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REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO 2012
9
Eficiência Energética em Redes Ópticas de
Transporte
José Ewerton P. de Farias, Membro Sênior OSA
Resumo—Neste artigo são apresentadas as tendências de
crescimento e caracterı́sticas do tráfego em redes ópticas de
transporte. Uma breve análise sobre o consumo de energia em
um sistema de transporte opticamente amplificado é incluı́da.
Ideias no sentido de otimizar o consumo de energia pelas redes
de telecomunicações são apresentadas e discutidas sucintamente.
Index Terms—Eficiência energética em redes, redes ópticas de
transporte, tráfego IP.
I. I NTRODUÇ ÃO
A necessidade de se inserir a conservação de energia na lista
de prioridades se tornado consensual, inclusive no contexto das
TICs (tecnologias da informação e comunicação). No que diz
respeito às infraestruturas de telecomunicações, tendo em vista
os grandes volumes de tráfegos atualmente presentes nas redes,
a busca por elementos de redes energeticamente eficientes
torna-se a cada dia um imperativo para a sustentabilidade
desse setor essencial da atividade humana. Em 2009 as TICs
foram responsáveis por cerca de 8% do total da energia elétrica
consumida no mundo [1]. Em 2007 o setor já contribuiu com
2% do total das emissões de CO2 (equivalente a cerca de
830 milhões de toneladas de CO2 emitidas na atmosfera),
mesmo percentual emitido pelo segmento transporte aéreo.
Esse número poderá crescer a 4% até 2020 [2]. Caso polı́ticas,
paradigmas e tecnologias atualmente praticados não sejam
mudados ou aperfeiçoados, e tendo em vista o aumento de
tráfego esperado para os próximos anos, em 2020 a fatia das
TICs no consumo global de energia elétrica poderá atingir os
20% [3]. No Brasil o tráfego IP em 2015 será 8 vezes maior do
que foi em 2010, refletindo um crescimento anual esperado de
52% no perı́odo. Em 2015 as redes IP no Brasil transportarão
cerca de 62 Petabytes (62 × 1015 bytes) por dia. Também em
2015, o tráfego IP médio no Brasil atingirá os 6 Tbps (6×1012
bits/seg), o que equivalerá a 4.760.000 pessoas consumindo
vı́deo em alta definição simultaneamente, durante todo o dia,
todos os dias. Diante de projeções como estas [4], estudos
que indiquem as oportunidades de minimização energética
combinada com o aumento apropriado da oferta de capacidade
pela infraestrutura das TICs tornam-se importantes no sentido
de balizarem os investimentos voltados à economia da energia
usada por empresas e por pessoas no processamento e no transporte de informação. Para fazer frente a esse cenário de crescimento rápido no tráfego e consequentemente rápido aumento
no consumo de energia pelas TICs, as pesquisas podem seguir
José Ewerton P. de Farias, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande - PB, Brasil, E-mail:
[email protected].
duas direções. A primeira, especialmente aplicável em regiões
mais dependentes de energia de fontes menos limpas do ponto
de vista ambiental, trata do desenvolvimento de fontes mais
limpas e renováveis de energia. A segunda, identifica as oportunidades e aplica estratégias no sentido da conservação de
energia. Eficiência e conservação são provavelmente as fontes
mais baratas e mais disponı́veis de “energia nova”. Por isso, os
equipamentos, seus componentes, as arquiteturas das redes e
os procedimentos operacionais das diversas infraestruturas de
TICs precisam ser projetados considerando também eficiência
e conservação de energia. Como um exemplo de que margens
importantes para a eficientização energética existem nas atuais
infraestruturas de TICs, tomemos o caso dos três domı́nios
das redes ópticas: 1) Acesso; 2) Metropolitanas; 3) Núcleo
(backbone). No caso 1), redes de acesso, hoje menos que 15%
da energia consumida é efetivamente utilizada. No caso 2),
redes metropolitanas, menos que 30% da energia consumida é
efetivamente utilizada. No caso 3), redes-núcleo transparentes,
menos que 50% da energia consumida é efetivamente utilizada
[5]. Neste artigo, são discutidos o crescimento do tráfego e
aspectos sobre eficiência energética em backbones ópticos com
tráfego predominantemente na forma IP. Conhecer bem as
tendências do crescimento, bem como a constituição (tipos)
do tráfego faz parte do planejamento de como deverá evoluir
uma rede. A seção II apresenta estimativas de longo prazo
para o crescimento de tráfego em backbones ópticos. A seção
III traz um resumo sobre os tipos de tráfegos presentes em
backbones ópticos numa operadora tı́pica. A seção IV aborda
a questão do consumo de energia pelo segmento rede de
transporte opticamente amplificada. A seção V apresenta ideias
no sentido de se otimizar o consumo de energia em redes de
telecomunicações.
