Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.6: Autocorrelation Function and PDS with Rice Fading"

From LNTwww
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{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente}}
 
{{quiz-Header|Buchseite=Mobile Kommunikation/Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente}}
  
[[File:P_ID2132__Mob_A_1_6.png|right|frame|Rice-WDF für verschiedene Werte von  $z_0^2$]]
+
[[File:P_ID2132__Mob_A_1_6.png|right|frame|Rice PDF for different values of   $z_0^2$]]
Man spricht dann von&nbsp; <i>Rice&ndash;Fading</i>, wenn der den Mobilfunkkanal beschreibende komplexe Faktor&nbsp; $z(t)$&nbsp; neben der rein stochastischen Komponente&nbsp; $x(t) +{\rm j} \cdot y(t)$&nbsp; zusätzlich einen deterministischen Anteil der Form&nbsp; $x_0 + {\rm j} \cdot y_0$&nbsp; aufweist.
+
One speaks of&nbsp; <i>Rice fading</i> if the complex factor describing the mobile radio channel contains &nbsp; $z(t)$&nbsp; besides the purely stochastic component&nbsp; $x(t) +{\rm j} \cdot y(t)$&nbsp; a deterministic part of the form&nbsp; $x_0 + {\rm j} \cdot y_0$&nbsp;.
  
Die Gleichungen des Rice&ndash;Fadings lassen sich in aller Kürze wie folgt zusammenfassen:
+
The equations of Rice fading can be summarized briefly as follows:
 
:$$r(t) = z(t) \cdot s(t) ,$$
 
:$$r(t) = z(t) \cdot s(t) ,$$
 
:$$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) ,$$
 
:$$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) ,$$
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:$$y(t) = v(t) + y_0 .$$
 
:$$y(t) = v(t) + y_0 .$$
  
Dabei gilt:
+
The following applies:
* Der direkte Pfad wird durch die komplexe Konstante&nbsp; $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$&nbsp; beschrieben. Der Betrag dieser zeitinvarianten Komponente ist
+
* The direct path is defined by the complex constant&nbsp; $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$&nbsp;. The magnitude of this time-invariant component is
 
:$$|z_0| = \sqrt{x_0^2 + y_0^2}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$|z_0| = \sqrt{x_0^2 + y_0^2}\hspace{0.05cm}.$$
* $u(t)$&nbsp; und&nbsp; $v(t)$&nbsp; sind Musterfunktionen mittelwertfreier Gaußscher Zufallsprozesse, beide mit Varianz&nbsp; $\sigma^2$&nbsp; und miteinander nicht korreliert. Sie berücksichtigen Streu&ndash;, Brechungs&ndash; und Beugungseffekte auf einer Vielzahl von indirekten Pfaden.
+
* $u(t)$&nbsp; and&nbsp; $v(t)$&nbsp; are zero-mean Gaussian random processes, both with variance&nbsp; $\sigma^2$&nbsp; and uncorrelated with each other. They model scattering, refraction; and diffraction effects on a variety of indirect paths.
* Der Betrag&nbsp; $a(t) = |z(t)|$&nbsp; besitzt eine Rice&ndash;WDF, eine Eigenschaft, die für die Namensgebung dieses speziellen Mobilfunkkanals verantwortlich ist. Die WDF&ndash;Gleichung lautet für&nbsp; $a &#8805; 0$:
+
* The magnitude&nbsp; $a(t) = |z(t)|$&nbsp; has a Rice PDF, which gives this channel model its name. For &nbsp; $a &#8805; 0$, the PDF 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}, \hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (u)  =  
 
:$$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}, \hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (u)  =  
 
  \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{ (u/2)^{2k}}{k! \cdot \Gamma (k+1)}
 
  \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{ (u/2)^{2k}}{k! \cdot \Gamma (k+1)}
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Die Grafik zeigt die Rice&ndash;WDF für&nbsp; $|z_0|^2 = 0,\ 2, \ 4, \ 10$&nbsp; und &nbsp;$20$. Für alle Kurven gilt&nbsp; $\sigma = 1$ &nbsp; &#8658; &nbsp; $\sigma^2 = 1$.
+
The graph shows the Rice PDF for&nbsp; $|z_0|^2 = 0,\ 2, \ 4, \ 10$&nbsp; and &nbsp;$20$. For all curves, we have &nbsp; $\sigma = 1$ &nbsp; &#8658; &nbsp; $\sigma^2 = 1$.
  
