Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.2: Lognormal Channel Model"

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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Distanzabhängige Dämpfung und Abschattung
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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile_Communications/Distance_Dependent_Attenuation_and_Shading
 
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}}
  
[[File:P_ID2122__Mob_A_1_2.png|right|frame|WDF des Lognormal–Fadings]]
+
[[File:EN_Mob_A1_2.png|right|frame|PDF of lognormal fading]]
Wir betrachten eine Mobilfunkzelle im städtischen Bereich und ein Fahrzeug, das sich näherungsweise in einem festen Abstand  $d_0$  von der Basisstation aufhält. Beispielsweise bewegt es sich auf einem Kreisbogen um die Basisstation.  
+
We consider a mobile radio cell in an urban area and a vehicle that is approximately at a fixed distance  $d_0$  from the base station.  For example, it moves on an arc around the base station.  
  
Somit ist der gesamte Pfadverlust durch folgende Gleichung beschreibbar:
+
Thus the total path loss can be described by the following equation:
:$$V_{\rm P} = V_{\rm 0} + V_{\rm S}  \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$V_{\rm P} = V_{\rm 0} + V_{\rm S}  \hspace{0.05cm}.$$
  
*$V_0$  berücksichtigt den entfernungsabhängigen Pfadverlust, der mit  $V_0 = 80 \ \rm dB$  als konstant angenommen wird.  
+
*$V_0$  takes into account the distance-dependent path loss which is assumed to be constant:  $V_0 = 80 \ \rm dB$ .  
*Der Verlust&nbsp; $V_{\rm S}$&nbsp; ist auf Abschattungen (<i>Shadowing</i>) zurückzuführen, der durch die Lognormal&ndash;Verteilung mit der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
+
*The loss&nbsp; $V_{\rm S}$&nbsp; is due to shadowing caused by the lognormal distribution with the probability density function (PDF)
:$$f_{V{\rm S}}(V_{\rm S}) =  \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S}}  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{ (V_{\rm S}- m_{\rm S})^2}{2 \cdot \sigma_{\rm S}^2} \right ] \hspace{0.05cm}$$
+
:$$f_{V_{\rm S}}(V_{\rm S}) =  \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S}}  \cdot {\rm e }^{ - { (V_{\rm S}\hspace{0.05cm}- \hspace{0.05cm}m_{\rm S})^2}/(2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sigma_{\rm S}^2) },$$
  
:ausreichend genau beschrieben wird (siehe Grafik). Es gelten folgende Zahlenwerte:
+
: see diagram. The following numerical values apply:
:$$m_{\rm S} = 20\,\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}  \sigma_{\rm S} = 10\,\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}{\rm bzw.}\hspace{0.15cm}\sigma_{\rm S} = 0\,\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}{\rm (Teilaufgabe\hspace{0.15cm} 2)}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$m_{\rm S} = 20\,\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}  \sigma_{\rm S} = 10\,\,{\rm dB}\hspace{0.25cm}{\rm or }\hspace{0.25cm}\sigma_{\rm S} = 0\,\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}{\rm (subtask\hspace{0.15cm} 2)}\hspace{0.05cm}.$$
  
Gehen Sie außerdem von folgenden einfachen Annahmen aus:
+
Also make the following simple assumptions:
* Die Sendeleistung beträgt&nbsp; $P_{\rm S} = 10 \ \rm W$&nbsp; (oder $40 \ \rm dBm$).
+
* The transmit power is&nbsp; $P_{\rm S} = 10 \ \rm W$&nbsp; $\text{(or  } 40 \ \rm dBm$).
* Die Empfangsleistung soll mindestens&nbsp; $P_{\rm E} = 10 \ \rm pW$&nbsp;  (umgerechnet: $&ndash;80 \ \rm dBm$) betragen.
+
* The received power should be at least&nbsp; $P_{\rm E} = 10 \ \rm pW$&nbsp; $\text{(or } -80 \ \rm dBm$)
  
  
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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]].
+
* This task belongs to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/Distance_dependent_attenuation_and_shading|Distance dependent attenuation and shading]].
 
