Difference between revisions of "Mobile Communications/Distance Dependent Attenuation and Shading"

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|Untermenü=Zeitvariante Übertragungskanäle
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|Untermenü=Time-Variant Transmission Channels
 
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|Nächste Seite=Wahrscheinlichkeitsdichte des Rayleigh–Fadings
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|Nächste Seite=Probability Density of Rayleigh Fading
 
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== Physikalische Beschreibung des Mobilfunkkanals ==
+
== # OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER  # ==
 
<br>
 
<br>
Die Grafik zeigt ein typisches Mobilfunkszenario mit fester Basisstation und einem mobilen Teilnehmer, der sich mit der Geschwindigkeit <i>&upsilon;</i> auf die Basisstation zu bewegt. Bei dieser Darstellung erreicht das Funksignal die Mobilstation über einen direkten Pfad. Die Antenne des mobilen Teilnehmers empfängt aber auch noch weitere Signalanteile, die auf Umwegen zum Empfänger gelangen, zum Beispiel aufgrund von Reflexionen an Häusern, einem Gebirge, einem Flugzeug, der Ionosphäre oder dem Erdboden.<br>
+
The first main chapter deals with time-variant transmission channels,&nbsp; a property that is of great importance for mobile communication.&nbsp; The description is given throughout in the equivalent low-pass range.  
  
[[File:P ID2095 Mob T 1 1 S1 v1.png|Mobilfunkszenario|class=fit]]<br>
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The chapter deals in detail with the following topics:
  
Anhand dieses Szenarios lassen sich wichtige Probleme bei der Mobilkommunikation erklären:
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#The&nbsp; &raquo;distance-dependent attenuation of a radio signal&laquo; &nbsp; and various&nbsp; &raquo;path loss models&laquo;,
*Pfadverlust (englisch: <i>Path Loss</i>): Dieser erfasst die Dämpfung der elektromagnetischen Welle, die in starkem Maße von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger abhängt.<br>
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#the influence of&nbsp; &raquo;shadowing&laquo;,&nbsp; which can be modeled through&nbsp; &raquo;Lognormal fading''&laquo;,
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#the non-frequency selective&nbsp; &raquo;Rayleigh fading&laquo; &nbsp; for channels without&nbsp; &raquo;line of sight&laquo;&nbsp; $\rm (LoS)$,
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#the consideration of the&nbsp; &raquo;Doppler effect&laquo; &nbsp; by the so-called&nbsp; &raquo;Jakes spectrum&laquo;,
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#the non-frequency selective&nbsp; &raquo;Rice fading&laquo; &nbsp; for channels with direct path&nbsp; $($"line of sight$)$.
  
*Abschattung (englisch: <i>Shadowing, Long Term Fading</i>): Diese bezeichnet eine langsame Veränderung der Empfangsbedingungen aufgrund der sich ändernden Umgebung, zum Beispiel, wenn man an einem Gebäude vorbeifährt oder wenn man ein Waldstück verlässt.<br>
 
  
*Mehrwegeausbreitung (englisch: <i>Multipath Propagation</i>): Gelangt das Signal auf mehreren Wegen mit Laufzeitunterschieden zum Empfänger, so kommt es &ndash; je nach Signalfrequenz &ndash; zu konstruktiven oder destruktiven Überlagerungen bis hin zu völliger Auslöschung. Für bestimmte Frequenzen ist die Topologie günstig, für andere ungünstig. Deshalb wird dieser Effekt auch als <i>frequenzselektives Fading</i> bezeichnet.<br>
 
  
*Zeitvarianz (englisch: <i>Time Variation</i>): Der Effekt entsteht durch die Bewegung de Senders und/oder des Empfängers, da zu jeder Zeit ein anderer Kanal vorliegt. Die Übertragungsqualität sinkt rapide, wenn der direkte Pfad durch ein Hindernis abgeschattet ist. Das Empfangssignal setzt sich dann nur aus den auf Umwegen eintreffenden Teilsignalen zusammen, die aufgrund von Streuungen an Bäumen und Sträuchern sowie eventuell Brechungs&ndash; und Beugungserscheinungen gegenüber dem direkten Pfad abgeschwächt sind und sich vektoriell zum Gesamtsignal addieren.<br>
 
  
*Dopplereffekt (englisch: <i>Doppler Spread</i>): Je nachdem, ob (und auch in welchem Winkel) sich die Mobilstation auf den Sender zu bewegt oder sich von diesem entfernt, kommt es zu (leichten) Frequenzverschiebungen und damit zu statistischen Bindungen innerhalb des empfangenen Signals, die [http://en.lntwww.de/Digitalsignal%C3%BCbertragung/Ursachen_und_Auswirkungen_von_Impulsinterferenzen#Definition_des_Begriffs_.E2.80.9EImpulsinterferenz.E2.80.9D_.281.29 Impulsinterferenzen] bewirken.<br><br>
 
  
In Kapitel 1.1 betrachten wir  Pfadverlust und Abschattungseffekte genauer. Die Zeitvarianz ist Inhalt von Kapitel 1.2 und 1.4, auch unter Berücksichtigung des Dopplereffektes (Kapitel 1.3). Das Kapitel 2 beschreibt die Mehrwegeausbreitung, die beim Mobilfunk Echos zur Folge hat.<br>
 
  
  
== Freiraumausbreitung ==
+
== Physical description of the mobile communication channel ==
 
<br>
 
<br>
Man spricht von Freiraumausbreitung, wenn zwischen Sender und Empfänger (im Abstand <i>d</i>) eine Sichtverbindung besteht wie  bei der Satellitenkommunikation oder im Weltraum. Die Radiowellen breiten sich im &bdquo;leeren Raum&rdquo; ungehindert kugelförmig um die Sendeantenne aus, werden aber  aufgrund des Energieerhaltungssatzes mit zunehmender Entfernung abgeschwächt.<br>
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[[File:EN_Mob_T1_1_S1.png|right|frame|Example for a mobile radio scenario|class=fit]]
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The figure shows a typical mobile radio scenario with a fixed base station and a mobile subscriber moving towards the base station at the speed&nbsp; $v$&nbsp;.  
  
Geometrisch kann man sich das so vorstellen, dass der Radius <i>R</i> der Kugel und damit auch die Kugelfläche immer größer und bei konstanter Gesamtenergie der Energieanteil pro Flächeneinheit proportional zu 1/<i>R</i><sup>2</sup> immer kleiner wird.<br>
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In this representation, the radio signal reaches the mobile station via a direct path.  
  
Wir gehen von einer unmodulierten Schwingung der Frequenz <i>f</i><sub>S</sub> bzw. der Wellenlänge <i>&lambda;</i> = <i>c</i>/<i>f</i><sub>S</sub> aus, wobei <i>c</i> = 3 &middot; 10<sup>8</sup> m/s die Lichtgeschwindigkeit angibt. Die Signalleistung sei <i>P</i><sub>S</sub>.<br>
+
However, the antenna of the mobile subscriber also receives other signal components that reach the receiver in a detour, for example
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* due to reflections on houses,
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* a mountain range,
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* a plane,
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* the ionosphere,
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* the ground.
 +
<br clear = all>
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This scenario can be used to explain important problems in mobile communications:
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*&raquo;'''Path Loss'''&laquo;: &nbsp; This measures the attenuation of the electromagnetic wave, which depends to a large extent on the distance between transmitter and receiver.<br>
  
Harald Friis hat 1944 eine Gleichung für die Empfangsleistung <i>P</i><sub>E</sub>(<i>d</i>) im Abstand <i>d</i> angegeben, die allerdings nur im Vakuum gültig ist:
+
*&raquo;'''Shadowing'''&laquo;: &nbsp;  This describes a slow change in reception conditions due to the changing environment, for example when you pass a building or when you leave a wooded area.<br>
  
:<math>P_{\rm E}(d) = \frac{P_{\rm S} \cdot G_{\rm S} \cdot G_{\rm E} \cdot \lambda^2}{16 \cdot  \pi^2 \cdot d^2 \cdot V_{\rm zus}} =
+
*&raquo;'''Multipath Propagation'''&laquo;: &nbsp; If the signal reaches the receiver on several paths with differences in propagation time, constructive or destructive superimpositions up to complete extinction occur, depending on the signal frequency. &nbsp; For certain frequencies the topology is favorable, for others unfavorable.&nbsp; Therefore this effect is also called <i>Frequency Selective Fading</i>.&nbsp; <br>
\frac{P_{\rm S} \cdot G_{\rm S} \cdot G_{\rm E} /V_{\rm zus}}{K_{\rm FR}(d)} \hspace{0.05cm}.</math>
 
  
<i>G</i><sub>S</sub> bzw. <i>G</i><sub>E</sub> bezeichnen die Antennengewinne von Sender und Empfänger. <i>V</i><sub>zus</sub> > 1 fasst alle Verluste zusammen, die unabhängig von der Wellenausbreitung sind, z.B. die Verluste durch die Antennen&ndash;Kabelzuführungen. Die Freiraumdämpfung <i>K</i><sub>FR</sub>(<i>d</i>) hängt von der Distanz <i>d</i> ab:
+
*&raquo;'''Time Variance'''&laquo;: &nbsp;  The effect is caused by the movement of the transmitter and/or the receiver, because there is a different channel at each time.&nbsp; The transmission quality decreases rapidly if the direct path is shadowed by an obstacle. &nbsp; The received signal is then composed only of the partial signals arriving on detours, which are attenuated compared to the direct path due to scattering from trees and bushes and possibly refraction and diffraction phenomena, and which add vectorially to the total signal.<br>
  
:<math>K_{\rm FR}(d) = K_{\rm FR}(d_0) \cdot (d/d_0)^2 \hspace{0.2cm}{\rm mit} \hspace{0.2cm}
+
*&raquo;'''Doppler Effect'''&laquo;: &nbsp;  Depending on whether&nbsp; (and also at what angle)&nbsp; the mobile station is moving towards or away from the transmitter, (slight) frequency shifts occur and thus statistical links within the received signal, which cause&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Causes_and_Effects_of_Intersymbol_Interference#Definition_of_the_term_.22Intersymbol_Interference.22|$\text{intersymbol interference}$]]&nbsp;.<br><br>
K_{\rm FR}(d_0) =  \left [{4 \cdot \pi \cdot d_0}/{\lambda} \right ]^2 \hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Meist wird die Freiraumdämpfung logarithmisch mit der Pseudoeinheit &bdquo;dB&rdquo; angegeben. Dann gilt für den Leistungsverlust durch die Freiraumdämpfung (&bdquo;<i>V</i>&rdquo; steht für &bdquo;Verlust&rdquo; in dB):
+
In this chapter we will take a closer look at path loss and shadowing effects.&nbsp; The following chapters deal with time variance, also taking into account the Doppler effect.&nbsp; The second main chapter describes multipath propagation, which results in echoes in mobile radio.<br>
  
