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我国空间互联网星座系统发展战略研究丨中国工程科学

《中国工程科学》 中国工程院院刊 2022-05-18

本文优先出版于中国工程院院刊《中国工程科学》2021年第4期

作者:李峰,禹航,丁睿,王宁远,王雨琦,周志成

来源:我国空间互联网星座系统发展战略研究[J].中国工程科学,2021,23(4).


编者按

空间互联网包括由各类在轨运行的飞行器、卫星或卫星星座构成的空间信息处理及通信设施,各类地面站、核心网等相关地面基础设施,各类应用系统融合构成的高性能全球网络基础设施,是新一代全球互联网发展的重点方向、新一轮空间竞争的焦点。空间互联网星座系统是国家空间信息基础设施的重要组成部分,目前我国尚处于空间互联网星座系统构建的筹备阶段,起步较晚,面临诸多风险因素,距离支撑经济社会发展的长远目标存在明显差距。因此,亟需尽快开展多方位的顶层分析论证,为后续空间互联网产业体系发展提供规划建议。


中国工程院周志成院士科研团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2021年第4期撰文指出,发展自主可控的空间互联网星座系统是网络强国建设的重要内容,可有效提升全球覆盖、安全可控的信息网络服务能力,抢占空间信息领域发展制高点和主动权。文章开展了空间互联网星座系统发展的综合性研究,分析了空间互联网建设的宏观需求,研判了国内外空间互联网星座系统的发展趋势,提出了我国空间互联网星座系统建设的发展思路、重点任务、技术路线。文章研究认为,在推进我国空间互联网星座系统的论证设计、工程建设过程中,应着重加强国家顶层统筹规划,加快卫星互联网标准制定,加大关键技术攻关力度,促进融合创新应用并构建安全防护体系,以此全面提升我国空间信息网络服务能力,建设弹性空间体系。




一、前言


空间互联网包括由各类在轨运行的飞行器、卫星或卫星星座构成的空间信息处理及通信设施,各类地面站、核心网等相关地面基础设施,各类应用系统融合构成的高性能全球网络基础设施,是新一代全球互联网的发展重点方向、新一轮空间竞争的焦点。


国际卫星产业龙头企业均在积极开展空间互联网业务投资,力求抢占卫星空间网络高地,争夺空间宝贵资源。以Starlink、Oneweb等为代表的低轨巨型星座工程已经进入实际部署阶段,新一代“千星星座”乃至“万星星座”的空间互联网低轨星座系统启动建设。在我国,空间互联网作为国家空间信息基础设施的重要组成部分,纳入了“新基建”范畴。


已有研究从空间互联网的体制、架构、关键技术等方面着手,对我国相关领域的建设与发展进行探讨:提出天地一体的空间互联网架构,分析网络发展趋势与关键技术;阐述空间互联网与地面第五代移动通信(5G)技术融合的网络架构、关键技术、应用场景;研究5G与卫星通信融合的空中接口设置与标准化策略;从技术及产业的角度论述卫星互联网与5G/第六代移动通信(6G)的协同发展趋势。于此同时,我国的国有企业、民营企业、初创公司纷纷开展空间互联网的试验摸索和建设尝试;相关管理部门依托国家科技创新专项先期推动星座系统论证,面向迫切需求、整合优势力量、推动工程建设。


也要注意到,目前我国依然缺乏有关空间互联网星座系统的全面综合分析,统筹规划和建设步骤也有待深入研究;在后续建设过程中,将面临频率轨道、通信标准、信息安全、产业应用等诸多难题。因此,尽快开展多方位的顶层分析论证、形成后续空间互联网产业体系发展规划建议显得尤为迫切。


二、我国空间互联网建设需求分析


发展自主可控的空间互联网星座系统是网络强国建设的重要内容,可有效提升全球覆盖、安全可控的信息网络服务能力,抢占空间信息领域发展制高点和主动权。空间互联网星座建设,一方面要聚焦国家需求,建设全球可通、自主可控的卫星互联网,另一方面要推动形成“互联网+”航天的新兴产业。


