Aufgaben:Aufgabe 3.7Z: Error Performance: Unterschied zwischen den Versionen

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{Welche der folgenden Aussagen treffen hinsichtlich der Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>f</i> zu?
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{Welche der folgenden Aussagen treffen hinsichtlich der Zufallsgr&ouml;&szlig;e $f$ zu?
 
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+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>f</i> ist binomialverteilt.
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+ Die Zufallsgr&ouml;&szlig;e $f$ ist binomialverteilt.
+ <i>f</i> kann durch eine Poissonverteilung angen&auml;hert werden.
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+ $f$ kann durch eine Poissonverteilung angen&auml;hert werden.
  
  
{Welcher Wert ergibt sich f&uuml;r den Mittelwert der Zufallsgr&ouml;&szlig;e <i>f</i>?
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{Wie groß ist die Streuung? Verwenden Sie geeignete N&auml;herungen.
 
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{Berechnen Sie Wahrscheinlichkeit, dass nicht mehr als 64 Bitfehler auftreten. Verwenden Sie hierzu die Gau&szlig;n&auml;herung.
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{Berechnen Sie Wahrscheinlichkeit, dass nicht mehr als $64$ Bitfehler auftreten. Verwenden Sie hierzu die Gau&szlig;n&auml;herung.
 
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{Wie gro&szlig; darf die Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_\text{B, max}$ höchstens sein, damit die Bedingung &bdquo;Nur in höchstens 0.2% der Einsekunden-Intervalle 64 (oder mehr) Bitfehler&rdquo; eingehalten werden kann? Es gilt ${\rm Q}(2.9) \approx 0.002$.
 
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$p_\text{B, max}\ = $ { 0.00069 3% }  
  
  

Version vom 13. März 2017, 17:00 Uhr

Auszug aus der CCITT-Empfehlung G.821: Error Performance

Jeder Betreiber von ISDN-Systemen muss gewisse Mindestanforderungen hinsichtlich der Bitfehlerquote (BER) einhalten, die zum Beispiel in der CCITT-Empfehlung G.821 unter dem Namen Error Performance spezifiziert sind.

Rechts sehen Sie einen Auszug aus dieser Empfehlung:

  • Diese besagt unter Anderem, dass – über eine ausreichend lange Zeit gemittelt – mindestens 99.8% aller Einsekunden-Intervalle eine Bitfehlerquote kleiner $10^{-3}$ (ein Promille) aufweisen müssen.
  • Bei einer Bitrate von 64 kbit/s entspricht dies der Bedingung, dass in einer Sekunde (und somit bei $N = 64\hspace{0.05cm}000$ übertragenen Symbolen) nicht mehr als 64 Bitfehler auftreten dürfen:
$$\rm Pr(\it f \le \rm 64) \ge \rm 0.998.$$


Hinweise:

  • Die Aufgabe gehört zum Kapitel Gaußverteilte Zufallsgröße.
  • Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
  • Gehen Sie für die ersten drei Teilaufgaben stets von der Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p = 10^{-3}$ aus. In der gesamten Aufgabe gelte zudem $N = 64\hspace{0.05cm}000$.
  • In der Aufgabe 3.7 wurde darauf hingewiesen, dass unter gewissen Bedingungen – die hier alle erfüllt sind – die Binomialverteilung durch eine Gaußverteilung mit gleichem Mittelwert und gleicher Streuung approximiert werden kann. Verwenden Sie diese Näherung bei der Teilaufgabe (4).


Fragebogen

1

Welche der folgenden Aussagen treffen hinsichtlich der Zufallsgröße $f$ zu?

Die Zufallsgröße $f$ ist binomialverteilt.
$f$ kann durch eine Poissonverteilung angenähert werden.

2

Welcher Wert ergibt sich für den Mittelwert der Zufallsgröße $f$?

$m_f \ = $

3

Wie groß ist die Streuung? Verwenden Sie geeignete Näherungen.

$\sigma_f \ = $

4

Berechnen Sie Wahrscheinlichkeit, dass nicht mehr als $64$ Bitfehler auftreten. Verwenden Sie hierzu die Gaußnäherung.

${\rm Pr}(f ≤ 64) \ = $

5

Wie groß darf die Bitfehlerwahrscheinlichkeit $p_\text{B, max}$ höchstens sein, damit die Bedingung „Nur in höchstens 0.2% der Einsekunden-Intervalle 64 (oder mehr) Bitfehler” eingehalten werden kann? Es gilt ${\rm Q}(2.9) \approx 0.002$.

$p_\text{B, max}\ = $


Musterlösung

1.  Beide Aussagen sind richtig. Bei f handelt es sich um den klassischen Fall einer binomialverteilten Zufallsgröße, nämlich der Summe über N Binärwerte (0 oder 1). Da das Produkt N · p = 64 und dadurch sehr viel größer als 1 ist, kann die Binomialverteilung mit guter Näherung durch eine Poissonverteilung mit der Rate λ = 64 angenähert werden.
2.  Der Mittelwert ergibt sich zu mf = N · p = 64 unabhängig davon, ob man von der Binomial- oder der Poissonverteilung ausgeht.
3.  Für die Streuung erhält man:
$$\it \sigma_f=\rm\sqrt{\rm 64000\cdot 10^{-3}\cdot 0.999}\hspace{0.15cm}\underline{\approx\sqrt{64}=8}.$$
Der Fehler durch Anwendung der Poisson– anstelle der Binomialverteilung ist kleiner als 0.0005.
4.  Bei einer Gaußschen Zufallsgröße f mit Mittelwert 64 ist die Wahrscheinlichkeit Pr(f ≤ 64) etwa 50%. Anmerkung: Bei einer kontinuierlichen Zufallsgröße wäre die Wahrscheinlichkeit exakt 0.5. Da f nur ganzzahlige Werte annehmen kann, ist sie hier geringfügig größer.
5.  Mit λ = N · p lautet die entsprechende Bedingung:
$$\rm Q\big (\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}} \big )\le \rm 0.002\hspace{0.5cm}\rm bzw.\hspace{0.5cm}\frac{\rm 64-\it \lambda}{\sqrt{\it \lambda}}>\rm 2.9.$$
Der Maximalwert von λ kann nach folgender Gleichung ermittelt werden:
$$\it \lambda+\rm 2.9\cdot\sqrt{\it\lambda}-\rm 64 = \rm 0.$$
Die Lösung dieser quadratischen Gleichung lautet:
$$\sqrt{\it \lambda}=\frac{\rm -2.9\pm\rm\sqrt{\rm 8.41+256}}{\rm 2}=\rm 6.68.$$
Daraus folgt direkt λ = 44.6 und pmax = 0.69 · 10 –3. Die zweite Lösung obiger Gleichung ist negativ und muss nicht weiter berücksichtigt werden.