  
In dieser Aufgabe betrachten wir aber nicht die WDF des Betrags, sondern die AKF des komplexen Faktors&nbsp; $z(t)$,
+
In this task, however, we will not consider the PDF of the magnitude, but the ACF of the complex factor&nbsp; $z(t)$,
:$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
+
$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ]
 
  \hspace{0.05cm},$$
 
  \hspace{0.05cm},$$
  
sowie das dazugehörige Leistungsdichtespektrum
+
and the corresponding power spectral density
 
:$${\it \Phi}_z (f_{\rm D})  
 
:$${\it \Phi}_z (f_{\rm D})  
 
  \hspace{0.3cm}  \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \hspace{0.3cm} \varphi_z ({\rm \Delta}t)   
 
  \hspace{0.3cm}  \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \hspace{0.3cm} \varphi_z ({\rm \Delta}t)   
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''Hinweise:''  
+
''Notes:''  
* Die Aufgabe gehört zum Kapitel&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente|Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente]].  
+
* This task belongs to chapter&nbsp; [[Mobile_Kommunikation/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente|Nichtfrequenzselektives Fading mit Direktkomponente]].  
* Bezug genommen wird auch auf die Kapitel&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)|Autokorrelationsfunktion (AKF)]]&nbsp; und&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Leistungsdichtespektrum_(LDS)|Leistungsdichtespektrum (LDS)]]&nbsp; im Buch &bdquo;Stochastische Signaltheorie&rdquo;.
+
* Reference is also made to the chapters&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Autokorrelationsfunktion_(AKF)|Autokorrelationsfunktion (AKF)]]&nbsp; and&nbsp; [[Stochastische_Signaltheorie/Leistungsdichtespektrum_(LDS)|Leistungsdichtespektrum (LDS)]]&nbsp; in the book &bdquo;Stochastic Signal Theory&rdquo;.
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questionnaire==
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welcher&nbsp; $|z_0|^2$&ndash;Wert beschreibt das Rayleigh&ndash;Fading?
+
{Which value of &nbsp; $|z_0|^2$ corresponds to Rayleigh fading?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$|z_0|^2 \ = \ $ { 0. } $\ \rm $
+
$|z_0|^2 \ = \ $ { 0. } $\ \ $rm $
  
{Es gelte&nbsp; $|z_0|^2 \ne 0$. Welche der folgenden Größen hängen nur von&nbsp; $|z_0|^2 = x_0^2$ + $y_0^2$&nbsp; ab, nicht aber von dessen Komponenten&nbsp; $x_0^2$&nbsp; und&nbsp; $y_0^2$&nbsp; allein?  
+
{Let $|z_0|^2 \ne 0$. Which of the following functions depend only on&nbsp; $|z_0|^2 = x_0^2$ + $y_0^2$&nbsp; but not on its components&nbsp; $x_0^2$&nbsp; and&nbsp; $y_0^2$&nbsp; alone?  
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
- WDF&nbsp; $f_x(x)$&nbsp; des Realteils,
+
- PDF&nbsp; $f_x(x)$&nbsp; of the real part,
- WDF&nbsp; $f_y(y)$&nbsp; des Imaginärteils,
+
- PDF&nbsp; $f_y(y)$&nbsp; of the imaginary part,
+ WDF&nbsp; $f_a(a)$&nbsp; des Betrags,
+
+ PDF&nbsp; $f_a(a)$&nbsp; of the amount
- WDF&nbsp; $f_{\rm \phi}(\phi)$&nbsp; der Phase,
+
- PDF&nbsp; $f_{\rm \phi}(\phi)$&nbsp; of the phase,
+ AKF&nbsp; $\varphi_z(\Delta t)$&nbsp; der komplexen Größe&nbsp; $z(t)$,
+
+ ACF&nbsp; $\varphi_z(\Delta t)$&nbsp; the complex quantity&nbsp; $z(t)$,
+ LDS&nbsp; ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$&nbsp; der komplexen Größe&nbsp; $z(t)$.
+
+ PSD&nbsp; ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$&nbsp; the complex quantity&nbsp; $z(t)$.
  
