Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.7: PDF of Rice Fading"

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[[File:P_ID2133__Mob_A_1_7.png|right|frame| Rice-Fading für verschiedene Werte von  $|z_0|^2$]]
 
[[File:P_ID2133__Mob_A_1_7.png|right|frame| Rice-Fading für verschiedene Werte von  $|z_0|^2$]]
Wie aus der Grafik zu ersehen, betrachten wir das gleiche Szenario wie in  [[Aufgaben:Aufgabe_1.6:_AKF_und_LDS_bei_Rice–Fading| Aufgabe 1.6]]:
+
As you can see in the diagram, we consider the same scenario as in  [[Aufgaben:Exercise_1.6:_ACF_and_PSD_of_Rice_Fading| Exercise 1.6]]:
* <i>Rice&ndash;Fading</i>&nbsp; mit der Varianz&nbsp; $\sigma^2 = 1$&nbsp; der Gaußprozesse und dem Parameter&nbsp; $|z_0|$&nbsp; für den Direktpfad.
+
* <i>Rice fading</i>&nbsp; with variance&nbsp; $\sigma^2 = 1$&nbsp; the Gaussian processes and the parameter&nbsp; $|z_0|$&nbsp; for the direct path.
* Hinsichtlich Direktpfad interessieren wir uns für die Parameterwerte&nbsp; $|z_0|^2 = 0, \ 2, \ 4, \ 10, \ 20$&nbsp; (siehe Grafik).
+
* Regarding direct path, we are interested in the parameter values&nbsp; $|z_0|^2 = 0, \ 2, \ 4, \ 10, \ 20$&nbsp; (see graphic).
* Die WDF des Betrags&nbsp; $a(t) = |z(t)|$&nbsp; lautet:
+
* The WDF of the amount&nbsp; $a(t) = |z(t)|$&nbsp; is
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 + |z_0|^2}{2\sigma^2}] \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot |z_0|}{\sigma^2} \right ]\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 + |z_0|^2}{2\sigma^2}] \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot |z_0|}{\sigma^2} \right ]\hspace{0.05cm}.$
* Die modifizierte Besselfunktion nullter Ordnung liefert beispielsweise folgende Werte:
+
* For example, the modified zero-order Bessel function returns the following values:
:$${\rm I }_0 (2) = 2.28\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (4) = 11.30\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (3) = 67.23  
+
$${\rm I }_0 (2) = 2.28\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (4) = 11.30\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (3) = 67.23  
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
* Der quadratische Erwartungswert &nbsp; &#8658; &nbsp; Leistung des multiplikativen Faktors&nbsp; $|z(t)|$, ist gleich
+
* The quadratic expectation value &nbsp; &#8658; &nbsp; power of the multiplicative factor&nbsp; $|z(t)|$, is equal
:$${\rm E}\left [ a^2 \right ] = {\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2
+
$${\rm E}\left [ a^2 \right ] = {\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
* Mit&nbsp; $z_0 = 0$&nbsp; wird aus dem <i>Rice&ndash;Fading</i>&nbsp; das kritischere <i>Rayleigh&ndash;Fading</i>. In diesem Fall gilt für die Wahrscheinlichkeit, dass&nbsp; $a$&nbsp; im gelb hintergelegten Bereich zwischen&nbsp; $0$&nbsp; und&nbsp; $1$&nbsp; liegt:
+
* With&nbsp; $z_0 = 0$&nbsp; the <i>Rice fading</i>&nbsp; becomes the more critical <i>Rayleigh fading</i>. In this case, the probability that&nbsp; $a$&nbsp; lies in the yellow-shaded area between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $1$&nbsp; applies:
:$$ {\rm Pr}(a \le 1) =   1 - {\rm e}^{-0.5/\sigma^2}  \approx 0.4
+
$$$ {\rm Pr}(a \le 1) = 1 - {\rm e}^{-0.5/\sigma^2}  \approx 0.4
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
In dieser Aufgabe soll die Wahrscheinlichkeit&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$&nbsp; für &nbsp;$|z_0| &ne; 0$&nbsp; angenähert werden. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten, nämlich:
+
In this task the probability&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$&nbsp; for &nbsp;$|z_0| &ne; 0$&nbsp; is to be approximated. There are two ways to do this, namely:
* die <i>Dreiecksnäherung</i>:
+
* the <i>triangular approximation</i>:
:$${\rm Pr}(a \le 1) =   {1}/{2} \cdot f_a(a=1)  
+
$${\rm Pr}(a \le 1) = {1}/{2} \cdot f_a(a=1)  
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
* die <i>Gaußnäherung</i>: &nbsp; Ist&nbsp; $|z_0| \gg \sigma$, so kann die Riceverteilung durch eine Gaußverteilung mit Mittelwert&nbsp; $|z_0|$&nbsp; und Streuung&nbsp; $\sigma$&nbsp; angenähert werden.
+
* the <i> Gaussian approximation</i>: &nbsp; Actual&nbsp; $|z_0| \gg \sigma$, then the Rice distribution can be approximated by a Gaussian distribution with mean&nbsp; $|z_0|$&nbsp; and scatter&nbsp; $\sigma$&nbsp;.
  