II. C RESCIMENTO
DO TR ÁFEGO
IP GLOBAL
A investigação sobre o consumo de energia em redes requer
que dados sobre tráfegos em backbones ópticos, bem como
nos outros segmentos das redes, sejam coletados e analisados.
Em [2] os autores enfatizam o uso da taxa de crescimento
anual composta (TCAC) do tráfego sobre backbones públicos.
Em [4] são disponibilizados volumes de tráfego para várias
regiões do mundo. A Figura 1 reproduz a previsão da TCAC
para o tráfego IP global. A taxa de crescimento anual global
atual do tráfego em backbones IP está estimada em cerca de
38%, o que corresponde a uma duplicação a cada 26 meses
aproximadamente. Detalhes sobre a obtenção desta estimativa
são dados em [10]. Com base em dados atuais, espera-se
que o tráfego global em backbones IP, e consequentemente
Entrada
Hora
Saída
Figura 2. Variação diária dos tráfegos de entrada e de saı́da no amsix em
03/04/2012.
Bits/seg
a capacidade necessária, deverá crescer por um fator de
aproximadamente 12 vezes até 2022. Considerando volumes
absolutos de tráfegos, alguns números disponibilizados por
operadoras, por IXPs (pontos de interconexão da Internet) e
por fornecedor de equipamentos de redes são destacados a
seguir:
• Rede Global da AT&T, março 2011: volume médio
transportado em um dia de semana foi superior aos 23,7
petabytes ou aproximadamente 23, 7 × 1015 bytes [6].
• LINX — ponto de interconexão da Internet em
Londres, 11/04/2012: tráfego médio diário de 840,42
Gbps ou aproximadamente 9 petabytes processados por
dia LINX2012.
• amsix — ponto de interconexão da Internet em
Amsterdam, 11/04/2012: tráfego médio diário de 982,62
Gbps ou aproximadamente 10,6 petabytes processados
por dia. O amsix possui 484 redes-clientes e um total de
926 portas disponı́veis [8]. A Figura 2 ilustra a variação
diária dos tráfegos de entrada e de saı́da (curva em azul)
para o amsix obtidos em 03/04/2012. A Figura 3 mostra
a evolução dos tráfegos médios de entrada e de saı́da,
além do comportamento do tráfego de pico para o amsix
entre dezembro/2010 e março/2012. O tráfego médio de
entrada e de saı́da foi de 840,9 Gbps, enquanto que o
tráfego de pico foi de 1,53 Tbps nesse perı́odo [8].
• IXPs no Brasil. Tráfego médio diário agregado dos
20 IXPs existentes no Brasil às 09:00 horas do dia
17/04/2012: 64,25 Gbps. Tráfego de pico diário nessa
mesma data: 106,86 Gbps. A Figura 4 a variação diária
dos tráfegos de entrada e de saı́da (curva em azul) para
os 20 IXPs do Brasil obtidos em 17/04/2012 [9].
• Brasil, tráfego IP médio em 2015: Segundo projeções
disponı́veis em [4], será da ordem de 6 Tbps (6 × 1012
bits/seg).
Bits por segundo
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Dez Jan
Fev
Mar Abr
Tráfego médio entrada
Figura 3.
março/2012.
