Difference between revisions of "Mobile Communications/Multi-Path Reception in Mobile Communications"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Frequenzselektive Übertragungskanäle
+
|Untermenü=Frequency-Selective Transmission Channels  |Vorherige Seite=General Description of Time Variant Systems
|Vorherige Seite=Allgemeine Beschreibung zeitvarianter Systeme
+
|Nächste Seite=The GWSSUS Channel Model
|Nächste Seite=Das GWSSUS–Kanalmodell
 
 
}}
 
}}
  
== Zeitinvariante Beschreibung des Zweiwegekanals==
+
== Time-invariant description of the two-way channel==
 
<br>
 
<br>
Wir gehen von dem in der Grafik dargestellten Szenario aus. Dabei wird vorausgesetzt:
+
We assume the scenario shown in the graph.&nbsp; This assumes
[[File:P ID2146 Mob T 2 2 S1 v1.png|right|frame|Zeitinvariante Betrachtung des Zweiwegekanals|class=fit]]
+
[[File:EN_Mob_T_2_2_S1.png|right|frame|Time&ndash;invariant consideration of the two-way channel|class=fit]]
*Sender und Empfänger sind ruhend. Dann ist sowohl die Kanal&ndash;Übertragungsfunktion als auch die Impulsantwort zeitunabhängig. Für alle Zeiten $t$ gilt $H(f, \hspace{0.05cm}t) = H(f)$ und $h(\tau, \hspace{0.05cm}t) = h(\tau)$.<br>
+
*Transmitter and receiver are&nbsp; &raquo;'''at rest'''&laquo;:&nbsp; <br>Then both the channel transfer function and the impulse response are time&ndash;independent.&nbsp; For all times&nbsp; $t$&nbsp; applies&nbsp; $H(f, \hspace{0.05cm}t) = H(f)$&nbsp; and&nbsp; $h(\tau, \hspace{0.05cm}t) = h(\tau)$.<br>
  
 +
*A&nbsp; &raquo;'''two-way channel'''&laquo;: &nbsp; <br>The transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; reaches the receiver on a direct path with the path length&nbsp; $d_1$,&nbsp; and there is also an echo due to the reflective ground&nbsp; $($the total path length is&nbsp; $d_2)$.
  
*Ein Zweiwegekanal: Das Sendesignal $s(t)$ erreicht den Empfänger auf direktem Pfad mit der Weglänge $d_1$ und es gibt ein Echo aufgrund des reflektierenden Erdbodens (Distanz $d_2$).
 
  
 
+
Thus, the following applies to the received signal:
<i>Hinweis:</i> Die hier behandelte Thematik  ist Gegenstand des Applets [[Applets:Frequenzselektivitaet|Auswirkungen von Mehrwegeempfang ]].
 
 
 
 
 
Somit gilt für das Empfangssignal:
 
  
 
::<math>r(t) = r_1(t) + r_2(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1) + k_2 \cdot s( t - \tau_2)
 
::<math>r(t) = r_1(t) + r_2(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1) + k_2 \cdot s( t - \tau_2)
   \hspace{0.05cm},</math>
+
   \hspace{0.05cm}.</math>
 +
<br clear=all>
 +
The following statements should be noted:
 +
*Compared to the transmitted signal, the signal&nbsp; $r_1(t)$&nbsp; received via the direct path is attenuated by the factor&nbsp; $k_1$&nbsp; and delayed by &nbsp; $\tau_1$&nbsp;.
  
wobei die folgenden Aussagen zu beachten sind:
+
*The attenuation factor&nbsp; $k_1$&nbsp; is calculated with the&nbsp; [[Mobile_Communications/Distance dependent attenuation and shading#Common path loss model|$\text{path loss model}$]].&nbsp; The greater the transmission frequency&nbsp; $f_{\rm S}$,&nbsp; the distance&nbsp; $d_1$&nbsp; and the exponent&nbsp; $\gamma$&nbsp; are, the smaller is &nbsp; $k_1$&nbsp; and thus the greater is the loss.
*Das über den Direktpfad empfangene Signal $r_1(t)$ ist gegenüber dem Sendesignal $s(t)$ um den Faktor $k_1$ gedämpft und um die Laufzeit $\tau_1$ verzögert.<br>
 
  
*Der Dämpfungsfaktor $k_1$ wird mit dem [[Mobile_Kommunikation/Distanzabh%C3%A4ngige_D%C3%A4mpfung_und_Abschattung#Gebr.C3.A4uchliches_Pfadverlustmodell|Pfadverlustmodell]] berechnet. $k_1$ ist um so kleiner und somit der Verlust um so größer, je größer die Sendefrequenz $f_{\rm S}$, die Distanz $d_1$ und der Exponent $\gamma$ sind.<br>
+
*The delay&nbsp; $\tau_1 = d_1/c$&nbsp; increases proportionally with the path length&nbsp; $d_1$&nbsp;. &nbsp; For example, for the distance&nbsp; $d_1 = 3 \ \rm km$&nbsp; and the speed of light&nbsp; $c = 3 \cdot 10^8 \ \rm m/s$&nbsp; the delay will be&nbsp; $\tau_1 = 10 \ \rm &micro; s$.<br>
  
