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 (1) ==
+
== 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
*Sender und Empfänger sind ruhend. Dann ist sowohl die Kanal&ndash;Übertragungsfunktion als auch die Impulsantwort zeitunabhängig. Für alle Zeiten <i>t</i> gilt <i>H</i>(<i>f</i>, <i>t</i>) = <i>H</i>(<i>f</i>) und <i>h</i>(<i>&tau;</i>, <i>t</i>) = <i>h</i>(<i>&tau;</i>).<br>
+
[[File:EN_Mob_T_2_2_S1.png|right|frame|Time&ndash;invariant consideration of the two-way channel|class=fit]]
 +
*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>
  
*Ein Zweiwegekanal: Das Sendesignal <i>s</i>(<i>t</i>) erreicht den Empfänger auf direktem Pfad mit der Weglänge <i>d</i><sub>1</sub> und es gibt ein Echo aufgrund des reflektierenden Erdbodens (Distanz <i>d</i><sub>2</sub>).
+
*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; $d_2)$.
  
:[[File:P ID2146 Mob T 2 2 S1 v1.png|Zeitinvariante Betrachtung des Zweiwegekanals|class=fit]]<br>
 
  
Somit gilt für das Empfangssignal:
+
Thus, the following applies to the received signal:
  
:<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 <i>r</i><sub>1</sub>(<i>t</i>) ist gegenüber dem Sendesignal <i>s</i>(<i>t</i>) um den Faktor <i>k</i><sub>1</sub> gedämpft und um die Laufzeit <i>&tau;</i><sub>1</sub> verzögert.<br>
 
  
*Der Dämpfungsfaktor <i>k</i><sub>1</sub> wird mit dem [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Distanzabh%C3%A4ngige_D%C3%A4mpfung_und_Abschattung#Gebr.C3.A4uchliches_Pfadverlustmodell Pfadverlustmodell] berechnet. <i>k</i><sub>1</sub>  ist um so kleiner und der Verlust um so größer, je größer die Sendefrequenz <i>f</i><sub>S</sub>, die Distanz <i>d</i><sub>1</sub> und der Exponent <i>&gamma;</i> 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 <i>&tau;</i><sub>1</sub> = <i>d</i><sub>1</sub>/<i>c</i> nimmt proportional mit der Wegelänge <i>d</i><sub>1</sub> zu. Beispielsweise ergibt sich für die Distanz <i>d</i><sub>1</sub> = 3 km und der Lichtgeschwindigkeit <i>c</i> = 3 &middot; 10<sup>8</sup> m/s die Verzögerung <i>&tau;</i><sub>1</sub> = 10 &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 (<i>d</i><sub>2</sub> > <i>d</i><sub>1</sub>) weist der zweite Pfad  eine größere Dämpfung auf &nbsp;&#8658;&nbsp; |<i>k</i><sub>2</sub>| <  |<i>k</i><sub>1</sub>| und dementsprechend auch eine größere Laufzeit <i>&tau;</i><sub>2</sub> > <i>&tau;</i><sub>1</sub>.<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&deg;) führt. Damit wird der Faktor <i>k</i><sub>2</sub> negativ.<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!)'''.
  
Die Beschreibung wird auf der nächsten Seite fortgesetzt. Das negative Vorzeichen von <i>k</i><sub>2</sub> wird dabei außer Acht gelassen.<br>
 
  
<b>Hinweis:</b> Die hier behandelte Thematik wird in folgendem Interaktionsmodul behandelt:<br>
+
== Simple time&ndash;invariant model of the two-way channel==
 
+
<br>
[[Auswirkungen von Mehrwegeempfang Please add link and do not upload flash videos.]]<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;
  
== Zeitinvariante Beschreibung des Zweiwegekanals (2) ==
 
<br>
 
Für die Frequenzselektivität haben Pfadverlust (gekennzeichnet durch <i>k</i><sub>1</sub>) und Grundlaufzeit <i>&tau;</i><sub>1</sub> keine Bedeutung. Entscheidend sind hier Pfaddverlustunterschiede und Laufzeitdifferenzen. Wir beschreiben nun den Zweiwegekanal mit den neuen Kenngrößen <i>k</i><sub>0</sub> = |<i>k</i><sub>2</sub>| / |<i>k</i><sub>1</sub>| und <i>&tau;</i><sub>0</sub> = <i>&tau;</i><sub>2</sub> &ndash; <i>&tau;</i><sub>1</sub> wie folgt:
 
  
[[File:P ID2147 Mob T 2 2 S1b v2.png|Ersatzmodell für den Zweiwegekanal|rechts|rahmenlos]]
+
are irrelevant. The only decisive factors here are path loss differences and runtime differences.
  