{Berechnen Sie den quadratischen Mittelwert&nbsp; ${\rm E}\big[|z(t)|^2\big]$ für verschiedene Werte von&nbsp; $|z_0|^2$. Es gelte&nbsp; $\sigma^2 = 1$.
+
{Calculate the root mean square value&nbsp; ${\rm E}\big[|z(t)|^2\big]$ for different values of&nbsp; $|z_0|^2$. Assume &nbsp; $\sigma^2 = 1$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$|z_0|^2 = 0\text{:} \hspace{0.52cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $ { 2 3% } $\ \rm $
+
$|z_0|^2 = 0\text{:} \hspace{0.52cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $ { 2 3% } $\ \ \rm $
$|z_0|^2 = 2\text{:} \hspace{0.52cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $ { 4 3% } $\ \rm $
+
$|z_0|^2 = 2\text{:} \hspace{0.52cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $ { 4 3% } $\ \ \rm $
$|z_0|^2 = 10\text{:} \hspace{0.3cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $ { 12 3% } $\ \rm $
+
$|z_0|^2 = 10\text{:} \hspace{0.3cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $ { 12 3% } $\ \ \rm $
  
{Wie unterscheiden sich die Autokorrelationsfunktionen (kurz: &nbsp; AKF) des schwarzen, des blauen und des grünen Kanals?
+
{How do the autocorrelation functions (ACFs) of the black, the blue and the green channel differ?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die &bdquo;blaue&rdquo; AKF liegt um den Wert &nbsp;$4$&nbsp; über der &bdquo;schwarzen&rdquo;.
+
+ The &bdquo;blue&rdquo; ACF is above the &bdquo;black&rdquo; ACF by about &nbsp;$4$&nbsp; units.
- Die &bdquo;blaue&rdquo; AKF liegt um  den Wert  &nbsp;$2$&nbsp; unterhalb der &bdquo;schwarzen&rdquo;.
+
- The &bdquo;blue&rdquo; ACF is below the &bdquo;black&rdquo; ACF by about &nbsp;$2$&nbsp; units.
- Die &bdquo;grüne&rdquo; AKF ist um den Faktor &nbsp;$2.5$&nbsp; breiter als die &bdquo;blaue&rdquo;.
+
- The &bdquo;green&rdquo; ACF is wider than the &bdquo;blue&rdquo; by the factor &nbsp;$2.5$&nbsp;.
  
{Wie unterscheiden sich die Leistungsdichtespektren (kurz: &nbsp; LDS) von schwarzem, blauem und grünem Mobilfunkkanal?
+
{How do the power spectral densities (PSDs) differ among the black, blue, and green mobile radio channels?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Das &bdquo;schwarze&rdquo; LDS ist rein kontinuierlich (kein Dirac).
+
+ The &bdquo;black&rdquo; PSD is purely continuous (no Dirac).
+ Das &bdquo;blaue&rdquo; und &bdquo;grüne&rdquo; LDS beinhalten jeweils einen Dirac.
+
+ The &bdquo;blue&rdquo; and &bdquo;green&rdquo; PSDs contain one Dirac each.
+ Der &bdquo;grüne&rdquo; Dirac hat ein größeres Gewicht als der &bdquo;blaue&rdquo;.
+
+ The &bdquo;green&rdquo; Dirac has a greater weight than the &bdquo;blue&rdquo; one.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Sample solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)''' Das <i>Rayleigh&ndash;Fading</i> ergibt sich aus dem <i>Rice&ndash;Fading</i> mit $|z_0|^2 \ \underline {= \ 0}$.
+
'''(1)''' <i>Rayleigh fading</i> results from the <i>Rice fading</i> with $|z_0|^2 \ \underline {= \ 0}$.
  
  
'''(2)''' Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 3, 5 und 6</u>:
+
'''(2)''' <u>Options 3, 5 and 6</u> are correct:
  
Es ist offensichtlich, dass
+
It is obvious that
* $f_x(x)$ von $x_0$ abhängt,
+
* $f_x(x)$ depends on $x_0$
* $f_y(y)$ von $y_0$ abhängt,
+
* $f_y(y)$ depends on $y_0$
* $f_{\rm \phi}(\phi)$ vom Verhältnis $y_0/x_0$ abhängt.
+
* $f_{\rm \phi}(\phi)$ depends on the ratio $y_0/x_0$.
  