*Die Laufzeit $\tau_1 = d_1/c$ nimmt proportional mit der Wegelänge $d_1$ zu. Beispielsweise ergibt sich für die Distanz $d_1 =  3 \ \rm  km$ mit der Lichtgeschwindigkeit $c = 3 \cdot  10^8 \ \rm  m/s$ die Verzögerung $\tau_1 = 10 \ \rm  \mu s$.<br>
+
*Because of the larger path length&nbsp; $(d_2 > d_1)$&nbsp; the second path has a greater attenuation &nbsp; &#8658; &nbsp; smaller pre-factor &nbsp; &#8658; &nbsp; $(|k_2| < |k_1|)$&nbsp; and accordingly also a greater delay &nbsp; $(\tau_2 > \tau_1)$.<br>
  
*Wegen der größeren Weglänge $(d_2 > d_1)$ weist der zweite Pfad  eine größere Dämpfung auf &nbsp; &#8658; &nbsp; kleinerer Vorfaktor &nbsp; &#8658; &nbsp; $(|k_2| < |k_1|)$ und dementsprechend auch eine größere Laufzeit $(\tau_2 > \tau_1)$.<br>
+
*In addition, it must be taken into account that the reflection from buildings or the ground leads to a phase rotation of&nbsp; $\pi \ (180^\circ)$.&nbsp; This causes the factor&nbsp; $k_2$&nbsp; to become negative.&nbsp; In the following, however, the negative sign of&nbsp; $k_2$&nbsp; is ignored.<br><br>
  
*Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Reflexion an Gebäuden oder dem Erdboden zu einer Phasendrehung um $\pi \ (180^\circ)$ führt. Damit wird der Faktor $k_2$ negativ. Im Folgenden wird allerdings das negative Vorzeichen von $k_2$ außer Acht gelassen.<br><br>
+
<i>Note:</i> &nbsp; We refer here to the SWF applet&nbsp; [[Applets:Multipath propagation and frequency selectivity (Applet)|"Multipath propagation and frequency selectivity"]]&nbsp; '''(German language!)'''.
  
  
 +
== Simple time&ndash;invariant model of the two-way channel==
 +
<br>
 +
[[File:EN_Mob_T_2_2_S1b.png|right|frame|Simple model for the two-way channel]]
 +
For the frequency selectivity
 +
*the path loss&nbsp; $($marked by&nbsp; $k_1)$&nbsp; and
 +
*the basic term&nbsp; $\tau_1$&nbsp;
  
==Einfaches  zeitinvariantes Modell des Zweiwegekanals==
 
<br>
 
Für die Frequenzselektivität haben Pfadverlust (gekennzeichnet durch $k_1$) und Grundlaufzeit $\tau_1$ keine Bedeutung. Entscheidend sind hier Pfaddverlustunterschiede und Laufzeitdifferenzen.
 
  
[[File:P ID2147 Mob T 2 2 S1b v2.png|right|frame|Ersatzmodell für den Zweiwegekanal]]
+
are irrelevant. The only decisive factors here are path loss differences and runtime differences.
  
Wir beschreiben nun den Zweiwegekanal mit den neuen Kenngrößen $k_0 = |k_2 /k_1 |$ und $\tau_0 = \tau_2 - \tau_1$ wie folgt:
+
We will now describe the two-way channel with the new parameters&nbsp;
::<math>r(t) = r_1(t) + k_0 \cdot r_1( t - \tau_0)  \hspace{0.5cm}{\rm mit} \hspace{0.5cm} r_1(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1)\hspace{0.05cm}.</math>
+
:$$k_0 = |k_2 /k_1 |,\hspace{0.5cm} \tau_0 = \tau_2 - \tau_1.$$
  
Die Grafik veranschaulicht die Gleichung.
+
This results in:
<br>
+
::<math>r(t) = r_1(t) + k_0 \cdot r_1( t - \tau_0) \hspace{0.5cm}{\rm with} \hspace{0.5cm} r_1(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1)\hspace{0.05cm}.</math>
  
Mit den weiteren Vereinfachungen  $k_1 = 1$ und $\tau_1 = 0$ &nbsp; &#8658; &nbsp; $r_1(t) = s(t)$ erhält man:
+
The figure illustrates the equation.&nbsp; With the simplifications&nbsp; $k_1 = 1$&nbsp; and&nbsp; $\tau_1 = 0$&nbsp; &nbsp; &#8658; &nbsp; $r_1(t) = s(t)$&nbsp; we obtain:
  
 
::<math>r(t) = s(t) + k_0 \cdot s( t - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>r(t) = s(t) + k_0 \cdot s( t - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
  
Aus diesem vereinfachten Modell (ohne den grau hinterlegten Block in der Grafik) lassen sich wichtige Beschreibungsgrößen einfach berechnen:
+
From this simplified model&nbsp; (without the gray-shaded block)&nbsp; important descriptive variables can be easily calculated:
*Wendet man den [[Signaldarstellung/Gesetzm%C3%A4%C3%9Figkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz| Verschiebungssatz]] an, so kommt man zur Übertragungsfunktion
+
*If you use the&nbsp;  [[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Shifting_Theorem| $\text{Shifting Theorem}$]]&nbsp; you get the transfer function
  
::<math>H(f) = {R(f)}/{S(f)} = 1 + k_0 \cdot {\rm e}^{  - {\rm j} \cdot 2 \pi f \cdot \tau_0} \hspace{0.05cm}.</math>
+
::<math>H(f) = {R(f)}/{S(f)} = 1 + k_0 \cdot {\rm e}^{  - {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \tau_0} \hspace{0.05cm}.</math>
  