:<math>r(t) = r_1(t) + k_0 \cdot r_1( t - \tau_0) </math>
+
We will now describe the two-way channel with the new parameters&nbsp;
 +
:$$k_0 = |k_2 /k_1 |,\hspace{0.5cm} \tau_0 = \tau_2 - \tau_1.$$
  
<math> \hspace{0.5cm}{\rm mit} \hspace{0.5cm} r_1(t) = k_1 \cdot s( t - \tau_1)\hspace{0.05cm}.</math>
+
This results in:
 +
::<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>
  
Die Grafik veranschaulicht die Gleichung.<br>
+
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:
Mit der Vereinfachung <i>k</i><sub>1</sub> = 1, <i>&tau;</i><sub>1</sub> = 0 &nbsp;&#8658;&nbsp; <i>r</i><sub>1</sub>(<i>t</i>) = <i>s</i>(<i>t</i>) erhält man:
 
  
:<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 [http://en.lntwww.de/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 exp} [ - {\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 [http://en.lntwww.de/Signaldarstellung/Fouriertransformation_und_-r%C3%BCcktransformation#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>
  
{{Beispiel}}''':''' Wir betrachten einen Zweiwegekanal mit der konstanten Verzögerungszeit <i>&tau;</i><sub>0</sub> = 2 &mu;s und verschiedene Dämpfungsfaktoren <i>k</i><sub>0</sub> zwischen  0 und 1.<br>
+
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 1:}$&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|Betrag der Übertragungsfunktion eines Zweiwegekanals (<i>τ</i><sub>0</sub> = 10 μs)]]<br>
+
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 &plusmn;1000 kHz. Man erkennt aus dieser Darstellung:
+
*The transfer function&nbsp; $H(f)$&nbsp; and also its absolute value is periodic with&nbsp; $1/\tau_0 = 500 \ \rm kHz$.
*Die Übertragungsfunktion <i>H</i>(<i>f</i>) und auch deren Betrag ist periodisch mit 1/<i>&tau;</i><sub>0</sub> = 500 kHz. Diese Frequenzperiode ist hier gleichzeitig die sogenannte <i>Kohärenzbandbreite</i>.<br>
+
 +
*This frequency period here is also the&nbsp; [[Mobile_Communications/The GWSSUS channel model#Parameters of the GWSSUS model|$\text{coherence bandwidth}$]] .<br>
  
*Die Schwankungen um den Mittelwert |<i>H</i>(<i>f</i>)| = 1 sind um so stärker, je größer der (relative) Beitrag <i>k</i><sub>0</sub> des Nebenpfades (also das Echo) ist.{{end}}<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>
  
== Kohärenzbandbreite in Abhängigkeit von M ==
+
== Coherence bandwidth as a function of ''M'' ==
 
<br>
 
<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:
+
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.
 +
 
 +
[[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:
  
:<math>r(t) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m)  
+
:$$ r(t)= \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot s( t - \tau_m)$$
  \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} h(\tau) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot \delta( \tau - \tau_m)
+
   
  \hspace{0.05cm}.</math>
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} h(\tau) = \sum_{m = 1}^{M}\hspace{0.15cm} k_m \cdot \delta( \tau - \tau_m)
 +
  \hspace{0.05cm}.$$
  
Wir vergleichen nun den <i>Zweiwegekanal</i> (<i>M</i> = 2) mit den Parametern
+
We now compare
 +
*the&nbsp; "two-way channel"&nbsp; $(M = 2)$&nbsp; with the parameters
  