Mai
Jun
Jul
Ago
Tráfego médio saída
Set
Out
Nov
Dez
Jan
Fev
Mar
Tráfego de pico (intervalos de 5 minutos)
Variação anual dos tráfegos no amsix, dezembro/2010 a
Bits/seg
10
Entrada
Saída
Hora
Figura 4. Variação diária dos tráfegos de entrada e de saı́da para os 20 IXPs
no Brasil em 17/04/2012.
anual bem inferior ao que acontecia nas duas décadas passadas. Os esforços de pesquisa e desenvolvimento desprendidos
ao longo dos últimos 5-6 anos no sentido de dotar os sistemas
250
WDM de capacidades cada vez maiores podem, entretanto,
ser justificados. É que a taxa de crescimento anual moderada
200
de hoje incide sobre números absolutos (tráfegos) bastante
altos, conforme tentou-se evidenciar na seção anterior. O
150
que não ficou evidenciado até aqui é que a Internet não
é o único motivador para os investimentos em equipamen100
tos de transmissão com grandes capacidades. Operadoras de
telecomunicações com grandes áreas de cobertura organizam50
se em redes metropolitanas (metros). Os equipamentos das
metros são normalmente interligados via fibra óptica. O seg0
2005
1995
2000
2010
2020
2025 mento rede de acesso conecta um usuário à instalação mais
2015
próxima da operadora. Redes metro são interligadas por redes
Ano
núcleo (backbones). Redes podem ser também vistas como
estando organizadas em camadas formadas por nós (switches
Figura 1. Crescimento anual global do tráfego IP.
ou OXC) e enlaces. Essa ideia está graficamente ilustrada em
[10]. Este modelo contém dois tipos principais de serviços: (i)
IP (coloquialmente Internet) e (ii) LP (linha privada). Serviços
III. T IPOS DE TR ÁFEGOS EM backbones ÓPTICOS
IP são fornecidos pela Camada IP, constituı́da por um núcleo
Os conteúdos das seções anteriores nos mostram que o IP/MPLS (Multiprotocol Label Switching) integrado por roteatráfego IP global continua a crescer, porém uma taxa média dores. Os serviços LP são fornecidos por meio de três camadas
Taxa de crescimento anual (%)
300
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diferentes: 1) Camada W-DCS (conexão cruzada digital de
faixa larga) para serviços a baixas taxas (até 2 Mbps); 2) BDCS, conexão cruzada digital de faixa larga, integrada por
chave óptica inteligente (IOS) e por anel óptico SDH, para
serviços a taxas intermediárias (entre 155 e 622 Mbps); 3)
Camada ROADM (multiplexador insere-remove óptico reconfigurável), também chamada de camada óptica, para serviços
LP a taxas de 2,5 Gbps e acima. As demandas sobre a camada
ROADM originam-se principalmente das camadas B-DCS, IP
e LP a altas taxas. Tais demandas são estimadas em para
uma rede tı́pica [10]. A camada B-DCS contribui com 42%
do tráfego na camada ROADM. A camada IP contribui com
43% do tráfego na camada ROADM. A camada LP a altas
taxas contribui com 15% do tráfego sobre a camada ROADM.
Devido à complexidade das inter-relações entre as camadas,
esses percentuais podem dar lugar a interpretações ambı́guas.
Por exemplo, a camada B-DCS também fornece capacidade,
estimada em cerca de 40% da demanda sobre esta, para a
camada IP (por meio de enlaces de taxas mais baixas). Os
percentuais aqui apresentados mostram que tanto Serviços IP,
quanto Linhas Privadas desempenham papeis importantes.
IV. C ONSUMO
DE ENERGIA EM REDES DE TRANSPORTE
O consumo de energia em sistemas de transporte é condicionado pelos consumos nos amplificadores ópticos e nos
transmissores e receptores ópticos. O desempenho de um
sistema de transporte óptico obedece ao limite de Shannon
com relação à sensibilidade do receptor, e depende de fatores
tais como formato de modulação, perdas na fibra, extensão do
sistema e ASE (ruı́do de emissão espontânea amplificado) em
amplificadores ópticos [11], [12], [13]. Em conjunto, esses
fatores estabelecem um limitante inferior sobre o número
necessário de amplificadores e, por conseguinte, sobre o consumo de energia pelos amplificadores. Localizando-se estágios
amplificadores estrategicamente, pode-se minimizar o consumo total de energia de um sistema de transporte amplificado
opticamente. No caso de transmissores e receptores ópticos, o
consumo de energia depende dos respectivos circuitos. Entre
1960 e 2012 a energia consumida por bit para o transporte ao
longo de 1.000 km em sistemas ópticos de transporte caiu de
cerca de 1 mJ (cabo coaxial submarino TAT-1) para cerca de
1,1 nJ (sistemas WDM terrestres atuais). A Tabela I mostra
as parcelas desta energia (1,1 nJ). Observa-se que o consumo
de energia em amplificadores ópticos é aproximadamente o
mesmo daquele no par transmissor/receptor. Para sistemas
com alcances diferentes dos 1.000 km aqui considerados, a
repartição de energias entre amplificadores e o par transmissor/receptor pode ser diferente.
