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Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.1Z: Simple Path Loss Model"

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[[File:P_ID2121__Mob_Z_1_1.png|right|frame|Bandbreitenorganisation bei DSL]]
 
[[File:P_ID2121__Mob_Z_1_1.png|right|frame|Bandbreitenorganisation bei DSL]]
Funkübertragung bei Sichtverbindung lässt sich durch das so genannte Pfadverlustmodell beschreiben, das durch folgende Gleichungen gegeben ist:
+
Radio transmission with line-of-sight can be described by the so-called path loss model, which is given by the following equations:
:$$V_{\rm P}(d) = V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},$$
+
VP(d)=V0+γ10dBlg(d/d0),
:V0=γ10dBlg4πd0λ.
+
V0=γ10dBlg4πd0λ.
  
Die Grafik zeigt den Pfadverlust  VP(d)  in  dB. Auch die Abszisse  d  ist logarithmisch dargestellt.  
+
The graphic shows the path loss  VP(d)  in  dB. The abscissa  d  is also displayed logarithmically.  
  
In obiger Gleichung sind verwendet:
+
In the above equation are used:
* die Distanz  d  von Sender und Empfänger,
+
* the distance  d  of sender and receiver,
* die Bezugsentfernung  d0=1 m,
+
* the reference distance  d0=1 m,
* der Pfadverlustexponent  γ,
+
* the path loss exponent  γ,
* die Wellenlänge  λ  der elektromagnetischen Welle.
+
* the wavelength  λ  of electromagnetic wave.
  
  
Gezeigt sind zwei Szenarien  (A)  und  (B)  mit gleichem Pfadverlust bei der Distanz  d0=1 m:
+
Two scenarios are shown  (A)  and  (B)  with the same path loss at distance  d0=1 m:
:V0=VP(d=d0)=20dB.
+
V0=VP(d=d0)=20dB.
  
Eines dieser beiden Szenarien beschreibt die so genannte <i>Freiraumdämpfung</i>, charakterisiert  durch den Pfadverlustexponenten&nbsp; γ=2. Die Gleichung für die Freiraumdämpfung  gilt allerdings nur im <i>Fernfeld</i>, also wenn der Abstand&nbsp; d&nbsp; zwischen Sender und Empfänger größer ist als die &bdquo;Fraunhofer&ndash;Distanz&rdquo;
+
One of these two scenarios describes the so-called <i>free space attenuation</i>, characterized by the path loss exponent&nbsp; γ=2. However, the equation for the free space attenuation only applies in the <i>far-field</i>, i.e. when the distance&nbsp; d&nbsp; between transmitter and receiver is greater than the &bdquo;Fraunhofer&ndash;distance&rdquo;
:dF=2D2/λ.
+
dF=2D2/λ.
  
Hierbei ist&nbsp; D&nbsp; die größte physikalische Abmessung der Sendeantenne. Bei einer&nbsp; λ/2&ndash;Antenne erhält man hierfür das einfache Ergebnis:
+
Where&nbsp; D&nbsp; is the largest physical dimension of the transmitting antenna. With an&nbsp; λ/2&ndash;antenna, you get the simple result for this:
:dF=2(λ/2)2λ=λ/2.
+
dF=2(λ/2)2λ=λ/2.
  
  
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''Hinweise:''  
+
''Notes:''  
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Distanzabh%C3%A4ngige_D%C3%A4mpfung_und_Abschattung|Distanzabhängige Dämpfung und Abschattung]].
+
* The task belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communication/Distancedependent%C3%A4ngige_D%C3%A4mpfung_und_Abschattung|Distance-dependent attenuation and shading]].
* Die Lichtgeschwindigkeit beträgt&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8 \ {\rm m/s}$.
+
* The speed of light is&nbsp; c=3108 m/s.
 
   
 
   
  
Line 38: Line 38:
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche Pfadverlustexponenten gelten für die Szenarien &nbsp;(A)&nbsp; und &nbsp;(B)?
+
{Which path loss exponents apply to the scenarios &nbsp;(A)&nbsp; and &nbsp;(B)?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
γA =  { 2 3% }
 
γA =  { 2 3% }
 
γB =  { 2.5 3% }
 
γB =  { 2.5 3% }
  
{Welches Szenario beschreibt die Freiraumdämpfung?
+
{Which scenario describes the free space attenuation?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Szenario &nbsp;(A),
+
+ scenario &nbsp;(A),
- Szenario &nbsp;(B).
+
- Scenario &nbsp;(B).
  
