Difference between revisions of "Mobile Communications/Multi-Path Reception in Mobile Communications"

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== Zeitinvariante Beschreibung des Zweiwegekanals==
+
== Time invariant Description of the two-way channel==
 
<br>
 
<br>
Wir gehen von dem in der Grafik dargestellten Szenario aus.&nbsp; Dabei wird vorausgesetzt:
+
We assume the scenario shown in the graph.&nbsp; This assumes
[[File:EN_Mob_T_2_2_S1.png|right|frame|Zeitinvariante Betrachtung des Zweiwegekanals|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_2_2_S1.png|right|frame|time invariant consideration of the two-way channel|class=fit]]
*Sender und Empfänger sind&nbsp; '''ruhend''':&nbsp; <br>Dann ist sowohl die Kanal&ndash;Übertragungsfunktion als auch die Impulsantwort zeitunabhängig.&nbsp; Für alle Zeiten&nbsp; $t$&nbsp; gilt&nbsp; $H(f, \hspace{0.05cm}t) = H(f)$&nbsp; und&nbsp; $h(\tau, \hspace{0.05cm}t) = h(\tau)$.<br>
+
*Transmitter and receiver are&nbsp; '''at rest''':&nbsp; <br>Then both the channel&ndash;transfer function and the impulse response are time independent. &nbsp; For all times&nbsp; $t$&nbsp; applies&nbsp; $H(f, \hspace{0.05cm}t) = H(f)$&nbsp; and&nbsp; $h(\tau, \hspace{0.05cm}t) = h(\tau)$.<br>
  
*Ein&nbsp; '''Zweiwegekanal''': &nbsp; <br>Das Sendesignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; erreicht den Empfänger auf direktem Pfad mit der Weglänge&nbsp; $d_1$.&nbsp; Es gibt ein Echo aufgrund des reflektierenden Erdbodens&nbsp; $($die Gesamtweglänge ist&nbsp; $d_2)$.
+
*A&nbsp; '''two-way channel''': &nbsp; <br>The transmit signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; reaches the receiver on a direct path with the path length&nbsp; $d_1$.&nbsp; There is an echo due to the reflective ground&nbsp; $($the total path length is&nbsp; $d_2)$.
  
  
Somit gilt für das Empfangssignal:
+
Thus, the following applies to the received signal:
  
 
::<math>r(t) = r_1(t) + r_2(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1) + k_2 \cdot s( t - \tau_2)
 
::<math>r(t) = r_1(t) + r_2(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1) + k_2 \cdot s( t - \tau_2)
 
   \hspace{0.05cm}.</math>
 
   \hspace{0.05cm}.</math>
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Dabei sind die folgenden Aussagen zu beachten:
+
The following statements should be noted:
*Das über den Direktpfad empfangene Signal&nbsp; $r_1(t)$&nbsp; ist gegenüber dem Sendesignal&nbsp; $s(t)$&nbsp; um den Faktor&nbsp; $k_1$&nbsp; gedämpft und um die Laufzeit&nbsp; $\tau_1$&nbsp; verzögert.<br>
+
*Compared to the transmitted signal, the signal&nbsp; $r_1(t)$&nbsp; received via the direct path is attenuated by the factor&nbsp; $k_1$&nbsp; and delayed by &nbsp; $\tau_1$&nbsp;.<br>.
  
*Der Dämpfungsfaktor&nbsp; $k_1$&nbsp; wird mit dem&nbsp; [[Mobile_Communications/Distanzabh%C3%A4ngige_D%C3%A4mpfung_und_Abschattung#Gebr.C3.A4uchliches_Pfadverlustmodell|Pfadverlustmodell]]&nbsp; berechnet.&nbsp; $k_1$&nbsp;  ist um so kleiner und somit der Verlust um so größer, je größer die Sendefrequenz&nbsp; $f_{\rm S}$,&nbsp; die Distanz&nbsp; $d_1$&nbsp; und der Exponent&nbsp; $\gamma$&nbsp; sind.<br>
+
*The attenuation factor&nbsp; $k_1$&nbsp; is calculated with the&nbsp; [[Mobile_Communications/Distance dependent attenuation and shading#Common path loss model|path loss model]]&nbsp;. The greater the transmission frequency&nbsp; $f_{\rm S}$,&nbsp; the distance&nbsp; $d_1$&nbsp; and the exponent&nbsp; $\gamma$&nbsp; are, the smaller &nbsp; $k_1$&nbsp; is and thus the greater the loss is.
  
*Die Laufzeit&nbsp; $\tau_1 = d_1/c$&nbsp; nimmt proportional mit der Wegelänge&nbsp; $d_1$&nbsp; zu.&nbsp; Beispielsweise ergibt sich für die Distanz&nbsp; $d_1 = 3 \ \rm km$&nbsp; mit der Lichtgeschwindigkeit&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8 \ \rm m/s$&nbsp; die Verzögerung&nbsp; $\tau_1 = 10 \ \rm &micro; s$.<br>
+
*The delay&nbsp; $\tau_1 = d_1/c$&nbsp; increases proportionally with the path length&nbsp; $d_1$&nbsp;. &nbsp; For example, for the distance&nbsp; $d_1 = 3 \ \rm km$&nbsp; and the speed of light&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8 \ \rm m/s$&nbsp; the delay will be&nbsp; $\tau_1 = 10 \ \rm &micro; s$.<br>
  