:<math>\tau_1 = 1\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
+
::<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 \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6</math>
+
  \tau_2 = 3\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 = 0.6</math>
  
und den folgenden <i>Dreiwegekanal</i> (<i>M</i> = 3):
+
*and the following&nbsp; "three-way channel"&nbsp; $(M = 3)$:
  
:<math>\tau_1 = 1\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
+
:$$\tau_1 = 1\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_1 = 0.8\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
  \tau_2 = 3\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 \approx 0.43\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm}
+
  \tau_2 = 3\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_2 \approx 0.43\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} \tau_3 = 9\,\,{\rm &micro; s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_3 \approx 0.43
\tau_3 = 9\,\,{\rm \mu s}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.2cm} k_3 \approx 0.43
+
  \hspace{0.05cm}.$$
  \hspace{0.05cm}.</math>
 
  
Bei den gewählten Konstanten weisen beide Kanäle den quadratischen Mittelwert E[<i>k<sub>m</sub></i><sup>2</sup>] = 1 auf.<br>
+
With the selected constants, both channels have the root mean square value&nbsp; ${\rm E}\big [k_m^2\big ] = 1$.
  
[[File:P ID2149 Mob T 2 2 S2a v1.png||<i>H</i>(<i>f</i>)| bei <i>M</i> = 2 (blau) und <i>M</i> = 3 (rot) |class=fit]]<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; $\Delta \tau_{\rm max} = 8 \ \rm &micro; s$.
  
Die Grafik zeigt die Betragsfunktionen |<i>H</i>(<i>f</i>)| beider Kanäle und die zugehörigen Impulsantworten <i>h</i>(<i>&tau;</i>). Man erkennt aus diesen Darstellungen:
+
*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;
*Beim blauen Kanal (<i>M</i> = 2) treten die Diracfunktionen in einem Bereich der Breite &Delta;<i>&tau;</i><sub>max</sub> = 2 &mu;s auf. Beim roten Kanal (<i>M</i> = 3) ist dieser Wert viermal so groß: &Delta;<i>&tau;</i><sub>max</sub> = 8 &mu;s.<br>
+
 +
*This simple approximation, marked with an apostrophe, results for the blue channel to&nbsp; $B_{\rm K}\hspace{0.01cm}'= 500 \ \rm kHz$.
  
*Als erste Näherung für die noch zu definierende Kohärenzbandbreite <i>B</i><sub>K</sub> verwendet man oft 1/&Delta;<i>&tau;</i><sub>max</sub>, die allerdings vom richtigen Wert um den Faktor 2 und mehr abweichen kann.<br>
+
* 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>
  
*Die durch das Hochkomma bezeichnete einfache Näherung ergibt sich beim blauen Kanal zu <i>B</i><sub>K</sub>' = 500 kHz, beim roten Kanal ist diese mit <i>B</i><sub>K</sub>' = 125 kHz um den Faktor 4 kleiner.<br>
 
  
*Allgemein gilt: Ist die Signalbandbreite <i>B</i><sub>S</sub> = 1/<i>T</i><sub>S</sub> sehr viel kleiner als <i>B</i><sub>K</sub>, so kann der Kanal für dieses System als <i>nichtfrequenzselektiv</i> betrachtet werden (<i>T</i><sub>S</sub>: Symboldauer).<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>}}
  
*Anders ausgedrückt: Bei gegebenem <i>B</i><sub>S</sub> spielt die Frequenzselektivität eine um so größere Rolle, je kleiner die Kohärenzbandbreite <i>B</i><sub>K</sub> bzw. je größer die maximale Verzögerung (&Delta;<i>&tau;</i><sub>max</sub>) ist.<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.
  