{Welche Signalfrequenzen liegen den Szenarien &nbsp;(A)&nbsp; und &nbsp;(B)&nbsp; zugrunde?
+
{Which signal frequencies are the basis for the scenarios &nbsp;(A)&nbsp; and &nbsp;(B)&nbsp;?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
fA =  { 240 3% }  MHz
+
fA =  { 240 3% } $\ \ \rm MHz$
fB =  { 151.4 3% }  MHz
+
fB =  { 151.4 3% } $\ \ \rm MHz$
  
{Gilt das Freiraum&ndash;Szenario für alle Distanzen zwischen&nbsp; 1 m&nbsp; und&nbsp; 10 km?
+
Does the free space&ndash scenario apply to all distances between&nbsp; $1 \ \ \rm m$&nbsp; and&nbsp; 10 km?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Ja,
+
+ Yes,
- Nein.
+
- No.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Sample solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Die (einfachste) Pfadverlustgleichung lautet:
+
'''(1)''&nbsp; The (simplest) path loss equation is
:$$V_{\rm P}(d) = V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm}.$$
+
VP(d)=V0+γ10dBlg(d/d0).
  
*Beim Szenario (A) beträgt der Abfall pro Dekade (zum Beispiel zwischen d0=1 m und d=10 m) genau 20 dB und beim Szenario (B) 25 dB.  
+
*In scenario (A), the waste per decade (for example, between d0=1 m and d=10 m) is exactly 20 dB and in scenario (B) 25 dB.  
*Daraus folgt:
+
*It follows:
:γA=2_,γB=2.5_.
+
γA=2_,γB=2.5_.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Richtig ist <u>Lösungsvorschlag 1</u>, da die Freiraumdämpfung durch den Pfadverlustexponenten γ=2 gekennzeichnet ist.
+
'''(2)'''&nbsp; Correct is <u>solution 1</u>, since the free space attenuation is characterized by the path loss exponent γ=2.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Der Pfadverlust bei d0=1 m ist in beiden Fällen V0=20 dB. Beim Szenario (A) gilt weiter:
+
'''(3)'''&nbsp; The path loss at d0=1 m is in both cases V0=20 dB. For scenario (A) the same applies:
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \left [ \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda_{\rm A}}\right ]^2 = 20\,{\rm dB} \hspace{0.2cm} \Rightarrow \hspace{0.2cm}
+
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} \left [ \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda_{\rm A}}\right ]^2 = 20\,{\rm dB} \hspace{0.2cm} \Rightarrow \hspace{0.2cm}
 
  \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda_{\rm A}} = 10 \hspace{0.2cm} \Rightarrow \hspace{0.2cm}
 
  \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda_{\rm A}} = 10 \hspace{0.2cm} \Rightarrow \hspace{0.2cm}
  \lambda_{\rm A} = 4 \pi \cdot 0.1\,{\rm m} = 1.257\,{\rm m}
+
  \lambda_{\rm A} = 4 \pi \cdot 0.1\,{\rm m} = 1,257\,{\rm m}
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
*Die Frequenz fA hängt mit der Wellenlänge λA über die Lichtgeschwindigkeit c zusammen:
+
*The frequency fA is related to the wavelength λA over the speed of light c:
:$$f_{\rm A} = \frac{c}{\lambda_{\rm A}} = \frac{3 \cdot 10^8\,{\rm m/s}}{1.257\,{\rm m}} = 2.39 \cdot 10^8\,{\rm Hz}
+
$$f_{\rm A} = \frac{c}{\lambda_{\rm A}} = \frac{3 \cdot 10^8\,{\rm m/s}}}{1.257\,{\rm m}} = 2.39 \cdot 10^8\,{\rm Hz}
  \hspace{0.15cm} \underline{\approx 240 \,\,{\rm MHz}}
+
  \hspace{0.15cm} \underline{\approx 240 \,\,{\rm MHz}}
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
*Dagegen gilt für das Szenario (B):
+
*On the other hand, the scenario (B)
:10lg[4πd0λB]2.5=20dB25lg[4πd0λB]=20dB
+
10lg[4πd0λB]2.5=20dB25lg[4πd0λB]=20dB
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}  \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda_{\rm B}} = 10^{0.8} \approx 6.31
+
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}  \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda_{\rm B}} = 10^{0.8} \approx 6.31
   \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
+
   \hspace {0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
  {\lambda_{\rm B}} = \frac{10}{6.31} \cdot {\lambda_{\rm A}}\hspace{0.3cm}
 
