Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.4: Rayleigh PDF and Jakes PDS"

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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Statistische Bindungen innerhalb des Rayleigh-Prozesses}}
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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile_Communications/Statistical_Bindings_within_the_Rayleigh_Process}}
  
[[File:P_ID2119__Mob_A_1_4.png|right|frame| WDF und  $|z(t)|$  bei Rayleigh-Fading mit Dopplereinfluss]]
+
[[File:P_ID2119__Mob_A_1_4.png|right|frame| PDF and  $|z(t)|$  for Rayleigh fading with Doppler effect]]
Wir betrachten zwei verschiedene Mobilfunkkanäle mit  [[Mobile_Kommunikation/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh%E2%80%93Fadings#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading|Rayleigh–Fading]]. In beiden Fällen lässt sich die WDF des Betrags  $a(t) = |z(t)| ≥ 0$  in folgender Weise darstellen:
+
We consider two different mobile radio channels with  [[Mobile_Communications/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh%E2%80%93Fadings#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading|Rayleigh fading]]. In both cases the PDF of the magnitude  $a(t) = |z(t)| ≥ 0$  is
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -{a^2}/(2\sigma^2)}  
+
:$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -{a^2}/(2\sigma^2)}  
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Betrag nicht größer als ein vorgegebener Wert  $A$  ist, kann wie folgt berechnet werden:
+
The probability that this magnitude is not greater than a given value  $A$  is
:$${\rm Pr}(|z(t)| \le A) = 1 - {\rm e}^{ -{A^2}/(2\sigma^2)}  
+
:$${\rm Pr}(|z(t)| \le A) = 1 - {\rm e}^{ -{A^2}/(2\sigma^2)}  
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Die beiden Kanäle, die entsprechend den Farben „Rot” und „Blau” in den Grafiken mit  $\rm R$  bzw.  $\rm B$  bezeichnet werden, unterscheiden sich durch die Geschwindigkeit  $v$  und damit in der Form des Leistungsdichtespektrums  ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$.  
+
The two channels, which are designated according to the colors "Red" and "Blue" in the graphs with  $\rm R$  and  $\rm B$  respectively, differ in the speed  $v$  and thus in the form of the power-spectral density  $\rm (PSD)$   ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$.  
  
*In beiden Fällen ergibt sich aber ein so genanntes  [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses#AKF_und_LDS_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading|Jakes–Spektrum]].
+
*In both cases, however, the PDS is a [[Mobile_Communications/Statistical_bindings_within_the_Rayleigh_process|Jakes spectrum]].
  
*Für eine Dopplerfrequenz&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; mit&nbsp; $|f_{\rm D}| <f_{\rm D,\hspace{0.05cm}max}$&nbsp; lautet die Gleichung:
+
*For a Doppler frequency&nbsp; $f_{\rm D}$&nbsp; with&nbsp; $|f_{\rm D}| <f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max}$&nbsp; the Jakes spectrum is given by
:$${\it \Phi}_z(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max}  \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}\sqrt{ 1 \hspace{-0.05cm}- \hspace{-0.05cm}(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max})^2 }  }
+
:$${\it \Phi}_z(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.1cm} max}  \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}\sqrt{ 1 \hspace{-0.05cm}- \hspace{-0.05cm}(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.1cm} max})^2}  }
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
*Dopplerfrequenzen außerhalb dieses Intervalls von&nbsp; $-f_{\rm D,\hspace{0.05cm}max}$&nbsp; bis&nbsp; $+f_{\rm D,\hspace{0.05cm}max}$&nbsp; sind ausgeschlossen.  
+
*For Doppler frequencies outside this interval from&nbsp; $-f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max}$&nbsp; to&nbsp; $+f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max}$, &nbsp; we have ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})=0$.  
  