  
Die angegebene Gleichung für die WDF $f_a(a)$ zeigt, dass der Betrag $a$ nur von $|z_0|$ abhängt.
+
The given equation for the PDF $f_a(a)$ shows that the magnitude $a$ depends only on $|z_0|$.
  
Für die AKF gilt mit $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$:
+
For the ACF, using $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$ we have
 
:$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\left [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\right] =  {\rm E}\left [ \left ( x(t) + {\rm j} \cdot y(t) \right )\cdot (x(t + {\rm \Delta}t) - {\rm j} \cdot (y(t+ {\rm \Delta}t)\right ]
 
:$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\left [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\right] =  {\rm E}\left [ \left ( x(t) + {\rm j} \cdot y(t) \right )\cdot (x(t + {\rm \Delta}t) - {\rm j} \cdot (y(t+ {\rm \Delta}t)\right ]
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Aufgrund der statistischen Unabhängigkeit zwischen Real&ndash; und Imaginärteil kann man die Gleichung wie folgt vereinfachen:
+
Because of the statistical independence between real and imaginary parts, the equation can be simplified as follows:
 
:$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  {\rm E}\left [ x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\right ] +  
 
:$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) =  {\rm E}\left [ x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\right ] +  
 
  {\rm E}\left [ y(t) \cdot y(t + {\rm \Delta}t)\right ] \hspace{0.05cm}.$$
 
  {\rm E}\left [ y(t) \cdot y(t + {\rm \Delta}t)\right ] \hspace{0.05cm}.$$
  
Der erste Anteil ergibt mit $x(t) = u(t) + x_0$ und $t' = t + \Delta t$:  
+
With $x(t) = u(t) + x_0$ and $t' = t + \Delta t$, the first part results in $x(t) = u(t) + x_0$:  
 
:$${\rm E}\left [ x(t) \cdot x(t')\right ] = {\rm E}\left [ u(t) \cdot u(t')\right ] + x_0 \cdot {\rm E}\left [ u(t) \right ]
 
:$${\rm E}\left [ x(t) \cdot x(t')\right ] = {\rm E}\left [ u(t) \cdot u(t')\right ] + x_0 \cdot {\rm E}\left [ u(t) \right ]
 
   + x_0 \cdot {\rm E}\left [ u(t') \right ] + x_0^2\hspace{0.05cm},$$
 
   + x_0 \cdot {\rm E}\left [ u(t') \right ] + x_0^2\hspace{0.05cm},$$
Line 108: Line 108:
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Hierbei ist berücksichtigt, dass die Gaußsche Zufallsgröße $u(t)$ mittelwertfrei ist und die Varianz $\sigma^2$ besitzt.
+
This takes into account that the Gaussian random variable $u(t)$ has zero mean and has the variance $\sigma^2$.
  
In gleicher Weise erhält man mit $y(t) = \upsilon (t) + y_0$:
+
In the same way with $y(t) = \upsilon (t) + y_0$ is obtained:
 
:$${\rm E}\left [ y(t) \cdot y(t + {\rm \Delta}t)\right ] = \ ... \ = \varphi_v ({\rm \Delta}t) + y_0^2 \hspace{0.3cm}  
 
:$${\rm E}\left [ y(t) \cdot y(t + {\rm \Delta}t)\right ] = \ ... \ = \varphi_v ({\rm \Delta}t) + y_0^2 \hspace{0.3cm}  
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm} \varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_u ({\rm \Delta}t) + \varphi_v ({\rm \Delta}t)  + x_0^2 + y_0^2
 
\Rightarrow \hspace{0.3cm} \varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_u ({\rm \Delta}t) + \varphi_v ({\rm \Delta}t)  + x_0^2 + y_0^2
Line 116: Line 116:
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Wenn aber die AKF $\varphi_z(\Delta t)$ nur von $|z_0^2|$ abhängt, dann gilt dies auch für die Fouriertransformierte &bdquo;LDS&rdquo;.  
+
But if the ACF $\varphi_z(\Delta t)$ only depends on $|z_0^2|$, then this also applies to the Fourier transform &bdquo;LDS&rdquo;.  
  
