Exercise 1.2Z: Lognormal Fading Revisited
We assume similar conditions as in Task 1. 2 but now we summarize the purely distance-dependent path loss V0 and the mean value mS of the lognormal–fading (the index „S” stands for Shadowing): V1=V0+mS.
The total path loss is then given by the equation VP=V1+V2(t)
where V2(t) describes a lognormal–distribution with mean value zero: fV2(V2)=1√2π⋅σS⋅exp[−V222⋅σ2S].
The path loss model shown in the graphic is suitable for the scenario described here:
- Multiply the transmitted signal s(t) first with a constant factor k1 and further with a stochastic quantity z2(t) with the probability density function (PDF) fz2(z2), then the signal r(t) results at the output, whose power PE(t) is of course also time-dependent due to the stochastic component.
- The PDF of the lognormally distributed random variable z2 is for z2≥0:
fz2(z2)=exp[−ln2(z2)/(2⋅C2⋅σ2S)]√2π⋅C⋅σS⋅z2withC=ln(10)20dB.
- For z2≤0 this PDF is equal to zero.
Notes:
- This task belongs to the chapter Distanzabhängige Dämpfung und Abschattung.
- Use the following parameters:
V1=60dB,σS=6dB.
- The probability that a mean-free Gaussian random variable z is greater than its standard deviation σ, is
Pr(z>σ)=Pr(z<−σ)=Q(1)≈0.158.
- Also, Pr(z>2σ)=Pr(z<−2σ)=Q(2)≈0.023.
- Again for clarification: z2 is the linear fading–size, while capital letters V2 denote logarithmic units.
- The following conversions apply:
z2=10−V2/20dB,V2=−20dB⋅lgz2.
Questionnaire
Sample solution
(2) Correct is only the second solution suggestion:
- For the Gaussian random variable V2 all values between –∞ and +∞ are (theoretically) possible.
- The transformation z2=10–V2/20 results in only positive values for the linear random variable z2, namely between 0 (if V2 is positive and reaches to infinity) and +∞ (very large negative values of V2).
'(3) The random value z2 can only be positive. Therefore the WDF–value fz2(z2=0)is=0_.
- Der WDF–Wert für den Abszissenwert z2=1 erhält man durch Einsetzen in die gegebene Gleichung:
- fz2(z2=1) = exp[−ln2(z2=1)/(2⋅C2⋅σ2S)]√2π⋅C⋅σS⋅(z2=1)=1√2π⋅σS⋅1C=1√2π⋅6dB⋅20dBln(10)≈0.578_.
- Der erste Anteil ist gleich dem WDF–Wert fV2(V2=0).
- C berücksichtigt den Betrag der Ableitung der nichtlinearen Kennlinie z2=g(V2) für V2=0 dB bzw. z2=1.
- Schließlich erhält man für z2=2:
- fz2(z2=2) = fz2(z2=1)z2=2⋅exp[−ln2(2)2⋅C2⋅σ2S]=0.5782⋅exp[−0.480.952]≈0.174_.
(4) Berücksichtigt man den Zusammenhang zwischen z2 und V2, so erhält man:
- Pr(z2>1) = Pr(V2<0dB)=0.5_,
- Pr(z2>0.5) = Pr(V2<6dB)=1−Pr(V2>6dB)=1−Pr(V2>σS)=1−Q(1)=0.842_,
- Pr(z2>4) = Pr(V2<−12dB)=Pr(V2>+12dB)=Pr(V2>2σS).
- Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Gaußvariable größer ist als 2⋅σ, ist aber gleich Q(2):
- Pr(z2>4)=Q(2)=0.023_.
(5) Richtig ist der Lösungsvorschlag 3:
- Die erste Aussage ist mit Sicherheit nicht zutreffend, da sich der Mittelwert mS auf die logarithmierte Empfangsleistung (in dBm) bezieht.
- Um zu klären, ob nun die zweite oder die dritte Lösungsalternative zutrifft, gehen wir von PS=1 W, V1=60 dB ⇒ P′E=1 µW und folgender V2–WDF aus:
- fV2(V2)=0.5⋅δ(V2)+0.25⋅δ(V2−10dB)+0.25⋅δ(V2+10dB).
- In der Hälfte der Zeit ist dann PE=1 µW, während in den beiden anderen Vierteln jeweils gilt:
- V2=+10dB:PE(t) = 1W107=0.1µW,
- V2=−10dB:PE(t) = 1W105=10µW.