:<math>V_{\rm FR}(d) \hspace{-0.1cm}  =  \hspace{-0.1cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} K_{\rm FR}(d) = V_{\rm 0} + 20\,\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},</math>
 
:<math>V_{\rm 0} \hspace{-0.1cm}  =  \hspace{-0.1cm} V_{\rm FR}(d_0) = 20\,\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.2cm} ({4 \pi  d_0}/{\lambda}) \hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Zu diesen Gleichungen ist anzumerken:
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== Free-space propagation ==
*Sie gilt nur im Fernfeld der Antenne (<i>d</i> > <i>d</i><sub>F</sub>). <i>d</i><sub>F</sub> = 2 <i>D</i><sup>2</sup>/<i>&lambda;</i> ist die Fraunhofer&ndash;Distanz. Für <i>D</i> ist hierbei die größte physikalische Abmessung der Sendeantenne einzusetzen.<br>
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One speaks of&nbsp; "free-space propagation"&nbsp; when there is a line of sight between the transmitter and the receiver positioned at a distance&nbsp; $d$&nbsp; as in satellite communications or in space.&nbsp; The radio waves propagate in&nbsp; "empty space"&nbsp; unhindered spherically around the transmitting antenna, but are attenuated with increasing distance due to the energy conservation law.<br>
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Geometrically you can imagine that the radius&nbsp; $R$&nbsp; of the sphere and thus also the spherical surface become larger and larger and at constant total energy the energy per unit area becomes proportional to&nbsp; $1/R^2$&nbsp; smaller and smaller.<br>
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We assume an unmodulated oscillation of the frequency&nbsp; $f_{\rm S}$&nbsp; or of the wavelength&nbsp; $\lambda= c/f_{\rm S}$&nbsp; where&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8\ \rm m/s$&nbsp; indicates the ''speed of light''&nbsp;, the signal power is&nbsp; $P_{\rm S}$.<br>
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[https://en.wikipedia.org/wiki/Harald_T._Friis $\text{Harald Friis}$]&nbsp; gave an equation in 1944 for the received power&nbsp; $P_{\rm E}(d)$&nbsp; from the distance&nbsp; $d$&nbsp; (this equation, however, is only valid in a vacuum):
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::<math>P_{\rm E}(d) = \frac{P_{\rm S} \cdot G_{\rm S} \cdot G_{\rm E} \cdot \lambda^2}{16 \cdot  \pi^2 \cdot d^2 \cdot V_{\rm add}} =
 +
\frac{P_{\rm S} \cdot G_{\rm S} \cdot G_{\rm E} /V_{\rm add}}{K_{\rm FR}(d)} \hspace{0.05cm}.</math>
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*$G_{\rm S}$&nbsp; and&nbsp; $G_{\rm E}$&nbsp; indicate the antenna gains of transmitter and receiver, respectively.
 +
*$V_{\rm add} > 1$&nbsp; summarizes all additional losses independent of the wave propagation, e.g. through the antennas's cable feeds.  
 +
*The&nbsp; &raquo;'''free-space attenuation'''&laquo; &nbsp;$K_{\rm FR}(d)$&nbsp; depends on the distance&nbsp; $d$&nbsp;:
 +
 
 +
::<math>K_{\rm FR}(d) = K_{\rm FR}(d_0) \cdot (d/d_0)^2 \hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.2cm}
 +
K_{\rm FR}(d_0) =  ({4  \pi d_0}/{\lambda} )^2 \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Die obige Formel gilt nicht  für <i>d</i> &#8594; 0. Hierfür  ergäbe sich der Grenzwert <i>K</i><sub>FR</sub> &#8594; 0, und es ergäbe sich unabhängig von <i>P</i><sub>S</sub> stets eine unendliche Empfangsleistung <i>P</i><sub>E</sub>(<i>d</i> &#8594; 0).<br>
+
Usually the free-space attenuation is specified logarithmically with the pseudo unit "dB". &nbsp;  
  
*Die Freiraumdämpfung <i>K</i><sub>FR</sub>(<i>d</i>) nimmt mit zunehmender Entfernung <i>d</i> quadratisch zu und ebenfalls quadratisch mit zunehmender Signalfrequenz <i>f</i><sub>S</sub>, das heißt, mit kleiner werdender Wellenlänge <i>&lambda;</i>.<br>
+
Then the power loss due to free-space attenuation &nbsp;$(V$&nbsp; stands for "Verlust" (German) &nbsp; &rArr; &nbsp; "loss" in dB$)$:
  
*Beispielsweise gilt beim GSM/E&ndash;Netz (<i>f</i><sub>S</sub> = 1.8 GHz &#8658; <i>&lambda;</i> &asymp; 17 cm): <i>K</i><sub>FR</sub>(<i>d</i> = 1 km) = 1.6 &middot 10<sup>9</sup>. Beim Empfänger im Abstand von 1 km kommt also nicht mal ein Milliardstel der Sendeleistung an.<br><br>
+
::<math>V_{\rm FR}(d) = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} K_{\rm FR}(d) = V_{\rm 0} + 20\,\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} V_{\rm 0} = V_{\rm FR}(d_0) = 20\,\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.2cm} ({4 \pi  d_0}/{\lambda}) \hspace{0.05cm}.</math>
  
In der Aufgabe Z1.1 soll die obige Friis&ndash;Gleichung numerisch ausgewertet und interpretiert werden. Oft setzt man die Freiraumdämpfung in Bezug zu einer geeignet zu definierenden Normierungsdistanz <i>d</i><sub>0</sub>, wobei man häufig  <i>d</i><sub>0</sub> = 1 m verwendet.<br>
+
It should be noted about this equation:
 +
*The equation only applies in the far field of the antenna&nbsp; $(d > d_{\rm F})$.&nbsp; Here&nbsp; $d_{\rm F} = 2 D^2/\lambda$&nbsp; the so-called &nbsp;&raquo;'''Fraunhofer distance'''&laquo;.&nbsp; For&nbsp; $D$&nbsp; the largest physical dimension of the transmitting antenna must be used.<br>
  
== Gebräuchliches Pfadverlustmodell ==
+
*The equation does not apply to&nbsp; $d \to 0$.&nbsp; This would result in the limit value&nbsp; $K_{\rm FR} \to 0$, and it would result independently from&nbsp; $P_{\rm S}$&nbsp; always an infinite received power&nbsp; $P_{\rm E}(d \to 0)$.<br>
<br>
+
 
Im Gegensatz zu Satelliten&ndash; und Richtfunk&ndash;Übertragungsstrecken sind beim Landmobilfunk neben der Freiraumdämpfung weitere störende Effekte zu berücksichtigen, die ebenfalls zu einer Verminderung der Empfangsleistung beitragen, nämlich:
+
*The free-space attenuation&nbsp; $K_{\rm FR}(d)$&nbsp; increases  quadratically with increasing distance&nbsp; $d$&nbsp; and also quadratically with increasing signal frequency&nbsp; $f_{\rm S}$, that is, with decreasing wavelength&nbsp; $\lambda$.<br>
*Reflexionen: Durch Überlagerung des Sendesignals mit einer am Erdboden oder an anderen großen glatten Oberflächen reflektierten Signalkomponente können Auslöschungen entstehen, die eine Abnahme der Empfangsleistung bis zur Potenz 4 des Abstandes <i>d</i> zwischen Sender und Empfänger bewirken. Mehr hierzu finden Sie in [Zan05]<ref>Zangl, J.: ''Multi-Hop-Netze mit Kanalcodierung und Medium Access Controll (/MAC).'' Düsseldorf: VDI Verlag, Reihe 10, Nummer 761, 2005.</ref> und [PA95]<ref>Pahlavan, K.; Allen, L.: ''Wireless Information Networks.'' New York: John Wiley & Sons, Wiley Series in Telecommunications and Signal Processing, 1995.</ref>.<br>
 
  
*Beugung: Hiervon spricht man, wenn das Signal nicht reflektiert, sondern &ndash; zum Beispiel an einer Gebäudekante &ndash; von seiner Ausbreitungsrichtung abgelenkt wird. Eine physikalische Erklärung findet man wieder in [Zan05]<ref>Zangl, J.: ''Multi-Hop-Netze mit Kanalcodierung und Medium Access Controll (/MAC).'' Düsseldorf: VDI Verlag, Reihe 10, Nummer 761, 2005.</ref>.<br>
+
*For example, for&nbsp; $\text{GSM 1800}$&nbsp; $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz$ &nbsp; &#8658; &nbsp;  $\lambda \approx 17 \ \rm cm)$: &nbsp;
 +
:$$K_{\rm FR}(d = 1\ \rm  km) = 1.6 \cdot 10^9.$$
 +
:The receiver at a distance of one kilometer does not receive even one billionth of the transmitting power.<br>
  
*Streuung: Ist die Verbindung Sender &ndash; Empfänger durch mehrere Objekte mit unregelmäßiger Oberfläche (zum Beispiel Bäume oder Sträucher) unterbrochen, so trifft das Signal am Empfänger in Form vieler Streusignale mit leicht unterschiedlichen Laufzeiten ein. Die Größe des Hindernisses bestimmt dabei, ob dieses als reflektierendes oder als streuendes Objekt aufzufassen ist.<br><br>
+
In the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise 1.1Z: Simple Path Loss Model|"Exercise 1.1Z"]]&nbsp; the above Friis equation is to be numerically evaluated and interpreted. &nbsp; Usually, the free-space attenuation is set in relation to a suitable normalization distance&nbsp; $d_0$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $K_{\rm FR}(d/d_0)$, where &nbsp;  $d_0 = 1\ \rm  m$&nbsp; is often used.<br>
  