*Durch [[Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-rücktransformation#Das_zweite_Fourierintegral|Fourierrücktransformation]] erhält man dann die Impulsantwort
+
*Through the&nbsp; [[Signal_Representation/Fourier_Transform_and_its_Inverse#The_second_Fourier_integral|$\text{inverse Fourier transform}$]]&nbsp; one obtains the impulse response
  
 
::<math>h(\tau) =  1 + k_0 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
 
::<math>h(\tau) =  1 + k_0 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.</math>
  
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Wir betrachten einen Zweiwegekanal mit Verzögerungszeit $\tau_0 = 2 \ \rm \mu s$ und verschiedene Dämpfungsfaktoren $k_0$ zwischen  $0$ und $1$.<br>
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; We consider a two-way channel with delay &nbsp; $\tau_0 = 2 \ \ \rm &micro; s$&nbsp; and some attenuation factors&nbsp; $k_0$&nbsp; between&nbsp; $0$&nbsp; and&nbsp; $1$.<br>
 +
[[File:Mob_T_2_2_S1c_neu.png|right|frame|Absolute value of the transfer function of a two-way channel &nbsp; $(\tau_0 = 2 \ \rm &micro; s)$]]
  
[[File:P ID2148 Mob T 2 2 S1c v1.png|right|frame|Betrag der Übertragungsfunktion eines Zweiwegekanals (<i>τ</i><sub>0</sub> = 10 μs)]]
+
The graph shows the transfer function in terms of its absolute value in the range&nbsp; $\pm 1 \ \rm MHz$.&nbsp; You can see from this representation:
  
Die Grafik zeigt den Betrag der Übertragungsfunktion im Bereich zwischen $\pm 1000 \ \rm kHz$.
+
*The transfer function&nbsp; $H(f)$&nbsp; and also its absolute value is periodic with&nbsp; $1/\tau_0 = 500 \ \rm kHz$.
 
 
Man erkennt aus dieser Darstellung:
 
 
 
*Die Übertragungsfunktion $H(f)$ und auch deren Betrag ist periodisch mit $1/\tau_0 = 500 \ \rm kHz$.
 
 
   
 
   
 +
*This frequency period here is also the&nbsp; [[Mobile_Communications/The GWSSUS channel model#Parameters of the GWSSUS model|$\text{coherence bandwidth}$]] .<br>
  
*Diese Frequenzperiode ist hier gleichzeitig die sogenannte [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS–Kanalmodell#Kenngr.C3.B6.C3.9Fen_des_GWSSUS.E2.80.93Modells|Kohärenzbandbreite]] .<br>
+
*The fluctuations around the mean value&nbsp; $\vert H(f) \vert = 1$&nbsp; are the stronger, the larger the&nbsp; (relative)&nbsp; contribution&nbsp; $k_0$&nbsp; of the second path is&nbsp; (i.e. the echo).}}<br>
  
 +
== Coherence bandwidth as a function of ''M'' ==
 +
<br>
 +
We are now modifying the two-way model in such a way that we allow more than two paths, as is the case for mobile communications.
  
*Die Schwankungen um den Mittelwert $\vert H(f) \vert = 1$ sind um so stärker, je größer der (relative) Beitrag $k_0$ des Nebenpfades (also das Echo) ist.}}<br>
+
[[File:P ID2149 Mob T 2 2 S2a v1.png|right|frame|Frequency response at&nbsp; $M = 2$&nbsp; (blue) and&nbsp; $M = 3$&nbsp; (red) |class=fit]]
 +
In general, the multipath channel model is thus:
  
== Kohärenzbandbreite in Abhängigkeit von ''M'' ==
+
:$$ r(t)= \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m)$$
<br>
+
Wir modifizieren nun das Zweiwegemodell dahingehend, dass wir mehr als zwei Pfade zulassen, wie es auch für den Mobilfunk zutrifft. Allgemein lautet somit das Mehrwege&ndash;Kanalmodell:
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} h(\tau) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot \delta( \tau - \tau_m)
 +
\hspace{0.05cm}.$$
  
::<math>r(t) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m)
+
We now compare
\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} h(\tau) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot \delta( \tau - \tau_m)
+
*the&nbsp; "two-way channel"&nbsp; $(M = 2)$&nbsp; with the parameters
\hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Wir vergleichen nun den <i>Zweiwegekanal</i> $(M = 2)$ mit den Parametern
+
::<math>\tau_1 = 1\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 +
\tau_2 = 3\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6</math>
  
::<math>\tau_1 = 1\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
+
*and the following&nbsp; "three-way channel"&nbsp; $(M = 3)$:
\tau_2 = 3\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6</math>
 
  
und den folgenden <i>Dreiwegekanal</i> $(M = 3)$:
+
:$$\tau_1 = 1\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 +
\tau_2 = 3\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 \approx 0.43\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \tau_3 = 9\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_3 \approx 0.43
 +
\hspace{0.05cm}.$$
  
::<math>\tau_1 = 1\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
+
With the selected constants, both channels have the root mean square value&nbsp; ${\rm E}\big [k_m^2\big ] = 1$.
\tau_2 = 3\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 \approx 0.43\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
 
\tau_3 = 9\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_3 \approx 0.43
 
\hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Bei den gewählten Konstanten weisen beide Kanäle den quadratischen Mittelwert ${\rm E}[k_m^2] = 1$ auf.<br>
+
The graph shows the magnitude functions&nbsp; $ |H(f)|$&nbsp; of both channels and the corresponding impulse responses&nbsp; $h(\tau)$.&nbsp; One can see from these graphs:
 +
*In the blue channel&nbsp; $(M = 2)$&nbsp; the Dirac delta functions occur in a range of width&nbsp; $\Delta \tau_{\rm max} = 2 \ \rm &micro; s$. &nbsp;
 +
 +
*With the red channel&nbsp; $(M = 3)$&nbsp; this value is four times as large: &nbsp; $\Delta \tau_{\rm max} = 8 \ \rm &micro; s$.
  