  
Line 29: Line 29:
  
  
''Hinweise:''
+
''Notes:''
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente| Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente]].
+
* The task belongs to chapter&nbsp; [[Mobile_Communication/Non-Frequency Selective_Fading_with_Direct Component|Non-Frequency Selective Fading with Direct Component]].
* Für die numerischen Lösungen zu den letzten Teilaufgaben empfehlen wir das InteraktionsmodulApplets&nbsp; [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen_(neues_Applet)|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]].
+
* For the numerical solutions to the last subtasks, we recommend the interaction moduleApplets&nbsp; [[Applets:Complementary_Gaussian_Error Functions_(new_Applet)|Complementary Gaussian Error Functions]].
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire==
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Berechnen Sie einige WDF&ndash;Werte für&nbsp; $|z_0| = 0$&nbsp; und&nbsp; $\sigma = 2$:
+
{Calculate some WDF&ndash;values for&nbsp; $|z_0| = 0$&nbsp; and&nbsp; $\sigma = 2$:
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_a(a = 1) \ = \ ${ 0.187 3% }
 
$f_a(a = 1) \ = \ ${ 0.187 3% }
Line 44: Line 44:
 
$f_a(a = 3) \ = \ ${ 0.303 3% }
 
$f_a(a = 3) \ = \ ${ 0.303 3% }
  
{Es sei&nbsp; $|z_0| = 2$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $|z_0|^2 = 4$&nbsp; ('''blaue Kurve'''). Wie groß ist&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Verwenden Sie die&nbsp; '''Dreiecksnäherung'''.
+
{It be&nbsp; $|z_0| = 2$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $|z_0|^2 = 4$&nbsp; ('''blue curve''). How big is&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Use the&nbsp; '''triangular approximation''.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(a &#8804; 1)\ = \ ${ 9.4 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(a &#8804; 1)\ = \ ${ 9.4 3% } $\ \ \%$
  
{Es sei&nbsp; $|z_0|^2 = 2$&nbsp; ('''rote Kurve'''). Wie groß ist&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Verwenden Sie die &nbsp;'''Dreiecksnäherung'''.
+
{It be&nbsp; $|z_0|^2 = 2$&nbsp; (''red curve''). How big is&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Use the &nbsp;'''triangular approximation''.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(a &#8804; 1) \ = \ ${ 17.5 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(a &#8804; 1) \ = \ ${ 17.5 3% } $\ \ \
  
{Es sei&nbsp; $|z_0|^2 = 10$&nbsp; ('''grüne Kurve'''). Wie groß ist&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Verwenden Sie die&nbsp; '''Gaußnäherung'''.
+
{It be&nbsp; $|z_0|^2 = 10$&nbsp; (''green curve''). How big is&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Use the&nbsp; '''Gauss approximation''.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(a &#8804; 1) \ = \ ${ 1.5 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(a &#8804; 1) \ = \ ${ 1.5 3% } $\ \ \
  
{Es sei&nbsp; $|z_0|^2 = 20$&nbsp; ('''violette Kurve'''). Wie groß ist&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Verwenden Sie die &nbsp;'''Gaußnäherung'''.
+
{It be&nbsp; $|z_0|^2 = 20$&nbsp; (''purple curve''). How big is&nbsp; ${\rm Pr}(a &#8804; 1)$? Use the &nbsp;'''Gaussian approximation''.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr}(a &#8804; 1) \ = \ ${ 0.02 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr}(a &#8804; 1) \ = \ ${ 0.02 3% } $\ \ $
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Sample solution===
{{ML-Kopf}}
+
{{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Mit $|z_0| = 2$ und $\sigma = 2$ lässt sich die Rice&ndash;WDF wie folgt darstellen
+
'''(1)'''&nbsp; With $|z_0| = 2$ and $\sigma = 2$ the Rice&ndash;WDF can be represented as follows
:$$f_a(a) = a \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 + 4}{2}] \cdot {\rm I}_0 (2a)\hspace{0.05cm}.$$
+
$$f_a(a) = a \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 + 4}{2}] \cdot {\rm I}_0 (2a)\hspace{0.05cm}.$
  