Diese Effekte sind dafür verantwortlich, dass man Mobilfunk auch ohne direkte Sichtverbindung betreiben kann, und die Grundlage für den wirtschaftlichen Erfolg der Mobilfunksysteme. Negativ wirken sich diese Effekte durch eine geringere Empfangsleistung aus, was durch einen größeren Exponenten als <i>&gamma;</i> = 2 berücksichtigt werden muss. Wir sprechen dann nicht mehr von Freiraumdämpfung, sondern allgemein vom <i>Pfaddämpfungsfaktor</i>:
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== Common path loss model ==
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<br>
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In contrast to satellite and radio relay links, in the case of land mobile radio in addition to free-space attenuation, other disturbing effects  must be taken into account which also contribute to a reduction in received power, namely:
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*&raquo;'''Reflections'''&laquo;: &nbsp; By superimposing the transmitted signal with a signal component reflected on the ground or on other large smooth surfaces, cancellations can occur which cause a decrease in the received power up to the fourth power of the distance&nbsp; $d$&nbsp; between transmitter and receiver.&nbsp; For more information, see&nbsp; [Zan05]<ref name = 'Zan05'>Zangl, J.:&nbsp; Multi-Hop-Netze mit Kanalcodierung und Medium Access Controll (MAC).&nbsp; Düsseldorf: VDI Verlag, Reihe 10, Nummer 761, 2005.</ref>&nbsp; and&nbsp; [PA95]<ref name = 'PA95'>Pahlavan, K.; Allen, L.:&nbsp; Wireless Information Networks.&nbsp; New York: John Wiley & Sons, Wiley Series in Telecommunications and Signal Processing, 1995.</ref>.<br>
  
:<math>K_{\rm P}(d) = K_{\rm P}(d_0) \cdot (d/d_0)^\gamma \hspace{0.05cm}.</math>
+
*&raquo;'''Diffraction'''&laquo;: &nbsp; This is when the signal is not reflected but deflected from its direction of propagation, for example at the edge of a building.&nbsp; A physical explanation can be found again in&nbsp; [Zan05]<ref name = 'Zan05'></ref>.<br>
  
Die entsprechende dB&ndash;Größe nennen wir Pfadverlust (&bdquo;lg&rdquo; ist der Logarithmus zur Basis 10):
+
*&raquo;'''Dispersion'''&laquo;: &nbsp; If the connection&nbsp; transmitter &ndash; receiver&nbsp; is interrupted by several objects with irregular surfaces&nbsp; (for example trees or bushes)&nbsp; the signal arrives at the receiver in the form of many scattered signals with slightly different propagation times.&nbsp; The size of the obstacle determines whether it is to be interpreted as a reflecting or as a scattering object.<br><br>
  
:<math>V_{\rm P}(d) \hspace{-0.1cm}  = \hspace{-0.1cm}  V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},</math>
+
The effects mentioned here are responsible for the fact that mobile radio can be operated without direct line of sight&nbsp; $\rm (LOS)$, and thus one of the bases for the economic success of mobile radio systems.&nbsp; Negatively, these effects are caused by a lower received power, which must be taken into account by a larger exponent than&nbsp; $\gamma = 2$&nbsp;.&nbsp; We then no longer speak of&nbsp; "free-space attenuation",&nbsp; but generally of&nbsp; "path attenuation factor":
:<math>V_{\rm 0} \hspace{-0.1cm}  =  \hspace{-0.1cm} V_{\rm P}(d_0) = \gamma \cdot 10\,{\rm dB}  \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda}\hspace{0.05cm}. </math>
 
  
Aus diesen Gleichungen ist zu ersehen, dass die Freiraumdämpfung <i>V</i><sub>FR</sub>(<i>d</i>) ein Sonderfall von <i>V</i><sub>P</sub>(<i>d</i>) mit <i>&gamma;</i> = 2 ist. In  [Zan05]<ref>Zangl, J.: ''Multi-Hop-Netze mit Kanalcodierung und Medium Access Controll (/MAC).'' Düsseldorf: VDI Verlag, Reihe 10, Nummer 761, 2005.</ref> werden einige Zahlenwerte für den Exponenten <i>&gamma;</i> angegeben, die als Mittelwerte über eine Vielzahl von Messungen bestimmt wurden. Unter anderem gilt
+
::<math>K_{\rm P}(d) = K_{\rm P}(d_0) \cdot (d/d_0)^\gamma \hspace{0.05cm}.</math>
*bei freier Sichtverbindung (Satelliten, Richtfunk): <i>&gamma;</i> &asymp; 2,<br>
 
  
*in städtischer Umgebung: <i>&gamma;</i> = 2.7 ... 3.5,<br>
+
The corresponding dB&ndash;magnitude we call the&nbsp; &raquo;'''path loss'''&laquo; &nbsp; $(\rm lg$ is the logarithm to the base $10)$:
  
*in abgeschatteter städtischer Umgebung: <i>&gamma;</i> = 3.0 ... 5.0,<br>
+
::<math>V_{\rm P}(d) =  V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm}
 +
V_{\rm 0} = V_{\rm P}(d_0) = \gamma \cdot 10\,{\rm dB}  \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda}\hspace{0.05cm}. </math>
  
*innerhalb von Gebäuden ohne Sichtverbindung: <i>&gamma;</i> = 4.0 ... 6.0.<br>
+
From these equations it can be seen that the free-space attenuation&nbsp; $V_{\rm FR}(d)$&nbsp; is a special case of&nbsp; $V_{\rm P}(d)$&nbsp; with&nbsp; $\gamma = 2$&nbsp;. &nbsp; In&nbsp; [Zan05]<ref name = 'Zan05'></ref>&nbsp; numerical values are given for the exponent&nbsp; $\gamma$&nbsp; which were determined as mean values over a large number of measurements.&nbsp; Among other things
 +
*in clear view (satellite, radio relay): &nbsp; $\gamma \approx 2$,<br>
 +
*in an urban setting: &nbsp; $\gamma = 2.7 \ \text{...} \ 3.5$,<br>
 +
*in a shaded urban setting: &nbsp; $\gamma = 3.0\ \text{...} \ 5.0$,<br>
 +
*inside buildings without a line of sight: &nbsp; $\gamma = 4.0 \ \text{...} \ 6.0$.<br>
  
== Weitere, exaktere Pfadverlustmodelle ==
+
== Other, more accurate path loss models ==
 
<br>
 
<br>
Das relativ einfache Pfadverlustmodell entsprechend der letzten Seite ist gut geeignet für Makrozellen, setzt allerdings hohe Antennen der Basisstationen voraus. Es wird beispielsweise als Referenz&ndash;Szenario bei der Standardisierung von Long Term Evolution (LTE) eingesetzt.<br>
+
The relatively simple path loss model shown in the last section is well suited for macro cells, but requires high base station antennas.&nbsp; It was used, for example, as a reference&ndash;scenario for the standardization of&nbsp; [[Mobile_Communications/General information on the LTE mobile communications standard|$\text{Long Term Evolution}$]]&nbsp; $\rm (LTE)$.<br>
  
Natürlich kann dieses sehr einfache Zweiparameter&ndash;Modell (<i>V</i><sub>0</sub>, <i>&gamma;</i>) nicht alle Anwendungsfälle mit ausreichender Genauigkeit wiedergeben. Vielmehr findet man in der Literatur eine Vielzahl weiterer Modelle für die Leistungsdämpfung, die genauer an spezifische Randbedingungen (Umgebungen) angepasst sind und auch unterschiedliche Zellgrößen berücksichtigen. Bekannt sind zum Beispiel (siehe [Gol06]<ref>Goldsmith, A.: ''Wireless Communications.'' Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2006.</ref>. )
+
Of course, this very simple two&ndash;parameter model&nbsp; $(V_0, \ \gamma)$&nbsp; cannot reproduce all use cases with sufficient accuracy.&nbsp; A large number of other models for power attenuation can be found in the literature, which are more precisely adapted to specific boundary conditions&nbsp; (neighbourhood)&nbsp; and also take different cell sizes into account.&nbsp; Well-known are for example, see&nbsp; [Gol06]<ref name='Gol06'>Goldsmith, A.:&nbsp; Wireless Communications.&nbsp; Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2006.</ref>:
  
*das Okumura&ndash;Hata&ndash;Modell,<br>
+
*the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Hata_Model $\text{Okumura&ndash;Hata model}$],<br>
  
*das Pfadverlustmodell gemäß COST 231,<br>
+
*the path loss model according to&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/COST_Hata_model $\text{COST 231}$],<br>
  
*das <i>Dual&ndash;Slope</i>&ndash;Modell.<br><br>
+
*the&nbsp; [https://ieeexplore.ieee.org/document/8597901 $\text{Dual&ndash;slope model}$].<br><br>
  
Letzteres wird oft für Simulationen von Mikrozellen im städtischen Bereich eingesetzt. Es lautet mit den Kenngrößen <i>d</i><sub>0</sub> = 1 m und <i>d</i><sub>BP</sub> (<i>Breakpoint</i>, beispielsweise <i>d</i><sub>BP</sub> = 100 m):
+
[[File:EN_Mob_T1_1_S4.png|right|frame|Dual-slope path loss model]]
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; The Dual&ndash;slope model  is often used for simulations of micro cells in urban areas. &nbsp; The equation is the following, with the parameters &nbsp; $d_0 = 1\ \rm  m$&nbsp;  und&nbsp; $d_{\rm BP}$&nbsp; $($<i>Breakpoint</i>, for example&nbsp; $d_{\rm BP} = 100\ \rm  m)$:
  
:<math>V_{\rm P}(d) =  V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left ( {d}/{d_0} \right )  
+
::<math>V_{\rm P}(d) \hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm} V_{\rm 0} \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm} \gamma_0 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} 10\,{\rm dB} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}{\rm lg} \hspace{0.01cm} \left ( {d}/{d_0} \right )  
  + (\gamma_1 - \gamma_0) \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left (1+ {d}/{d_{\rm BP}} \right )\hspace{0.05cm}.</math>
+
  \hspace{-0.05cm}+ \hspace{-0.05cm}(\gamma_1 \hspace{-0.05cm}- \hspace{-0.05cm}\gamma_0) \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}10\,{\rm dB} \hspace{-0.05cm}\cdot\hspace{-0.05cm} {\rm lg} \hspace{0.01cm} \left (1+ {d}/{d_{\rm BP} } \right )\hspace{0.05cm}.</math>
  
[[File:P ID2096 Mob T 1 1 S4.png|Dual-Slope-Pfadverlustmodell|right|rahmelos]]
+
The graph shows this curve for&nbsp; $V_{\rm 0} = 10 \ {\rm dB}$,&nbsp; $\gamma_0 = 2$&nbsp; und&nbsp; $\gamma_1 = 4$&nbsp; in the range from one meter to several kilometers&nbsp; (thin grey curve).
  