[[File:P ID2149 Mob T 2 2 S2a v1.png|center|frame|Betragsfrequenzgang bei <i>M</i> = 2 (blau) und <i>M</i> = 3 (rot) |class=fit]]
+
*As a first approximation for&nbsp; [[Mobile_Communications/The GWSSUS channel model#Parameters of the GWSSUS model|$\text{coherence bandwidth}$]]&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'\approx 1/ \Delta \tau_{\rm max}$ is often used, which may differ from the correct value by a factor of&nbsp; $2$&nbsp; or more.&nbsp;
 +
 +
*This simple approximation, marked with an apostrophe, results for the blue channel to&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 500 \ \rm kHz$.
  
Die Grafik zeigt die Betragsfunktionen $ |H(f)|$ beider Kanäle und die zugehörigen Impulsantworten $h(\tau)$. Man erkennt aus diesen Darstellungen:
+
* For the red channel it is&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 125 \ \rm kHz$&nbsp; which is just one fourth of the blue channel's.<br>
*Beim blauen Kanal $(M = 2)$ treten die Diracfunktionen in einem Bereich der Breite $\Delta \tau_{\rm max} = 2 \ \rm \mu s$ auf. Beim roten Kanal $(M = 3)$ ist dieser Wert viermal so groß: &nbsp; $\Delta \tau_{\rm max} = 8 \ \rm \mu s$.<br>
 
  
*Als erste Näherung für die noch zu definierende [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS–Kanalmodell#Kenngr.C3.B6.C3.9Fen_des_GWSSUS.E2.80.93Modells|Kohärenzbandbreite]] $B_{\rm K}$ verwendet man oft $1/ \Delta \tau_{\rm max}$, die allerdings vom richtigen Wert um den Faktor $2$ und mehr abweichen kann.<br>
 
  
*Die durch das Hochkomma bezeichnete einfache Näherung ergibt sich beim blauen Kanal zu $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 500 \ \rm kHz$, beim roten Kanal ist diese mit  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 125 \ \rm kHz$ um den Faktor $4$ kleiner.<br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{In general the following applies:} $
 +
#&nbsp; If the signal bandwidth&nbsp; $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$&nbsp; is much smaller than the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$, then the channel can be considered as &raquo;<b>non-frequency selective</b>&laquo;&nbsp;&nbsp; &nbsp;<br>$(T_{\rm S}$&nbsp; denotes the symbol duration$)$.<br>
 +
#&nbsp; In other words: &nbsp; For a given&nbsp; $B_{\rm S}$&nbsp; the smaller the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$&nbsp; or the larger the maximum delay&nbsp; $\Delta \tau_{\rm max}$,&nbsp; the greater the frequency selectivity.
 +
#&nbsp; This also means: &nbsp; The frequency selectivity is often determined by the longest echo.
 +
#&nbsp; Many short echoes with a total energy&nbsp; $E$&nbsp; are less disturbing than one long echo of the same energy&nbsp; $E$.<br>}}
  
*Allgemein gilt: Ist die Signalbandbreite $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$  sehr viel kleiner als $B_{\rm K}$, so kann der Kanal für dieses System als <i>nichtfrequenzselektiv</i> betrachtet werden ($T_{\rm S}$ bezeichnet die Symboldauer).<br>
+
== Consideration of the time variance ==
 +
<br>
 +
Up to now the attenuation factors&nbsp; $k_m$&nbsp; were assumed to be constant.&nbsp; For mobile radio, however, this channel model is only correct if transmitter and receiver are static, which is merely a special case for this communication system.
  
*Anders ausgedrückt: Bei gegebenem $B_{\rm S}$ spielt die Frequenzselektivität eine um so größere Rolle, je kleiner die Kohärenzbandbreite $B_{\rm K}$ bzw. je größer die maximale Verzögerung $\Delta \tau_{\rm max}$ ist.<br>
+
For a moving user, these constant factors&nbsp; $k_m$&nbsp; must be replaced by the time-variant factors&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; which are each based on random processes. You should note this:
 +
[[File:P ID3104 Mob T 2 2 S2b v1.png|right|frame|Mobile channel model considering time variance and echoes|class=fit]]
  
