Aufgabe 1.1: Dual-Slope–Verlustmodell

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Zum Multiplexing beim GSM–Mobilfunksystem

Zur Simulation des Pfadverlustes in städtischer Umgebung verwendet man oft das asymptotische Dual–Slope–Modell, das im Diagramm als rote Kurve dargestellt ist. Dieses einfache Modell ist durch zwei lineare Abschnitte gekennzeichnet, die durch den sog. Breakpoint (BP) getrennt sind:

• Für d ≤ d_BP gilt mit dem Exponenten γ₀:

1. $V_{\rm P}(d) = V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} ({d}/{d_0})\hspace{0.05cm}.$

• Für d > d_BP ist der Pfadverlustexponent γ₁ anzusetzen, wobei γ₁ > γ₀ gilt:

1. $V_{\rm P}(d) = V_{\rm BP} + \gamma_1 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} ({d}/{d_{\rm BP}})\hspace{0.05cm}.$

In diesen Gleichungen bedeuten:

• $V_0$ ist der Pfadverlust (in dB) bei $d_0$ (Normierungsdistanz).
• $V_{\rm BP}$ ist der Pfadverlust (in dB) bei $d=d_{\rm BP}$ ("Breakpoint").

Die Grafik gilt für die Modellparameter

1. $d_0 = 1\,{\rm m}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}d_{\rm BP} = 100\,{\rm m}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm} V_0 = 10\,{\rm dB}\hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}\gamma_0 = 2 \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}\gamma_1 = 4 \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} V_{\rm BP} = 50\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$

In den Fragen wird dieser abschnittsweise definierte Verlauf mit Profil (A) bezeichnet. Als zweite Kurve ist das Profil (B) eingezeichnet, das durch folgende Gleichung gegeben ist:

1. $V_{\rm P}(d) = V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left ( {d}/{d_0} \right ) + (\gamma_1 - \gamma_0) \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left (1 + {d}/{d_{\rm BP}} \right )\hspace{0.05cm}.$

Mit diesem Dual–Slope–Modell ist der gesamte Distanzverlauf geschlossen beschreibbar, und die Empfangsleistung hängt von der Distanz d entsprechend der folgenden Gleichung ab:

1. $P_{\rm E}(d) = \frac{P_{\rm S} \cdot G_{\rm S} \cdot G_{\rm E} /V_{\rm zus}}{K_{\rm P}(d)} \hspace{0.05cm},\hspace{0.2cm}K_{\rm P}(d) = 10^{V_{\rm P}(d)/10} \hspace{0.05cm}.$

Hierbei sind alle Parameter absolut einzusetzen, also nicht logarithmisch in dB. Die Sendeleistung wird zu P_S = 5 W angenommen. Die weiteren Größen haben folgende Bedeutungen und Werte:

• 10 · lg G_S = 17 dB (Gewinn der Sendeantenne),
• 10 · lg G_E = –3 dB (Gewinn der Empfangsantenne – also eigentlich ein Verlust),
• 10 · lg V_zus = 4 dB (Verlust durch Zuführungen).

Hinweis: Die Aufgabe gehört zum Kapitel 1.1. Würde man das Profil (B) entsprechend

1. $V_{\rm P}(d) = V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.15cm} \left ( {d}/{d_0} \right ) + (\gamma_1 - \gamma_0) \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left ({d}/{d_{\rm BP}} \right )$

definieren, so wären Profil (A) und Profil (B) für d ≥ d_BP identisch. In diesem Fall würde jedoch im unteren Bereich (d < d_BP) das Profil (B) oberhalb von Profil (A) liegen, und somit deutlich zu gute Verhältnisse suggerieren. Beispielsweise ergäbe sich für d = d₀ = 1 m bei den zugrundeliegenden Zahlenwerten ein um 40 dB zu gutes Ergebnis:

1. $V_{\rm P}(d) \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} V_{\rm 0} + \gamma_0 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left ( {d}/{d_0} \right ) + (\gamma_1 - \gamma_0) \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left ({d}/{d_{\rm BP}} \right ) =\\ \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 10\,{\rm dB} + 2 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left ({1}/{100} \right ) = -30\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}. $

Fragebogen

1

Wie groß ist der Pfadverlust (in dB) in 100 m Entfernung nach Profil (A)?

$(A):   V_P(d = 100 m) \ = \ $ $\ \rm dB$

2

Wie groß ist der Pfadverlust (in dB) in 100 m Entfernung nach Profil (B)?

$(A):   V_P(d = 100 m) \ = \ $ $\ \rm dB$

3

Welche Empfangsleistung ergibt sich nach 100 m mit beiden Profilen?