<br>Die Grafik zeigt diesen Verlauf für <i>V</i><sub>0</sub> = 10 dB, <i>&gamma;</i><sub>0</sub> = 2 und <i>&gamma;</i><sub>1</sub> = 4 im Bereich von einem Meter bis zu mehreren Kilometern (grauer Kurvenzug).
+
To simplify matters, the asymptotic approximation shown in red in the graph is used
  
<br><br><br><br><br><br><br>
+
::<math>V_{\rm P}(d) = \left\{ \begin{array}{c} V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},\\
Häufig wird zur Vereinfachung die in der Grafik rot eingezeichnete asymptotische Näherung
 
 
 
:<math>V_{\rm P}(d) = \left\{ \begin{array}{c} V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},\\
 
 
  V_{\rm BP} + \gamma_1 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_{\rm BP})\hspace{0.05cm},  \end{array} \right.\quad
 
  V_{\rm BP} + \gamma_1 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_{\rm BP})\hspace{0.05cm},  \end{array} \right.\quad
\begin{array}{*{1}c} {\rm f\ddot{u}r}  \hspace{0.15cm}d < d_{\rm BP}\hspace{0.05cm},
+
\begin{array}{*{1}c} {\rm for}  \hspace{0.15cm}d < d_{\rm BP}\hspace{0.05cm},
\\  {\rm f\ddot{u}r} \hspace{0.15cm} d \ge d_{\rm BP}\hspace{0.05cm} \\ \end{array}</math>
+
\\  {\rm for} \hspace{0.15cm} d \ge d_{\rm BP}\hspace{0.05cm} \\ \end{array}</math>
  
verwendet. Der Wert <i>V</i><sub>BP</sub> = 50 dB ergibt sich aus der Gleichung für den ersten Abschnitt an der Grenze <i>d</i> = 100 m des Gültigkeitsbereiches.<br>
+
&nbsp; The value&nbsp; $V_{\rm BP} = 50 \ {\rm dB}$&nbsp; is derived from the equation for the first section at the border&nbsp; $d = 100\ \rm  m$&nbsp; of the scope.<br>
  
<b>Hinweis:</b> In der Aufgabe A1.1 wird dieses Modell noch eingehend untersucht.<br>
+
<i>Note:</i> &nbsp; In the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise 1.1: Dual Slope Loss Model|"Excercise 1.1"]]&nbsp; this model is still being examined in detail.}}<br>
  
== Zusätzlicher Verlust durch Abschattungen (Shadowing) ==
+
== Additional loss due to shadowing ==
 
<br>
 
<br>
Die bisherigen Pfadverlustmodelle berücksichtigen nur die distanzabhängige Signaldämpfung gemäß der linken Grafik und lassen topologische Gegebenheiten wie den Einfluss von Abschattungen (englisch: <i>Shadowing</i>) außer Acht. Im Landmobilfunk führen Abschattungen dazu, dass der Signalpegel auch dann nicht konstant ist, wenn man sich im gleichen Abstand von der Basisstation (auf einem Kreisbogen) bewegt. Diesen Sachverhalt zeigt die rechte Grafik, wobei dunklere Bereiche einen größeren Pfadverlust kennzeichnen. Der Unterschied zwischen linkem und rechtem Bild ist auf &bdquo;Shadowing&rdquo; zurückzuführen.<br>
+
The disturbing influence of shadowing is explained with the help of a graphic, taken from the lecture manuscript &nbsp;  [Hin08]<ref name = 'Hin08'>Hindelang, T.:&nbsp; Mobile Communications.&nbsp; Lecture notes.&nbsp; Institute for Communications Engineering. Munich: Technical University of Munich, 2008.</ref>:
 +
[[File:EN_Mob_T1_1_S5.png|right|frame|Path loss without and with consideration of shading]]
  
[[File:P ID2097 Mob T 1 1 S5 v2.png|Pfadverlust ohne und mit Berücksichtigung von Abschattung}class=fit]]<br>
+
*The previous path loss models only take into account the distance-dependent signal attenuation according to the left graph and disregard topological factors such as the influence of shading.
  
Die Auswirkungen von Abschattungen (<i>Shadowing</i>) lassen sich wie folgt zusammenfassen:
+
*In land mobile radio, shadowing causes the signal level to vary even when moving at the same distance from the base station&nbsp; (on an arc of a circle)&nbsp;.
*Bei ruhenden Sender und Empfänger ist die Abschattung deterministisch zu betrachten. Sie führt dazu, dass der Pfadverlust aufgrund Abschattung um einen konstanten Wert <i>V</i><sub>S</sub> (in dB) verändert wird:
+
 
 +
*This is shown in the right-hand graph, with darker areas indicating greater path loss.&nbsp; The difference between the left and right images is due to shadowing.<br>
 +
 
 +
 
 +
The effects of shadowing can be summarized as follows:
 +
*For stationary transmitters and receivers, the shadowing is to be considered deterministic.&nbsp; It causes the path loss due to the shadowing to change by a constant value&nbsp; $V_{\rm S}$&nbsp; (in dB):
  
 
::<math>V_{\rm P}(d) =  V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)+ V_{\rm S}\hspace{0.05cm}. </math>
 
::<math>V_{\rm P}(d) =  V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)+ V_{\rm S}\hspace{0.05cm}. </math>
  
*Bewegt sich der Empfänger (oder auch der Sender), so ändert sich der <i>Shadowing</i>&ndash;Verlust entsprechend den Koordinaten und demzufolge auch mit der Zeit: <i>V</i><sub>S</sub> &#8658; <i>V</i><sub>S</sub>(<i>x</i>, <i>y</i>) bzw. <i>V</i><sub>S</sub>(<i>t</i>).<br>
+
*If the receiver&nbsp; (or the sender) moves, the <i>shadowing</i>&ndash;loss changes according to the coordinates and therefore also with time. This means: &nbsp; $V_{\rm S}$ &nbsp; &#8658; &nbsp; $V_{\rm S}(x, y)$ &nbsp; and &nbsp; $V_{\rm S}$ &nbsp; &#8658; &nbsp;  $V_{\rm S}(t)$, respectively.<br>
 +
 
  
*Allerdings sind solche Kanaländerungen aufgrund von Abschattungen sehr langsam. Oft bleiben die Bedingungen über mehrere Sekunden gleich und man spricht hier von <i>Long Term Fading</i> im Gegensatz zu schnellem Fading wie [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh%E2%80%93Fadings#Allgemeine_Beschreibung_des_Mobilfunkkanals Rayleigh&ndash;Fading] und [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente#Kanalmodell_und_Rice.E2.80.93WDF Rice&ndash;Fading.]<br>
+
However, such channel changes are very slow due to shading. &nbsp; Often the conditions remain the same for several seconds and one speaks here of&nbsp; "Long Term Fading"&nbsp; in contrast to fast fading like&nbsp; [[Mobile_Communications/Probability density of Rayleigh fading#A very general description of the mobile communication channel|$\text{Rayleigh fading}$]]&nbsp; and&nbsp; [[Mobile_Communications/Non-Frequency_Selective_Fading_With_Direct_Component#Channel_model_and_Rice_PDF|$\text{Rice fading}$]].<br>
  
== Lognormal–Kanalmodell (1) ==
+
== Lognormal channel model==
 
<br>
 
<br>
Zur Berücksichtigung des <i>Shadowing</i>&ndash;Verlustes <i>V</i><sub>S</sub> bei der Systemplanung muss man auf stochastische Modelle zurückgreifen, die sich aus empirischen Untersuchungen ergeben haben. Am bekanntesten ist das Lognormal&ndash;Kanalmodell, das für die Zufallsvariable <i>V</i><sub>S</sub> eine [http://en.lntwww.de/Stochastische_Signaltheorie/Gau%C3%9Fverteilte_Zufallsgr%C3%B6%C3%9Fe#Allgemeine_Beschreibung Gaußsche WDF] zugrundelegt:
+
[[File:EN_Mob_T1_1_S6.png|right|frame|Lognormal PDF &nbsp; &rArr; &nbsp; Shadowing loss]]
 +
To account for the loss&nbsp; $V_{\rm S}$&nbsp; by shadowing, the system design must be based on statistical models that have emerged from empirical studies.  
 +
 
 +
The best known is the &nbsp;&raquo;'''lognormal'''&laquo; channel model, which uses a&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Gaussian_Distributed_Random_Variables|$\text{Gaussian PDF}$]]&nbsp; for the random variable&nbsp; $V_{\rm S}$:
  
[[File:P ID2098 Mob T 1 1 S6a v1.png|rahmenlos|rechts|Lognormal-WDF des Shadowing-Verlustes]]
+
::<math>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) }  \hspace{0.05cm}.</math>
  
:<math>f_{V{\rm S}}(V_{\rm S}) =  \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S}}  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{ (V_{\rm S}\hspace{-0.05cm} - \hspace{-0.05cm}m_{\rm S})^2}{2 \cdot \sigma_{\rm S}^2} \right ] \hspace{0.05cm}.</math>
+
The name&nbsp; "lognormal"&nbsp; results from the fact that the dB&ndash;magnitude&nbsp; $V_{\rm S}$, which is derived from the linear power attenuation factor via the logarithm, is normally distributed (and thus Gaussian). <br>
  
Der Name &bdquo;Lognormal&rdquo; ergibt sich aus der Tatsache, dass die dB&ndash;Größe <i>V</i><sub>S</sub>, die  über den Logarithmus aus dem linearen Leistungsdämpfungsfaktor abgeleitet wird, normalverteilt (und damit gaußisch) ist. <br><br><br>
+
The lognormal channel model is determined by two parameters:
 +
*The mean value&nbsp; $m_{\rm S} = {\rm E}\big [V_{\rm S}\big ]$&nbsp; gives the mean shadowing&ndash;loss. &nbsp;  
 +
*For rural areas it is usually calculated with&nbsp; $m_{\rm S} = 6 \ \rm dB$&nbsp; and for urban areas it is assumed&nbsp; $m_{\rm S} =14 \ \rm dB$ ... $20 \ \rm dB$.<br>
  