*Das bedeutet auch: Die Frequenzselektivität wird oft durch das längste Echo bestimmt. Viele kurze Echos mit der Gesamtenergie $E$ sind weniger störend als ein langes Echo gleicher Energie $E$.<br>
+
*The magnitudes of the complex weighting factors&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; are Rayleigh distributed according to the section&nbsp; [[Mobile_Communications/Probability_Density_of_Rayleigh_Fading#Exemplary_signal_curves_with_Rayleigh_fading|"Exemplary signal curves with Rayleigh fading"]]&nbsp; or &ndash; with line-of-sight connection &ndash; Rice distributed, as described in&nbsp; [[Mobile_Communications/Non-Frequency_Selective_Fading_With_Direct_Component#Example_of_signal_behaviour_with_Rice_fading|"Exemplary signal curves with Rice fading"]]&nbsp;.<br>
  
== Berücksichtigung der Zeitvarianz ==
+
*The bindings within the process&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; are related to the mobility properties&nbsp; (speed, direction, etc.)&nbsp; to the&nbsp; [[Mobile_Communications/Statistical_Bindings_within_the_Rayleigh_Process#ACF_and_PSD_with_Rayleigh.E2.80.93Fading|$\text{Jakes Spectrum}$]]&nbsp;.<br><br>
<br>
 
Bisher wurden die Dämpfungsfaktoren $k_m$ als konstant angenommen. Für den Mobilfunk ist dieses Kanalmodell aber nur dann richtig, wenn sich Sender und Empfänger nicht bewegen, was für dieses Kommunikationssystem lediglich ein Sonderfall ist.
 
 
 
Für einen sich bewegenden Teilnehmer müssen diese konstanten Faktoren $k_m$ durch die zeitvarianten Größen $z_m(t)$ ersetzt werden, die jeweils auf Zufallsprozessen basieren. Es ist zu beachten:
 
*Die Beträge der komplexen Gewichtsfaktoren $z_m(t)$ sind rayleighverteilt entsprechend der Seite  [[Mobile_Kommunikation/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh–Fadings#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading|Signalverläufe bei Rayleigh&ndash;Fading]] oder &ndash; bei Sichtverbindung &ndash; riceverteilt, wie in [[Mobile_Kommunikation/Nichtfrequenzselektives_Fading_mit_Direktkomponente#Beispielhafte_Signalverl.C3.A4ufe_bei_Rice.E2.80.93Fading|Signalverläufe bei Rice&ndash;Fading]] beschrieben.<br>
 
  
*Die Bindungen innerhalb des Zufallsprozesses $z_m(t)$ hängen über das [[Mobile_Kommunikation/Statistische_Bindungen_innerhalb_des_Rayleigh%E2%80%93Prozesses#AKF_und_LDS_bei_Rayleigh.E2.80.93Fading |Jakes&ndash;Spektrum]] mit den Mobilitätseigenschaften (Geschwindigkeit, Fahrtrichtung, usw.) zusammen.<br><br>
+
The figure shows the generally valid model for the mobile communications channel.&nbsp; "Generally valid" but only with reservations, as explained at the end of&nbsp; $\text{Example 2}$.  
  
[[File:P ID3104 Mob T 2 2 S2b v1.png|right|frame|Mobilfunkkanalmodell unter Berücksichtigung von Zeitvarianz und Echos|class=fit]]
+
For an understanding of the figure we refer to the chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/Probability density of Rayleigh fading#A very general description of the mobile communication channel|"General description of the mobile communications channel"]]. Please note:  
Nebenstehende  Grafik zeigt das allgemeingültige Modell für den Mobilfunkkanal. &bdquo;Allgemeingültig&rdquo; allerdings nur unter Vorbehalt, wie am  Seitenende noch  ausgeführt wird. Zum Verständnis des Bildes verweisen wir auf das Kapitel [[Mobile_Kommunikation/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh%E2%80%93Fadings#Allgemeine_Beschreibung_des_Mobilfunkkanals|Allgemeine Beschreibung des Mobilfunkkanals]]. Zu beachten ist:  
+
*The&nbsp; $M$&nbsp; main paths are characterized by large propagation time differences.
*Die $M$ Hauptpfade des Modells sind durch große Laufzeitunterschiede  gekennzeichnet.
+
*The time-variant complex coefficients&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; result from the sum of many secondary paths whose delay times are all approximately the same&nbsp; $\tau_m$&nbsp;.
*Die zeitvarianten komplexen Koeffizienten $z_m(t)$ ergeben sich aus der Summe vieler Nebenpfade ergeben, deren Verzögerungszeiten näherungsweise gleich $\tau_m$ sind.
 
 
<br clear = all>
 
<br clear = all>
 
{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Untersuchungen haben ergeben, dass im Mobilfunk gleichzeitig nicht mehr als vier oder fünf Hauptpfade wirksam sind.
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; Studies have shown that in mobile communications no more than four or five main pathways are effective at the same time.
  
[[File:P ID2151 Mob T 2 2 S3b v1.png|right|frame|2D–Impulsantwort mit <i>M</i> = 3 Pfaden|class=fit]]
+
[[File:P ID2151 Mob T 2 2 S3b v1.png|right|frame|Two-dimensional impulse response with&nbsp; $M = 3$&nbsp; paths|class=fit]]
  
Die dargestelle 2D&ndash;Impulsantwort $h(\tau,\hspace{0.05cm} t)$ gilt für $M = 3$ Hauptpfade mit zeitvariantem Verhalten, bei denen die Empfangsleistung mit größer werdender Verzögerung im statistischen Mittel abnimmt. Für diese Grafik ist das oben skizzierrte Kanalmodell zugrundegelegt.  
+
The represented 2D&ndash;impulse response&nbsp; $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$&nbsp; applies to&nbsp; $M = 3$&nbsp; main paths with time-variant behavior, where the received power decreases with increasing delay in the statistical average.&nbsp; For this graph the above sketched channel model is used as a basis.  
  