*Das bedeutet auch: Die Frequenzselektivität wird oft durch das längste Echo bestimmt. Viele kurze Echos mit der Gesamtenergie <i>E</i> sind weniger störend als ein langes Echo gleicher Energie <i>E</i>.<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]]
  
== Berücksichtigung der Zeitvarianz (1) ==
+
*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>
<br>
 
Bisher wurden die Dämpfungsfaktoren <i>k<sub>m</sub></i> als konstant angenommen. Für den Mobilfunk ist dieses Kanalmodell aber nur dann richtig, wenn sich Sender und Empfänger nicht bewegen. Für einen sich bewegenden Teilnehmer müssen diese konstanten Faktoren <i>k<sub>m</sub></i> durch die zeitvarianten Größen <i>z<sub>m</sub></i>(<i>t</i>) ersetzt werden, die jeweils auf Zufallsprozessen basieren. Es ist zu beachten:
 
*Die Beträge der komplexen Gewichtsfaktoren <i>z<sub>m</sub></i>(<i>t</i>) sind rayleighverteilt entsprechend Kapitel 1.2 oder &ndash; bei Sichtverbindung &ndash; riceverteilt, wie in Kapitel 1.4 beschrieben.<br>
 
  
*Die Bindungen innerhalb des Zufallsprozesses <i>z<sub>m</sub></i>(<i>t</i>) hängen über das [http://en.lntwww.de/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 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>
  
Die obere Grafik zeigt das allgemeingültige Modell für den Mobilfunkkanal. &bdquo;Allgemeingültig&rdquo; allerdings nur unter Vorbehalt, wie auf der nächsten Seite ausgeführt wird. Zum Verständnis des Bildes verweisen wir auf das [http://en.lntwww.de/Mobile_Kommunikation/Wahrscheinlichkeitsdichte_des_Rayleigh%E2%80%93Fadings#Allgemeine_Beschreibung_des_Mobilfunkkanals Kapitel 1.2.] Zu beachten ist: Die <i>M</i> Hauptpfade des Modells sind gekennzeichnet durch große Laufzeitunterschiede, während die komplexen Koeffizienten <i>z<sub>m</sub></i>(<i>t</i>) sich aus der Summe vieler Nebenpfade ergeben, deren Verzögerungszeiten näherungsweise gleich <i>&tau;<sub>m</sub></i> sind.<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|Mobilfunkkanalmodell unter Berücksichtigung von Zeitvarianz und Echos|class=fit]]<br>
+
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:
 +
*The&nbsp; $M$&nbsp; main paths are characterized by large propagation time differences.
 +
*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;.
 +
<br clear = all>
 +
{{GraueBox|TEXT= 
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; Studies have shown that in mobile communications no more than four or five main pathways are effective at the same time.
  
In der unteren Grafik ist beispielhaft eine 2D&ndash;Impulsantwort dargestellt, wobei <i>M</i> = 3 zeitvariante Pfade berücksichtigt sind. Das Bild zeigt <i>h</i>(<i>&tau;</i>, <i>t</i>) in Abhängigkeit der Verzögerungszeit <i>&tau;</i> zu einem festen Zeitpunkt <i>t</i>, in der rechten Grafik ist die Betrachtungsrichtung um 90&deg; gedreht. Aufgrund der farblichen Zuordnungen müsste die Darstellung verständlich sein.<br>
+
[[File:P ID2151 Mob T 2 2 S3b v1.png|right|frame|Two-dimensional impulse response with&nbsp; $M = 3$&nbsp; paths|class=fit]]
  
[[File:P ID2151 Mob T 2 2 S3b v1.png|2D–Impulsantwort mit <i>M</i> = 3 Pfaden|class=fit]]<br>
+
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.
  
Die Bildbeschreibung folgt auf der nächsten Seite.<br>
+
Two different views are shown:
 +
*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; $t$.
 +
*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>
  
== Berücksichtigung der Zeitvarianz (2) ==
 
<br>
 
Untersuchungen haben ergeben, dass im Mobilfunk gleichzeitig nicht mehr als vier oder fünf Hauptpfade wirksam sind. Die nachfolgende Grafik gilt für <i>M</i> = 3 Pfade mit zeitvariantem Verhalten, bei denen die Empfangsleistung mit größer werdender Verzögerung im statistischen Mittel abnimmt. Dargestellt sind wie auf der vorherigen Seite zwei verschiedene Ansichten. Das linke Bild zeigt <i>h</i>(<i>&tau;</i>, <i>t</i>) in Abhängigkeit der Verzögerungszeit <i>&tau;</i>, in der rechten Grafik ist die Betrachtungsrichtung um 90&deg; gedreht.<br>
 