  
Die entsprechende Beschreibungsgröße im Zeitbereich ist die Autokorrelationsfunktion (AKF):
+
The corresponding descriptor in the time domain is the auto-correlation function&nbsp; $\rm (ACF)$:
:$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = 2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.05cm} max} \cdot {\rm \Delta}t)\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\varphi_z ({\rm \delta}t) = 2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.1cm} max} \cdot {\rm \delta}t)\hspace{0.05cm}.$$
  
*Hierbei bezeichnet&nbsp; ${\rm J_0}(.)$&nbsp; die <i>Besselfunktion erster Art und nullter Ordnung</i>. Es gilt&nbsp; ${\rm J_0}(0) = 1$.
+
*Here,&nbsp; ${\rm J_0}(.)$&nbsp; is the Bessel function of the first kind and zeroth order.&nbsp; We have&nbsp; ${\rm J_0}(0) = 1$.
*Vom Kanalmodell &nbsp;$\rm R$&nbsp; ist die maximale Dopplerfrequenz  bekannt: &nbsp; $f_{\rm D,\hspace{0.05cm}max} = 200 \ \rm Hz$.  
+
*The maximum Doppler frequency of the channel model &nbsp;$\rm R$&nbsp; is known to be &nbsp; $f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max} = 200 \ \rm Hz$.  
*Außerdem ist bekannt, dass sich die Geschwindigkeiten&nbsp; $v_{\rm R}$&nbsp; und&nbsp; $v_{\rm B}$&nbsp; um den Faktor&nbsp; $2$&nbsp; unterscheiden.  
+
* It is also known that the speeds&nbsp; $v_{\rm R}$&nbsp; and&nbsp; $v_{\rm B}$&nbsp; differ by the factor&nbsp; $2$&nbsp;.  
*Ob&nbsp; $v_{\rm R}$&nbsp; doppelt so groß ist als&nbsp; $v_{\rm B}$&nbsp; oder umgekehrt, sollen Sie anhand der obigen Grafiken entscheiden.
+
*Whether&nbsp; $v_{\rm R}$&nbsp; is twice as large as&nbsp; $v_{\rm B}$&nbsp; or vice versa, you should decide based on the above graphs.
  
  
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''Hinweise:''  
+
''Notes:''  
* Die Aufgabe gehört zum Themengebiet von  [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses|Statistische Bindungen innerhalb des Rayleigh&ndash;Prozesses]].  
+
* This task belongs to the topic of&nbsp; [[Mobile_Communications/Statistical_Bindings_within_the_Rayleigh_Process#ACF_and_PDS_with_Rayleigh.E2.80.93Fading|Statistical bindings within the Rayleigh process]].  
* Zur Überprüfung Ihrer Ergebnisse können Sie das interaktive Applet&nbsp; [[Applets:WDF_VTF|WDF, VTF und Momente]]&nbsp; benutzen.
+
* To check your results you can use the interactive applet&nbsp; [[Applets:PDF,_CDF_and_Moments_of_Special_Distributions|PDF, CDF and Moments of Special Distributions]].
 
   
 
   
  
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===Fragebogen===
+
===Questionns===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Ermitteln Sie  den Rayleigh&ndash;Parameter&nbsp; $\sigma$&nbsp; für die Kanäle &nbsp;$\rm R$&nbsp; und &nbsp;$\rm B$.
+
{Determine the Rayleigh parameter&nbsp; $\sigma$&nbsp; for the channels &nbsp;$\rm R$&nbsp; and &nbsp;$\rm B$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\sigma_{\rm R} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm $
+
$\sigma_{\rm R} \ = \ $ { 1 3% } $\ \ \rm $
$\sigma_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \rm $
+
$\sigma_{\rm B} \ = \ $ { 1 3% } $\ \ \rm $
  