   
 
   
* Für das komplementäre Gaußsche Fehlerintegral können Sie folgende (grobe) Näherungen verwenden:
+
* You can use the following (rough) approximations for the complementary Gaussian error integral:
 
:$${\rm Q}(1) \approx 0.16\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm Q}(2) \approx 0.02\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
 
:$${\rm Q}(1) \approx 0.16\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm Q}(2) \approx 0.02\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}
 
  {\rm Q}(3) \approx 10^{-3}\hspace{0.05cm}.$$
 
  {\rm Q}(3) \approx 10^{-3}\hspace{0.05cm}.$$
* Oder Sie benutzen das von $\rm LNTwww$ bereitgestellte Interaktionsmodul [[Applets:Komplementäre_Gaußsche_Fehlerfunktionen_(neues_Applet)|Komplementäre Gaußsche Fehlerfunktionen]].
+
* Or use the interaction module&nbsp; [[Applets:Complementary_Gaussian_Error_Functions|Complementary Gaussian Error Functions]]&nbsp; provided by&nbsp; $\rm LNTwww$.
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wäre&nbsp; $P_{\rm E}$&nbsp; ohne Berücksichtigung des Lognormal&ndash;Fadings ausreichend?
+
{Would&nbsp; $P_{\rm E}$&nbsp; be sufficient if the loss $V_S$ due to shadowing is not present?
 
|type="()"}
 
|type="()"}
+ Ja,
+
+ Yes,
- Nein.
+
- No.
  
{Die Lognormal&ndash;Parameter seien&nbsp; $m_{\rm S} = 20 \, \rm dB$&nbsp; und&nbsp; $\sigma_{\rm S} = 0 \, \rm dB$. In wieviel Prozent der Zeit funktioniert das System?
+
{The parameters of the lognormal distribution are&nbsp; $m_{\rm S} = 20 \, \rm dB$&nbsp; and&nbsp; $\sigma_{\rm S} = 0 \, \rm dB$.&nbsp; What percentage of the time does the system work?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr(System \ funktioniert)} \ = \ $ { 100 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr(System \ works)} \ = \ $ { 100 3% } $\ \%$
  
{Welche Wahrscheinlichkeit ergibt sich mit&nbsp; $m_{\rm S} = 20 \ \rm dB$&nbsp; und&nbsp; $\sigma_{\rm S} = 10 \ \rm dB$?
+
{What is the probability with&nbsp; $m_{\rm S} = 20 \ \ \rm dB$&nbsp; and&nbsp; $\sigma_{\rm S} = 10 \ \ \rm dB$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
${\rm Pr(System \ funktioniert)}\ = \ $ { 98 3% } $\ \%$
+
${\rm Pr(System \ works)}\ = \ $ { 98 3% } $\ \%$
  
{Wie groß darf&nbsp; $V_0$&nbsp; maximal sein, damit die Zuverlässigkeit zu&nbsp; $99.9\%$&nbsp; erreicht wird?
+
{How big can&nbsp; $V_0$&nbsp; be at most, so that the reliability of&nbsp; $99.9\%$&nbsp; is reached?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$V_0 \ = \ $ { 70 3% } $\ \rm dB$
+
$V_0 \ = \ $ { 70 3% } $\ \ \rm dB$
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Richtig ist <u>JA</u>:
+
'''(1)'''&nbsp; The correct answer is <u>YES</u>:
*Aus dem $\rm dB$&ndash;Wert $V_0 = 80 \ \rm dB$ folgt der absolute (lineare) Wert $K_0 = 10^8$. Damit beträgt die Empfangsleistung
+
*From the&nbsp; $\rm dB$&ndash;value&nbsp; $V_0 = 80 \ \rm dB$&nbsp; follows the absolute (linear) value&nbsp; $K_0 = 10^8$.&nbsp; Thus the received power is
:$$P_{\rm E} = P_{\rm S}/K_0 = 10 \ {\rm W}/10^8 = 100 \ {\rm nW} > 10 \ \rm pW.$$  
+
:$$P_{\rm E} = P_{\rm S}/K_0 = 10 \ {\rm W}/10^8 = 100 \ {\rm nW} > 10 \ \ \rm pW.$$  
  
*Man kann dieses Problem auch direkt mit den logarithmischen Größen lösen:
+
*You can also solve this problem directly with the logarithmic quantities:
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{P_{\rm E}}{1\,\,{\rm mW}} = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{P_{\rm S}}{1\,\,{\rm mW}} - V_0 = 40\,{\rm dBm} -80\,\,{\rm dB} = -40\,\,{\rm dBm}  
 