*Wegen der größeren Weglänge&nbsp; $(d_2 > d_1)$&nbsp; weist der zweite Pfad  eine größere Dämpfung auf &nbsp; &#8658; &nbsp; kleinerer Vorfaktor &nbsp; &#8658; &nbsp; $(|k_2| < |k_1|)$&nbsp; und dementsprechend auch eine größere Laufzeit&nbsp; $(\tau_2 > \tau_1)$.<br>
+
*Because of the larger path length&nbsp; $(d_2 > d_1)$&nbsp; the second path has a greater attenuation &nbsp; &#8658; &nbsp; smaller pre-factor &nbsp; &#8658; &nbsp; $(|k_2| < |k_1|)$&nbsp; and accordingly also a greater delay &nbsp; $(\tau_2 > \tau_1)$.<br>
  
*Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Reflexion an Gebäuden oder dem Erdboden zu einer Phasendrehung um&nbsp; $\pi \ (180^\circ)$&nbsp; führt.&nbsp; Damit wird der Faktor&nbsp; $k_2$&nbsp; negativ.&nbsp; Im Folgenden wird allerdings das negative Vorzeichen von&nbsp; $k_2$&nbsp; außer Acht gelassen.<br><br>
+
*In addition, it must be taken into account that the reflection from buildings or the ground leads to a phase rotation of&nbsp; $\pi \ (180^\circ)$&nbsp; This causes the factor&nbsp; $k_2$&nbsp; to become negative.&nbsp; In the following, however, the negative sign of&nbsp; $k_2$&nbsp; is ignored.<br><br>
  
<i>Hinweis:</i> &nbsp; Wir verweisen hier auf das Applet&nbsp; [[Applets:Frequenzselektivitaet|Auswirkungen von Mehrwegeempfang ]].
+
<i>Note:</i> &nbsp; We refer here to the applet&nbsp; [[Applets:Multipath propagation and frequency selectivity (Applet)|effects of multipath reception ]].
  
  
==Einfaches  zeitinvariantes Modell des Zweiwegekanals==
+
== Simple time invariant model of the two-way channel==
 
<br>
 
<br>
[[File:EN_Mob_T_2_2_S1b.png|right|frame|Ersatzmodell für den Zweiwegekanal]]  
+
[[File:EN_Mob_T_2_2_S1b.png|right|frame|Replacement model for the two-way channel]]  
Für die Frequenzselektivität haben
+
For the frequency selectivity
*der Pfadverlust&nbsp; $($gekennzeichnet durch&nbsp; $k_1)$&nbsp; und
+
*the path loss&nbsp; $($marked by&nbsp; $k_1)$&nbsp; and
*die Grundlaufzeit&nbsp; $\tau_1$&nbsp;  
+
*the basic term&nbsp; $\tau_1$&nbsp;  
  
  
keine Bedeutung.&nbsp; Entscheidend sind hier lediglich Pfaddverlustunterschiede und Laufzeitdifferenzen.
+
are irrelevant. The only decisive factors here are path loss differences and runtime differences.
  
Wir beschreiben nun den Zweiwegekanal mit den neuen Kenngrößen&nbsp;  
+
We will now describe the two-way channel with the new parameters&nbsp;  
 
:$$k_0 = |k_2 /k_1 |,$$  
 
:$$k_0 = |k_2 /k_1 |,$$  
 
:$$\tau_0 = \tau_2 - \tau_1.$$
 
:$$\tau_0 = \tau_2 - \tau_1.$$
  
Damit erhält man:
+
This results in:
::<math>r(t) = r_1(t) + k_0 \cdot r_1( t - \tau_0) \hspace{0.5cm}{\rm mit} \hspace{0.5cm} r_1(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1)\hspace{0.05cm}.</math>
+
::<math>r(t) = r_1(t) + k_0 \cdot r_1( t - \dew_0) \hspace{0.5cm}{\rm with} \hspace{0.5cm} r_1(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1)\hspace{0.05cm}.</math>
  
Die Grafik veranschaulicht die Gleichung.&nbsp; Mit den weiteren Vereinfachungen&nbsp; $k_1 = 1$&nbsp; und&nbsp; $\tau_1 = 0$&nbsp; &nbsp; &#8658; &nbsp; $r_1(t) = s(t)$&nbsp; erhält man:
+
The graphic illustrates the equation.&nbsp; With the following simplifications&nbsp; $k_1 = 1$&nbsp; and&nbsp; $\tau_1 = 0$&nbsp; &nbsp; &#8658; &nbsp; $r_1(t) = s(t)$&nbsp; we obtain:
  
 
::<math>r(t) = s(t) + k_0 \cdot s( t - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>r(t) = s(t) + k_0 \cdot s( t - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
  
Aus diesem vereinfachten Modell&nbsp; (ohne den grau hinterlegten Block)&nbsp; lassen sich wichtige Beschreibungsgrößen einfach berechnen:
+
From this simplified model&nbsp; (without the grey-shaded block)&nbsp; important descriptive variables can be easily calculated:
*Wendet man den&nbsp;  [[Signal_Representation/Gesetzm%C3%A4%C3%9Figkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz| Verschiebungssatz]]&nbsp; an, so kommt man zur Übertragungsfunktion
+
*If you use the&nbsp;  [[Signal_Representation/Gesetzm%C3%A4%C3%9Figkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz| Displacement Law]]&nbsp; you get the transfer function
 +
 