$(A):   P_E(d = 100 m) \ = \ $ $\ \rm mW$

$(A):   P_E(d = 100 m) \ = \ $ $\ \rm mW$

4

Wie groß ist die Abweichung zwischen Profil (A) und (B) bei d = 50 m?

$ΔVP(d = 50 m) \ = \ $ $\ \rm dB$

5

Wie groß ist die Abweichung zwischen Profil (A) und (B) bei d = 200 m?

$ΔVP(d = 200 m) \ = \ $ $\ \rm dB$

Musterlösung

Musterlösung

(1) Man erkennt direkt aus der Grafik, dass das Profil (A) mit den beiden linearen Abschnitten beim „Breakpoint” (d = 100 m) das folgende Ergebnis liefert:

$$V_{\rm P}(d = 100\,{\rm m})\hspace{0.15cm} \underline{= 50\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$

(2) Mit dem Profil (B) erhält man dagegen bei Verwendung von V₀ = 10 dB, γ₀ = 2 und γ₁ = 4: $$V_{\rm P}(d = 100\,{\rm m}) = 10\,{\rm dB} + 20\,{\rm dB}\cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(100)+ 20\,{\rm dB}\cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm}(2) \hspace{0.15cm} \underline{\approx 56\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$

(3) Die Antennengewinne vom Sender (+17 dB) und Empfänger (–3 dB) sowie die internen Verluste der Basisstation (+4 dB) können zusammengefasst werden zu

$$10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} G \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} G_{\rm S} + 10 \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} G_{\rm E} - 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm} V_{\rm zus} =\\ \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 17\,{\rm dB} -3\,{\rm dB} - 4\,{\rm dB} = 10\,{\rm dB} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} {G = 10} \hspace{0.05cm}.$$

Für das Profil (A) ergab sich folgender Pfadverlust: $$V_{\rm P}(d = 100\,{\rm m})\hspace{0.05cm} {= 50\,{\rm dB}} \hspace{0.3cm} \Rightarrow \hspace{0.3cm} K_{\rm P} = 10^5 \hspace{0.05cm}.$$

Damit erhält man für die Empfangsleistung nach 100 Metern: $$P_{\rm E}(d = 100\,{\rm m}) = \frac{P_{\rm S} \cdot G}{K_{\rm P}} = \frac{5\,{\rm W} \cdot 10}{10^5}\hspace{0.15cm} \underline{= 0.5\,{\rm mW}} \hspace{0.05cm}.$$

Bei Profil (B) ist die Empfangsleistung etwa um den Faktor 4 kleiner: $$P_{\rm E}(d = 100\,{\rm m}) = \frac{5\,{\rm W} \cdot 10}{10^{5.6}}\approx \frac{5\,{\rm W} \cdot 10}{4 \cdot 10^{5}}\hspace{0.15cm} \underline{= 0.125\,{\rm mW}} \hspace{0.05cm}.$$

(4) Unterhalb des Breakpoints (d < 100 m) ist die Abweichung durch den letzten Summand von Profil (B) bestimmt: $${\rm \Delta}V_{\rm P}(d = 50\,{\rm m}) \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} (\gamma_1 - \gamma_0) \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} \left (1 + {d}/{d_{\rm BP}} \right )=\\ \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} (4-2) \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (1.5)\hspace{0.15cm} \underline{\approx 3.5\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$

(5) Hier liefert das Profil (A) mit V_BP = 50 dB: $$V_{\rm P}(d = 200\,{\rm m}) = 50\,{\rm dB} + 4 \cdot 10\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (2)\hspace{0.15cm} {\approx 62\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$

Dagegen führt das Profil (B) zum Ergebnis: $$V_{\rm P}(d = 200\,{\rm m}) \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 50\,{\rm dB} + 20\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (200) + 20\,{\rm dB} \cdot {\rm lg} \hspace{0.1cm} (3) = \\ \hspace{-0.1cm} = \hspace{-0.1cm} 10\,{\rm dB} + 46\,{\rm dB} + 9.5\,{\rm dB} \hspace{0.15cm} {\approx 65.5\,{\rm dB}}$$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} {\rm \Delta}V_{\rm P}(d = 200\,{\rm m}) = 65.5\,{\rm dB} - 62\,{\rm dB}\hspace{0.15cm} \underline{\approx 3.5\,{\rm dB}} \hspace{0.05cm}.$$

Man erkennt, dass ΔV_P nahezu symmetrisch zu d = d_BP ist, wenn man die Entfernung d wie in der angegebenen Grafik logarithmisch aufträgt.