北郵通信工程場強(qiáng)儀實(shí)驗報告

1、北京郵電大學(xué)電磁場實(shí)驗校園內(nèi)無線信號場強(qiáng)特性研究實(shí)驗報告學(xué)院： 信息與通信工程學(xué)院 班級： 姓名： 學(xué)號： 班內(nèi)序號: 2016年5月20日目錄目錄1電磁場實(shí)驗2校園內(nèi)無線信號場強(qiáng)特性研究2一、實(shí)驗?zāi)康?二、實(shí)驗原理21.大尺度路徑損耗22.陰影衰落43.建筑物的穿透損耗的定義5三、實(shí)驗設(shè)備5四、實(shí)驗內(nèi)容6五、實(shí)驗步驟61.選擇測量地點(diǎn)和頻率62.測量63.數(shù)據(jù)錄入64.數(shù)據(jù)處理與分析6六、實(shí)驗結(jié)論16七、實(shí)驗心得體會161.楊浩田162.蔡天煒16附錄18電磁場實(shí)驗校園內(nèi)無線信號場強(qiáng)特性研究一、實(shí)驗?zāi)康?.掌握在移動環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確的測試方法；2.研究校園內(nèi)各種不同環(huán)境下陰影衰落

2、的分布規(guī)律；3.掌握在室內(nèi)環(huán)境下場強(qiáng)的正確測量方法，理解建筑物穿透損耗的概念；4.通過實(shí)地測量，分析建筑物穿透損耗隨頻率的變化關(guān)系；5.研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關(guān)系。二、實(shí)驗原理無線通信系統(tǒng)有發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、無線信道、接收機(jī)、接收天線所組成。對于接收者，只有處在發(fā)射信號的覆蓋區(qū)域內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接收信號，此時，電波場強(qiáng)大于等于接收機(jī)的靈敏度。因此，基站的覆蓋區(qū)的大小，是無限工程師所關(guān)心的。決定覆蓋區(qū)的大小的主要因素有：發(fā)射功率、饋線及接頭損耗、天線增益、天線架設(shè)高度、路徑損耗、衰落、接收機(jī)高度、人體效應(yīng)、接收機(jī)靈敏度、建筑物的穿透損耗、同波、同頻干擾。1.大尺度路徑損耗在移動通信

3、系統(tǒng)中，路徑損耗是影響通信質(zhì)量的一個重要因素。大尺度平均路徑損耗：用于測量發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間信號的平均衰落，即定義為有效發(fā)射功率和平均接受功率之間的（dB）差值，根據(jù)理論和測試的傳播模型，無論室內(nèi)或室外信道，平均接受信號功率隨距離對數(shù)衰減，這種模型已被廣泛的使用。對任意的傳播距離，大尺度平均路徑損耗表示為：（式1）即平均接收功率為：（式2）其中，定義n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度，d0為近地參考距離，d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。公式中的橫杠表示給定值d的所有可能路徑損耗的綜合平均。坐標(biāo)為對數(shù)對數(shù)時，平均路徑損耗或平均接收功率可以表示為斜率10ndB /10 倍程的直線。n依賴

4、于特定的傳播環(huán)境，例如在自由空間，n為2；當(dāng)有阻擋物時，n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它與接受點(diǎn)的電波傳播條件密切相關(guān)。為此，我們引進(jìn)路徑損耗中值的概念，中值是使實(shí)驗數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個數(shù)值（對于正態(tài)分布中值就是均值）。人們根據(jù)不同放入地形地貌條件，歸納總結(jié)出各種電波傳播模型。下邊介紹幾種常用的描述大尺度衰落的模型。常用的電波傳播模型：1）自由空間模型自由空間模型假定發(fā)射天線和接收臺都處在自由空間。我們所說的自由空間一是指真空，二是指發(fā)射天線與接收臺之間不存在任何可能影響電波傳播的物體，電波是以直射線的方式到達(dá)移動臺的。自由空間模型計算路徑損耗的公式是：其中

5、是以為單位的路徑損耗，d是以公里為單位的移動臺和基站之間的距離，f是以MHz為單位的移動工作頻點(diǎn)或工作頻段的頻率?？諝獾奶匦越茷檎婵眨虼水?dāng)發(fā)射天線和接收天線距離地面都比較高時，可以近似使用自由空間模型來估計路徑損耗。2）布靈頓模型布靈頓模型假設(shè)發(fā)射天線和移動臺之間是理想平面大地，并且兩者之間的距離d遠(yuǎn)大于發(fā)射天線的高度ht或移動臺的高度hr。該模型的路徑損耗公式為：單位： d（km） ht（m）hr（m）Lp（dB）系統(tǒng)設(shè)計時一般把接收機(jī)高度按典型值hr=1.5m處理，這時的路徑損耗計算公式為：按自由空間模型計算時，距離增加一倍時對應(yīng)的路徑損耗增加6dB，按布靈頓模型計算時，距離增加一倍時