Das Lognormal&ndash;Kanalmodell ist durch zwei Parameter bestimmt:
+
*Also the standard deviation&nbsp; (or dispersion) &nbsp; $\sigma_{\rm S}$&nbsp; is different for rural areas&nbsp; $(\approx 6 \ \rm dB)$&nbsp; and for urban conditions&nbsp; $($between&nbsp; $8 \ \rm dB$&nbsp; and&nbsp; $12 \ \rm dB)$&nbsp;.<br><br>
*Der Mittelwert <i>m</i><sub>S</sub> = E[<i>V</i><sub>S</sub>] gibt den mittleren Shadowing&ndash;Verlust an. Für ländliches Gebiet wird mit <i>m</i><sub>S</sub> = 6 dB gerechnet, für städtisches Gebiet geht man von 14 dB ... 20 dB aus.<br>
 
  
*Auch die Standardabweichung (oder Streuung) <i>&sigma;</i><sub>S</sub> ist für ländliches Gebiet (&asymp; 6 dB) bzw. für städtische Bedingungen (zwischen 8 dB und 12 dB) unterschiedlich.<br><br>
+
Note that&nbsp; $V_{\rm S}$&nbsp; can also take negative values when using lognormal fading &nbsp; (red area in the above graphic), which actually contradicts the idea of shading.&nbsp; In practice, however, this model has proven to be very good.  
  
Beachten Sie, dass <i>V</i><sub>S</sub> beim Lognormal&ndash;Fading auch negative Werte annehmen kann (rote Hinterlegung in obiger Grafik), was der Vorstellung von Abschattung eigentlich widerspricht. In der Praxis hat sich dieses Modell allerdings als sehr gut erwiesen. Den &bdquo;Gewinn durch Abschattung&rdquo; könnte man wie folgt interpretieren:
+
The&nbsp; "gain by shading"&nbsp; could be interpreted as follows:
*In Häuserschluchten kann durch Reflexionen an Gebäuden mehr Energie ankommen, als es nach dem Pfadverlust zu erwarten wäre.<br>
+
*In urban canyons, reflections from buildings can cause more energy to arrive than would be expected after losing the path.<br>
  
*Der Pfadverlustexponent <i>&gamma;</i> wird stets fest vorgegeben. Im städtischen Gebiet wird häufig  von <i>&gamma;</i> = 3.76 ausgegangen. Aber es gibt Positionen in der Stadt, bei denen <i>&gamma;</i> kleiner ist.<br>
+
*The path loss exponent&nbsp; $\gamma$&nbsp; is always fixed, for example&nbsp; $\gamma = 3.76$&nbsp; in urban areas. &nbsp; But there are positions in the city where&nbsp; $\gamma$&nbsp; is smaller.<br>
  
*Zu bedenken ist auch, dass ein solch einfaches Modell nicht alle Details exakt abbildet. Man sollte daher nicht versuchen, alle Modelleigenschaften physikalisch zu interpretieren.<br><br>
+
*Such a simple model cannot reproduce all the details exactly, so one should not try to interpret all the model properties physically.<br><br>
  
Es ist zweckmäßig, die Pfadverlustanteile in folgender Weise zusammenzufassen:
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; It is useful to summarize the path loss portions in the following way:
  
:<math>V_{\rm P} = V_{\rm 1} + V_{\rm 2}(t) \hspace{0.25cm}{\rm mit}\hspace{0.25cm} V_{\rm 1} =  V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)+ m_{\rm S}\hspace{0.05cm}.</math>
+
::<math>V_{\rm P} = V_{\rm 1} + V_{\rm 2}(t) \hspace{0.25cm}{\rm with}\hspace{0.25cm} V_{\rm 1} =  V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)+ m_{\rm S}\hspace{0.05cm}.</math>
  
Der zweite Anteil <i>V</i><sub>2</sub>(<i>t</i>) beschreibt nun eine Lognormal&ndash;WDF mit Mittelwert 0:
+
The second term&nbsp; $V_{\rm 2}(t)$&nbsp; now describes a lognormal PDF with mean value zero:
  
:<math>f_{V{\rm 2}}(V_{\rm 2}) =  \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S}}  \cdot {\rm exp } \left [ - \frac{ V_{\rm 2} ^2}{2 \cdot \sigma_{\rm S}^2} \right ] \hspace{0.05cm}.</math>
+
::<math>f_{V_2}(V_2) =  \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S} }  \cdot {\rm e }^{  - V_2 ^2/(2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \sigma_{\rm S}^2}\hspace{0.05cm}.</math>
  
Die Entfernungabhängigkeit von  <i>V</i><sub>1</sub> spielt keine große Rolle und wird hier nicht weiter betrachtet.<br>
+
The distance dependency of&nbsp; $V_1$&nbsp; does not play a major role and will not be further discussed here.}}<br>
  
== Lognormal–Kanalmodell (2) ==
+
== Time domain model for lognormal fading==
 
<br>
 
<br>
[[File:P ID2099 Mob T 1 1 S6b v2.png|rahmenlos|rechts|Pfadverlustmodell mit Lognormal-Fading]]
+
[[File:P ID2099 Mob T 1 1 S6b v2.png|right|frame|Path loss model with lognormal fading]]
  
Die Grafik zeigt ein Zeitbereichsmodell, mit dessen Hilfe der Pfadverlust  <i>V</i><sub>P</sub> gemäß obiger Gleichung simulativ nachgebildet werden kann.
+
The figure shows a time domain model, with the help of which the path loss&nbsp; $V_{\rm P}$&nbsp; can be simulated according to the above equation.&nbsp; Please note:
 +
*The input signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; possess the power&nbsp; $P_{\rm S}$.&nbsp; In logarithmic representation, the power is related to&nbsp; $1\ \rm mW$&nbsp; and the pseudo unit&nbsp; "dBm"&nbsp; is added.
  
<br>Dazu ist anzumerken:
+
*The path loss&nbsp; $V_1$&nbsp; is generated by multiplication with&nbsp; $k_1$.&nbsp; The output signal&nbsp; $r'(t)$&nbsp; then has a power that is smaller by&nbsp; $V_1$&nbsp; (in dB)&nbsp;:
*Das Eingangssignal <i>s</i>(<i>t</i>) besitze die Leistung <i>P</i><sub>S</sub>. In logarithmischer Darstellung wird die Leistung auf 1 mW bezogen  und es wird die Pseudoeinheit &bdquo;dBm&rdquo; hinzugefügt.
 
 
 
*Der Pfadverlust <i>V</i><sub>1</sub> wird durch die Multiplikation mit <i>k</i><sub>1</sub> erzeugt. Das Ausgangssignal <i>r'</i>(<i>t</i>) hat dann eine um <i>V</i><sub>1</sub> (in dB) kleinere Leistung:
 
  
 
::<math>k_1 = 10^{-V_{\rm 1}/20} \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm}
 
::<math>k_1 = 10^{-V_{\rm 1}/20} \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm}
Line 182: Line 219:
 
  10  \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm S} }{\rm 1\,mW} - V_1
 
  10  \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm S} }{\rm 1\,mW} - V_1
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  \hspace{0.05cm}.</math>
 +
[[File:P ID2102 Mob T 1 1 S6c v3.png|right|frame|Relation between Gaussian random variable&nbsp; $(V_2)$&nbsp; and lognormal  random variable&nbsp; $(z_2)$]]
 +
*The&nbsp; (mean value-free)&nbsp; lognormal fading is simulated by multiplication with the random variable&nbsp; $z_2(t)$.
 +
*The PDF results from the Gaussian random quantity&nbsp; $V_2$&nbsp; by a&nbsp; [[Theory_of_Stochastic_Signals/Exponentially_Distributed_Random_Variables#Transformation_of_random_variables|$\text{nonlinear transformation}$]]&nbsp; at the characteristic curve&nbsp;
 +
:$$z_2 = g(V_2) = 10^{-V_{\rm 2}/20}.$$
  
*Das (mittelwertfreie) Lognormal&ndash;Fading wird durch Multiplikation mit der Zufallsgröße <i>z</i><sub>2</sub>(<i>t</i>) nachgebildet. Die WDF ergibt sich aus der Gaußschen Zufallsgröße  <i>V</i><sub>2</sub> durch eine [http://en.lntwww.de/Stochastische_Signaltheorie/Exponentialverteilte_Zufallsgr%C3%B6%C3%9Fen#Transformation_von_Zufallsgr.C3.B6.C3.9Fen nichtlineare Transformation] an der Kennlinie <i>z</i><sub>2</sub> = <i>g</i>(<i>V</i><sub>2</sub>) = 10<sup>&ndash;<i>V</i><sub>2</sub>/20</sup>.
+
*For&nbsp; $z_2< 0$&nbsp; this PDF is zero, and for&nbsp; $z_2\ge 0$&nbsp; applies with the abbreviation&nbsp; $C = \rm ln(10)/20 dB$:
  
*Für <i>z</i><sub>2</sub> < 0 ist diese WDF gleich 0, und für <i>z</i><sub>2</sub> &#8805; 0 gilt mit der Abkürzung  <i>C</i> = ln(10)/20 dB:
+
:$$f_{z_{\rm 2}}(z_{\rm 2}) =  \frac {{\rm e^{- {\rm ln}^2 (z_{\rm 2})
 +
/({2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} C^2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \sigma_{\rm S}^2})
 +
} } }{ \sqrt{2 \pi }\cdot C \cdot \sigma_{\rm S} \cdot z_2}  \hspace{0.05cm}.$$
  
::<math>f_{z{\rm 2}}(z_{\rm 2}) \frac {{\rm exp } \left [ - {\rm ln}^2 (z_{\rm 2}) /({2 \cdot C^2 \cdot \sigma_{\rm S}^2}) \right ]}{ \sqrt{2 \pi }\cdot C \cdot \sigma_{\rm S} \cdot z_2}  \hspace{0.05cm}.</math>
+
The graphic illustrates the transformation.&nbsp; You can see
 +
*the Gaussian PDF of&nbsp; $V_2$&nbsp; (blue curve) with scatter&nbsp; $\sigma_{\rm S} = 6 \ \rm dB$,
 +
*the negative logarithmic characteristic curve (green curve), and
 +
*the asymmetric PDF (red curve) of&nbsp; $z_2(t)$&nbsp; to be multiplied.  
  