- Der Mittelwert ergibt somit:
- E[PE(t)]=0.5⋅1µW+0.25⋅0.1µW+0.25⋅10µW=3.025µW>PE′=1µW.
- Diese einfache Rechnung mit diskreten Wahrscheinlichkeiten anstelle einer kontinuierlichen WDF deutet darauf hin, dass der Lösungsvorschlag 3 richtig sein wird.
- The WDF–value for the abscissa value z2=1 is obtained by inserting it into the given equation:
f_{z{\rm 2}}(z_{\rm 2} = 1) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} \frac {\rm exp } \left [ - {\rm ln}^2 (z_2 = 1) /({2 \cdot C^2 \cdot \sigma_{\rm S}^2}) \right ]}{ \sqrt{2 \pi }\cdot C \cdot \sigma_{\rm S} \cdot (z_2 = 1)}=\frac {1}{ \sqrt{2 \pi } \cdot \sigma_{\rm S} } \cdot \frac {1}{C } =
\frac {1}{ \sqrt{2 \pi } \cdot 6\,\,{\rm dB} } \cdot \frac {20\,\,{\rm dB}}}{ {\rm ln} \hspace{0.1cm}(10) }
\hspace{0.15cm} \underline{\approx 0.578}\hspace{0.05cm}.
- The first portion is equal to the WDF–value $f_{{{\it V}2}(V_2 = 0)$.
- C considers the amount of the derivative of the non-linear characteristic z2=g(V2) for V2=0 dB or z2=1.
- Finally, for z2=2:
$$f_{z{\rm 2}}(z_{\rm 2} = 2) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} \frac {f_{z{\rm 2}}}(z_{\rm 2} = 1)}{ z_{\rm 2} = 2} \cdot {\rm exp } \left [ - \frac {{{\rm ln}^2 (2)}{2 \cdot C^2 \cdot \sigma_{\rm S}^2} \right ]= \frac {0.578}{ 2} \cdot {\rm exp } \left [ - \frac {0.48}{0.952} \right ] \hspace{0.15cm} \underline{\approx 0.174}\hspace{0.05cm}. $$
(4) If you take into account the relationship between z2 and V2, you get
Pr(z2>1) = Pr(V2<0dB)=0.5_,
Pr(z2>0.5) = Pr(V2<6dB)=1−Pr(V2>6dB)=1−Pr(V2>σS)=1−Q(1)=0.842_,
Pr(z2>4) = Pr(V2<−12dB)=Pr(V2>+12dB)=Pr(V2>2σS).
- The probability that a Gaussian variable is greater than 2⋅σ, but equals Q(2):
Pr(z2>4)=Q(2)=0.023_.
(5) Correct is the solution 3:
- The first statement is certainly not correct, since the mean value mS refers to the logarithmic received power (in dBm).
- To clarify whether the second or the third solution alternative is correct, we assume PS=1 W, V1=60 dB ⇒ P′E=1 µW and the following V2–WDF
fV2(V2)=0.5⋅δ(V2)+0.25⋅δ(V2−10dB)+0.25⋅δ(V2+10dB).$∗Halfwaythroughthetime,$PE=1 µW$,whileintheothertwoquarters,eachisvalid:V_{\rm 2}= +10\,\,{\rm dB}\text{:} \hspace{0.3cm} P_{\rm E}(t) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} \frac{1\,\,{\rm W}}{10^7} = 0.1\,\,{\,}{\rm µ W}\hspace{0.05cm},V_{\rm 2}= -10\,\,{\,}{\rm dB}\text{:} \hspace{0.3cm} P_{\rm E}(t) \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} \frac{1\,\,{\rm W}}{10^5} = 10\,\,{\,}{\rm µ W}\hspace{0.05cm}.∗Themeanvaluethusgives:{\rm E}[P_{\rm E}(t)] = 0.5 \cdot 1\,{\rm µ W}+ 0.25 \cdot 0.1\,{\rm µ W}+ 0.25 \cdot 10\,{\rm µ W}= 3.025\,{\rm µ W} > P_{\rm E}\hspace{0.05cm}' = 1\,{\rm µ W}
\hspace{0.05cm}.$$
- This simple calculation with discrete probabilities instead of a continuous WDF indicates that the solution 3 will be correct.