6、對應(yīng)的路徑損耗要增加12dB。3）Egli模型前述的2個模型都是基于理論計算分析得出的計算公式。EgLi模型則是從大量實(shí)測結(jié)果中歸納出來的中值預(yù)測模型，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｆ渎窂綋p耗公式為：單位： d（km） ht（m） hr（m） f（MHz）G（dB） Lp（dB）其中G是地下修復(fù)因子，G反映了地形因素對路徑損耗的影響。EgLi模型認(rèn)為路徑損耗同接收點(diǎn)的地形起伏程度有關(guān)，地形起伏越大，則路徑損耗也越大。當(dāng)用米來測量時，可按下式近似的估計地形的影響：若將移動臺的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型則有：4）Hata-Okumura模型該模型也是依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)建立的模型，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。?dāng)hr=1

7、.5m時，按此模型計算的路徑損耗為：市區(qū)：開闊地：單位： d（km） ht（m）f（MHz）Lp（dB）一般情況下，開闊地的路徑損耗要比市區(qū)小。2.陰影衰落在無線信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物體對電波的遮擋。在測量過程中，不同測量位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率不同，這樣就會觀察到衰落現(xiàn)象，由于這種原因造成的衰落也叫“陰影衰落”或“陰影效應(yīng)”。在陰影衰落的情況下，移動臺被建筑物遮擋，它收到的信號是各種繞射、反射、散射波的合成。所以，在距基站距離相同的地方，由于陰影效應(yīng)的不同，它們收到的信號功率有可能相差很大，理論和測試表明，對任意的d值，特定位置的接收功率為隨機(jī)對數(shù)正

8、態(tài)分布即：其中，為均值為0的高斯分布隨機(jī)變量，單位為，標(biāo)準(zhǔn)差為，單位也是。對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同T-R距離時，不同的隨機(jī)陰影效應(yīng)。這樣利用高斯分布可以方便地分析陰影的隨機(jī)效應(yīng)。正態(tài)分布的概率密度函數(shù)是:應(yīng)用于陰影衰落時，上式的x表示某一次測量得到的接收功率，m表示以表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差，單位為。陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)差同地形、建筑物類型、建筑物密度有關(guān)，在市區(qū)的150MHz頻段其典型值是5.除了陰影衰落外，大氣變化也會導(dǎo)致慢衰落。比如一天中的白天、夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴時、下雨時，即使在同一地點(diǎn)上，也會觀察到路徑損耗的變化。但在測量的無線信道中，大氣

9、變化造成的影響要比陰影效應(yīng)小的多。下表列出了陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差，其中的是陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。表1 陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差（dB）頻率（MHZ）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形（米）城市郊區(qū)501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418213.建筑物的穿透損耗的定義建筑物的穿透損耗的大小對于研究室內(nèi)無線信道具有重要意義。穿透損耗也稱為大樓效應(yīng)，一般是指建筑物一樓內(nèi)的中值電場強(qiáng)度和室外附近街道上中值電場強(qiáng)度之差。發(fā)射機(jī)位于室外，接收機(jī)位于室內(nèi)，電波從室外進(jìn)入室內(nèi)，產(chǎn)生建筑物的穿透損耗，由于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室內(nèi)場強(qiáng)一定小于室外的場強(qiáng)，造成傳輸損耗。室外至

10、室內(nèi)建筑物的穿透損耗定義為：室外測量的信號平均場強(qiáng)減去在同一位置室內(nèi)測量的信號平均場強(qiáng)。用公式表示為：是穿透損耗，單位，是在室內(nèi)所測得每一點(diǎn)的功率，單位，共個點(diǎn)，是在室外所測得每一點(diǎn)的功率，單位，共個點(diǎn)。三、實(shí)驗設(shè)備DS1131場強(qiáng)儀、拉桿天線四、實(shí)驗內(nèi)容利用DS1131場強(qiáng)儀，實(shí)地測量信號場強(qiáng)。1.研究具體現(xiàn)實(shí)環(huán)境下陰影衰落分布規(guī)律，以及具體的分布參數(shù)如何。2.研究在校園內(nèi)電波傳播規(guī)律與現(xiàn)有模型的吻合程度，測試值與模型預(yù)測值的預(yù)測誤差如何。3.研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。五、實(shí)驗步驟1.選擇測量地點(diǎn)和頻率我們選擇了科研樓為測量地點(diǎn)，圍繞科研樓東西南北四個方向測得500個數(shù)據(jù)，主要是為了探究