  
'''(3)''' Der quadratische Mittelwert könnte zum Beispiel aus der Betrags&ndash;WDF berechnet werden:
+
'''(3)''' The root mean square can be calculated from the PDF of the magnitude:
 
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = {\rm E}\left [ a^2 \right ] = \int_{0}^{\infty}a^2 \cdot f_a(a)\hspace{0.15cm}{\rm d}a
 
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = {\rm E}\left [ a^2 \right ] = \int_{0}^{\infty}a^2 \cdot f_a(a)\hspace{0.15cm}{\rm d}a
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Gleichzeitig ist der quadratische Mittelwert &ndash; also die Leistung &ndash; auch durch die AKF bestimmt:
+
At the same time, the root mean square value &ndash; i.e. the power &ndash; is also determined by the AKF:
:$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = \varphi_z ({\rm \Delta}t = 0) = 2 \cdot \varphi_u ({\rm \Delta}t = 0) + |z_0|^2 = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2
+
$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = \varphi_z ({\rm \delta}t = 0) = 2 \cdot \varphi_u ({\rm \delta}t = 0) + |z_0|^2 = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2
 
   \hspace{0.05cm}.$$
 
   \hspace{0.05cm}.$$
  
Mit $\sigma = 1$ erhält man somit folgende numerische Ergebnisse:
+
With $\sigma = 1$ you get the following numerical results:
:$$ \ \ |z_0|^2 = 0\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 0 \hspace{0.15cm} \underline{ = 2}  \hspace{0.05cm},$$
+
:$$ \ |z_0|^2 = 0\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 0 \hspace{0.15cm} \underline{ = 2}  \hspace{0.05cm},$$
:$$ \ \ |z_0|^2 = 2\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 2 \hspace{0.15cm} \underline{ = 4}  \hspace{0.05cm},$$
+
:$$ \ |z_0|^2 = 2\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 2 \hspace{0.15cm} \underline{ = 4}  \hspace{0.05cm},$$
 
:$$|z_0|^2 = 10\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 10 \hspace{0.15cm} \underline{ = 12}  \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$|z_0|^2 = 10\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 10 \hspace{0.15cm} \underline{ = 12}  \hspace{0.05cm}.$$
  
  
'''(4)''' Richtig ist der <u>Lösungsvorschlag 1</u>, wie bereits in der Musterlösung zu '''(2)''' hergeleitet.  
+
'''(4)''' Correct is the <u>solution 1</u>, as already derived in the sample solution for '''(2)'''.  
  
Richtig wären auch die folgenden Aussagen:
+
The following statements would also be correct:
* Die &bdquo;blaue&rdquo; AKF liegt um 4 über der &bdquo;schwarzen&rdquo;.
+
* The &bdquo;blue&rdquo; AKF is 4 over the &bdquo;black&rdquo;.
* Die &bdquo;grüne&rdquo; AKF liegt um 6 über der &bdquo;blauen&rdquo;.
+
* The &bdquo;green&rdquo; AKF is 6 over the &bdquo;blue&rdquo;.
  
  
  
'''(5)''' <u>Alle Lösungsvorschläge treffen zu</u>.
+
'''(5)''' <u>All solution suggestions apply</u>.
* Das &bdquo;schwarze&rdquo; LDS ist ein [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses#AKF_und_LDS_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading|Jakes&ndash;Spektrum]] und damit auch kontinuierlich, das heißt, innerhalb eines Intervalls sind alle Frequenzen vorhanden.
+
* The &bdquo;black&rdquo; LDS is a [[Mobile_Communication/Statistical_Bonds_within_Rayleigh%E2%80%93Process#AKF_and_LDS_with_Rayleigh.E2.80.93Fading|Jakes&ndash;Spectrum]] and therefore continuous, i.e. all frequencies are present within an interval.
* In der Autokorrelationsfunktion (AKF) des blauen bzw. des grünen Kanals tritt zusätzlich die Konstante $|z_0|^2$ auf.
+
* In the autocorrelation function (AKF) of the blue or green channel, the constant $|z_0|^2$ also occurs.
* Im Leistungsdichtespektrum (LDS) gibt es wegen dieser Konstanten in der AKF jeweils Diracfunktionen bei der Dopplerfrequenz $f_{\rm D} = 0$ mit dem Gewicht $|z_0|^2$.
+
* In the power density spectrum (LDS), there are Dirac functions in the GCF at the Doppler frequency $f_{\rm D} = 0$ with the weight $|z_0|^2$ because of these constants.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  

Revision as of 11:33, 1 April 2020

Rice PDF for different values of   $z_0^2$

One speaks of  Rice fading if the complex factor describing the mobile radio channel contains   $z(t)$  besides the purely stochastic component  $x(t) +{\rm j} \cdot y(t)$  a deterministic part of the form  $x_0 + {\rm j} \cdot y_0$ .