:$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{P_{\rm E}}{1\,\,{\rm mW}} = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{P_{\rm S}}{1\,\,{\rm mW}} - V_0 = 40\,{\rm dBm} -80\,\,{\rm dB} = -40\,\,{\rm dBm}  
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
*Gefordert ist aber lediglich der Grenzwert $&ndash;80 \ \rm dBm$.
+
*Only the limit value&nbsp; $-80 \ \rm dBm$&nbsp; is required.
  
  
  
'''(2)'''&nbsp; Lognormal&ndash;Fading mit $\sigma_{\rm S} = 0 \ \rm dB$ ist gleichbedeutend mit einer konstanten Empfangslestung $P_{\rm E}$.  
+
'''(2)'''&nbsp; Lognormal fading with&nbsp; $\sigma_{\rm S} = 0 \ \rm dB$&nbsp; is equivalent to a constant received power&nbsp; $P_{\rm E}$.  
*Gegenüber der Teilaufgabe '''(1)''' ist diese um $m_{\rm S} = 20 \ \rm dB$ kleiner &nbsp; &#8658; &nbsp; $P_{\rm E} = \ &ndash;60 \ \rm dBm$.  
+
*Compared to the subtask&nbsp; '''(1)'''&nbsp; this is&nbsp; $m_{\rm S} = 20 \ \ \rm dB$&nbsp; smaller &nbsp; &#8658; &nbsp; $P_{\rm E} = \ &ndash;60 \ \ \rm dBm$.  
*Sie ist aber immer noch größer als der vorgegebene Grenzwert ($&ndash;80 \ \rm dBm$).  
+
*But it is still greater than the specified limit value&nbsp; $(-80 \ \rm dBm)$.  
*Daraus folgt: &nbsp; Das System ist (fast) zu <u>100% funktionsfähig</u>. &bdquo;Fast&rdquo; deshalb, weil es bei einer Gaußschen Zufallsgröße immer eine (kleine) Restunsicherheit gibt.
+
*It follows: &nbsp; The system is (almost)&nbsp; <u>100% functional</u>.&nbsp; "Almost" because with a Gaussian random quantity there is always a (small) residual uncertainty.
  
  
  
'''(3)'''&nbsp; Die Empfangsleistung ist dann zu gering (kleiner als $&ndash;80 \ \rm dBm$), wenn der Leistungsverlust durch den Lognormal&ndash;Term $40 \ \rm dB$ oder mehr beträgt.  
+
'''(3)'''&nbsp; The received power is too low&nbsp; $($less than $&ndash;80 \ \rm dBm)$&nbsp; if the power loss due to the lognormal&ndash;term is&nbsp; $40 \ \rm dB$&nbsp; or more.
*Der veränderliche Anteil $V_{\rm S}$ darf also nicht größer sein als $20 \ \rm dB$.  
+
[[File:EN_Mob_A_1_2c.png|right|frame|Loss due to lognormal fading]]
*Daraus folgt:
+
:$${\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm}funktioniert\hspace{0.15cm}nicht"})= {\rm Q}\left ( \frac{20\,\,{\rm dB}}{\sigma_{\rm S} = 10\,{\rm dB}}\right )  
+
*The distance-dependent path loss $V_{\rm S}$ must therefore not be greater than&nbsp; $20 \ \rm dB$.  
   = {\rm Q}(2) \approx 0.02\hspace{0.3cm}
+
*So it follows:
\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm}funktioniert"})= 1-  0.02 \hspace{0.15cm} \underline{\approx 98\,\%}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$${\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm}does\hspace{0.15cm}not\hspace{0.15cm}work"})= {\rm Q}\left ( \frac{20\,\,{\rm dB}}{\sigma_{\rm S} = 10\,{\rm dB}}\right )  
[[File:P_ID2187__Mob_A_1_2c_v1.png|right|frame|Verlust durch Lognormal–Fading]]
+
   = {\rm Q}(2) \approx 0.02$$
Die Grafik verdeutlicht das Ergebnis.  
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm}works"})= 1-  0.02 \hspace{0.15cm} \underline{\approx 98\,\%}\hspace{0.05cm}.$$
*Dargestellt ist hier die Wahrscheinlichkeitsdichte $f_{\rm VS}(V_{\rm S})$ des Pfadverlustes durch ''Shadowing'' (Longnormal&ndash;Fading).  
+
The graphic illustrates the result.  
*Die Wahrscheinlichkeit, dass das System ausfällt, ist rot markiert:
+
*The probability density&nbsp; $f_{\rm VS}(V_{\rm S})$&nbsp; of the path loss due to shadowing&nbsp; (Longnormal Fading)&nbsp; is shown here.  
<br clear=all>
+
 