  
[[File:P ID2152 Mob T 2 2 S3b v2.png|2D–Impulsantwort mit <i>M</i> = 3 Pfaden|class=fit]]<br>
+
{{BlaueBox|TEXT= 
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
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It is helpful to make a slight modification to the above model:
 +
[[File:P ID2153 Mob T 2 2 S2d v2.png|right|frame|General model of the mobile channel|class=fit]]
  
Für diese Grafik ist das [http://en.lntwww.de/index.php?title=Mobile_Kommunikation/Mehrwegeempfang_beim_Mobilfunk&action=submit#Ber.C3.BCcksichtigung_der_Zeitvarianz_.281.29 Mobilfunkkanalmodell der letzten Seite] zugrundegelegt. Man erkennt aus diesem Bild auch die Schwachstelle des Modells: Zwar sind die Koeffizienten <i>z<sub>m</sub></i>(<i>t</i>) variabel, aber die Verzögerungszeiten <i>&tau;<sub>m</sub></i> sind fest vorgegeben. Dies entspricht nicht der Realität, wenn die Funkverbindung aufgrund der sich bewegenden Mobilstation in einer sich ändernden Umgebung erfolgt.<br>
+
*One chooses the number&nbsp; $M'$&nbsp; of (possible) main paths much larger than necessary and sets&nbsp; $\tau_m = m \cdot \Delta \tau$.  
 +
*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>
 +
*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; $M' = B_{\rm S}/B_{\rm K}$.
  
[[File:P ID2153 Mob T 2 2 S2d v2.png|Allgemeingültiges Modell des Mobilfunkkanals|class=fit]]<br>
 
  
Man hilft sich, indem man das Modell der letzten Seite wie folgt modifiziert:
+
Here, too, usually no more than&nbsp; $M = 5$&nbsp; main paths simultaneously provide a relevant contribution to the impulse response.
*Man wählt die Anzahl <i>M</i>&nbsp;' der (möglichen) Hauptpfade sehr viel größer, als es erforderlich wäre, und setzt <i>&tau;<sub>m</sub></i> = <i>m</i> &middot; &Delta;<i>&tau;</i>. Die inkrementelle (minimal auflösbare) Verzögerung &Delta;<i>&tau;</i> = <i>T</i><sub>S</sub> ergibt sich aus der Abtastrate und damit der Bandbreite <i>B</i><sub>S</sub> = 1/<i>T</i><sub>S</sub> des Sendesignals.<br>
+
*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;.  
 +
*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>}}
  
*Die Maximalverzögerung <i>&tau;</i><sub>max</sub> = <i>M</i>&nbsp;' &middot; &Delta;<i>&tau;</i> dieses modifizierten Kanalmodells ergibt sich aus dem Kehrwert der Kohärenzbandbreite <i>B</i><sub>K</sub>. Damit ist die Anzahl der zu berücksichtigenden Pfade durch <nobr><i>M</i>&nbsp;' = <i>B</i><sub>S</sub>/<i>B</i><sub>K</sub></nobr> eindeutig festgelegt.<br><br>
+
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben: Exercise 2.2: Simple Two-Path Channel Model]]
  
Auch hier liefern meist nicht mehr als 5 Pfade gleichzeitig einen relevanten Beitrag zur Impulsantwort. Der Vorteil gegenüber dem [http://en.lntwww.de/index.php?title=Mobile_Kommunikation/Mehrwegeempfang_beim_Mobilfunk&action=submit#Ber.C3.BCcksichtigung_der_Zeitvarianz_.281.29 ersten Modell] ist, dass für die Verzögerungen nun alle Werte <i>&tau;<sub>m</sub></i> &#8804; <i>&tau;</i><sub>max</sub> mit einer zeitlichen Auflösung von &Delta;<i>&tau;</i> möglich sind.<br>
+
[[Aufgaben:Exercise 2.2Z: Real Two-Path Channel]]
  
Am Ende von Kapitel 2.3 werden wir nochmals auf dieses allgemeine Modell zurückkommen.<br>
+
[[Aufgaben:Exercise 2.3: Yet Another Multi-Path Channel]]
  
 +
[[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