(一)服务国家重大战略,支撑网络强国建设


空间互联网作为国家战略性基础设施,对支撑和推动经济、政治、文化、社会各领域发展的作用显著。发展我国自主的空间互联网星座系统,是占据空间信息网络发展制高点、实现网络强国战略目标的重要举措,是构建国家重大能力、维护空间资源和地位的集中反映;作为航天强国建设的标志性工程,是牵引商业航天全面发展、引领信息产业和宇航技术升级的重要举措。


(二)保障安全通信,建设天基通信弹性空间体系


面对复杂、严峻的全球网络信息安全形势,加快构建独立自主的空间互联网星座系统,可显著提高我国天基通信体系的生存能力,形成维护国家信息安全的有效手段,对构建我国弹性空间通信体系意义重大。通过多功能结合的创新应用,快速增强我国自主安全的通信保障能力,保障国家长远战略利益。


(三)综合一体化应用,拓展信息网络覆盖范围


随着我国“走出去”战略的不断深化,信息网络的全球能力覆盖势在必行。优先在海洋、极地、“一带一路”沿线等区域实现宽、窄带结合的通信保障能力,进而形成全球覆盖、功能共用的空间信息基础设施。智慧海洋工程、航空器全球追踪与安全监控等行业应用规划的推进,促进导航增强、广域监视及数据采集分发等行业服务的产业化发展。


(四)促进经济社会发展,提升居民生活质量


空间互联网既可保障海外通信需求、服务国家经济活动、促进高质量“走出去”,又是信息产业发展的新引擎,对推动产业转型升级、实现新兴产业布局起到关键作用。空间互联网作为仍在快速发展的互联网升级方向之一,可为我国老少边穷地区提供普遍的互联网服务,是带动地区经济社会发展、缩小城乡发展差距、弥合数字鸿沟、提升居民生活质量的重大基础设施。


(五)带动卫星产业发展,引领航天产业升级


空间互联网星座系统建设,将促进我国航天产业转型升级:催生卫星模块化、标准化、国际化设计理念转变,带动卫星、运载火箭的批产能力与生产线建设,实施地面系统与地面运营的国际化推广。通过面向世界一流的空间互联网能力建设,引领我国航天装备、信息服务领域的全面发展,推动我国战略新兴技术跻身国际先进行列。


三、国内外空间互联网发展趋势研判


(一)星座巨型化、卫星宽带化


新型空间互联网星座动辄成千上万颗,如 Starlink(4425~41 943颗 )、Oneweb(720~6372 颗 )、Lightspeed(298~1671 颗)、Kuiper(3236颗);广泛采用Ku/Ka/Q/V频段点波束来实现全球覆盖。该发展趋势既是频率、轨道资源激烈竞争的结果,也是面向未来业务增长空间的必然选择。批量化的卫星制造能力、低成本的进入空间能力,也为巨型星座发展提供了现实可行的技术途径。


(二)星间组网成为技术潮流


新型空间互联网星座系统普遍支持星间链路,以此构建全球无缝连接、低时延的空间网络系统。国外在建的星座系统,星间链路应用与否不仅是技术问题,也受到成本、安全等因素限制。从技术角度看,星间链路存在路由、移动性管理、干扰抑制、轻量化等诸多挑战,新技术的突破、验证、应用还需要时间来检验。从成本方面看,现有的高通量星间载荷价格不菲,装备于成千上万颗卫星则难以负担,需要在控制载荷成本的同时尽量精简部署结构(数量)。


(三)高低轨卫星结合发展


针对低轨通信星座的迅猛发展势头,国际上的地球静止轨道(GSO)通信卫星运营商也迅速作出反应,综合考虑GSO和低地球轨道(LEO)系统的优缺点,启动了GSO-非地球静止轨道(NGSO)混合系统的建设。


目前主要存在两种模式:一是GSO、LEO系统联合运营,基于两者系统特性上的差别,实现服务能力互补,改善用户服务体验;二是GSO卫星处理LEO星座的测控操作,通过配置星间中继链路,利用广域覆盖的GSO卫星来提升LEO星座的测控效率。高、低轨通信卫星优势互补、协同发展,可进一步提升混合系统的服务多样性。