{Geben Sie jeweils die Wahrscheinlichkeit an, dass&nbsp; $20 \cdot {\rm lg} \ a &#8804; &ndash;10 \ \rm dB$&nbsp; ist, was gleichzeitig auch&nbsp; $a &#8804; 0.316$&nbsp; bedeutet.
+
{In each case, give the probability that&nbsp; $20 \cdot {\rm lg} \ a &#8804; -10 \ \ \ \rm dB$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $a &#8804; 0.316$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
Kanal &nbsp;${\rm R}\text{:} \hspace{0.4cm}  {\rm Pr}(a ≤ 0.316) \ = \ $ { 4.9 3% } $\ \rm \%$
+
Channel &nbsp;${\rm R}\text{:} \hspace{0.4cm}  {\rm Pr}(a ≤ 0.316) \ = \ $ { 4.9 3% } $\ \rm \%$
Kanal &nbsp;${\rm B}\text{:} \hspace{0.4cm}  {\rm Pr}(a ≤ 0.316) \ = \ $ { 4.9 3% } $\ \rm \%$
+
Channel &nbsp;${\rm B}\text{:} \hspace{0.4cm}  {\rm Pr}(a ≤ 0.316) \ = \ $ { 4.9 3% } $\ \rm \%$
  
{Welche Aussagen sind bezüglich den Fahrgeschwindigkeiten&nbsp; $v$&nbsp; zutreffend?
+
{Which statements are correct regarding the driving speeds&nbsp; $v$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- $v_{\rm B}$&nbsp; ist doppelt so groß als&nbsp; $v_{\rm R}$.
+
- $v_{\rm B}$&nbsp; is twice as big as&nbsp; $v_{\rm R}$.
+ $v_{\rm B}$&nbsp; ist halb so groß als&nbsp; $v_{\rm R}$.
+
+ $v_{\rm B}$&nbsp; is half as big as&nbsp; $v_{\rm R}$.
+ Mit&nbsp; $v = 0$&nbsp; wäre&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; konstant.
+
+ With&nbsp; $v = 0$,&nbsp;&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; would be constant.
- Mit&nbsp; $v = 0$&nbsp; wäre&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; spektral gesehen weiß.
+
- With&nbsp; $v = 0$,&nbsp;&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; would have a white spectrum.
- Mit&nbsp; $v &#8594; &#8734;$&nbsp; wäre&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; konstant.
+
- With&nbsp; $v &#8594; &#8734;$,&nbsp;&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; would be constant.
+ Mit&nbsp; $v &#8594; &#8734;$&nbsp; wäre&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; weiß.
+
+ With&nbsp; $v &#8594; &#8734;$,&nbsp;&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; would be white.
  
{Welche der folgenden Aussagen sind richtig?
+
{Which of the following statements are correct?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- Der LDS&ndash;Wert&nbsp; ${\it \Phi_z}(f_{\rm D} = 0)$&nbsp; ist bei beiden Kanälen gleich.
+
- The PDS value&nbsp; ${\it \Phi_z}(f_{\rm D} = 0)$&nbsp; is the same for both channels.
+ Der AKF&ndash;Wert&nbsp; $\varphi_z(\Delta t = 0)$&nbsp; ist bei beiden Kanälen gleich.
+
+ The ACF value&nbsp; $\varphi_z(\Delta t = 0)$&nbsp; is the same for both channels.
+ Die Fläche unter&nbsp; ${\it \Phi_z}(f_{\rm D})$&nbsp; ist bei beiden Kanälen  gleich.
+
+ The area under&nbsp; ${\it \Phi_z}(f_{\rm D})$&nbsp; is the same for both channels.
- Die Fläche unter&nbsp; $\varphi_z(\Delta t)$&nbsp; ist bei beiden Kanälen  gleich.
+
- The area below&nbsp; $\varphi_z(\Delta t)$&nbsp; is the same for both channels.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Aus der WDF erkennt man, dass das WDF&ndash;Maximum für beide Kanäle gleich $0.6$ ist und für $a = 1$ auftritt.  
+
'''(1)'''&nbsp; The maximum value of the PDF for both channels is&nbsp; $0.6$&nbsp; and occurs at&nbsp; $a = 1$.  
*Die Rayleigh&ndash;WDF und ihre Ableitung lauten allgemein:
+
*The Rayleigh PDF and its derivative are
 