*Daraus ergeben sich die gesuchten Werte:
+
*This gives the values searched for:
 
:$$f_a(a = 1) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1 \cdot {\rm e}^{-2.5}  \cdot {\rm I}_0 (2) = 0.082 \cdot 2.28 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.187}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$f_a(a = 1) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1 \cdot {\rm e}^{-2.5}  \cdot {\rm I}_0 (2) = 0.082 \cdot 2.28 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.187}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$f_a(a = 2) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 2 \cdot {\rm e}^{-4}  \cdot {\rm I}_0 (4) = 2 \cdot 0.0183 \cdot 11.3 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.414}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$f_a(a = 2) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 2 \cdot {\rm e}^{-4}  \cdot {\rm I}_0 (4) = 2 \cdot 0.0183 \cdot 11.3 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.414}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$f_a(a = 3) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 3 \cdot {\rm e}^{-6.5}  \cdot {\rm I}_0 (6) = 3 \cdot 0.0015 \cdot 67.23 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.303}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$f_a(a = 3) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 3 \cdot {\rm e}^{-6.5}  \cdot {\rm I}_0 (6) = 3 \cdot 0.0015 \cdot 67.23 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.303}\hspace{0.05cm}.$$
  
*Die Ergebnisse passen gut zu der blauen Kurve auf der Angabenseite.
+
*The results fit well with the blue curve on the specifications page.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Mit dem Ergebnis der Teilaufgabe '''(1)''' &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_a(a = 1) = 0.187$ erhält man mit der Dreiecksnäherung:
+
'''(2)'''&nbsp; With the result of the subtask '''(1)''' &nbsp; &rArr; &nbsp; $f_a(a = 1) = 0.187$ is obtained with the triangle approximation:
:$${\rm Pr}(a \le 1) =   {1}/{2} \cdot 0.187 \cdot 1\hspace{0.15cm} \underline{ \approx 9.4\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
+
$${\rm Pr}(a \le 1) = {1}/{2} \cdot 0.187 \cdot 1\hspace{0.15cm} \underline{ \approx 9.4\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  
*Dieses Ergebnis wird etwas zu groß sein, da die blaue Kurve unterhalb der Verbindungslinie von $(0, 0)$ nach $(1, 0.187)$ liegt &nbsp; &rArr; &nbsp; konvexer Kurvenverlauf.
+
*This result will be a bit too large, because the blue curve is below the connecting line from $(0, 0)$ to $(1, 0.187)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; convex curve.
  
 +
'''(3)'''&nbsp; For the red curve the WDF&ndash;value $f_a(a = 1) \approx 0.35$ can be read from the [[Tasks:1.7_WDF_des_Rice%E2%80%93Fadings|Graphic]] on the data page. From this follows:
 +
$${\rm Pr}(a \le 1) = \frac{1}{2} \cdot 0.35 \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 17.5\,\%} \hspace{0.05cm}.$
  
 +
*This probability value will be a little too small because the red curve is concave in the range between $0$ and $1$.
  
'''(3)'''&nbsp; Für die rote Kurve kann der WDF&ndash;Wert $f_a(a = 1) \approx 0.35$ aus der [[Aufgaben:1.7_WDF_des_Rice%E2%80%93Fadings|Grafik]] auf der Angabenseite abgelesen werden. Daraus folgt:
 
:$${\rm Pr}(a \le 1) =  \frac{1}{2} \cdot 0.35 \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 17.5\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
*Dieser Wahrscheinlichkeitswert wird etwas zu klein sein, da die rote Kurve im Bereich zwischen $0$ und $1$ konkav verläuft.
 