  
 
::<math>H(f) = {R(f)}/{S(f)} = 1 + k_0 \cdot {\rm e}^{  - {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \tau_0} \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>H(f) = {R(f)}/{S(f)} = 1 + k_0 \cdot {\rm e}^{  - {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \tau_0} \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Durch&nbsp; [[Signal_Representation/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|Fourierrücktransformation]]&nbsp; erhält man dann die Impulsantwort
+
*Through the&nbsp; [[Signal_Representation/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|Fourier inverse transformation]]&nbsp; one obtains the impulse response
  
 
::<math>h(\tau) =  1 + k_0 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>h(\tau) =  1 + k_0 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Wir betrachten einen Zweiwegekanal mit Verzögerungszeit&nbsp; $\tau_0 = 2 \ \rm &micro; s$&nbsp; und einige Dämpfungsfaktoren&nbsp; $k_0$&nbsp; zwischen&nbsp; $0$&nbsp; und&nbsp; $1$.<br>
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; We consider a two-way channel with delay &nbsp; $\tau_0 = 2 \ \ \rm &micro; s$&nbsp; and some attenuation factors&nbsp; $k_0$&nbsp; between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $1$.<br>
 +
[[File:Mob_T_2_2_S1c_new.png|right|frame|Absolute value of the transfer function of a two-way channel &nbsp; $(\tau_0 = 2 \ \rm &micro; s)$]]
  
[[File:Mob_T_2_2_S1c_neu.png|right|frame|Betrag der Übertragungsfunktion eines Zweiwegekanals &nbsp; $(\tau_0 = 2 \ \rm &micro; s)$]]
 
  
Die Grafik zeigt die Übertragungsfunktion betragsmäßig im Bereich&nbsp; $\pm 1 \ \rm MHz$.  
+
The graph shows the transfer function in terms of its absolute value in the range&nbsp; $\pm 1 \ \rm MHz$.  
  
Man erkennt aus dieser Darstellung:
+
You can see from this representation:
  
*Die Übertragungsfunktion&nbsp; $H(f)$&nbsp; und auch deren Betrag ist periodisch mit&nbsp; $1/\tau_0 = 500 \ \rm kHz$.
+
*The transfer function&nbsp; $H(f)$&nbsp; and also its absolute value is periodic with&nbsp; $1/\tau_0 = 500 \ \rm kHz$.
 
   
 
   
  
*Diese Frequenzperiode ist hier gleichzeitig die&nbsp; [[Mobile_Communications/Das_GWSSUS–Kanalmodell#Kenngr.C3.B6.C3.9Fen_des_GWSSUS.E2.80.93Modells|Kohärenzbandbreite]] .<br>
+
*This frequency period here is also the&nbsp; [[Mobile_Communications/The GWSSUS channel model#Parameters of the GWSSUS model|Coherence Bandwidth]] .<br>
  
  
*Die Schwankungen um den Mittelwert&nbsp; $\vert H(f) \vert = 1$&nbsp; sind um so stärker, je größer der&nbsp; (relative)&nbsp; Beitrag&nbsp; $k_0$&nbsp; des Nebenpfades&nbsp; (also das Echo)&nbsp; ist.}}<br>
+
*The fluctuations around the mean value&nbsp; $\vert H(f) \vert = 1$&nbsp; are the stronger, the larger the&nbsp; (relative)&nbsp; contribution&nbsp; $k_0$&nbsp; of the secondary path&nbsp; (i.e. the echo)&nbsp; is.}}<br>
  
== Kohärenzbandbreite in Abhängigkeit von ''M'' ==
+
== Coherence bandwidth as a function of ''M'' ==
 
<br>
 
<br>
Wir modifizieren nun das Zweiwegemodell dahingehend, dass wir mehr als zwei Pfade zulassen, wie es auch für den Mobilfunk zutrifft.
+
We are now modifying the two-way model in such a way that we allow more than two paths, as is the case for mobile communications.
  
[[File:P ID2149 Mob T 2 2 S2a v1.png|right|frame|Betragsfrequenzgang bei&nbsp; $M = 2$&nbsp; (blau) und&nbsp; $M = 3$&nbsp; (rot) |class=fit]]
+
[[File:P ID2149 Mob T 2 2 S2a v1. png|right|frame|Frequency Response at&nbsp; $M = 2$&nbsp; (blue) and&nbsp; $M = 3$&nbsp; (red) |class=fit]]
Allgemein lautet somit das Mehrwege&ndash;Kanalmodell:
+
In general, the multipath channel model is thus:
  
 
:$$ = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m)  
 
:$$ = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m)  
Line 91: Line 92:
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Wir vergleichen nun
+
We now compare
*den <i>Zweiwegekanal</i>&nbsp; $(M = 2)$&nbsp; mit den Parametern
+
*the <i>two-way channel</i>&nbsp; $(M = 2)$&nbsp; with the parameters
  
 
::<math>\tau_1 = 1\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 
::<math>\tau_1 = 1\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 
  \tau_2 = 3\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6</math>
 
  \tau_2 = 3\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6</math>
  
*und den folgenden <i>Dreiwegekanal</i>&nbsp; $(M = 3)$:
+
*and the following <i>three-way channel</i>&nbsp; $(M = 3)$:
  
 
:$$\tau_1 = 1\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 
:$$\tau_1 = 1\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
Line 104: Line 105:
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Bei den gewählten Konstanten weisen beide Kanäle den quadratischen Mittelwert&nbsp; ${\rm E}\big [k_m^2\big ] = 1$&nbsp; auf.
+
With the selected constants, both channels have the root mean square value&nbsp; ${\rm E}\big [k_m^2\big ] = 1$&nbsp;.
  