'''(4)'''&nbsp; Aus der Verfügbarkeitswahrscheinlichkeit $99.9 \%$ folgt die Ausfallwahrscheinlichkeit $10^{\rm &ndash;3} \approx \ {\rm Q}(3)$.  
+
*The probability that the system will fail is marked in red.
*Verringert man den entfernungsabhängigen Pfadverlust $V_0$ um $10 \ \rm dB$ auf $\underline {70 \ \rm dB}$, so kommt es erst dann zu einem Ausfall, wenn $V_{\rm S} &#8805; 50 \ \rm dB$ ist.  
+
 
*Damit wäre genau die geforderte Zuverlässigkeit erreicht, wie die folgende Rechnung zeigt:  
+
 
:$${\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm}funktioniert\hspace{0.15cm}nicht"})=
+
 
   {\rm Q}\left ( \frac{120-70-20}{10}\right )  
+
'''(4)'''&nbsp; From the availability probability&nbsp; $99.9 \%$&nbsp; follows the failure probability&nbsp; $10^{\rm -3} \approx \ {\rm Q}(3)$.  
 +
*If the distance-dependent path loss&nbsp; $V_0$&nbsp; is reduced by&nbsp; $10 \ \ \rm dB$&nbsp; to&nbsp; $\underline {70 \ \rm dB}$, a failure will only occur when&nbsp; $V_{\rm S} &#8805; 50 \ \ \rm dB$.  
 +
*This would achieve exactly the required reliability, as the following calculation shows:  
 +
:$${\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm} does\hspace{0.15cm} not\hspace{0.15cm} work\hspace{0.15cm}"})=
 +
   {\rm Q}\left ( \frac{120-70-20}{10}\right )  
 
   = {\rm Q}(3) \approx 0.001 \hspace{0.05cm}.$$
 
   = {\rm Q}(3) \approx 0.001 \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
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[[Category:Exercises for Mobile Communications|^1.1 Distance-dependent attenuation^]]
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[[Category:Mobile Communications: Exercises|^1.1 Distance-Dependent Attenuation^]]

Latest revision as of 16:58, 2 July 2021

PDF of lognormal fading

We consider a mobile radio cell in an urban area and a vehicle that is approximately at a fixed distance  $d_0$  from the base station.  For example, it moves on an arc around the base station.

Thus the total path loss can be described by the following equation:

$$V_{\rm P} = V_{\rm 0} + V_{\rm S} \hspace{0.05cm}.$$
  • $V_0$  takes into account the distance-dependent path loss which is assumed to be constant:  $V_0 = 80 \ \rm dB$ .
  • The loss  $V_{\rm S}$  is due to shadowing caused by the lognormal distribution with the probability density function (PDF)
$$f_{V_{\rm S}}(V_{\rm S}) = \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S}} \cdot {\rm e }^{ - { (V_{\rm S}\hspace{0.05cm}- \hspace{0.05cm}m_{\rm S})^2}/(2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sigma_{\rm S}^2) },$$
see diagram. The following numerical values apply:
$$m_{\rm S} = 20\,\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} \sigma_{\rm S} = 10\,\,{\rm dB}\hspace{0.25cm}{\rm or }\hspace{0.25cm}\sigma_{\rm S} = 0\,\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}{\rm (subtask\hspace{0.15cm} 2)}\hspace{0.05cm}.$$

Also make the following simple assumptions:

  • The transmit power is  $P_{\rm S} = 10 \ \rm W$  $\text{(or } 40 \ \rm dBm$).
  • The received power should be at least  $P_{\rm E} = 10 \ \rm pW$  $\text{(or } -80 \ \rm dBm$)




Notes:

  • You can use the following (rough) approximations for the complementary Gaussian error integral:
$${\rm Q}(1) \approx 0.16\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm Q}(2) \approx 0.02\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} {\rm Q}(3) \approx 10^{-3}\hspace{0.05cm}.$$


Questions

1

Would  $P_{\rm E}$  be sufficient if the loss $V_S$ due to shadowing is not present?