(四)工程研制模式显著革新


现有的空间互联网星座系统研制模式主要有3种:以Oneweb为代表的生态圈资源整合、以Starlink为代表的自主垂直整合、以Blackjack为代表的项目分包。OneWeb公司通过全球资源整合来建立产业链生态圈,采取融资方式筹集资金;自身主要负责星座运营,卫星制造依靠与空中客车防务及航天公司合作实现。SpaceX公司依靠自主完整的商业航天产业链来建设Starlink,集卫星、运载火箭、地面站制造,火箭发射与回收,卫星运营与服务于一身,实现产业链自主闭环。Blackjack分阶段划分项目任务,不断筛选和缩减承研单位的数量,选择最优的承包商团队(大型宇航制造商、小型初创企业均有涉及)。立足自身状态并最大化自身优势,充分调动已有资源,保障设计、制造、发射、运营等全产业链的快速、安全、高效运行。


(五)频率及关键技术储备布局


国外在建的空间互联网星座系统,均在加紧频率资源争夺,以用户链路所用频段争夺最为激烈。在现阶段,Ku频率资源已基本被瓜分殆尽;Ka频率资源虽已有低轨星座系统规划,但尚无实际卫星应用;V频率资源已成为多个星座系统作为规模扩展阶段拟申报储备的目标。在储备频率的同时,各大卫星互联网企业都在积极开发Q/V频段的应用潜力,着手研究E频段通信技术。相关企业在高效接入、星间链路组网、物联网应用、大规模干扰规避等关键技术方向都进行了研发布局,逐步形成专利储备。


四、我国空间互联网星座系统发展基础


(一)大规模星座工程建设


北斗卫星定位导航系统是我国目前在轨规模较大的星座系统,其成功研制和有效运营积累了卫星、运载火箭的中等规模批产与批次发射经验,具备了长期管理、异常处置等在轨管理能力。与北斗系统相比,空间互联网星座系统的规模更大、功能更加复杂,对产品的批量生产、质量保证提出了严峻挑战;还需要进一步提高运载火箭批量化生产能力,改善测控条件和发射环境。目前,我国还缺少数百颗甚至上千颗卫星所构成星座的建设经验。


(二)运载火箭能力


经过六十余年的发展,我国形成了以长征系列运载火箭为主的航天运输系统,支撑了多项国家重大宇航任务的实施。综合考虑经济性、规划整体性,CZ-2C、CZ-2D、CZ-5B、CZ-6A、CZ-8液体运载火箭均可承担“一箭多星”发射任务,CZ-11A、KZ-11固体运载火箭可用于快速补网,新型重复使用运载火箭可逐步承担2025年后更大规模的组网发射任务。新一代液体火箭发动机(液氧/煤油、液氢/液氧)的产能受限问题,可能为空间互联网星座系统建设带来一定的风险。

 

(三)发射场


现阶段,国内具备运载火箭发射能力的主要有酒泉、太原、西昌、文昌等发射场,海阳海上发射平台也具有一定规模的发射能力。综合现有发射计划,未来3年剩余工位的总运载能力不足150 t,保障空间互联网星座的大规模发射任务风险较大;这是星座卫星规模的制约瓶颈,应予以突破。太原发射场CZ-6A发射工位计划于2021年建成,短期内具备4发/年的发射能力。此外,文昌、象山、烟台等地都在筹建新的商业发射工位。

 

(四)终端技术研制


目前,我国电子、航天领域的一些单位具备为卫星通信系统提供信关站、网络主站、部分应用终端的生产能力。尽管随着高轨高通量卫星的推广应用,地面信关站、终端技术正在快速发展演进,但空间互联网低轨系统所需的快速跟踪、高集成、低成本相控阵天线,适应新体制的高集成基带芯片,地面核心网产品及运控管理系统等,尚无成熟产品,需要尽快部署研制。


(五)标准化


地面移动通信的标准演进“十年一代”,我国在这一发展过程中实现了第三代移动通信(3G)跟随、第四代移动通信(4G)赶超、5G领跑。地面移动通信的标准化过程,为我国空间互联网标准突破提供了技术基础和实施经验。也要注意到,我国卫星通信标准化工作尚缺乏成熟经验,中国通信标准化协会、全国宇航技术及其应用标准化技术委员会等均未开展相关工作,对国际卫星电视广播标准(DVB-S2X)、第三代合作伙伴计划(3GPP)非地面网络(NTN)标准的跟踪和参与都有所不足。