  
Die Grafik zeigt die Betragsfunktionen&nbsp; $ |H(f)|$&nbsp; beider Kanäle und die zugehörigen Impulsantworten&nbsp; $h(\tau)$.&nbsp; Man erkennt aus diesen Darstellungen:
+
The graph shows the magnitude functions&nbsp; $ |H(f)|$&nbsp; of both channels and the corresponding impulse responses&nbsp; $h(\tau)$.&nbsp; One can see from these graphs
*Beim blauen Kanal&nbsp; $(M = 2)$&nbsp; treten die Diracfunktionen in einem Bereich der Breite&nbsp; $\Delta \tau_{\rm max} = 2 \ \rm &micro; s$ auf.&nbsp; Beim roten Kanal&nbsp; $(M = 3)$&nbsp; ist dieser Wert viermal so groß: &nbsp; $\Delta \tau_{\rm max} = 8 \ \rm &micro; s$.<br>
+
*In the blue channel&nbsp; $(M = 2)$&nbsp; the Dirac functions occur in a range of width&nbsp; $\Delta \tau_{\rm max} = 2 \ \rm &micro; s$. &nbsp; With the red channel&nbsp; $(M = 3)$&nbsp; this value is four times as large: &nbsp; $\Delta \dew_{\rm max} = 8 \ \rm &micro; s$.<br>
  
*Als erste Näherung für die noch zu definierende&nbsp; [[Mobile_Communications/Das_GWSSUS–Kanalmodell#Kenngr.C3.B6.C3.9Fen_des_GWSSUS.E2.80.93Modells|Kohärenzbandbreite]]&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; verwendet man oft&nbsp; $1/ \Delta \tau_{\rm max}$, die allerdings vom richtigen Wert um den Faktor&nbsp; $2$&nbsp; und mehr abweichen kann.&nbsp;  
+
*As a first approximation for the yet to be defined&nbsp; [[Mobile_Communications/The GWSSUS channel model#Parameters of the GWSSUS model|Coherence Bandwidth]]&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; &nbsp; $1/ \Delta \tau_{\rm max}$ is often used, which may differ from the correct value by a factor of&nbsp; $2$&nbsp; or more.&nbsp;  
*Diese mit Hochkomma bezeichnete einfache Näherung ergibt sich beim blauen Kanal zu&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 500 \ \rm kHz$, beim roten Kanal ist diese mit&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 125 \ \rm kHz$&nbsp; um den Faktor&nbsp; $4$&nbsp; kleiner.<br>
+
*This simple approximation, marked with an apostrophe, results for the blue channel to&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 500 \ \rm kHz$, for the red channel it is&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 125 \ \rm kHz$&nbsp; which is just one fourth of the blue channel's<br>
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Allgemein gilt:}$&nbsp;
+
$\text{In general the following applies: $&nbsp
#&nbsp; Ist die Signalbandbreite&nbsp; $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$&nbsp; sehr viel kleiner als die Kohärenzbandbreite&nbsp; $B_{\rm K}$, so kann der Kanal für dieses System als <i>nichtfrequenzselektiv</i>&nbsp; betrachtet werden&nbsp; &nbsp;$(T_{\rm S}$&nbsp; bezeichnet die Symboldauer$)$.<br>
+
#&nbsp; If the signal bandwidth&nbsp; $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$&nbsp; is much smaller than the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$, then the channel for this system can be considered <i>non-frequency selective</i>&nbsp;&nbsp; &nbsp;$(T_{\rm S}$&nbsp; denotes the symbol duration$)$.<br>
#&nbsp; Anders ausgedrückt: &nbsp; Bei gegebenem&nbsp; $B_{\rm S}$&nbsp; spielt die Frequenzselektivität eine um so größere Rolle, je kleiner die Kohärenzbandbreite&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; bzw. je größer die maximale Verzögerung&nbsp; $\Delta \tau_{\rm max}$&nbsp; ist.<br>
+
#&nbsp; In other words: &nbsp; For a given&nbsp; $B_{\rm S}$&nbsp; the smaller the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; or the larger the maximum delay&nbsp; $\Delta \tau_{\rm max}$&nbsp; the greater the frequency selectivity.
#&nbsp; Das bedeutet auch: &nbsp; Die Frequenzselektivität wird oft durch das längste Echo bestimmt.#&nbsp; Viele kurze Echos mit der Gesamtenergie&nbsp; $E$&nbsp; sind weniger störend als ein langes Echo gleicher Energie&nbsp; $E$.<br>}}
+
#&nbsp; This also means: &nbsp; The frequency selectivity is often determined by the longest echo.#&nbsp; Many short echoes with a total energy&nbsp; $E$&nbsp; are less disturbing than a long echo of the same energy&nbsp; $E$.<br>}}
  
== Berücksichtigung der Zeitvarianz ==
+
== Consideration of the time variance ==
 
<br>
 
<br>
Bisher wurden die Dämpfungsfaktoren&nbsp; $k_m$&nbsp; als konstant angenommen. Für den Mobilfunk ist dieses Kanalmodell aber nur dann richtig, wenn sich Sender und Empfänger nicht bewegen, was für dieses Kommunikationssystem lediglich ein Sonderfall ist.
+
Up to now the attenuation factors&nbsp; $k_m$&nbsp; were assumed to be constant. For mobile radio, however, this channel model is only correct if transmitter and receiver are static, which is merely a special case for this communication system.
  