  
 +
'''(4)'''&nbsp; The Gaussian approximation states that one can approximate the Rice distribution by a Gaussian distribution with mean $|z_0| = \sqrt{10} = 3.16$ and dispersion $\sigma = 1$ if the quotient $|z_0|/\sigma$ is sufficiently large. Then applies:
 +
$${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Pr}(g \le -2.16) = {\rm Q}(2.16) \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 1.5\,\%} \hspace{0.05cm}.$
  
 +
*Here $g$ denotes a Gaussian distributed random variable with the mean value $0$ and the dispersion $\sigma = 1$.
 +
*The numerical value was determined with the specified interactive [[Applets:QFunction|Applet]].
  
'''(4)'''&nbsp; Die Gaußnäherung besagt, dass man die Riceverteilung durch eine Gaußverteilung mit Mittelwert $|z_0| = \sqrt{10} = 3.16$ und Streuung $\sigma = 1$ annähern kann, wenn der Quotient $|z_0|/\sigma$ hinreichend groß ist. Dann gilt:
 
:$${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Pr}(g \le -2.16) = {\rm Q}(2.16)  \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 1.5\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
*Hierbei bezeichnet $g$ eine gaußverteilte Zufallsgröße mit dem Mittelwert $0$ und der Streuung $\sigma = 1$.
+
<i>Note:</i> &nbsp; The Gaussian approximation is certainly associated with a certain error here:
*Der Zahlenwert wurde mit dem angegebenen interaktiven [[Applets:QFunction|Applet]] ermittelt.
+
*From the graph you can see that the average value of the green curve is not $a = $3.16$, but rather $3.31$.
 +
*Then the power of the Gaussian approximation $(3.31^2 + 1^2 = 12)$ is exactly the same as that of the Rice distribution:
 +
:$$|z_0|^2 + 2 \sigma^2= 10 + 2 =12\hspace{0.05cm}.$$
  
  
<i>Anmerkung:</i> &nbsp; Die Gaußnäherung ist hier sicher mit einem gewissen Fehler verbunden:
+
'''(5)'''&nbsp; Using the same calculation method, replace the Rice&ndash;WDF with a Gauss&ndash;WDF with mean value $\sqrt{20} \approx $4.47 and spread $\sigma = $1 and you get
*Aus der Grafik erkennt man, dass der Mittelwert der grünen Kurve nicht bei $a = 3.16$ liegt, sondern eher bei $3.31$.
+
$${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Pr}(g \le -3.37) = {\rm Q}(3.37) { \approx 0.04\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
*Dann ist die Leistung der Gaußnäherung $(3.31^2 + 1^2 = 12)$ genau so groß wie die der Riceverteilung:
 
:$$|z_0|^2 + 2 \sigma^2= 10 + 2 =12\hspace{0.05cm}.$$
 
 
 
  
'''(5)'''&nbsp; Nach gleichem Rechenweg ersetzt man hier die Rice&ndash;WDF durch eine Gauß&ndash;WDF mit Mittelwert $\sqrt{20} \approx 4.47$ und Streuung $\sigma = 1$ und man erhält
+
*If one assumes the equal power Gaussian distribution (see the note to the last subtask), the mean value is $m_g = \sqrt{21}\approx 4.58$, and the probability would then be
:$${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Pr}(g \le -3.37) = {\rm Q}(3.37)  { \approx 0.04\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
+
$${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Q}(3.58) \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 0.02\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
  
*Geht man von der leistungsgleichen Gaußverteilung aus (siehe Anmerkung zur letzten Teilaufgabe), so ergibt sich der Mittelwert zu $m_g = \sqrt{21}\approx 4.58$, und die Wahrscheinlichkeit wäre dann
 
:$${\rm Pr}(a \le 1) \approx  {\rm Q}(3.58)  \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 0.02\,\%} \hspace{0.05cm}.$$
 
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 11:48, 15 April 2020

Rice-Fading für verschiedene Werte von  $|z_0|^2$

As you can see in the diagram, we consider the same scenario as in  Exercise 1.6:

  • Rice fading  with variance  $\sigma^2 = 1$  the Gaussian processes and the parameter  $|z_0|$  for the direct path.
  • Regarding direct path, we are interested in the parameter values  $|z_0|^2 = 0, \ 2, \ 4, \ 10, \ 20$  (see graphic).
  • The WDF of the amount  $a(t) = |z(t)|$  is
$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 + |z_0|^2}{2\sigma^2}] \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot |z_0|}{\sigma^2} \right ]\hspace{0.05cm}.$ * For example, the modified zero-order Bessel function returns the following values: $${\rm I }_0 (2) = 2.28\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (4) = 11.30\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (3) = 67.23
\hspace{0.05cm}.$$
* The quadratic expectation value   ⇒   power of the multiplicative factor  $|z(t)|$, is equal 
$${\rm E}\left [ a^2 \right ] = {\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2
  \hspace{0.05cm}.$$
* With  $z_0 = 0$  the <i>Rice fading</i>  becomes the more critical <i>Rayleigh fading</i>. In this case, the probability that  $a$  lies in the yellow-shaded area between  $0$  and  $1$  applies:
$$$ {\rm Pr}(a \le 1) = 1 - {\rm e}^{-0.5/\sigma^2}  \approx 0.4
 \hspace{0.05cm}.'"`UNIQ-MathJax24-QINU`"'{\rm Pr}(a \le 1) = {1}/{2} \cdot f_a(a=1) 
 \hspace{0.05cm}.'"`UNIQ-MathJax25-QINU`"'f_a(a) = a \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 + 4}{2}] \cdot {\rm I}_0 (2a)\hspace{0.05cm}.$
  • This gives the values searched for:
$$f_a(a = 1) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 1 \cdot {\rm e}^{-2.5} \cdot {\rm I}_0 (2) = 0.082 \cdot 2.28 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.187}\hspace{0.05cm},$$
$$f_a(a = 2) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 2 \cdot {\rm e}^{-4} \cdot {\rm I}_0 (4) = 2 \cdot 0.0183 \cdot 11.3 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.414}\hspace{0.05cm},$$
$$f_a(a = 3) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} 3 \cdot {\rm e}^{-6.5} \cdot {\rm I}_0 (6) = 3 \cdot 0.0015 \cdot 67.23 \hspace{0.15cm} \underline{ = 0.303}\hspace{0.05cm}.$$
  • The results fit well with the blue curve on the specifications page.


(2)  With the result of the subtask (1)   ⇒   $f_a(a = 1) = 0.187$ is obtained with the triangle approximation: $${\rm Pr}(a \le 1) = {1}/{2} \cdot 0.187 \cdot 1\hspace{0.15cm} \underline{ \approx 9.4\,\%} \hspace{0.05cm}.$$

  • This result will be a bit too large, because the blue curve is below the connecting line from $(0, 0)$ to $(1, 0.187)$   ⇒   convex curve.

(3)  For the red curve the WDF–value $f_a(a = 1) \approx 0.35$ can be read from the Graphic on the data page. From this follows: $${\rm Pr}(a \le 1) = \frac{1}{2} \cdot 0.35 \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 17.5\,\%} \hspace{0.05cm}.$ *This probability value will be a little too small because the red curve is concave in the range between $0$ and $1$. '''(4)'''  The Gaussian approximation states that one can approximate the Rice distribution by a Gaussian distribution with mean $|z_0| = \sqrt{10} = 3.16$ and dispersion $\sigma = 1$ if the quotient $|z_0|/\sigma$ is sufficiently large. Then applies: $${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Pr}(g \le -2.16) = {\rm Q}(2.16) \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 1.5\,\%} \hspace{0.05cm}.$ *Here $g$ denotes a Gaussian distributed random variable with the mean value $0$ and the dispersion $\sigma = 1$. *The numerical value was determined with the specified interactive [[Applets:QFunction|Applet]]. <i>Note:</i>   The Gaussian approximation is certainly associated with a certain error here: *From the graph you can see that the average value of the green curve is not $a = $3.16$, but rather $3.31$.

  • Then the power of the Gaussian approximation $(3.31^2 + 1^2 = 12)$ is exactly the same as that of the Rice distribution:
$$|z_0|^2 + 2 \sigma^2= 10 + 2 =12\hspace{0.05cm}.$$


(5)  Using the same calculation method, replace the Rice–WDF with a Gauss–WDF with mean value $\sqrt{20} \approx $4.47 and spread $\sigma = $1 and you get $${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Pr}(g \le -3.37) = {\rm Q}(3.37) { \approx 0.04\,\%} \hspace{0.05cm}.$$

  • If one assumes the equal power Gaussian distribution (see the note to the last subtask), the mean value is $m_g = \sqrt{21}\approx 4.58$, and the probability would then be

$${\rm Pr}(a \le 1) \approx {\rm Q}(3.58) \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 0.02\,\%} \hspace{0.05cm}.$$