[[File:P ID2102 Mob T 1 1 S6c v3.png|Zusammenhang zwischen Gauß (<i>V</i><sub>2</sub>) und Lognormal (<i>z</i><sub>2</sub>)]]<br>
 
  
Die Grafik verdeutlicht diese Transformation. Man erkennt die Gauß&ndash;WDF von <i>V</i><sub>2</sub> (blau) mit Streuung <i>&sigma;</i><sub>S</sub> = 6 dB, die negativ&ndash;logarithmische Kennlinie (grün) und die unsymmetrische WDF (rot) der zu multiplizierenden Größe <i>z</i><sub>2</sub>(<i>t</i>). Wir verweisen hierzu auch auf die Aufgabe Z1.2.
+
We refer here to the&nbsp; [[Aufgaben:Exercise 1.2Z: Lognormal Fading Revisited|"Exercise 1.2Z"]].
 +
<br clear = all>
  
== Voraussetzungen für das restliche Kapitel 1 ==
+
== Requirements for the following chapters ==
 
<br>
 
<br>
Die mittlere Leistung aller am Empfänger ankommenden Signalanteile können mit Hilfe von Pfadverlust&ndash; und Abschattungsmodell berechnet werden. Das Lognormal&ndash;Abschattungsmodell berücksichtigt langsame Änderungen der Reflektoren aufgrund der Topologie, wobei sich die Empfangsbedingungen in Städten nur alle fünf bis zehn Meter ändern und auf dem Land nur alle 30 bis 100 Meter. Im Folgenden wird der Pfadverlust und der Einfluss von Abschattungen nicht weiter betrachtet, sondern auf 1 normiert.<br>
+
The average power of all signal components arriving at the receiver can be calculated using path loss and shading models.
 +
*The lognormal shadowing model takes into account slow changes of the reflectors due to the topology, with reception conditions changing only every five to ten meters in cities and every 30 to 100 meters in rural areas.
 +
*In the following, the path loss and the influence of shadowing is not considered further, but normalized  on&nbsp; $1$.<br>
 +
 
 +
 
 +
Paths can overlap constructively or destructively. The associated changes occur locally in the range of half the wavelength.&nbsp; In mobile radio, a few centimeters are enough to find completely different reception conditions.&nbsp; One speaks of &nbsp; &raquo;'''Fast Fading'''&laquo;.&nbsp; Such a channel is basically frequency&ndash;dependent and time&ndash;dependent.
 +
 
 +
[[File:P ID2100 Mob T 1 1 S7 v1.png|right|frame|Signals&nbsp; $s(t)$&nbsp; and&nbsp; $r(t)$&nbsp; for the description of the mobile radio channel in band-pass range (red) and in the equivalent low-pass range (blue); for the sketch&nbsp; $&varphi;(t)\equiv 0$ ]]
 +
 
 +
For the rest of this first main chapter, frequency dependence is eliminated by assuming a single fixed frequency (see graph).  
 +
 
 +
The following conditions therefore apply with immediate effect:
 +
 
 +
*The input signal of the mobile radio channel is a cosine oscillation with the amplitude&nbsp; $A = 1$&nbsp; and the frequency&nbsp; $f_{\rm T}$.&nbsp; We refer to this harmonic oscillation as the&nbsp; "transmitted signal"&nbsp; $s_{\rm BP}(t)$.&nbsp; This band-pass signal is shown in red in the upper graphic.<br>
  
Pfade können sich konstruktiv oder destruktiv überlagern. Die damit zusammenhängenden Änderungen ergeben sich örtlich im Bereich der halben Wellenlänge. Beim Mobilfunk genügen dabei schon einige wenige Zentimeter, um völlig andere Empfangsbedingungen vorzufinden. Man spricht von Fast Fading. Ein solcher Kanal ist grundsätzlich frequenz&ndash; und zeitabhängig.
+
*The output signal&nbsp; $r_{\rm BP}(t)$&nbsp; of the mobile radio channel &ndash; in the following called&nbsp; "received signal"&nbsp; &ndash; may differ from&nbsp; $s_{\rm BP}(t)$&nbsp; both in amplitude&nbsp; (envelope)&nbsp; and in phase &nbsp; &rArr; &nbsp; lower graph, red.<br>
  
Für den Rest von Kapitel 1 wird die Frequenzabhängigkeit dadurch eliminiert, dass wir von einer einzigen festen Frequenz ausgehen. Es gelten somit ab sofort folgende Voraussetzungen:
+
*Furthermore, we mostly look at the mobile radio channel in the&nbsp; [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function#Motivation_for_describing_in_the_equivalent_low-pass_range| $\text{equivalent low-pass range}$]].&nbsp; (German:&nbsp; Tiefpass,&nbsp; $\rm TP$).&nbsp; The&nbsp; "transmitted signal"&nbsp; is then&nbsp; $s_{\rm TP}(t) = 1$&nbsp; and thus real &nbsp; &rArr; &nbsp; blue horizontal in the upper graphic.<br>
*Das Eingangssignal des Mobilfunkkanals sei eine Cosinusschwingung mit der Amplitude <i>A</i> = 1 und der Frequenz <i>f</i><sub>T</sub>. Wir bezeichnen diese Schwingung als <i>Sendesignal</i>  <i>s</i><sub>BP</sub>(<i>t</i>).<br>
 
  
*Das Ausgangssignal <i>r</i><sub>BP</sub>(<i>t</i>) des Mobilfunkkanals &ndash; im Folgenden <i>Empfangssignal</i> genannt &ndash; unterscheidet sich von <i>s</i><sub>BP</sub>(<i>t</i>) sowohl in der Amplitude (Hüllkurve) als auch in der Phase.<br>
+
*The low-pass output signal&nbsp; $r_{\rm TP}(t)$&nbsp; is generally complex, where the envelope is given by&nbsp; $a(t)$&nbsp; and the phase&nbsp; $\phi(t)$&nbsp; is noticeable by shifts in the zero crossings &nbsp; &rArr; &nbsp; blue envelope in the lower graph.<br><br>
  
*Wir betrachten des Weiteren den Mobilfunkkanal stets im [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/%C3%84quivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugeh%C3%B6rige_Spektralfunktion#Motivation äquivalenten Tiefpassbereich.] Das Sendesignal ist dann <i>s</i><sub>TP</sub>(<i>t</i>) = 1 und somit reell.<br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp; For the&nbsp; &raquo;'''physical signal at the output of the mobile radio channel'''&laquo;&nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;'''band-pass received  signal'''&laquo;&nbsp; always applies in the following:
  
*Das TP&ndash;Ausgangssignal <i>r</i><sub>TP</sub>(<i>t</i>) ist im Allgemeinen komplexwertig, wobei die Hüllkurve durch <i>a</i>(<i>t</i>) gegeben ist und sich die Phase <i>&#981;</i>(<i>t</i>) durch Verschiebungen der Nulldurchgänge bemerkbar macht.<br><br>
+
::<math>r_{\rm BP}(t) = a(t) \cdot \cos \big [2\pi f_{\rm T} t + \phi(t)\big ]\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} a(t) = \vert r_{\rm BP}(t)\vert\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}  \phi(t) = {\rm arc}\hspace{0.15cm} r_{\rm BP}(t)\hspace{0.05cm}.</math>}}
  
Allgemein gilt dann für das physikalische (Bandpass&ndash;)Signal am Ausgang des Mobilfunkkanals:
 
  
:<math>r_{\rm BP}(t) = a(t) \cdot \cos(2\pi f_{\rm T} t + \phi(t))
 
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} a(t) = |r_{\rm BP}(t)|\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}  \phi(t) = {\rm arc}\hspace{0.15cm} r_{\rm BP}(t)\hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Die Grafik zeigt Beispiele solcher Bandpass&ndash;Signale und deren Tiefpass&ndash;Repräsentanten, wobei vereinfachend der Fall <i>&#981;</i>(<i>t</i>) = 0 und damit ein reelles TP&ndash;Empfangssignal dargestellt ist.<br>
 
  
[[File:P ID2100 Mob T 1 1 S7 v1.png|Signale <i>s</i>(<i>t</i>) und <i>r</i>(<i>t</i>) zur Beschreibung des Mobilfunkkanals ]]<br>
 
  
==Aufgaben==
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==Exercises for the chapter ==
 
<br>
 
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[[Aufgaben:1.1 Dual-Slope–Verlustmodell|A1.1 Dual-Slope–Verlustmodell]]
+
[[Aufgaben:Exercise_1.1:_Dual_Slope_Loss_Model]]
  
[[Zusatzaufgaben:1.1 Einfaches Pfadverlustmodell]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.1Z: Simple Path Loss Model]]
  
[[Aufgaben:1.2 Lognormal – Kanalmodell|A1.2 Lognormal – Kanalmodell]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.2: Lognormal Channel Model]]
  
[[Zusatzaufgaben:1.2 Nochmals Lognormal–Fading]]
+
[[Aufgaben:Exercise 1.2Z: Lognormal Fading Revisited]]
  
==Quellenverzeichnis==
+
==References==
  
 
<references/>
 
<references/>

Latest revision as of 15:23, 29 January 2023

# OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER #


The first main chapter deals with time-variant transmission channels,  a property that is of great importance for mobile communication.  The description is given throughout in the equivalent low-pass range.

The chapter deals in detail with the following topics:

  1. The  »distance-dependent attenuation of a radio signal«   and various  »path loss models«,
  2. the influence of  »shadowing«,  which can be modeled through  »Lognormal fading«,
  3. the non-frequency selective  »Rayleigh fading«   for channels without  »line of sight«  $\rm (LoS)$,
  4. the consideration of the  »Doppler effect«   by the so-called  »Jakes spectrum«,
  5. the non-frequency selective  »Rice fading«   for channels with direct path  $($"line of sight$)$.




Physical description of the mobile communication channel


Example for a mobile radio scenario

The figure shows a typical mobile radio scenario with a fixed base station and a mobile subscriber moving towards the base station at the speed  $v$ .