Für einen sich bewegenden Teilnehmer müssen diese konstanten Faktoren&nbsp; $k_m$&nbsp; durch die zeitvarianten Größen&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; ersetzt werden, die jeweils auf Zufallsprozessen basieren. Es ist zu beachten:
+
For a moving user, these constant factors&nbsp; $k_m$&nbsp; must be replaced by the time-variant factors&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; which are each based on random processes. You should note this:
*Die Beträge der komplexen Gewichtsfaktoren&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; sind rayleighverteilt entsprechend der Seite&nbsp; [[Mobile_Communications/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh–Fadings#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading|Signalverläufe bei Rayleigh&ndash;Fading]]&nbsp; oder &ndash; bei Sichtverbindung &ndash; riceverteilt, wie in&nbsp; [[Mobile_Communications/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rice.E2.80.93Fading|Signalverläufe bei Rice&ndash;Fading]]&nbsp; beschrieben.<br>
+
*The magnitudes of the complex weighting factors&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; are rayleighly distributed according to the page&nbsp; [[Mobile_Communications/Probability density of Rayleigh fading#Sample signal characteristics with Rayleigh fading|Signal characteristics with Rayleigh fading]]&nbsp; or &ndash; with line-of-sight connection &ndash; Rice distributed, as described in&nbsp; [[Mobile_Communications/Non-frequency selective fading with direct component#Example of signal behaviour with Rice fading|Signal characteristics with Rice fading]]&nbsp;.<br>
  
*Die Bindungen innerhalb des Prozesses&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; hängen über das&nbsp; [[Mobile_Communications/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses#AKF_und_LDS_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading |Jakes&ndash;Spektrum]]&nbsp; mit den Mobilitätseigenschaften (Geschwindigkeit, Fahrtrichtung, usw.) zusammen.<br><br>
+
*The bonds within the process&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; are related to the mobility properties (speed, direction, etc.) to the&nbsp; [[Mobile_Communications/Statistical bonds within the Rayleigh process#ACF und PSD with Rayleigh-Fading|Jakes&ndash;Spectrum]]&nbsp;.<br><br>
  
[[File:P ID3104 Mob T 2 2 S2b v1.png|right|frame|Mobilfunkkanalmodell unter Berücksichtigung von Zeitvarianz und Echos|class=fit]]
+
[[File:P ID3104 Mob T 2 2 S2b v1.png|right|frame|mobile channel model considering time variance and echoes|class=fit]]
Die  Grafik zeigt das allgemeingültige Modell für den Mobilfunkkanal.&nbsp; &bdquo;Allgemeingültig&rdquo; allerdings nur unter Vorbehalt, wie am  Seitenende noch  ausgeführt wird.  
+
The diagram shows the generally valid model for the mobile communications channel.&nbsp; "Generally valid" but only with reservations, as explained at the end of the page.  
  
Zum Verständnis des Bildes verweisen wir auf das Kapitel&nbsp; [[Mobile_Communications/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh–Fadings#Eine_sehr_allgemeine_Beschreibung_des_Mobilfunkkanals|Allgemeine Beschreibung des Mobilfunkkanals]]. Zu beachten ist:  
+
For an understanding of the figure we refer to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/Probability density of Rayleigh fading#A very general description of the mobile communication channel|General description of the mobile communications channel]]. Please note:  
*Die&nbsp; $M$&nbsp; Hauptpfade sind durch große Laufzeitunterschiede  gekennzeichnet.
+
*The&nbsp; $M$&nbsp; main paths are characterized by large propagation time differences.
*Die zeitvarianten komplexen Koeffizienten&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; ergeben sich aus der Summe vieler Nebenpfade, deren Verzögerungszeiten alle näherungsweise gleich&nbsp; $\tau_m$&nbsp; sind.
+
*The time-variant complex coefficients&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; result from the sum of many secondary paths whose delay times are all approximately the same&nbsp; $\tau_m$&nbsp;.
 
<br clear = all>
 
<br clear = all>
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Untersuchungen haben ergeben, dass im Mobilfunk gleichzeitig nicht mehr als vier oder fünf Hauptpfade wirksam sind.
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; Studies have shown that in mobile communications no more than four or five main pathways are effective at the same time.
  
[[File:P ID2151 Mob T 2 2 S3b v1.png|right|frame|2D–Impulsantwort mit&nbsp; $M = 3$&nbsp; Pfaden|class=fit]]
+
[[File:P ID2151 Mob T 2 2 S3b v1.png|right|frame|2D-Impulse response with&nbsp; $M = 3$&nbsp; paths|class=fit]]
  
Die dargestelle 2D&ndash;Impulsantwort&nbsp; $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$&nbsp; gilt für&nbsp; $M = 3$&nbsp; Hauptpfade mit zeitvariantem Verhalten, bei denen die Empfangsleistung mit größer werdender Verzögerung im statistischen Mittel abnimmt.&nbsp; Für diese Grafik ist das oben skizzierrte Kanalmodell zugrundegelegt.  
+
The represented 2D&ndash;impulse response&nbsp; $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$&nbsp; applies to&nbsp; $M = 3$&nbsp; main paths with time-variant behavior, where the received power decreases with increasing delay in the statistical average.&nbsp; For this graph the above sketched channel model is used as a basis.  
  