五、我国空间互联网星座系统发展思路


我国空间互联网星座系统的发展,应以航天强国、网络强国战略为牵引,秉持“创新、协调、绿色、开放、共享”的理念,通过创新驱动、融合发展,开展先进系统、新兴技术的前瞻研发布局。以空间互联网星座系统建设为依托,拓展空间信息服务的深度与广度,把握网络信息技术革命的历史性机遇,赢得参与全球空间信息基础设施竞争的独特优势。预计到“十四五”末期,形成高低轨协同、天地一体的空间互联网星座系统总体布局,具备全球覆盖、技术自主、安全可控的空间互联网服务能力,成为全球卫星互联网发展的重要主导力量。


统筹规划,突出重点。加强天基网络信息体系的顶层设计和综合布局,融合威胁驱动、需求驱动、创新驱动三重要素,统筹实施我国高、低轨天基信息装备体系协同发展;重点建设空间互联网星座系统,实质性提升我国天基网络信息体系弹性。


阶段实施,持续演进。鉴于空间互联网星座系统建设的持续性和复杂性,相关体系架构设计应支持分阶段实施、持续演进,不断挖掘技术进步带来的能力提升;尽快实现基本应用能力,持续保持近地空间系统的竞争力与生命力,抢占近地空间新高地。


功能融合,弹性建设。把握国内相关系统建设 进展,加强多功能融合与衔接, 通过采购服务、寄宿搭载、波形加载,形成面向应用的增强服务能力;深度挖掘系统规模优势, 形成天地融合的低轨网络与信息体系, 加速在我国诸多领域的应用渗透。


创新驱动,体系带动。瞄准世界航天和网络领域发展前沿,创新包括研发、制造、应用在内的天基信息体系,牵引重点领域发展模式演进;加强卫星批量制造能力,提升运载火箭发射和测控能力,扭转领域滞后发展局面,带动重大装备的供给侧结构性变革。


六、我国空间互联网星座系统建设的

重点任务与技术路线


(一)空间互联网星座系统规划


空间互联网星座系统主要包含空间段、地面段、用户段(见图1)。


空间段采用用户灵活接入、星间高速互联、系统弹性高效的空间混合星座网络架构,按照“星箭一体化、平台通用化、载荷模块化、接口标准化、组合多元化”的卫星设计思路,实现全球宽带互联网和移动通信服务能力,按需提供应用服务和专用载荷搭载服务。


地面段面向多用户、多业务、全球化的服务需求,主要完成星座运行管理、星地一体化网络管理、全球站网管理、用户终端管理、全球运营服务支撑等任务;细分为运行控制中心、网络管理中心、运营服务中心、全球信关站网,通过地面通信网络实现互联互通。


用户段按照“终端模块设计、系统开放扩展”等设计原则,开展终端结构化设计、应用平台化集成、数据云化配置等。


关于建设计划,分阶段建成独立自主、全球覆盖、先进高效、安全可靠的空间互联网星座系统。先期开展试验卫星发射、地面段建设,实施通信体制、关键技术试验验证,初步形成具有自主知识产权的标准体系,突破卫星规模制造和发射瓶颈,基于典型场景开展应用示范。未来5年,实现全球覆盖、全面服务,完成第一代系统建设,提升重点区域覆盖能力和服务质量,增强时空信息体系能力。未来10年,完成拓展系统建设,实现增强覆盖、优质服务,建设分层部署、协同分工、多重覆盖的第二代星座系统,建成天地同步发展的全球综合信息服务网络,全面满足国家战略需求和智能化社会应用需求。

 

图 1 空间互联网星座系统架构图


(二)空间互联网标准策略


近年来,包括大型航天企业、民营企业在内,我国发布了10余个低轨星座计划,从产业发展、商业利益的角度看,需要重点进行空间组网理论研究,及时建立关于空间互联网的协议体系规范和标准。


目前国内外的相关发展仍存在突出问题:空间网络组网的基础理论薄弱,标准网络协议体系空白,对于巨型低轨卫星网络的地面模拟测试环境欠缺。因此,一方面需要对网络架构、业务场景、服务质量、接入网技术、承载网技术、核心网技术、网络安全、设备与测试规范等制定相关标准,另一方面需要建设完整有效的地面测试与评估系统,支持系统研发质量提升,降低系统在轨故障风险。