In this representation, the radio signal reaches the mobile station via a direct path.

However, the antenna of the mobile subscriber also receives other signal components that reach the receiver in a detour, for example

  • due to reflections on houses,
  • a mountain range,
  • a plane,
  • the ionosphere,
  • the ground.


This scenario can be used to explain important problems in mobile communications:

  • »Path Loss«:   This measures the attenuation of the electromagnetic wave, which depends to a large extent on the distance between transmitter and receiver.
  • »Shadowing«:   This describes a slow change in reception conditions due to the changing environment, for example when you pass a building or when you leave a wooded area.
  • »Multipath Propagation«:   If the signal reaches the receiver on several paths with differences in propagation time, constructive or destructive superimpositions up to complete extinction occur, depending on the signal frequency.   For certain frequencies the topology is favorable, for others unfavorable.  Therefore this effect is also called Frequency Selective Fading
  • »Time Variance«:   The effect is caused by the movement of the transmitter and/or the receiver, because there is a different channel at each time.  The transmission quality decreases rapidly if the direct path is shadowed by an obstacle.   The received signal is then composed only of the partial signals arriving on detours, which are attenuated compared to the direct path due to scattering from trees and bushes and possibly refraction and diffraction phenomena, and which add vectorially to the total signal.
  • »Doppler Effect«:   Depending on whether  (and also at what angle)  the mobile station is moving towards or away from the transmitter, (slight) frequency shifts occur and thus statistical links within the received signal, which cause  $\text{intersymbol interference}$ .

In this chapter we will take a closer look at path loss and shadowing effects.  The following chapters deal with time variance, also taking into account the Doppler effect.  The second main chapter describes multipath propagation, which results in echoes in mobile radio.


Free-space propagation


One speaks of  "free-space propagation"  when there is a line of sight between the transmitter and the receiver positioned at a distance  $d$  as in satellite communications or in space.  The radio waves propagate in  "empty space"  unhindered spherically around the transmitting antenna, but are attenuated with increasing distance due to the energy conservation law.

Geometrically you can imagine that the radius  $R$  of the sphere and thus also the spherical surface become larger and larger and at constant total energy the energy per unit area becomes proportional to  $1/R^2$  smaller and smaller.

We assume an unmodulated oscillation of the frequency  $f_{\rm S}$  or of the wavelength  $\lambda= c/f_{\rm S}$  where  $c = 3 \cdot 10^8\ \rm m/s$  indicates the speed of light , the signal power is  $P_{\rm S}$.

$\text{Harald Friis}$  gave an equation in 1944 for the received power  $P_{\rm E}(d)$  from the distance  $d$  (this equation, however, is only valid in a vacuum):

\[P_{\rm E}(d) = \frac{P_{\rm S} \cdot G_{\rm S} \cdot G_{\rm E} \cdot \lambda^2}{16 \cdot \pi^2 \cdot d^2 \cdot V_{\rm add}} = \frac{P_{\rm S} \cdot G_{\rm S} \cdot G_{\rm E} /V_{\rm add}}{K_{\rm FR}(d)} \hspace{0.05cm}.\]
  • $G_{\rm S}$  and  $G_{\rm E}$  indicate the antenna gains of transmitter and receiver, respectively.
  • $V_{\rm add} > 1$  summarizes all additional losses independent of the wave propagation, e.g. through the antennas's cable feeds.
  • The  »free-space attenuation«  $K_{\rm FR}(d)$  depends on the distance  $d$ :
\[K_{\rm FR}(d) = K_{\rm FR}(d_0) \cdot (d/d_0)^2 \hspace{0.2cm}{\rm with} \hspace{0.2cm} K_{\rm FR}(d_0) = ({4 \pi d_0}/{\lambda} )^2 \hspace{0.05cm}.\]

Usually the free-space attenuation is specified logarithmically with the pseudo unit "dB".  

Then the power loss due to free-space attenuation  $(V$  stands for "Verlust" (German)   ⇒   "loss" in dB$)$:

\[V_{\rm FR}(d) = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} K_{\rm FR}(d) = V_{\rm 0} + 20\,\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} V_{\rm 0} = V_{\rm FR}(d_0) = 20\,\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.2cm} ({4 \pi d_0}/{\lambda}) \hspace{0.05cm}.\]

It should be noted about this equation:

  • The equation only applies in the far field of the antenna  $(d > d_{\rm F})$.  Here  $d_{\rm F} = 2 D^2/\lambda$  the so-called  »Fraunhofer distance«.  For  $D$  the largest physical dimension of the transmitting antenna must be used.
  • The equation does not apply to  $d \to 0$.  This would result in the limit value  $K_{\rm FR} \to 0$, and it would result independently from  $P_{\rm S}$  always an infinite received power  $P_{\rm E}(d \to 0)$.
  • The free-space attenuation  $K_{\rm FR}(d)$  increases quadratically with increasing distance  $d$  and also quadratically with increasing signal frequency  $f_{\rm S}$, that is, with decreasing wavelength  $\lambda$.
  • For example, for  $\text{GSM 1800}$  $(f_{\rm S} = 1.8 \ \rm GHz$   ⇒   $\lambda \approx 17 \ \rm cm)$:  
$$K_{\rm FR}(d = 1\ \rm km) = 1.6 \cdot 10^9.$$
The receiver at a distance of one kilometer does not receive even one billionth of the transmitting power.

In the  "Exercise 1.1Z"  the above Friis equation is to be numerically evaluated and interpreted.   Usually, the free-space attenuation is set in relation to a suitable normalization distance  $d_0$   ⇒   $K_{\rm FR}(d/d_0)$, where   $d_0 = 1\ \rm m$  is often used.

Common path loss model


In contrast to satellite and radio relay links, in the case of land mobile radio in addition to free-space attenuation, other disturbing effects must be taken into account which also contribute to a reduction in received power, namely:

  • »Reflections«:   By superimposing the transmitted signal with a signal component reflected on the ground or on other large smooth surfaces, cancellations can occur which cause a decrease in the received power up to the fourth power of the distance  $d$  between transmitter and receiver.  For more information, see  [Zan05][1]  and  [PA95][2].
  • »Diffraction«:   This is when the signal is not reflected but deflected from its direction of propagation, for example at the edge of a building.  A physical explanation can be found again in  [Zan05][1].
  • »Dispersion«:   If the connection  transmitter – receiver  is interrupted by several objects with irregular surfaces  (for example trees or bushes)  the signal arrives at the receiver in the form of many scattered signals with slightly different propagation times.  The size of the obstacle determines whether it is to be interpreted as a reflecting or as a scattering object.

The effects mentioned here are responsible for the fact that mobile radio can be operated without direct line of sight  $\rm (LOS)$, and thus one of the bases for the economic success of mobile radio systems.  Negatively, these effects are caused by a lower received power, which must be taken into account by a larger exponent than  $\gamma = 2$ .  We then no longer speak of  "free-space attenuation",  but generally of  "path attenuation factor":

\[K_{\rm P}(d) = K_{\rm P}(d_0) \cdot (d/d_0)^\gamma \hspace{0.05cm}.\]

The corresponding dB–magnitude we call the  »path loss«   $(\rm lg$ is the logarithm to the base $10)$:

\[V_{\rm P}(d) = V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},\hspace{0.5cm} V_{\rm 0} = V_{\rm P}(d_0) = \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{4 \cdot \pi \cdot d_0}{\lambda}\hspace{0.05cm}. \]

From these equations it can be seen that the free-space attenuation  $V_{\rm FR}(d)$  is a special case of  $V_{\rm P}(d)$  with  $\gamma = 2$ .   In  [Zan05][1]  numerical values are given for the exponent  $\gamma$  which were determined as mean values over a large number of measurements.  Among other things

  • in clear view (satellite, radio relay):   $\gamma \approx 2$,
  • in an urban setting:   $\gamma = 2.7 \ \text{...} \ 3.5$,
  • in a shaded urban setting:   $\gamma = 3.0\ \text{...} \ 5.0$,
  • inside buildings without a line of sight:   $\gamma = 4.0 \ \text{...} \ 6.0$.

Other, more accurate path loss models


The relatively simple path loss model shown in the last section is well suited for macro cells, but requires high base station antennas.  It was used, for example, as a reference–scenario for the standardization of  $\text{Long Term Evolution}$  $\rm (LTE)$.

Of course, this very simple two–parameter model  $(V_0, \ \gamma)$  cannot reproduce all use cases with sufficient accuracy.  A large number of other models for power attenuation can be found in the literature, which are more precisely adapted to specific boundary conditions  (neighbourhood)  and also take different cell sizes into account.  Well-known are for example, see  [Gol06][3]:

Dual-slope path loss model

$\text{Example 1:}$  The Dual–slope model is often used for simulations of micro cells in urban areas.   The equation is the following, with the parameters   $d_0 = 1\ \rm m$  und  $d_{\rm BP}$  $($Breakpoint, for example  $d_{\rm BP} = 100\ \rm m)$:

\[V_{\rm P}(d) \hspace{-0.05cm} = \hspace{-0.05cm} V_{\rm 0} \hspace{-0.05cm}+\hspace{-0.05cm} \gamma_0 \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm} 10\,{\rm dB} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}{\rm lg} \hspace{0.01cm} \left ( {d}/{d_0} \right ) \hspace{-0.05cm}+ \hspace{-0.05cm}(\gamma_1 \hspace{-0.05cm}- \hspace{-0.05cm}\gamma_0) \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}10\,{\rm dB} \hspace{-0.05cm}\cdot\hspace{-0.05cm} {\rm lg} \hspace{0.01cm} \left (1+ {d}/{d_{\rm BP} } \right )\hspace{0.05cm}.\]

The graph shows this curve for  $V_{\rm 0} = 10 \ {\rm dB}$,  $\gamma_0 = 2$  und  $\gamma_1 = 4$  in the range from one meter to several kilometers  (thin grey curve).