Yes,
No.

2

The parameters of the lognormal distribution are  $m_{\rm S} = 20 \, \rm dB$  and  $\sigma_{\rm S} = 0 \, \rm dB$.  What percentage of the time does the system work?

${\rm Pr(System \ works)} \ = \ $

$\ \%$

3

What is the probability with  $m_{\rm S} = 20 \ \ \rm dB$  and  $\sigma_{\rm S} = 10 \ \ \rm dB$?

${\rm Pr(System \ works)}\ = \ $

$\ \%$

4

How big can  $V_0$  be at most, so that the reliability of  $99.9\%$  is reached?

$V_0 \ = \ $

$\ \ \rm dB$


Solution

(1)  The correct answer is YES:

  • From the  $\rm dB$–value  $V_0 = 80 \ \rm dB$  follows the absolute (linear) value  $K_0 = 10^8$.  Thus the received power is
$$P_{\rm E} = P_{\rm S}/K_0 = 10 \ {\rm W}/10^8 = 100 \ {\rm nW} > 10 \ \ \rm pW.$$
  • You can also solve this problem directly with the logarithmic quantities:
$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{P_{\rm E}}{1\,\,{\rm mW}} = 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} \frac{P_{\rm S}}{1\,\,{\rm mW}} - V_0 = 40\,{\rm dBm} -80\,\,{\rm dB} = -40\,\,{\rm dBm} \hspace{0.05cm}.$$
  • Only the limit value  $-80 \ \rm dBm$  is required.


(2)  Lognormal fading with  $\sigma_{\rm S} = 0 \ \rm dB$  is equivalent to a constant received power  $P_{\rm E}$.

  • Compared to the subtask  (1)  this is  $m_{\rm S} = 20 \ \ \rm dB$  smaller   ⇒   $P_{\rm E} = \ –60 \ \ \rm dBm$.
  • But it is still greater than the specified limit value  $(-80 \ \rm dBm)$.
  • It follows:   The system is (almost)  100% functional.  "Almost" because with a Gaussian random quantity there is always a (small) residual uncertainty.


(3)  The received power is too low  $($less than $–80 \ \rm dBm)$  if the power loss due to the lognormal–term is  $40 \ \rm dB$  or more.

Loss due to lognormal fading
  • The distance-dependent path loss $V_{\rm S}$ must therefore not be greater than  $20 \ \rm dB$.
  • So it follows:
$${\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm}does\hspace{0.15cm}not\hspace{0.15cm}work"})= {\rm Q}\left ( \frac{20\,\,{\rm dB}}{\sigma_{\rm S} = 10\,{\rm dB}}\right ) = {\rm Q}(2) \approx 0.02$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}{\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm}works"})= 1- 0.02 \hspace{0.15cm} \underline{\approx 98\,\%}\hspace{0.05cm}.$$

The graphic illustrates the result.

  • The probability density  $f_{\rm VS}(V_{\rm S})$  of the path loss due to shadowing  (Longnormal Fading)  is shown here.
  • The probability that the system will fail is marked in red.


(4)  From the availability probability  $99.9 \%$  follows the failure probability  $10^{\rm -3} \approx \ {\rm Q}(3)$.

  • If the distance-dependent path loss  $V_0$  is reduced by  $10 \ \ \rm dB$  to  $\underline {70 \ \rm dB}$, a failure will only occur when  $V_{\rm S} ≥ 50 \ \ \rm dB$.
  • This would achieve exactly the required reliability, as the following calculation shows:
$${\rm Pr}({\rm "System\hspace{0.15cm} does\hspace{0.15cm} not\hspace{0.15cm} work\hspace{0.15cm}"})= {\rm Q}\left ( \frac{120-70-20}{10}\right ) = {\rm Q}(3) \approx 0.001 \hspace{0.05cm}.$$