Dargestellt sind zwei verschiedene Ansichten:
+
Two different views are shown:
*Das linke Bild zeigt&nbsp; $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$&nbsp; in Abhängigkeit der Verzögerungszeit&nbsp; $\tau$&nbsp; zu einem festen Zeitpunkt&nbsp; $t$.  
+
*The left image shows&nbsp; $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$&nbsp; as a function of the delay time&nbsp; $\tau$&nbsp; at a fixed time&nbsp; $t$.  
*Die Betrachtungsrichtung  im  rechten Bild ist um&nbsp; $90^\circ$&nbsp; gedreht.  
+
*The viewing direction in the right image is rotated by&nbsp; $90^\circ$&nbsp;.  
*Anhand der farblichen Zuordnung müsste die Darstellung verständlich sein.<br>
+
*By using the color coding, the representation should be understandable.<br>
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Man erkennt aus diesem Bild auch die Schwachstelle unseres Mobilfunkkanalmodells: &nbsp; Zwar sind die Koeffizienten&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; variabel, aber die Verzögerungszeiten&nbsp; $\tau_m$&nbsp; sind fest vorgegeben.&nbsp; Dies entspricht nicht der Realität, wenn die Funkverbindung aufgrund der sich bewegenden Mobilstation in einer sich ändernden Umgebung erfolgt.&nbsp; Eigentlich müsste&nbsp; $\tau_m(t)$&nbsp; berücksichtigt werden.}}<br>
+
This picture also shows the weak point of our mobile communications channel model: &nbsp; Although the coefficients&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; are variable, the delay times&nbsp; $\tau_m$&nbsp; are fixed. &nbsp; This does not correspond to reality, if the mobile station is moving and the connection takes place in a changing environment.&nbsp; &nbsp; $\tau_m(t)$&nbsp; should be considered.}}<br>
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp; Man kann  sich helfen, indem man das oben angegebene Modell leicht modifiziert:
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$\text{Conclusion:}$&nbsp; It is helpful to make a slight modification to the above model:
[[File:P ID2153 Mob T 2 2 S2d v2.png|right|frame|Allgemeingültiges Modell des Mobilfunkkanals|class=fit]]
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[[File:P ID2153 Mob T 2 2 S2d v2.png|right|frame|General model of the mobile channel|class=fit]]
*Man wählt die Anzahl&nbsp; $M'$&nbsp; der (möglichen) Hauptpfade sehr viel größer, als es erforderlich wäre, und setzt&nbsp; $\tau_m = m \cdot \Delta \tau$.  
+
*One chooses the number&nbsp; $M'$&nbsp; of (possible) main paths much larger than necessary and sets&nbsp; $\tau_m = m \cdot \delta \tau$.  
*Die inkrementelle&nbsp; (minimal auflösbare)&nbsp; Verzögerung&nbsp; $\Delta \tau = T_{\rm S}$&nbsp; ergibt sich aus der Abtastrate und damit auch aus der Bandbreite&nbsp; $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$&nbsp; des Sendesignals.<br>
+
*The incremental&nbsp; (minimum resolvable)&nbsp; delay&nbsp; $\Delta \tau = T_{\rm S}$&nbsp; results from the sampling rate and thus also from the bandwidth&nbsp; $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$&nbsp; of the transmit signal.<br>
*Die maximale Verzögerungszeit&nbsp; $\tau_\text{max} = M' \cdot \Delta \tau$&nbsp; dieses Modells ist gleich dem Kehrwert der Kohärenzbandbreite&nbsp; $B_{\rm K}$.  
+
*The maximum delay time&nbsp; $\tau_\text{max} = M' \cdot \delta \tau$&nbsp; of this model is equal to the inverse of the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$.  
*Die Anzahl der berücksichtigten Pfade ist somit&nbsp; $M' = B_{\rm S}/B_{\rm K}$.
+
*The number of paths considered is thus&nbsp; $M' = B_{\rm S}/B_{\rm K}$.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Auch hier liefern meist nicht mehr als&nbsp; $M = 5$&nbsp; Hauptpfade gleichzeitig einen relevanten Beitrag zur Impulsantwort.  
+
Here, too, usually no more than&nbsp; $M = 5$&nbsp; main paths simultaneously provide a relevant contribution to the impulse response.  
*Der Vorteil gegenüber dem ersten Modell ist, dass für die Verzögerungen nun alle Werte&nbsp; $\tau_m \le \tau_\text{max}$&nbsp; mit einer zeitlichen Auflösung von&nbsp; $\Delta \tau$&nbsp; möglich sind.  
+
*The advantage over the first model is that for the delays now all values&nbsp; $\tau_m \le \tau_\text{max}$&nbsp; are possible, with a temporal resolution of&nbsp; $\Delta \tau$&nbsp;.  
*Am&nbsp; [[Mobile_Communications/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell#Simulation_gem.C3.A4.C3.9F_dem_GWSSUS.E2.80.93Modell|Ende des GWSSUS&ndash;Kapitels]]&nbsp; werden wir nochmals auf dieses allgemeine Modell zurückkommen.<br>}}
+
*Am&nbsp; [[Mobile_Communications/The GWSSUS channel model#Simulation according to the GWSSUS model|End of GWSSUS chapter]]&nbsp; we will come back to this general model again.<br>}}
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Excercises to chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:Aufgabe_2.2:_Einfaches_Zweiwege–Kanalmodell|Aufgabe 2.2: Einfaches Zweiwege–Modell]]
+
[[Aufgaben: Exercise 2.2: Simple Two-Path Channel Model]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.2Z:_Realer_Zweiwegekanal|Aufgabe 2.2Z: Realer Zweiwegekanal]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.2Z: Real Two-Path Channel]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.3:_Noch_ein_weiterer_Mehrwegekanal|Aufgabe 2.3: Noch ein weiterer Mehrwegekanal]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.3: Yet Another Multi-Path Channel]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.4:_2D-Übertragungsfunktion|Aufgabe 2.4: 2D-Übertragungsfunktion]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.4: 2-D Transfer Function]]
  