To simplify matters, the asymptotic approximation shown in red in the graph is used

\[V_{\rm P}(d) = \left\{ \begin{array}{c} V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)\hspace{0.05cm},\\ V_{\rm BP} + \gamma_1 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_{\rm BP})\hspace{0.05cm}, \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} {\rm for} \hspace{0.15cm}d < d_{\rm BP}\hspace{0.05cm}, \\ {\rm for} \hspace{0.15cm} d \ge d_{\rm BP}\hspace{0.05cm} \\ \end{array}\]

  The value  $V_{\rm BP} = 50 \ {\rm dB}$  is derived from the equation for the first section at the border  $d = 100\ \rm m$  of the scope.

Note:   In the  "Excercise 1.1"  this model is still being examined in detail.


Additional loss due to shadowing


The disturbing influence of shadowing is explained with the help of a graphic, taken from the lecture manuscript   [Hin08][4]:

Path loss without and with consideration of shading
  • The previous path loss models only take into account the distance-dependent signal attenuation according to the left graph and disregard topological factors such as the influence of shading.
  • In land mobile radio, shadowing causes the signal level to vary even when moving at the same distance from the base station  (on an arc of a circle) .
  • This is shown in the right-hand graph, with darker areas indicating greater path loss.  The difference between the left and right images is due to shadowing.


The effects of shadowing can be summarized as follows:

  • For stationary transmitters and receivers, the shadowing is to be considered deterministic.  It causes the path loss due to the shadowing to change by a constant value  $V_{\rm S}$  (in dB):
\[V_{\rm P}(d) = V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)+ V_{\rm S}\hspace{0.05cm}. \]
  • If the receiver  (or the sender) moves, the shadowing–loss changes according to the coordinates and therefore also with time. This means:   $V_{\rm S}$   ⇒   $V_{\rm S}(x, y)$   and   $V_{\rm S}$   ⇒   $V_{\rm S}(t)$, respectively.


However, such channel changes are very slow due to shading.   Often the conditions remain the same for several seconds and one speaks here of  "Long Term Fading"  in contrast to fast fading like  $\text{Rayleigh fading}$  and  $\text{Rice fading}$.

Lognormal channel model


Lognormal PDF   ⇒   Shadowing loss

To account for the loss  $V_{\rm S}$  by shadowing, the system design must be based on statistical models that have emerged from empirical studies.

The best known is the  »lognormal« channel model, which uses a  $\text{Gaussian PDF}$  for the random variable  $V_{\rm S}$:

\[f_{V_{\rm S}}(V_{\rm S}) = \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S}} \cdot {\rm e }^{ - { (V_{\rm S}\hspace{0.05cm}- \hspace{0.05cm}m_{\rm S})^2}/(2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}\sigma_{\rm S}^2) } \hspace{0.05cm}.\]

The name  "lognormal"  results from the fact that the dB–magnitude  $V_{\rm S}$, which is derived from the linear power attenuation factor via the logarithm, is normally distributed (and thus Gaussian).

The lognormal channel model is determined by two parameters:

  • The mean value  $m_{\rm S} = {\rm E}\big [V_{\rm S}\big ]$  gives the mean shadowing–loss.  
  • For rural areas it is usually calculated with  $m_{\rm S} = 6 \ \rm dB$  and for urban areas it is assumed  $m_{\rm S} =14 \ \rm dB$ ... $20 \ \rm dB$.
  • Also the standard deviation  (or dispersion)   $\sigma_{\rm S}$  is different for rural areas  $(\approx 6 \ \rm dB)$  and for urban conditions  $($between  $8 \ \rm dB$  and  $12 \ \rm dB)$ .

Note that  $V_{\rm S}$  can also take negative values when using lognormal fading   (red area in the above graphic), which actually contradicts the idea of shading.  In practice, however, this model has proven to be very good.

The  "gain by shading"  could be interpreted as follows:

  • In urban canyons, reflections from buildings can cause more energy to arrive than would be expected after losing the path.
  • The path loss exponent  $\gamma$  is always fixed, for example  $\gamma = 3.76$  in urban areas.   But there are positions in the city where  $\gamma$  is smaller.
  • Such a simple model cannot reproduce all the details exactly, so one should not try to interpret all the model properties physically.

$\text{Conclusion:}$  It is useful to summarize the path loss portions in the following way:

\[V_{\rm P} = V_{\rm 1} + V_{\rm 2}(t) \hspace{0.25cm}{\rm with}\hspace{0.25cm} V_{\rm 1} = V_{\rm 0} + \gamma \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (d/d_0)+ m_{\rm S}\hspace{0.05cm}.\]

The second term  $V_{\rm 2}(t)$  now describes a lognormal PDF with mean value zero:

\[f_{V_2}(V_2) = \frac {1}{ \sqrt{2 \pi }\cdot \sigma_{\rm S} } \cdot {\rm e }^{ - V_2 ^2/(2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} \sigma_{\rm S}^2) }\hspace{0.05cm}.\]

The distance dependency of  $V_1$  does not play a major role and will not be further discussed here.


Time domain model for lognormal fading


Path loss model with lognormal fading

The figure shows a time domain model, with the help of which the path loss  $V_{\rm P}$  can be simulated according to the above equation.  Please note:

  • The input signal  $s(t)$  possess the power  $P_{\rm S}$.  In logarithmic representation, the power is related to  $1\ \rm mW$  and the pseudo unit  "dBm"  is added.
  • The path loss  $V_1$  is generated by multiplication with  $k_1$.  The output signal  $r'(t)$  then has a power that is smaller by  $V_1$  (in dB) :
\[k_1 = 10^{-V_{\rm 1}/20} \hspace{0.1cm} \Rightarrow \hspace{0.1cm} 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm E}\hspace{0.05cm}' }{\rm 1\,mW}= 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm S} }{\rm 1\,mW} + 20 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} k_1 = 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \frac{P_{\rm S} }{\rm 1\,mW} - V_1 \hspace{0.05cm}.\]
Relation between Gaussian random variable  $(V_2)$  and lognormal random variable  $(z_2)$
  • The  (mean value-free)  lognormal fading is simulated by multiplication with the random variable  $z_2(t)$.
  • The PDF results from the Gaussian random quantity  $V_2$  by a  $\text{nonlinear transformation}$  at the characteristic curve 
$$z_2 = g(V_2) = 10^{-V_{\rm 2}/20}.$$
  • For  $z_2< 0$  this PDF is zero, and for  $z_2\ge 0$  applies with the abbreviation  $C = \rm ln(10)/20 dB$:
$$f_{z_{\rm 2}}(z_{\rm 2}) = \frac {{\rm e^{- {\rm ln}^2 (z_{\rm 2}) /({2 \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm} C^2 \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \sigma_{\rm S}^2}) } } }{ \sqrt{2 \pi }\cdot C \cdot \sigma_{\rm S} \cdot z_2} \hspace{0.05cm}.$$

The graphic illustrates the transformation.  You can see

  • the Gaussian PDF of  $V_2$  (blue curve) with scatter  $\sigma_{\rm S} = 6 \ \rm dB$,
  • the negative logarithmic characteristic curve (green curve), and
  • the asymmetric PDF (red curve) of  $z_2(t)$  to be multiplied.


We refer here to the  "Exercise 1.2Z".

Requirements for the following chapters


The average power of all signal components arriving at the receiver can be calculated using path loss and shading models.

  • The lognormal shadowing model takes into account slow changes of the reflectors due to the topology, with reception conditions changing only every five to ten meters in cities and every 30 to 100 meters in rural areas.
  • In the following, the path loss and the influence of shadowing is not considered further, but normalized on  $1$.


Paths can overlap constructively or destructively. The associated changes occur locally in the range of half the wavelength.  In mobile radio, a few centimeters are enough to find completely different reception conditions.  One speaks of   »Fast Fading«.  Such a channel is basically frequency–dependent and time–dependent.

Signals  $s(t)$  and  $r(t)$  for the description of the mobile radio channel in band-pass range (red) and in the equivalent low-pass range (blue); for the sketch  $ϕ(t)\equiv 0$

For the rest of this first main chapter, frequency dependence is eliminated by assuming a single fixed frequency (see graph).

The following conditions therefore apply with immediate effect:

  • The input signal of the mobile radio channel is a cosine oscillation with the amplitude  $A = 1$  and the frequency  $f_{\rm T}$.  We refer to this harmonic oscillation as the  "transmitted signal"  $s_{\rm BP}(t)$.  This band-pass signal is shown in red in the upper graphic.
  • The output signal  $r_{\rm BP}(t)$  of the mobile radio channel – in the following called  "received signal"  – may differ from  $s_{\rm BP}(t)$  both in amplitude  (envelope)  and in phase   ⇒   lower graph, red.
  • Furthermore, we mostly look at the mobile radio channel in the  $\text{equivalent low-pass range}$.  (German:  Tiefpass,  $\rm TP$).  The  "transmitted signal"  is then  $s_{\rm TP}(t) = 1$  and thus real   ⇒   blue horizontal in the upper graphic.
  • The low-pass output signal  $r_{\rm TP}(t)$  is generally complex, where the envelope is given by  $a(t)$  and the phase  $\phi(t)$  is noticeable by shifts in the zero crossings   ⇒   blue envelope in the lower graph.

$\text{Conclusion:}$  For the  »physical signal at the output of the mobile radio channel«  ⇒   »band-pass received signal«  always applies in the following:

\[r_{\rm BP}(t) = a(t) \cdot \cos \big [2\pi f_{\rm T} t + \phi(t)\big ]\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} a(t) = \vert r_{\rm BP}(t)\vert\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \phi(t) = {\rm arc}\hspace{0.15cm} r_{\rm BP}(t)\hspace{0.05cm}.\]



Exercises for the chapter


Exercise 1.1: Dual Slope Loss Model

Exercise 1.1Z: Simple Path Loss Model

Exercise 1.2: Lognormal Channel Model

Exercise 1.2Z: Lognormal Fading Revisited

References

  1. 1.0 1.1 1.2 Zangl, J.:  Multi-Hop-Netze mit Kanalcodierung und Medium Access Controll (MAC).  Düsseldorf: VDI Verlag, Reihe 10, Nummer 761, 2005.
  2. Pahlavan, K.; Allen, L.:  Wireless Information Networks.  New York: John Wiley & Sons, Wiley Series in Telecommunications and Signal Processing, 1995.
  3. Goldsmith, A.:  Wireless Communications.  Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2006.
  4. Hindelang, T.:  Mobile Communications.  Lecture notes.  Institute for Communications Engineering. Munich: Technical University of Munich, 2008.