Dargestellt sind zwei verschiedene Ansichten:
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Two different views are shown:
*Das linke Bild zeigt $h(\tau,\hspace{0.05cm} t)$ in Abhängigkeit der Verzögerungszeit $\tau$ zu einem festen Zeitpunkt $t$.  
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*The left image shows&nbsp; $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$&nbsp; as a function of the delay time&nbsp; $\tau$&nbsp; at a fixed time&nbsp; $t$.  
*Im  rechten Bild ist die Betrachtungsrichtung um $90^\circ$ gedreht. Aufgrund der farblichen Zuordnungen müsste die Darstellung verständlich sein.<br>
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*The viewing direction in the right image is rotated by&nbsp; $90^\circ$&nbsp;.&nbsp; By using the color coding, the representation should be understandable.<br>
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<br clear=all>
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This graphic also shows the weak point of our mobile communications channel model: &nbsp; Although the coefficients&nbsp; $z_m(t)$&nbsp; are variable, the delay times&nbsp; $\tau_m$&nbsp; are fixed. &nbsp; This does not correspond to reality, if the mobile station is moving and the connection takes place in a changing environment.&nbsp; &nbsp; $\tau_m(t)$&nbsp; should be considered.}}<br>
  
Man erkennt aus diesem Bild auch die Schwachstelle des Modells: Zwar sind die Koeffizienten $z_m(t)$ variabel, aber die Verzögerungszeiten $\tau_m$ sind fest vorgegeben. Dies entspricht nicht der Realität, wenn die Funkverbindung aufgrund der sich bewegenden Mobilstation in einer sich ändernden Umgebung erfolgt.}}<br>
 
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp; Man kann  sich helfen, indem man das oben angegebene Modell wie folgt modifiziert:
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$\text{Conclusion:}$&nbsp;
[[File:P ID2153 Mob T 2 2 S2d v2.png|right|frame|Allgemeingültiges Modell des Mobilfunkkanals|class=fit]]
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It is helpful to make a slight modification to the above model:  
*Man wählt die Anzahl $M'$ der (möglichen) Hauptpfade sehr viel größer, als es erforderlich wäre, und setzt $\tau_m = m \cdot \Delta \tau$.
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[[File:P ID2153 Mob T 2 2 S2d v2.png|right|frame|General model of the mobile channel|class=fit]]
*Die inkrementelle (minimal auflösbare) Verzögerung $\Delta \tau = T_{\rm S}$ ergibt sich aus der Abtastrate und damit der Bandbreite $B_{\rm S} = 1T_{\rm S}$ des Sendesignals.<br>
 
*Die Maximalverzögerung $\tau_\text{max} = M' \cdot \Delta \tau$ dieses Kanalmodells ergibt sich aus dem Kehrwert der Kohärenzbandbreite $B_{\rm K}$.
 
*Damit liegt die Anzahl der berücksichtigten Pfade durch $M' = B_{\rm S}/B_{\rm K}$ eindeutig fest.
 
 
 
 
 
  
Auch hier liefern meist nicht mehr als  $M = 5$ Hauptpfade gleichzeitig einen relevanten Beitrag zur Impulsantwort. Der Vorteil gegenüber dem ersten Modell ist, dass für die Verzögerungen nun alle Werte $\tau_m \le \tau_\text{max}$ mit einer zeitlichen Auflösung von $\Delta \tau$ möglich sind.}}<br>
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*One chooses the number&nbsp; $M'$&nbsp; of (possible) main paths much larger than necessary and sets&nbsp; $\tau_m = m \cdot \Delta \tau$.  
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*The incremental&nbsp; (minimum resolvable)&nbsp; delay&nbsp; $\Delta \tau = T_{\rm S}$&nbsp; results from the sampling rate and thus from the bandwidth&nbsp; $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$&nbsp; of the signal&nbsp; $s(t)$.<br>
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*The maximum delay time&nbsp; $\tau_\text{max} = M' \cdot \Delta \tau$&nbsp; of this model is equal to the inverse of the coherence bandwidth&nbsp; $B_{\rm K}$.&nbsp; The number of paths considered is thus&nbsp; $M' = B_{\rm S}/B_{\rm K}$.
  
  
Am  [[Mobile_Kommunikation/Das_GWSSUS%E2%80%93Kanalmodell#Simulation_gem.C3.A4.C3.9F_dem_GWSSUS.E2.80.93Modell|Ende des GWSSUS&ndash;Kapitels]] werden wir nochmals auf dieses allgemeine Modell zurückkommen.<br>
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Here, too, usually no more than&nbsp; $M = 5$&nbsp; main paths simultaneously provide a relevant contribution to the impulse response.
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*The advantage over the first model is that for the delays now all values&nbsp; $\tau_m \le \tau_\text{max}$&nbsp; are possible, with a temporal resolution of&nbsp; $\Delta \tau$&nbsp;.
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*At the end of next chapter&nbsp; [[Mobile_Communications/The GWSSUS channel model#Simulation according to the GWSSUS model|"The GWSSUS channel model"]]&nbsp; we will come back to this general model again.<br>}}
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
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[[Aufgaben:Aufgabe_2.2:_Einfaches_Zweiwege–Kanalmodell|Aufgabe 2.2: Einfaches Zweiwege–Modell]]
+
[[Aufgaben: Exercise 2.2: Simple Two-Path Channel Model]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.2Z:_Realer_Zweiwegekanal|Aufgabe 2.2Z: Realer Zweiwegekanal]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.2Z: Real Two-Path Channel]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.3:_Noch_ein_weiterer_Mehrwegekanal|Aufgabe 2.3: Noch ein weiterer Mehrwegekanal]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.3: Yet Another Multi-Path Channel]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.4:_2D-Übertragungsfunktion|Aufgabe 2.4: 2D-Übertragungsfunktion]]
+
[[Aufgaben:Exercise 2.4: 2D Transfer Function]]
  