Os esquemas na Figura 5, partes (a) e (b), nos ajudarão no
entendimento de resultados fundamentais expostos a seguir.
A parte (a) ilustra um sistema contendo n enlaces, cada um
com comprimento L, opticamente amplificados e idênticos. A
parte (b) mostra um enlace contendo um transmissor óptico, m
seções (estágios) de amplificação e um receptor óptico. Cada
estágio possui extensão Lestagio . A potência total consumida
pelo enlace de transmissão na Figura 5 (b) é dada por:
Ptot = mPA + PT x/Rx
Consumo/dispositivo (40 λs)
Energia/bit/dispositivo
No. de dispositivos (1.000 km)
Energia/bit (1.000 km)
Tx/Rx
800 W
500 pJ
1
500 pJ
Amplificador
100 W
60 pJ
10
600 pJ
(1)
onde PA é a potência de alimentação de cada amplificador,
PT x/Rx é a potência de alimentação de cada par transmissor/receptor WDM, e PT x e PRx são as potências de
alimentação de transmissor e receptor, respectivamente. Para
cada comprimento de onda, a potência do sinal de entrada e
a potência do sinal de saı́da de cada amplificador são Pent
e P1 , respectivamente. A potência de entrada do sinal para
cada comprimento de onda pode ser escrita como Pent =
P1 e−αLestagio . A equação de conversão de potência para os k
canais WDM pode ser escrita como k(P1 −Pent ) = ηP CE PP ,
onde ηP CE é a eficiência de conversão de potência do amplificador e PP é a potência do bombeio [14]. Para cada
comprimento de onda, a relação sinal-ruı́do óptica (OSNR)
na saı́da do m-ésimo estágio em cada enlace opticamente
amplificado é dada por [14]:
OSN R =
1
2nesp m(eαLestagio − 1)hνBO
(2)
onde BO é a largura de faixa óptica, P1 é a potência média do
sinal na saı́da do transmissor e de cada um dos amplificadores,
nesp é o fator de emissão espontânea de cada um dos amplificadores, h é a constante de Planck e ν é a frequência óptica.
É conveniente expressar a equação (2) em termos da relação
sinal-ruı́do por bit (SN Rbit ). Esta é dada 2τbit BO OSN R,
onde τbit é o tempo de bit. Então, a energia por bit do sinal
óptico na saı́da do m-ésimo amplificador é dada por:
E1 = P1 τbit = SN Rbit nesp m eαLestagio −1 hν.
(3)
Combinando (1) com (3), a energia total consumida por bit
Enlace 1
Entrada
Enlace 2
Tx
Rx
P
Tx
Tx
Enlace n
Rx
Tx
L
...
Rx
Tx
Saída
L sist = n L
(a)
Estágio 1
Estágio m
PA
PA
P1
Pent
a
P1
P
P1
...
G
L estágio
Tabela I
C ONSUMO DE ENERGIA POR BIT PARA SISTEMAS DE TRANSPORTE ATUAIS
(1.000 KM , 40×40 G BPS )
11
a
P
Rx
P1
ent
G
Rx
L = m L estágio
(b)
Figura 5.
Sistema de transmissão WDM com extensão Lsist .