:$$f_a(a) \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm},$$
 
:$$f_a(a) \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm},$$
 
:$$\frac{{\rm d}f_a(a)}{{\rm d}a} \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} \frac{1}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)}-
 
:$$\frac{{\rm d}f_a(a)}{{\rm d}a} \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} \frac{1}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)}-
 
  \frac{a^2}{\sigma^4} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm}.$$
 
  \frac{a^2}{\sigma^4} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm}.$$
  
*Durch Nullsetzen der Ableitung lässt sich zeigen, dass das WDF&ndash;Maximum bei $a = \sigma$ auftritt. Da die Rayleigh&ndash;WDF für beide Kanäle gilt, folgt daraus:
+
*By setting the derivative to&nbsp; $0$, you can show that the maximum of the PDF occurs at&nbsp; $a = \sigma$.&nbsp; Since the Rayleigh PDF applies to both channels, it follows that
 
:$$\sigma_{\rm R} = \sigma_{\rm B} \hspace{0.15cm} \underline{ = 1} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\sigma_{\rm R} = \sigma_{\rm B} \hspace{0.15cm} \underline{ = 1} \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(2)'''&nbsp; Wegen der gleichen WDF ist auch die gesuchte Wahrscheinlichkeit für beide Kanäle gleich.  
+
'''(2)'''&nbsp; As they fading coefficients have the same PDF, the desired probability is also the same for both channels.  
*Mit der angegebenen Gleichung erhält man hierfür:
+
*Using the given equation, we have
:$${\rm Pr}(a \le 0.316) = {\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} a \le -10\,\,{\rm dB}) = 1 - {\rm e}^{ -{0.316^2}/(2\sigma^2)}
+
:$${\rm Pr}(a \le 0.316) = {\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} a \le -10\,\,{\rm dB}) = 1 - {\rm e}^{ -{0.316^2}/(2\sigma^2)}
 
  = 1- 0.951 \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 4.9 \%}  
 
  = 1- 0.951 \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 4.9 \%}  
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(3)'''&nbsp; <u>Richtig sind die Lösungsvorschläge 2, 3 und 6</u>:
+
'''(3)'''&nbsp; <u>The correct statements are 2, 3 and 6</u>:
* Die kleinere Geschwindigkeit $v_{\rm B}$ erkennt man daran, dass sich der Betrag $|z(t)|$ bei der blauen Kurve langsamer ändert.
+
* The smaller speed&nbsp; $v_{\rm B}$&nbsp; can be recognized by the fact that the magnitude&nbsp; $|z(t)|$&nbsp; changes more slowly with the blue curve.
* Bei stehendem Fahrzeug entartet das LDS zu ${\it \Phi_z}(f_{\rm D}) = 2\sigma^2\cdot \delta(f_{\rm D})$, und es ist $|z(t)| = A = \rm const.$, wobei die Konstante $A$ entsprechend der Rayleighverteilung ausgewürfelt wird.
+
* When the vehicle is stationary, the PDS degenerates to&nbsp; ${\it \Phi_z}(f_{\rm D}) = 2\sigma^2\cdot \delta(f_{\rm D})$,&nbsp; and we have&nbsp; $|z(t)| = A = \rm const.$, where the constant&nbsp; $A$&nbsp; is drawn from the Rayleigh distribution.
* Bei extrem hoher Geschwindigkeit wird das Jakes&ndash;Spektrum über einen immer größeren Bereich flach und immer niedriger. Es nähert sich dann dem LDS von weißem Rauschen an. Allerdings müsste dazu $v$ schon in der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit sein.
+
* At extremely high speed, the Jakes spectrum becomes flat and has an increasingly small magnitude over an increasingly wide range.&nbsp; It then approaches the PDS of white noise.&nbsp; However,&nbsp; $v$&nbsp; would have to be in the order of the speed of light.
  