  

Revision as of 19:55, 11 July 2020

Time invariant Description of the two-way channel


We assume the scenario shown in the graph.  This assumes

time invariant consideration of the two-way channel
  • Transmitter and receiver are  at rest
    Then both the channel–transfer function and the impulse response are time independent.   For all times  $t$  applies  $H(f, \hspace{0.05cm}t) = H(f)$  and  $h(\tau, \hspace{0.05cm}t) = h(\tau)$.
  • two-way channel:  
    The transmit signal  $s(t)$  reaches the receiver on a direct path with the path length  $d_1$.  There is an echo due to the reflective ground  $($the total path length is  $d_2)$.


Thus, the following applies to the received signal:

\[r(t) = r_1(t) + r_2(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1) + k_2 \cdot s( t - \tau_2) \hspace{0.05cm}.\]


The following statements should be noted:

  • Compared to the transmitted signal, the signal  $r_1(t)$  received via the direct path is attenuated by the factor  $k_1$  and delayed by   $\tau_1$ .
    .
  • The attenuation factor  $k_1$  is calculated with the  path loss model . The greater the transmission frequency  $f_{\rm S}$,  the distance  $d_1$  and the exponent  $\gamma$  are, the smaller   $k_1$  is and thus the greater the loss is.
  • The delay  $\tau_1 = d_1/c$  increases proportionally with the path length  $d_1$ .   For example, for the distance  $d_1 = 3 \ \rm km$  and the speed of light  $c = 3 \cdot 10^8 \ \rm m/s$  the delay will be  $\tau_1 = 10 \ \rm µ s$.
  • Because of the larger path length  $(d_2 > d_1)$  the second path has a greater attenuation   ⇒   smaller pre-factor   ⇒   $(|k_2| < |k_1|)$  and accordingly also a greater delay   $(\tau_2 > \tau_1)$.
  • In addition, it must be taken into account that the reflection from buildings or the ground leads to a phase rotation of  $\pi \ (180^\circ)$  This causes the factor  $k_2$  to become negative.  In the following, however, the negative sign of  $k_2$  is ignored.

Note:   We refer here to the applet  effects of multipath reception .


Simple time invariant model of the two-way channel


Replacement model for the two-way channel

For the frequency selectivity

  • the path loss  $($marked by  $k_1)$  and
  • the basic term  $\tau_1$ 


are irrelevant. The only decisive factors here are path loss differences and runtime differences.

We will now describe the two-way channel with the new parameters 

$$k_0 = |k_2 /k_1 |,$$
$$\tau_0 = \tau_2 - \tau_1.$$

This results in:

\[r(t) = r_1(t) + k_0 \cdot r_1( t - \dew_0) \hspace{0.5cm}{\rm with} \hspace{0.5cm} r_1(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1)\hspace{0.05cm}.\]

The graphic illustrates the equation.  With the following simplifications  $k_1 = 1$  and  $\tau_1 = 0$    ⇒   $r_1(t) = s(t)$  we obtain:

\[r(t) = s(t) + k_0 \cdot s( t - \tau_0) \hspace{0.05cm}.\]

From this simplified model  (without the grey-shaded block)  important descriptive variables can be easily calculated:


\[H(f) = {R(f)}/{S(f)} = 1 + k_0 \cdot {\rm e}^{ - {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \tau_0} \hspace{0.05cm}.\]
\[h(\tau) = 1 + k_0 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Example 1:}$  We consider a two-way channel with delay   $\tau_0 = 2 \ \ \rm µ s$  and some attenuation factors  $k_0$  between  $0$  and  $1$.

File:Mob T 2 2 S1c new.png
Absolute value of the transfer function of a two-way channel   $(\tau_0 = 2 \ \rm µ s)$


The graph shows the transfer function in terms of its absolute value in the range  $\pm 1 \ \rm MHz$.

You can see from this representation:

  • The transfer function  $H(f)$  and also its absolute value is periodic with  $1/\tau_0 = 500 \ \rm kHz$.



  • The fluctuations around the mean value  $\vert H(f) \vert = 1$  are the stronger, the larger the  (relative)  contribution  $k_0$  of the secondary path  (i.e. the echo)  is.


Coherence bandwidth as a function of M


We are now modifying the two-way model in such a way that we allow more than two paths, as is the case for mobile communications.