  

Latest revision as of 15:44, 29 January 2023

Time-invariant description of the two-way channel


We assume the scenario shown in the graph.  This assumes

Time–invariant consideration of the two-way channel
  • Transmitter and receiver are  »at rest«: 
    Then both the channel transfer function and the impulse response are time–independent.  For all times  $t$  applies  $H(f, \hspace{0.05cm}t) = H(f)$  and  $h(\tau, \hspace{0.05cm}t) = h(\tau)$.
  • A  »two-way channel«:  
    The transmitted signal  $s(t)$  reaches the receiver on a direct path with the path length  $d_1$,  and there is also an echo due to the reflective ground  $($the total path length is  $d_2)$.


Thus, the following applies to the received signal:

\[r(t) = r_1(t) + r_2(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1) + k_2 \cdot s( t - \tau_2) \hspace{0.05cm}.\]


The following statements should be noted:

  • Compared to the transmitted signal, the signal  $r_1(t)$  received via the direct path is attenuated by the factor  $k_1$  and delayed by   $\tau_1$ .
  • The attenuation factor  $k_1$  is calculated with the  $\text{path loss model}$.  The greater the transmission frequency  $f_{\rm S}$,  the distance  $d_1$  and the exponent  $\gamma$  are, the smaller is   $k_1$  and thus the greater is the loss.
  • The delay  $\tau_1 = d_1/c$  increases proportionally with the path length  $d_1$ .   For example, for the distance  $d_1 = 3 \ \rm km$  and the speed of light  $c = 3 \cdot 10^8 \ \rm m/s$  the delay will be  $\tau_1 = 10 \ \rm µ s$.
  • Because of the larger path length  $(d_2 > d_1)$  the second path has a greater attenuation   ⇒   smaller pre-factor   ⇒   $(|k_2| < |k_1|)$  and accordingly also a greater delay   $(\tau_2 > \tau_1)$.
  • In addition, it must be taken into account that the reflection from buildings or the ground leads to a phase rotation of  $\pi \ (180^\circ)$.  This causes the factor  $k_2$  to become negative.  In the following, however, the negative sign of  $k_2$  is ignored.

Note:   We refer here to the SWF applet  "Multipath propagation and frequency selectivity"  (German language!).


Simple time–invariant model of the two-way channel


Simple model for the two-way channel

For the frequency selectivity

  • the path loss  $($marked by  $k_1)$  and
  • the basic term  $\tau_1$ 


are irrelevant. The only decisive factors here are path loss differences and runtime differences.

We will now describe the two-way channel with the new parameters 

$$k_0 = |k_2 /k_1 |,\hspace{0.5cm} \tau_0 = \tau_2 - \tau_1.$$

This results in:

\[r(t) = r_1(t) + k_0 \cdot r_1( t - \tau_0) \hspace{0.5cm}{\rm with} \hspace{0.5cm} r_1(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1)\hspace{0.05cm}.\]

The figure illustrates the equation.  With the simplifications  $k_1 = 1$  and  $\tau_1 = 0$    ⇒   $r_1(t) = s(t)$  we obtain:

\[r(t) = s(t) + k_0 \cdot s( t - \tau_0) \hspace{0.05cm}.\]

From this simplified model  (without the gray-shaded block)  important descriptive variables can be easily calculated:

\[H(f) = {R(f)}/{S(f)} = 1 + k_0 \cdot {\rm e}^{ - {\rm j} \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}2 \pi f \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \tau_0} \hspace{0.05cm}.\]
\[h(\tau) = 1 + k_0 \cdot \delta(\tau - \tau_0) \hspace{0.05cm}.\]

$\text{Example 1:}$  We consider a two-way channel with delay   $\tau_0 = 2 \ \ \rm µ s$  and some attenuation factors  $k_0$  between  $0$  and  $1$.

Absolute value of the transfer function of a two-way channel   $(\tau_0 = 2 \ \rm µ s)$

The graph shows the transfer function in terms of its absolute value in the range  $\pm 1 \ \rm MHz$.  You can see from this representation:

  • The transfer function  $H(f)$  and also its absolute value is periodic with  $1/\tau_0 = 500 \ \rm kHz$.
  • The fluctuations around the mean value  $\vert H(f) \vert = 1$  are the stronger, the larger the  (relative)  contribution  $k_0$  of the second path is  (i.e. the echo).


Coherence bandwidth as a function of M


We are now modifying the two-way model in such a way that we allow more than two paths, as is the case for mobile communications.