The equations of Rice fading can be summarized briefly as follows:

$$r(t) = z(t) \cdot s(t) ,$$
$$z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t) ,$$
$$x(t) = u(t) + x_0 ,$$
$$y(t) = v(t) + y_0 .$$

The following applies:

  • The direct path is defined by the complex constant  $z_0 = x_0 + {\rm j} \cdot y_0$ . The magnitude of this time-invariant component is
$$|z_0| = \sqrt{x_0^2 + y_0^2}\hspace{0.05cm}.$$
  • $u(t)$  and  $v(t)$  are zero-mean Gaussian random processes, both with variance  $\sigma^2$  and uncorrelated with each other. They model scattering, refraction; and diffraction effects on a variety of indirect paths.
  • The magnitude  $a(t) = |z(t)|$  has a Rice PDF, which gives this channel model its name. For   $a ≥ 0$, the PDF is
$$f_a(a) = \frac{a}{\sigma^2} \cdot {\rm exp} [ -\frac{a^2 + |z_0|^2}{2\sigma^2}] \cdot {\rm I}_0 \left [ \frac{a \cdot |z_0|}{\sigma^2} \right ]\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}{\rm I }_0 (u) = \sum_{k = 0}^{\infty} \frac{ (u/2)^{2k}}{k! \cdot \Gamma (k+1)} \hspace{0.05cm}.$$

The graph shows the Rice PDF for  $|z_0|^2 = 0,\ 2, \ 4, \ 10$  and  $20$. For all curves, we have   $\sigma = 1$   ⇒   $\sigma^2 = 1$.


In this task, however, we will not consider the PDF of the magnitude, but the ACF of the complex factor  $z(t)$, $$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\big [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\big ] \hspace{0.05cm},$$

and the corresponding power spectral density

$${\it \Phi}_z (f_{\rm D}) \hspace{0.3cm} \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet \hspace{0.3cm} \varphi_z ({\rm \Delta}t) \hspace{0.05cm}.$$




Notes:



=Questionnaire

1

Which value of   $|z_0|^2$ corresponds to Rayleigh fading?

$|z_0|^2 \ = \ $

$\ \ $rm $

2

Let $|z_0|^2 \ne 0$. Which of the following functions depend only on  $|z_0|^2 = x_0^2$ + $y_0^2$  but not on its components  $x_0^2$  and  $y_0^2$  alone?

PDF  $f_x(x)$  of the real part,
PDF  $f_y(y)$  of the imaginary part,
PDF  $f_a(a)$  of the amount
PDF  $f_{\rm \phi}(\phi)$  of the phase,
ACF  $\varphi_z(\Delta t)$  the complex quantity  $z(t)$,
PSD  ${\it \Phi}_z(f_{\rm D})$  the complex quantity  $z(t)$.

3

Calculate the root mean square value  ${\rm E}\big[|z(t)|^2\big]$ for different values of  $|z_0|^2$. Assume   $\sigma^2 = 1$.

$|z_0|^2 = 0\text{:} \hspace{0.52cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $

$\ \ \rm $
$|z_0|^2 = 2\text{:} \hspace{0.52cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $

$\ \ \rm $
$|z_0|^2 = 10\text{:} \hspace{0.3cm} {\rm E}\big[|z(t)|^2\big] \ = \ $

$\ \ \rm $

4

How do the autocorrelation functions (ACFs) of the black, the blue and the green channel differ?

The „blue” ACF is above the „black” ACF by about  $4$  units.
The „blue” ACF is below the „black” ACF by about  $2$  units.
The „green” ACF is wider than the „blue” by the factor  $2.5$ .

5

How do the power spectral densities (PSDs) differ among the black, blue, and green mobile radio channels?

The „black” PSD is purely continuous (no Dirac).
The „blue” and „green” PSDs contain one Dirac each.
The „green” Dirac has a greater weight than the „blue” one.


Sample solution

(1) Rayleigh fading results from the Rice fading with $|z_0|^2 \ \underline {= \ 0}$.


(2) Options 3, 5 and 6 are correct:

It is obvious that

  • $f_x(x)$ depends on $x_0$
  • $f_y(y)$ depends on $y_0$
  • $f_{\rm \phi}(\phi)$ depends on the ratio $y_0/x_0$.