未来5年,着重突破天地复杂环境下高可靠高速率传输技术、多时空尺度密集型巨星座信息组网技术、动态网络频率干扰规避及共享技术、面向多业务特性的空间网络资源分配技术、通信/感知/定位一体化技术,形成相关标准规范。


未来10年,重点突破超大规模网络跨域态势感知与智能网络协同传输技术、星地一体频率感知与同频共用技术、星地协同组网与融合共用技术、太赫兹高速传输技术,形成相应标准规范。


未来15年,着重发展空间边缘计算与信息融合处理技术、天基智联网络构架技术、星地融合无感切换技术、天地智能协同组网技术,形成相应标准规范。


(三)空间互联网安全体系


卫星节点暴露且信道开放,异构网络互联且网络拓扑高度动态变化,高链路误码率对网络性能造成负面影响,长时延和间歇性降低网络反馈的及时性,星上资源受限影响计算能力,这些都是空间互联网星座系统安全性受限的因素。国外的空间互联网星座系统在国内落地应用后,将带来一系列的安全问题。我国的空间互联网在全球运营后也将面临泄露敏感数据、威胁重要基础设施和关键设备、窃取宽带资源等安全风险。


在物理安全、运行安全、数据安全等层面开展空间互联网网络安全架构研究。空间互联网星座系统在设计之初就应充分考虑网络安全的要求,各个分层、各个系统的业务需求要与安全需求相互融合,安全能力要嵌入各个分层、各个系统的方方面面;有效阻断外来恶意攻击,有效遏制内部人员的违规和恶意行为,实现“数据拿不走、网络扰不瘫、应用阻不断、踪迹隐不掉”。


未来5年,对空间互联网设计的安全协议、安全机制、安全措施进行聚合,实现对空间互联网的全面安全监管和治理;构建涵盖物理层、链路层、网络层、传输层、应用层及跨层通讯安全的协议标准。


未来10年,重点网络安全态势感知可全方位、全流程把握空间互联网的运行安全态势,持续检测各个尺度、维度、层次的安全威胁,结合历史安全事故、威胁情报对未知威胁进行分析检测,作出安全威胁预判和并启动预置防护措施,保持安全事件应急的自动化响应。


未来15年,空间互联网配置先进的安全防护技术和管理保障制度,将网络安全防护能力全方位融入业务系统,为空间互联网应用提供持续的安全服务保障。


(四)空间互联网应用场景


我国空间互联网采取分阶段建设、弹性扩展、持续演进的策略,系统在应用层面上呈现循序渐进的特征。短期来看,受卫星数量、空间网络技术的制约,系统建设初期支持的用户数量、应用场景均有限,将主要面向政府机构、科学考察、救灾应急、自然保护等重点领域提供服务;随着系统能力提升,逐步开放面向民航、海上、偏远地区的行业用户服务;最终待系统服务能力充足后,面向普通消费者提供大规模服务。


未来5年,重点面向政府机构开展典型场景下的应用示范,面向海洋科考、极地勘探、抢险救灾、应急保障、危化运输、自然资源保护等领域推广应用。


未来10年,面向行业用户不断拓展,重点开拓民航交通、海上交通及作业、无人机作业、石油开发、远洋运输、偏远地区基建等应用市场。


未来15年,在网络建设不断成熟的基础上,面向普通消费者市场拓展应用,采用新型通信技术,解决天地一体融合接入难题,提供天地无感切换的高质量网络体验。


七、对策建议


(一)加强顶层统筹规划,促进产业协同发展


统筹我国卫星互联网建设规划,建立高、低轨星座协同发展机制;整合优势力量与资源,形成新兴领域发展合力,实质性推进我国空间互联网星座系统的体系化发展。


构建关联企业协同发展模式,倡导市场主导下的多元投入、多方合作,以产业联盟、技术标准为纽带,积极引导社会力量参与空间互联网星座系统的建设、应用、维护。


有机整合我国现有的星座互联网建设规划,统筹优势力量和资源,加强频率轨道相关基础研究,面向长期发展需求储备空间频率资源;瞄准产业全链条发展目标,优化低轨星座互联网建设规划,加快推进空间系统建设,积极参与全球资源协作与竞争。