  
'''(4)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Aussagen 2 und 3</u>:  
+
'''(4)'''&nbsp; <u>Statements 2 and 3</u> are correct:  
*Durch den Rayleigh&ndash;Parameter $\sigma = 1$ liegt auch die &bdquo;Leistung&rdquo; ${\rm E}[|z(t)|^2] = 2\sigma^2 = 2$ des Zufallsprozesses fest.  
+
*The Rayleigh parameter&nbsp; $\sigma = 1$&nbsp; also determines the "power"&nbsp; ${\rm E}[|z(t)|^2] = 2\sigma^2 = 2$&nbsp; of the random process.  
*Somit gilt sowohl für '''R''' als auch für '''B''':
+
*This applies to both&nbsp; $\rm R$&nbsp; and&nbsp; $\rm B$:
:$$\varphi_z ({\rm \Delta}t = 0) = 2 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \int_{-\infty}^{+\infty}{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) \hspace{0.15cm}{\rm d}f_{\rm D} = 2 \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\varphi_z ({\rm \delta}t = 0) = 2 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \int_{-\infty}^{+\infty}{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) \hspace{0.15cm}{\rm d}f_{\rm D} = 2 \hspace{0.05cm}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Exercises for Mobile Communications|^1.3 Rayleigh Fading with Memory^]]
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[[Category:Mobile Communications: Exercises|^1.3 Rayleigh Fading with Memory^]]

Latest revision as of 08:05, 18 September 2022

PDF and  $|z(t)|$  for Rayleigh fading with Doppler effect

We consider two different mobile radio channels with  Rayleigh fading. In both cases the PDF of the magnitude  $a(t) = |z(t)| ≥ 0$  is

$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -{a^2}/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm}.$$

The probability that this magnitude is not greater than a given value  $A$  is

$${\rm Pr}(|z(t)| \le A) = 1 - {\rm e}^{ -{A^2}/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm}.$$

The two channels, which are designated according to the colors "Red" and "Blue" in the graphs with  $\rm R$  and  $\rm B$  respectively, differ in the speed  $v$  and thus in the form of the power-spectral density  $\rm (PSD)$   ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$.

  • For a Doppler frequency  $f_{\rm D}$  with  $|f_{\rm D}| <f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max}$  the Jakes spectrum is given by
$${\it \Phi}_z(f_{\rm D}) = \frac{1}{\pi \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}f_{\rm D, \hspace{0.1cm} max} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}\sqrt{ 1 \hspace{-0.05cm}- \hspace{-0.05cm}(f_{\rm D}/f_{\rm D, \hspace{0.1cm} max})^2} } \hspace{0.05cm}.$$
  • For Doppler frequencies outside this interval from  $-f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max}$  to  $+f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max}$,   we have ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})=0$.


The corresponding descriptor in the time domain is the auto-correlation function  $\rm (ACF)$:

$$\varphi_z ({\rm \delta}t) = 2 \sigma^2 \cdot {\rm J_0}(2\pi \cdot f_{\rm D, \hspace{0.1cm} max} \cdot {\rm \delta}t)\hspace{0.05cm}.$$
  • Here,  ${\rm J_0}(.)$  is the Bessel function of the first kind and zeroth order.  We have  ${\rm J_0}(0) = 1$.
  • The maximum Doppler frequency of the channel model  $\rm R$  is known to be   $f_{\rm D,\hspace{0.1cm}max} = 200 \ \rm Hz$.
  • It is also known that the speeds  $v_{\rm R}$  and  $v_{\rm B}$  differ by the factor  $2$ .
  • Whether  $v_{\rm R}$  is twice as large as  $v_{\rm B}$  or vice versa, you should decide based on the above graphs.




Notes:




Questionns

1

Determine the Rayleigh parameter  $\sigma$  for the channels  $\rm R$  and  $\rm B$.