The given equation for the PDF $f_a(a)$ shows that the magnitude $a$ depends only on $|z_0|$.

For the ACF, using $z(t) = x(t) + {\rm j} \cdot y(t)$ we have

$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\left [ z(t) \cdot z^{\star}(t + {\rm \Delta}t)\right] = {\rm E}\left [ \left ( x(t) + {\rm j} \cdot y(t) \right )\cdot (x(t + {\rm \Delta}t) - {\rm j} \cdot (y(t+ {\rm \Delta}t)\right ] \hspace{0.05cm}.$$

Because of the statistical independence between real and imaginary parts, the equation can be simplified as follows:

$$\varphi_z ({\rm \Delta}t) = {\rm E}\left [ x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\right ] + {\rm E}\left [ y(t) \cdot y(t + {\rm \Delta}t)\right ] \hspace{0.05cm}.$$

With $x(t) = u(t) + x_0$ and $t' = t + \Delta t$, the first part results in $x(t) = u(t) + x_0$:

$${\rm E}\left [ x(t) \cdot x(t')\right ] = {\rm E}\left [ u(t) \cdot u(t')\right ] + x_0 \cdot {\rm E}\left [ u(t) \right ] + x_0 \cdot {\rm E}\left [ u(t') \right ] + x_0^2\hspace{0.05cm},$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm E}\left [ x(t) \cdot x(t + {\rm \Delta}t)\right ] = {\rm E}\left [ u(t) \cdot u(t + {\rm \Delta}t)\right ] + x_0^2 = \varphi_u ({\rm \Delta}t) + x_0^2 \hspace{0.05cm}.$$

This takes into account that the Gaussian random variable $u(t)$ has zero mean and has the variance $\sigma^2$.

In the same way with $y(t) = \upsilon (t) + y_0$ is obtained:

$${\rm E}\left [ y(t) \cdot y(t + {\rm \Delta}t)\right ] = \ ... \ = \varphi_v ({\rm \Delta}t) + y_0^2 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} \varphi_z ({\rm \Delta}t) = \varphi_u ({\rm \Delta}t) + \varphi_v ({\rm \Delta}t) + x_0^2 + y_0^2 = 2 \cdot \varphi_u ({\rm \Delta}t) + |z_0|^2 \hspace{0.05cm}.$$

But if the ACF $\varphi_z(\Delta t)$ only depends on $|z_0^2|$, then this also applies to the Fourier transform „LDS”.


(3) The root mean square can be calculated from the PDF of the magnitude:

$${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = {\rm E}\left [ a^2 \right ] = \int_{0}^{\infty}a^2 \cdot f_a(a)\hspace{0.15cm}{\rm d}a \hspace{0.05cm}.$$

At the same time, the root mean square value – i.e. the power – is also determined by the AKF: $${\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = \varphi_z ({\rm \delta}t = 0) = 2 \cdot \varphi_u ({\rm \delta}t = 0) + |z_0|^2 = 2 \cdot \sigma^2 + |z_0|^2 \hspace{0.05cm}.$$

With $\sigma = 1$ you get the following numerical results:

$$ \ |z_0|^2 = 0\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 0 \hspace{0.15cm} \underline{ = 2} \hspace{0.05cm},$$
$$ \ |z_0|^2 = 2\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 2 \hspace{0.15cm} \underline{ = 4} \hspace{0.05cm},$$
$$|z_0|^2 = 10\text{:} \ \hspace{0.3cm}{\rm E}\left [ |z(t)|^2 \right ] = 2 + 10 \hspace{0.15cm} \underline{ = 12} \hspace{0.05cm}.$$


(4) Correct is the solution 1, as already derived in the sample solution for (2).

The following statements would also be correct:

  • The „blue” AKF is 4 over the „black”.
  • The „green” AKF is 6 over the „blue”.


(5) All solution suggestions apply.

  • The „black” LDS is a Jakes–Spectrum and therefore continuous, i.e. all frequencies are present within an interval.
  • In the autocorrelation function (AKF) of the blue or green channel, the constant $|z_0|^2$ also occurs.
  • In the power density spectrum (LDS), there are Dirac functions in the GCF at the Doppler frequency $f_{\rm D} = 0$ with the weight $|z_0|^2$ because of these constants.