  {\lambda_{\rm B}} = \frac{10}{6.31} \cdot {\lambda_{\rm A}}\hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm}
  {f_{\rm B}} = \frac{6.31}{10} \cdot {f_{\rm A}} = 0.631 \cdot 240 \,{\rm MHz}\hspace{0.15cm} \underline{\approx 151.4 \,\,{\rm MHz}}
+
  {f_{\rm B}}} = \frac{6.31}{10} \cdot {f_{\rm A}}} = 0.631 \cdot 240 \,{\rm MHz}\hspace{0.15cm} \underline {\approx 151.4 \,\,{\rm MHz}}
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig ist der <u>erste Lösungsvorschlag</u>:  
+
'''(4)'''&nbsp; <u>first suggested solution</u> is correct:  
*Beim Freiraum&ndash;Szenario (A) beträgt die Fraunhofer&ndash;Distanz&nbsp; dF=λA/263 cm. Es gilt also stets&nbsp; d>dF.  
+
*In free space&ndash;scenario (A) the Fraunhofer&ndash;distance&nbsp; dF=λA/263 cm. Thus, the following always applies&nbsp; d>dF.  
*Auch beim Szenario (B) ist wegen&nbsp; λB2 m&nbsp; bzw. &nbsp;dF1 m&nbsp; der gesamte dargestellte Verlauf richtig.
+
*Also in scenario (B) is because of&nbsp; λB2 m&nbsp; or &nbsp;dF1 m&nbsp; the entire displayed course correct.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 16:44, 25 March 2020

Bandbreitenorganisation bei DSL

Radio transmission with line-of-sight can be described by the so-called path loss model, which is given by the following equations: VP(d)=V0+γ10dBlg(d/d0), V0=γ10dBlg4πd0λ.

The graphic shows the path loss  VP(d)  in  dB. The abscissa  d  is also displayed logarithmically.

In the above equation are used:

  • the distance  d  of sender and receiver,
  • the reference distance  d0=1 m,
  • the path loss exponent  γ,
  • the wavelength  λ  of electromagnetic wave.


Two scenarios are shown  (A)  and  (B)  with the same path loss at distance  d0=1 m: V0=VP(d=d0)=20dB.

One of these two scenarios describes the so-called free space attenuation, characterized by the path loss exponent  γ=2. However, the equation for the free space attenuation only applies in the far-field, i.e. when the distance  d  between transmitter and receiver is greater than the „Fraunhofer–distance” dF=2D2/λ.

Where  D  is the largest physical dimension of the transmitting antenna. With an  λ/2–antenna, you get the simple result for this: dF=2(λ/2)2λ=λ/2.




Notes:



Questionnaire

1

Which path loss exponents apply to the scenarios  (A)  and  (B)?

γA = 

γB = 

2

Which scenario describes the free space attenuation?

scenario  (A),
Scenario  (B).

3

Which signal frequencies are the basis for the scenarios  (A)  and  (B) ?

fA = 

  MHz
fB = 

  MHz
Does the free space&ndash scenario apply to all distances between  1  m  and  10 km?
|type="()"}
+ Yes,
- No.


Sample solution

'(1)  The (simplest) path loss equation is VP(d)=V0+γ10dBlg(d/d0).

  • In scenario (A), the waste per decade (for example, between d0=1 m and d=10 m) is exactly 20 dB and in scenario (B) 25 dB.
  • It follows:

γA=2_,γB=2.5_.


(2)  Correct is solution 1, since the free space attenuation is characterized by the path loss exponent γ=2.


(3)  The path loss at d0=1 m is in both cases V0=20 dB. For scenario (A) the same applies: 10lg[4πd0λA]2=20dB4πd0λA=10λA=4π0.1m=1,257m.

  • The frequency fA is related to the wavelength λA over the speed of light c:

f_{\rm A} = \frac{c}{\lambda_{\rm A}} = \frac{3 \cdot 10^8\,{\rm m/s}}}{1.257\,{\rm m}} = 2.39 \cdot 10^8\,{\rm Hz}  \hspace{0.15cm} \underline{\approx 240 \,\,{\rm MHz}}   \hspace{0.05cm}.

  • On the other hand, the scenario (B)

10lg[4πd0λB]2.5=20dB25lg[4πd0λB]=20dB \Rightarrow \hspace{0.3cm}  \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda_{\rm B}} = 10^{0.8} \approx 6.31   \hspace {0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}  {\lambda_{\rm B}} = \frac{10}{6.31} \cdot {\lambda_{\rm A}}\hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm}  {f_{\rm B}}} = \frac{6.31}{10} \cdot {f_{\rm A}}} = 0.631 \cdot 240 \,{\rm MHz}\hspace{0.15cm} \underline {\approx 151.4 \,\,{\rm MHz}}   \hspace{0.05cm}.


(4)  first suggested solution is correct:

  • In free space–scenario (A) the Fraunhofer–distance  dF=λA/263 cm. Thus, the following always applies  d>dF.
  • Also in scenario (B) is because of  λB2 m  or  dF1 m  the entire displayed course correct.