(二)加快标准制定,支持自主核心竞争力提升


统筹推进、加快建立统一的空间互联网星座系统标准体系。充分借鉴我国地面移动通信标准研制的成功经验,及时论证制定有关业务需求、网络、测试、信息安全、应用等系列标准,指导相关系统的建设与应用推广。


建立空间互联网星座系统知识产权服务平台,构建完备的知识产权保护体系,提升产业创新和知识产权综合运用能力,保障产业化过程的稳健发展。针对新应用、新业态,研究空间互联网星座系统的知识产权战略、标准开源协议、知识产权风险,构建标准体系知识产权保护全链条,支持形成空间网络核心竞争力。


推动自主标准体系的国际化进程,积极参与空间互联网星座系统的国际标准研究与制定,提升中国标准的国际影响力。加强我国相关标准体系在国际移动通信、民航组织、国际海事组织等重要行业的应用推广,支持我国空间互联网星座系统“走出去”。


(三)实施关键技术攻关,提速网络建设进程


加快空间互联网星座系统的核心元器件自主化进程,开展宇航级核心元器件、关键部组件的研制,打牢大型空间系统工程建设的基础条件。超前部署Q/V频段射频关键器件、高效率天线等核心部组件的自主研发计划,增强我国空间互联网星座系统的频率保障能力。


加强运载火箭关键前沿技术突破,提高大推力火箭发动机、运载火箭重复使用等技术的成熟度,提升我国运载火箭整体技术水平。优化制造工艺与生产模式,突破火箭发动机、箭体结构等大型部件的低成本、规模化制造关键技术,显著提高运载火箭发射性价比,保障空间互联网星座系统的规模化建设、可持续发展。


加快提升地面应用终端关键技术,实施用户终端先期研发计划,突破低成本相控阵天线、核心芯片、高频段器件、终端测试环境等技术,形成批量的原创性成果。改善卫星应用终端领域核心元器件、高性能部件的自主可控水平,尽快形成与空间互联网星座建设计划相匹配、具有较好性价比的用户终端规模化生产能力。

 

(四)促进融合创新应用,提升网络服务能力


加强空间互联网应用创新,依托于卫星星座、移动通信、新一代互联网、工业制造、智慧城市、智能交通等领域的技术发展,扩宽空间互联网的多元化、智能化应用。拓展空间互联网的应用广度和深度,提升我国空间互联网应用产业的国际竞争力,促进空间互联网的可持续发展;发挥产业带动力,支持金融、物流等现代服务业的快速发展与供给侧结构性改革。


推动空间互联网应用,发挥卫星网络全球覆盖的优势,以资源共享、功能互补、能力互备为目标,实施多类业务共同承载,实现低轨星座对现有通信系统能力的差异化补充,适应低延时、高带宽、全球覆盖的应用需求。


(五)构建先进防护体系,维护空间网络信息安全


合理加大空间互联网安全架构、安全协议、安全标准、密码算法及安全管理体系等方面的基础研究投入,在系统建设过程中规避安全隐患。加强网络安全态势与对抗分析,提升威胁评估与预警能力,支撑网络强国建设。着力建设高水平的空间网络安全人才队伍,培育“卫星+网络安全”跨领域技术人才,提升我国空间互联网星座系统的核心竞争力。


加快空间互联网新技术冲击下的网络安全防护体系建设,完善网络安全法规,加强国外卫星的过境信号监测、非法卫星通信终端管控分析能力,防止利用境外卫星信息进行跨境走私,固守网络信息安全阵地。


注:本文内容呈现略有调整,若需可查看原文。


作者介绍






周志成,卫星总体技术专家,中国工程院院士。


我国通信卫星工程、航天器动力学学术带头人之一。任我国新一代大型地球静止轨道卫星公用平台(东方红四号)总设计师,是我国通信卫星进入国际先进行列并打入国际市场的开拓者之一。30年来,长期工作在卫星研制一线,主持研制成功十余颗应用卫星。在东方红四号卫星平台的军用、民用和国际商业卫星研制过程中,主持攻克大容量、长寿命、高可靠等重大技术问题,为我国卫星工程技术跨越发展做出了创新性贡献。



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说明:论文反映的是研究成果进展,不代表《中国工程科学》杂志社的观点。

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