$\sigma_{\rm R} \ = \ $

$\ \ \rm $
$\sigma_{\rm B} \ = \ $

$\ \ \rm $

2

In each case, give the probability that  $20 \cdot {\rm lg} \ a ≤ -10 \ \ \ \rm dB$   ⇒   $a ≤ 0.316$.

Channel  ${\rm R}\text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr}(a ≤ 0.316) \ = \ $

$\ \rm \%$
Channel  ${\rm B}\text{:} \hspace{0.4cm} {\rm Pr}(a ≤ 0.316) \ = \ $

$\ \rm \%$

3

Which statements are correct regarding the driving speeds  $v$ ?

$v_{\rm B}$  is twice as big as  $v_{\rm R}$.
$v_{\rm B}$  is half as big as  $v_{\rm R}$.
With  $v = 0$,   $|z(t)|$  would be constant.
With  $v = 0$,   $|z(t)|$  would have a white spectrum.
With  $v → ∞$,   $|z(t)|$  would be constant.
With  $v → ∞$,   $|z(t)|$  would be white.

4

Which of the following statements are correct?

The PDS value  ${\it \Phi_z}(f_{\rm D} = 0)$  is the same for both channels.
The ACF value  $\varphi_z(\Delta t = 0)$  is the same for both channels.
The area under  ${\it \Phi_z}(f_{\rm D})$  is the same for both channels.
The area below  $\varphi_z(\Delta t)$  is the same for both channels.


Solution

(1)  The maximum value of the PDF for both channels is  $0.6$  and occurs at  $a = 1$.

  • The Rayleigh PDF and its derivative are
$$f_a(a) \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm},$$
$$\frac{{\rm d}f_a(a)}{{\rm d}a} \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} \frac{1}{\sigma^2} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)}- \frac{a^2}{\sigma^4} \cdot {\rm e}^{ -a^2/(2\sigma^2)} \hspace{0.05cm}.$$
  • By setting the derivative to  $0$, you can show that the maximum of the PDF occurs at  $a = \sigma$.  Since the Rayleigh PDF applies to both channels, it follows that
$$\sigma_{\rm R} = \sigma_{\rm B} \hspace{0.15cm} \underline{ = 1} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  As they fading coefficients have the same PDF, the desired probability is also the same for both channels.

  • Using the given equation, we have
$${\rm Pr}(a \le 0.316) = {\rm Pr}(20 \cdot {\rm lg}\hspace{0.15cm} a \le -10\,\,{\rm dB}) = 1 - {\rm e}^{ -{0.316^2}/(2\sigma^2)} = 1- 0.951 \hspace{0.15cm} \underline{ \approx 4.9 \%} \hspace{0.05cm}.$$


(3)  The correct statements are 2, 3 and 6:

  • The smaller speed  $v_{\rm B}$  can be recognized by the fact that the magnitude  $|z(t)|$  changes more slowly with the blue curve.
  • When the vehicle is stationary, the PDS degenerates to  ${\it \Phi_z}(f_{\rm D}) = 2\sigma^2\cdot \delta(f_{\rm D})$,  and we have  $|z(t)| = A = \rm const.$, where the constant  $A$  is drawn from the Rayleigh distribution.
  • At extremely high speed, the Jakes spectrum becomes flat and has an increasingly small magnitude over an increasingly wide range.  It then approaches the PDS of white noise.  However,  $v$  would have to be in the order of the speed of light.


(4)  Statements 2 and 3 are correct:

  • The Rayleigh parameter  $\sigma = 1$  also determines the "power"  ${\rm E}[|z(t)|^2] = 2\sigma^2 = 2$  of the random process.
  • This applies to both  $\rm R$  and  $\rm B$:
$$\varphi_z ({\rm \delta}t = 0) = 2 \hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \int_{-\infty}^{+\infty}{\it \Phi}_z(f_{\rm D}) \hspace{0.15cm}{\rm d}f_{\rm D} = 2 \hspace{0.05cm}.$$