Frequency response at  $M = 2$  (blue) and  $M = 3$  (red)

In general, the multipath channel model is thus:

$$ r(t)= \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m)$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} h(\tau) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot \delta( \tau - \tau_m) \hspace{0.05cm}.$$

We now compare

  • the  "two-way channel"  $(M = 2)$  with the parameters
\[\tau_1 = 1\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \tau_2 = 3\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6\]
  • and the following  "three-way channel"  $(M = 3)$:
$$\tau_1 = 1\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \tau_2 = 3\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 \approx 0.43\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \tau_3 = 9\,\,{\rm µ s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_3 \approx 0.43 \hspace{0.05cm}.$$

With the selected constants, both channels have the root mean square value  ${\rm E}\big [k_m^2\big ] = 1$.

The graph shows the magnitude functions  $ |H(f)|$  of both channels and the corresponding impulse responses  $h(\tau)$.  One can see from these graphs:

  • In the blue channel  $(M = 2)$  the Dirac delta functions occur in a range of width  $\Delta \tau_{\rm max} = 2 \ \rm µ s$.  
  • With the red channel  $(M = 3)$  this value is four times as large:   $\Delta \tau_{\rm max} = 8 \ \rm µ s$.
  • As a first approximation for  $\text{coherence bandwidth}$  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'\approx 1/ \Delta \tau_{\rm max}$ is often used, which may differ from the correct value by a factor of  $2$  or more. 
  • This simple approximation, marked with an apostrophe, results for the blue channel to  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 500 \ \rm kHz$.
  • For the red channel it is  $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 125 \ \rm kHz$  which is just one fourth of the blue channel's.


$\text{In general the following applies:} $

  1.   If the signal bandwidth  $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$  is much smaller than the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$, then the channel can be considered as »non-frequency selective«    
    $(T_{\rm S}$  denotes the symbol duration$)$.
  2.   In other words:   For a given  $B_{\rm S}$  the smaller the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$  or the larger the maximum delay  $\Delta \tau_{\rm max}$,  the greater the frequency selectivity.
  3.   This also means:   The frequency selectivity is often determined by the longest echo.
  4.   Many short echoes with a total energy  $E$  are less disturbing than one long echo of the same energy  $E$.

Consideration of the time variance


Up to now the attenuation factors  $k_m$  were assumed to be constant.  For mobile radio, however, this channel model is only correct if transmitter and receiver are static, which is merely a special case for this communication system.

For a moving user, these constant factors  $k_m$  must be replaced by the time-variant factors  $z_m(t)$  which are each based on random processes. You should note this:

Mobile channel model considering time variance and echoes
  • The bindings within the process  $z_m(t)$  are related to the mobility properties  (speed, direction, etc.)  to the  $\text{Jakes Spectrum}$ .

The figure shows the generally valid model for the mobile communications channel.  "Generally valid" but only with reservations, as explained at the end of  $\text{Example 2}$.

For an understanding of the figure we refer to the chapter  "General description of the mobile communications channel". Please note:

  • The  $M$  main paths are characterized by large propagation time differences.
  • The time-variant complex coefficients  $z_m(t)$  result from the sum of many secondary paths whose delay times are all approximately the same  $\tau_m$ .


$\text{Example 2:}$  Studies have shown that in mobile communications no more than four or five main pathways are effective at the same time.

Two-dimensional impulse response with  $M = 3$  paths

The represented 2D–impulse response  $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$  applies to  $M = 3$  main paths with time-variant behavior, where the received power decreases with increasing delay in the statistical average.  For this graph the above sketched channel model is used as a basis.

Two different views are shown:

  • The left image shows  $h(\tau,\hspace{0.1cm} t)$  as a function of the delay time  $\tau$  at a fixed time  $t$.
  • The viewing direction in the right image is rotated by  $90^\circ$ .  By using the color coding, the representation should be understandable.


This graphic also shows the weak point of our mobile communications channel model:   Although the coefficients  $z_m(t)$  are variable, the delay times  $\tau_m$  are fixed.   This does not correspond to reality, if the mobile station is moving and the connection takes place in a changing environment.    $\tau_m(t)$  should be considered.



$\text{Conclusion:}$  It is helpful to make a slight modification to the above model:

General model of the mobile channel
  • One chooses the number  $M'$  of (possible) main paths much larger than necessary and sets  $\tau_m = m \cdot \Delta \tau$.
  • The incremental  (minimum resolvable)  delay  $\Delta \tau = T_{\rm S}$  results from the sampling rate and thus from the bandwidth  $B_{\rm S} = 1/T_{\rm S}$  of the signal  $s(t)$.
  • The maximum delay time  $\tau_\text{max} = M' \cdot \Delta \tau$  of this model is equal to the inverse of the coherence bandwidth  $B_{\rm K}$.  The number of paths considered is thus  $M' = B_{\rm S}/B_{\rm K}$.


Here, too, usually no more than  $M = 5$  main paths simultaneously provide a relevant contribution to the impulse response.

  • The advantage over the first model is that for the delays now all values  $\tau_m \le \tau_\text{max}$  are possible, with a temporal resolution of  $\Delta \tau$ .
  • At the end of next chapter  "The GWSSUS channel model"  we will come back to this general model again.

Exercises for the chapter


Exercise 2.2: Simple Two-Path Channel Model

Exercise 2.2Z: Real Two-Path Channel

Exercise 2.3: Yet Another Multi-Path Channel

Exercise 2.4: 2D Transfer Function