Partimos de un árbol que contará con n nodos, una RNC (nodo raíz) y n-1 Nodos B (que llamaremos estaciones base para no mezclar dos conceptos de “nodo”).

El emplazamiento de la RNC queda fuera de este problema (se asumirá como dato).

El objetivo no cambia, hay que enlazar, ya se sea de forma directa o indirecta, las estaciones base con el RNC, formando un árbol cuya raíz es el RNC y en que se cumplirán las siguientes restricciones: La profundidad del árbol (número de niveles), como máximo será l_tree

(fijado por el operador) La capacidad entrante (enlaces de entrada) de las estaciones base

como máximo será d_RBS La capacidad entrante del RNC será como máximo d_RNC.

Los autores del artículo asumen para su modelo que l_tree es típicamente 3, por tanto, como máximo la cadena de estaciones base será de un máximo de 3 (nivel 1, 2 o 3).

Se asumen como parámetros prefijados las funciones de coste de los enlaces entre los distintos niveles (por proximidad de distancias y simetría del sistema), con: Ci: coste de un enlace entre el nodo i y RNC Cij / Dij: coste de un enlace entre el nodo i y el nodo j, dependiendo si

el nodo i está en el nivel 2 o en el 3.

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Modelado (I): Función Objetivo: Restricciones:

r, x e y modelan la existencia, o no, de enlace entre el nodo i y el j (caso de x e y) y entre el nodo i y la raíz (RNC).

cada nodo sólo puede pertenecer a uno de los niveles del árbol y que se conecta al nodo inmediatamente superior por un sólo enlace.

el número de enlaces que llegan al RNC no debe superar el máximo admisible por éste.

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Modelado (y II): Restricciones (y II):

Los autores completan el modelo con dos restricciones relativas a la capacidad de cada nodo.

Lo lógico hubiese sido expresión análoga a la anterior pero relativa a d_RBS.

En vez de eso, fijan las siguientes restricciones:

Los niveles están formados por 2 nodos, es decir, hay 2 estaciones base de cada nivel conectadas a otra estación base del nivel superior.

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Resolución del modelo: A pesar de que la formulación del problema es ILP

(Integer Lineal Programming) y está muy simplificada, el problema sigue siendo NP-Hard.

Para su resolución se aplicarán dos acciones: Aplicar relajación Lagrangiana para obtener una cota

inferior de la solución. Aplicar exploración dirigida (branch-and-bound)

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Referencias: Matteo Fischetti, Giorgio Romanin Jacur, Juan José Salazar

González. “Optimisation of the interconnecting network of a UMTS radio mobile telephone system”. European Journal of Operational Research, 144 (2003), p 56-67.

Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithms for UMTS access network topology design”. European Journal of Operational Research, 164 (2005), p 456-474.

E. Builtenwerf, G. Colombo, H. Mitts, P. Wright, “UMTS: Fixed network issues and design options”. IEEE Personal Communications 2 (1) 1995 p. 30-37.

Bartlett, A.; Jackson, N.N.; “Network planning considerations for network sharing in UMTS”. 3G Mobile Communication Technologies, 2002. Third International Conference on (Conf. Publ. No. 489). 8-10 May 2002 Page(s):17 – 21

Zangar, N.; Abdennebi, M.; Tabbane, S.; Tohme, S.; “UTRAN Capacity Study and Dimensioning”. Information and Communication Technologies, 2006. ICTTA '06. 2nd. Volume 2, 24-28 April 2006 Page(s):2506 – 2511

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Resumen

La complejidad de diseñar una red completa conlleva la división del mismo en sub-problemas que pueden resolverse por separado y que pueden conducir, al unirlas, a una solución localmente óptima.

Los problemas son: El emplazamiento de estaciones base, concretamente en UMTS, Nodos B. La interconexión de las estaciones base con los nodos con capacidades de

conmutación, RNC, y su interconexión al core de la red para encaminamiento de las llamadas y los paquetes de datos.

Optimización de los recursos radio de un Nodo B para minimizar potencias de emisión (minimizar interferencias) pero maximizando el área de cobertura del Nodo B.

En cualquier caso, a pesar de que el problema global es divisible, los sub-problemas por sí mismos implican una alta carga computacional en su resolución, siendo casi todos NP-duros.

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Referencias.1) Joseph C.S. Cheung, Mark A. Beach and Joseph P. McGeehan. “Network Planning for Third-Generation Mobile Radio Systems”.

IEEE Communications Magazine. November 1994. P. 54.

2) Evert Buintenwerf, Giovanni Colombo, Häkan Mitts and Phil Wright. “UMTS: Fixed Networks Issues and Design Options”. IEEE Personal Communications. February 1995. P. 30.

3) Ermanno Berruto, Mikael Gudmundson, Raffaele Menolascino, Werner Mohr and Marta Pizarroso. “Research Activities on UMTS Radio Interface, Network Architectures and Planning”. IEEE Communications Magazine. February 1998. P. 82.

4) Matteo Fischetti, Giorgio Romanin Jacur, Juan José Salazar González. “Optimisation of the interconnecting network of a UMTS radio mobile telephone system”. European Journal of Operational Research, 144 (2003), p 56-67.

5) Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithms for UMTS access network topology design”. European Journal of Operational Research, 164 (2005), p 456-474.

6) Iana Siomina, Peter Värbrand and Di Yuan. “Automated optimization of service of coverage and base station antenna configuration in UMTS Networks”. IEEE Wireless Communications. December 2006, p 16-25.

7) Edoardo Analdi, Antonio Capone, Federico Malucelli and Francesco Signori. “Optimization models and algorithms for downlink UMTS radio planning”. Wireless Communications and Networking, 2003. WCNC 2003. 2003 IEEE Volume: 2, p: 827- 831.

8) Edoardo Analdi, Antonio Capone and Federico Malucelli. “Planning UMTS Base Station Location: Optimization Models with power control and algorithms”. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 2 Nº5 September 2003, p. 939-952.

9) Chae Y. Lee and Hyon G. Kang. "Cell Planning with Capacity Expansion in Mobile Communications: A Tabu Search Approach". IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 49, NO. 5, SEPTEMBER 2000.

10) Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”. Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.

11) “Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en UMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana. Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3

12) M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, Fundación Airtel Vodafone, 2002.

13) J. M. Hernando Rábanos, “Comunicaciones móviles”, Ed. Centro de Estudios Ramón Areces, 1997.

14) David Roldán. “Comunicaciones inalámbricas. Un enfoque aplicado”. Septiembre 2004. Ed. Ra-Ma. ISBN:8478976213.

15) S. Sohn and G.S. Jo. “Optimization of base stations positioning in Mobile Networks”. Lecture Notes in Computer Science Vol. 3981 (2006), p. 779-787

16) Manuel F. Cátedra, Jesús Pérez-Arriaga. “Cell Planning for Wireless Communications”. Ed Artech House. 1999. Chap. 6

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Muchas gracias por vuestra atención

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Juan J. Velasco Rivera

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