File:P ID2149 Mob T 2 2 S2a v1. png
Frequency Response at  $M = 2$  (blue) and  $M = 3$  (red)

In general, the multipath channel model is thus:

$$ = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m) \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} h(\tau) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot \delta( \tau - \tau_m) \hspace{0.05cm}.$$

We now compare

  • the two-way channel  $(M = 2)$  with the parameters
\[\tau_1 = 1\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \tau_2 = 3\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6\]
  • and the following three-way channel  $(M = 3)$:
$$\tau_1 = 1\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \tau_2 = 3\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 \approx 0.43\hspace{0.05cm}, $$
$$ \tau_3 = 9\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_3 \approx 0.43 \hspace{0.05cm}.$$

With the selected constants, both channels have the root mean square value  ${\rm E}\big [k_m^2\big ] = 1$ .


The graph shows the magnitude functions  $ |H(f)|$  of both channels and the corresponding impulse responses  $h(\tau)$.  One can see from these graphs

  • In the blue channel  $(M = 2)$  the Dirac functions occur in a range of width  $\Delta \tau_{\rm max} = 2 \ \rm µ s$.   With the red channel  $(M = 3)$  this value is four times as large:   $\Delta \dew_{\rm max} = 8 \ \rm µ s$.
  • As a first approximation for the yet to be defined  Coherence Bandwidth  $B_{\rm K}$    $1/ \Delta \tau_{\rm max}$ is often used, which may differ from the correct value by a factor of  $2$  or more. 
  • This simple approximation, marked with an apostrophe, results for the blue channel to  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 500 \ \rm kHz$, for the red channel it is  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 125 \ \rm kHz$  which is just one fourth of the blue channel's


$\text{In general the following applies: $&nbsp

  1.   If the signal bandwidth  $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$  is much smaller than the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$, then the channel for this system can be considered non-frequency selective    $(T_{\rm S}$  denotes the symbol duration$)$.
  2.   In other words:   For a given  $B_{\rm S}$  the smaller the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$  or the larger the maximum delay  $\Delta \tau_{\rm max}$  the greater the frequency selectivity.
  3.   This also means:   The frequency selectivity is often determined by the longest echo.#  Many short echoes with a total energy  $E$  are less disturbing than a long echo of the same energy  $E$.

Consideration of the time variance


Up to now the attenuation factors  $k_m$  were assumed to be constant. For mobile radio, however, this channel model is only correct if transmitter and receiver are static, which is merely a special case for this communication system.

For a moving user, these constant factors  $k_m$  must be replaced by the time-variant factors  $z_m(t)$  which are each based on random processes. You should note this:

  • The bonds within the process  $z_m(t)$  are related to the mobility properties (speed, direction, etc.) to the  Jakes–Spectrum .

mobile channel model considering time variance and echoes

The diagram shows the generally valid model for the mobile communications channel.  "Generally valid" but only with reservations, as explained at the end of the page.

For an understanding of the figure we refer to the chapter  General description of the mobile communications channel. Please note:

  • The  $M$  main paths are characterized by large propagation time differences.
  • The time-variant complex coefficients  $z_m(t)$  result from the sum of many secondary paths whose delay times are all approximately the same  $\tau_m$ .


$\text{Example 2:}$  Studies have shown that in mobile communications no more than four or five main pathways are effective at the same time.

2D-Impulse response with  $M = 3$  paths

The represented 2D–impulse response  $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$  applies to  $M = 3$  main paths with time-variant behavior, where the received power decreases with increasing delay in the statistical average.  For this graph the above sketched channel model is used as a basis.

Two different views are shown:

  • The left image shows  $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$  as a function of the delay time  $\tau$  at a fixed time  $t$.
  • The viewing direction in the right image is rotated by  $90^\circ$ .
  • By using the color coding, the representation should be understandable.


This picture also shows the weak point of our mobile communications channel model:   Although the coefficients  $z_m(t)$  are variable, the delay times  $\tau_m$  are fixed.   This does not correspond to reality, if the mobile station is moving and the connection takes place in a changing environment.    $\tau_m(t)$  should be considered.


$\text{Conclusion:}$  It is helpful to make a slight modification to the above model:

General model of the mobile channel
  • One chooses the number  $M'$  of (possible) main paths much larger than necessary and sets  $\tau_m = m \cdot \delta \tau$.
  • The incremental  (minimum resolvable)  delay  $\Delta \tau = T_{\rm S}$  results from the sampling rate and thus also from the bandwidth  $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$  of the transmit signal.
  • The maximum delay time  $\tau_\text{max} = M' \cdot \delta \tau$  of this model is equal to the inverse of the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$.
  • The number of paths considered is thus  $M' = B_{\rm S}/B_{\rm K}$.


Here, too, usually no more than  $M = 5$  main paths simultaneously provide a relevant contribution to the impulse response.

  • The advantage over the first model is that for the delays now all values  $\tau_m \le \tau_\text{max}$  are possible, with a temporal resolution of  $\Delta \tau$ .
  • Am  End of GWSSUS chapter  we will come back to this general model again.

Excercises to chapter


Exercise 2.2: Simple Two-Path Channel Model

Exercise 2.2Z: Real Two-Path Channel

Exercise 2.3: Yet Another Multi-Path Channel

Exercise 2.4: 2-D Transfer Function