Total/bit
por comprimento de onda por todos os dispositivos ativos no
enlace opticamente amplificado é Ebit = Ptot τbit /k ou
1,1 nJ
Ebit = EAmp + ET x/Rx
(4)
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onde
mPA τbit
EAmp =
k
2
αLestagio
− 1 1 − e−αLestagio hν
SN Rbit nesp m e
=
ηEP CE
4 x 10
-13
(5)
é a energia total por bit por comprimento de onda nos
amplificadores. ηEP CE = ηE ηP CE e ηE é a eficiência de
conversão de potência dos circuitos de controle e gerência do
amplificador. ET x/Rx = PT x/Rx τbit /k é a energia consumida
por bit por comprimento de onda no par transmissor/receptor.
Com a finalidade de se determinar o limite inferior teórico
para a energia consumida por bit no amplificador, EAmp ,
fazemos a eficiência de conversão de potência ηP CE igual
ao seu máximo teórico, isto é, aproximadamente 1,0 para um
EDFA (erbium-doped fiber amplifier) com um comprimento de
onda de bombeio próximo dos 1.480 nm, e comprimentos de
onda amplificados em torno dos 1.550 nm. Fazemos ηE = 1, 0,
nesp = 1, 0 e admitimos perda de acoplamento nula na entrada
e na saı́da do amplificador. Assim, para amplificadores ideais,
(5) reduz-se a:
EAmp−min ≃ SN Rbit m2 eαLestagio − 1 1 − e−αLestagio hν
(6)
onde EAmp−min é o limite inferior teórico para EAmp .
A Figura 6 mostra um gráfico de EAmp−min em função
do espaçamento entre amplificadores, Lestagio , para uma
distância de transmissão total de 2.000 km, perda na fibra
de 0,2 dB/km, e comprimento de onda de operação de 1,55
µm. A SNR por bit é 16,1 dB para OOK e 13,4 dB para
DBPSK, necessárias para assegurar uma BER (taxa de erro
de bit) de 10−9 em cada caso. A análise apresentada em
OOK
amplificadores, transceptores, etc. pelos quais ele passa desde
o ponto de origem até o ponto de destino, e adicionando-se
as contribuições de cada um desses elementos de rede. Na
Tabela II são mostrados valores aproximados para a energia
consumida por bit por alguns elementos de rede da geração
atual. A Figura 7 mostra o consumo total de potência de uma
rede global com 1,8 bilhão de usuários em 2010 [15], com uma
taxa de crescimento anual de usuários de 10%, taxa média de
acesso por usuário em 2010 de 200 kbit/seg com crescimento
previsto de 50% ao ano, e número médio de saltos (número
médio de enlaces usados entre fonte e destino) de 20.
Tabela II
E NERGIA CONSUMIDA POR BIT POR ALGUNS ELEMENTOS DE REDE DA
GERAÇ ÃO ATUAL
Elemento
Roteador (rede-núcleo)
Switch Ethernet
Tx-Rx WDM
Transceptor PIC
Chip para FEC
Amplificador óptico
OXC usando MEMS
Total usando tecnologia de 2010
10 11
1010
Total considerando melhorias
de 15% ao ano
PON (rede óptica
de acesso passiva)
Roteadores e
Switches
109
10 8
Transporte
2010
2015
2020
2025
-13
Ano
2 x 10
E Amp-min (J/bit)
Energia por bit (nJ)
20
10
0,5
<0,5
0,25
0,015
0,01
10 12
Consumo de potência total da rede (W)
12
DBPSK
Figura 7. Consumo total de uma rede com 1,8 bilhão de usuários em 2010.
V. C OMO
0
Limite de Shannon para
eficiência espectral = 1 bit/s/Hz
0
20
40
60
80
Espaçamento entre amplificadores,
100
120
140
160
Lestágio (km)
Figura 6. Energia total mı́nima por bit consumida por amplificadores para
um sistema com 2.000 km de extensão em função do espaçamento entre
amplificadores.
[15] confirma que em uma escala global, o consumo de
energia da infraestrutura de comutação (switches e roteadores)
é maior do que o consumo de energia da infraestrutura de
transporte. A energia consumida por um bit ao percorrer a
Internet pode ser estimada contando-se o número de switches,
IMPLANTAR REDES DE TELECOMUNICAÇ ÕES
ENERGETICAMENTE EFICIENTES ?
Constituindo-se parte importante da infraestrutura de TICs,
as redes de telecomunicações do futuro precisarão melhorar os
serviços oferecidos e, ao mesmo tempo, melhorar seus desempenhos do ponto de vista do uso de energia. Especificamente,
o que deve ser feito para alcançar tal otimização no consumo
de energia? A seguir, algumas respostas a esta questão:
• Reduzir o consumo por elementos da rede: Exemplos:
switches, roteadores e sistemas de transmissão.
• Reduzir o consumo em componentes ópticos e
eletrônicos: Exemplos: moduladores (que alcancem altas velocidades com moderadas correntes de excitação),
amplificadores ópticos mais eficientes, lasers de bombeio
mais eficientes.
REVISTA DE TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO, VOL. 2, NO. 1, OUTUBRO 2012
•
•
•
•
•
Reduzir perdas de energia em funções secundárias:
Funções que não sejam centrais para o funcionamento da
rede devem ter consumo de energia limitado a um mı́nimo
indispensável.
Examinar compromissos entre alternativas de formatos de modulação óptica e protocolos de codificação:
À medida que as taxas de transmissão por canal WDM
crescem torna-se importante considerar os compromissos
entre formatos de modulação disponı́veis e protocolos de
codificação. Hoje, com a ineficiência energética comum
em amplificadores ópticos, a escolha de esquemas de
transmissão com altas eficiências espectrais melhora a
eficiência global uma vez que reduz o número necessário
de amplificadores. Por outro lado, com amplificadores
mais eficientes, formatos de modulação menos espectralmente eficientes podem tornar-se atrativos oferencendo
consumo global menor. Também, deve-se examinar se os
benefı́cios da codificação/decodificação de canal compensam a energia consumida nessas operações.
Planejar bem a arquitetura da rede à medida que esta
cresce: Quando surge a necessidade de processar tráfego
com granularidade inferior a 1 comprimento de onda
em um certo ponto, switches e/ou roteadores eletrônicos
precisam ser usados. Em várias circunstâncias, o uso de
agrupamento (grooming) em nı́vel de comprimento de
onda e de bypass óptico, através de conexões ópticas
cruzadas (OXCs) ou de OADMs (multiplexadores insereremove ópticos), pode reduzir o número de switches
e roteadores na rede, reduzindo assim o consumo de
energia. Formas de agrupamento de tráfego com granularidade inferior a 1 comprimento de onda podem ser mais
eficientes do ponto de vista energético do que o uso de
chaveamento eletrônico de pacotes [16].
Aumentar o nı́vel de utilização de subsistemas: Switches e sistemas de transporte devem ser utilizados com
pouca folga. Devem ser dimensionados com capacidades para suportarem tráfegos de pico e terem alguma
reserva de capacidade para aumentos de tráfego futuros.
Elementos de rede, ou alguns dos seus componentes,
quando possı́vel, devem ser colocados em modo de baixa
energia-baixa capacidade. Se a utilização cair abaixo de
um certo valor crı́tico, o tráfego deve ser desviado através
de outros recursos da rede. Equipamento subutilizado ou
não utilizado deve ser posto em modo de hibernação.
Minimizar o consumo de energia na comutação
eletrônica: Há uma baixa expectativa de que as técnicas
de comutação óptica de pacotes (OPS) [17] tornem-se
competitivas com relação à comutação eletrônica. Assim,
minimizar o consumo de energia em switches eletrônicas
pode ser a alternativa para produzir resultados mais
práticos neste momento.
VI. C ONCLUS ÃO
À medida que a infraestrutura global de comunicações se
expande, o tema eficiência energética no contexto das redes de
comunicações cresce em importância. O aumento na demanda
por serviços de faixa larga via Internet é o principal motivador
13
para a atual busca pelo aumento acelerado na capacidade
dos sistemas WDM. Este artigo apresenta uma introdução
sobre aspectos do crescimento do tráfego IP global e sobre
o consumo de energia em infraestruturas de TICs (tecnologias
da informação e comunicação) e, em particular, consumo de
energia em redes de transporte. Ao final, algumas ideias que
podem contribuir para a otimização do uso de energia em redes
de telecomunicações são apresentadas de forma sucinta.
R EFER ÊNCIAS
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