11、高樓對無線信號的影響即陰影衰落。關(guān)于測量頻率我們選擇了頻道二，伴音64.252MHz。2.測量用場強(qiáng)儀DS1131測量科研樓周圍的開放無線信號。每隔半個波長記錄一個數(shù)據(jù)，每個地點(diǎn)保證50個以上的測量數(shù)據(jù)。3.數(shù)據(jù)錄入見附錄Excel表格。4.數(shù)據(jù)處理與分析實(shí)際測量中，由于測量路線較短，我們選擇繞科研樓測量兩圈，即科研樓每一側(cè)的數(shù)據(jù)都有兩組。我們選取其中一組繪制了功率的折線圖，來反映沿測量路線上功率的變化情況；將兩組數(shù)據(jù)整合后繪制了功率概率分布圖以及累計概率分布圖，來反映功率分布的統(tǒng)計特性。4.1科研樓北側(cè)（由西向東）從柱狀圖我們可以看出，數(shù)據(jù)整體還是比較符合正態(tài)分布的，均值在-59.15dbm

12、。不過均值不是特別滿意，這可能是因為我們的測量路線距離科研樓距離較進(jìn)，而科研樓各部分高度不一樣，導(dǎo)致陰影衰落的影響也不同，反映在測量數(shù)據(jù)上就使得數(shù)據(jù)的波動較大，這點(diǎn)在折線圖上也能看的出來。大部分?jǐn)?shù)據(jù)集中在-60-50dbm之間，信號強(qiáng)度一般，偶爾也會出現(xiàn)小于-70dbm的點(diǎn)。4.2科研樓東側(cè)（由北向南）可以看出，本組數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，除了-60dbm附近數(shù)值過多，其他均較好的擬合了正態(tài)分布。由均值和標(biāo)準(zhǔn)差也可以看出，數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定在-58.87dbm附近。科研樓東側(cè)由北向南樓的高度在降低，由折線圖可看出信號強(qiáng)度是逐漸變強(qiáng)的?？紤]到科研樓東側(cè)均為較高的家屬院樓，環(huán)境相對也比較穩(wěn)定，信號強(qiáng)度也就比較穩(wěn)定

13、。4.3科研樓南側(cè)（由東向西）科研樓南側(cè)的環(huán)境最為復(fù)雜，這條路北側(cè)是科研樓，南側(cè)是老食堂，都是兩座不規(guī)則的建筑。其中老食堂里面還有一個院子，最大值-43dbm便是在這個院子附近所得。觀察柱狀圖，整體符合正態(tài)分布，且數(shù)據(jù)大多集中在均值附近。4.4科研樓西側(cè)（由南向北）柱狀圖反映的情況并不是很好，我們認(rèn)為這是由于科研樓西側(cè)的環(huán)境變化較多引起的。結(jié)合折線圖，在開始的十個點(diǎn)，也就是科研樓西邊道路的南側(cè)，由于科研樓、老食堂、教工食堂的影響，信號強(qiáng)度較低。而在20個點(diǎn)附近，信號強(qiáng)度有所回升，此處為通向新食堂的岔路口。過了30個點(diǎn)之后，道路左側(cè)是鍋爐房，信號又相應(yīng)的下降了一些。整體趨勢與環(huán)境相符。而由于這條

14、路左側(cè)的建筑相對較低，所以均值也相對較高。4.5綜合分析移動臺與基站之間的距離6.4km測量頻率64.252MHz發(fā)射天線高度386.5m移動臺高度1.5m發(fā)射功率1kw查資料可知：信號發(fā)射塔位于學(xué)校西北部6.4km處。因此科研樓東北兩側(cè)主要受到科研樓的陰影衰落影響，也解釋了西側(cè)信號強(qiáng)度為什么要強(qiáng)于其他三側(cè)。經(jīng)過計算，數(shù)據(jù)更接近Hata-Okumura模型。基站發(fā)射功率為60dbm，接收信號均值為-58dbm，得到實(shí)際路徑損耗為118dB。Hata-Okumura模型計算得到路徑損耗為103.7dB，存在一定的誤差。六、實(shí)驗結(jié)論綜上分析可知，實(shí)際測得的數(shù)據(jù)基本理論分析。陰影衰落服從對數(shù)正態(tài)分布

15、規(guī)律?？蒲袠侵車捎诟邩呛蛷?fù)雜環(huán)境的影響，導(dǎo)致整體信號強(qiáng)度響度偏低，個別地方甚至低于-70dbm。在距離發(fā)射基站比較近的區(qū)域，信號強(qiáng)度略強(qiáng)于較遠(yuǎn)的地方。由近至遠(yuǎn)呈現(xiàn)出大尺度的衰落規(guī)律。同時，一些小的因素也會對信號強(qiáng)度造成影響，例如路邊的車輛、樹木等等。整體來看，實(shí)際情況基本符合理論分析結(jié)果，但由于實(shí)際情況更為復(fù)雜，會有一些小的差別。因此理論模型還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的修正。七、實(shí)驗心得體會1.xxx本次試驗，我主要負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)、MATLAB編程、分析數(shù)據(jù)以及撰寫部分實(shí)驗報告。讀數(shù)據(jù)的時候需要注意的事項挺多的：要保持天線的方位、高度盡可能不變，還要控制每兩個測量點(diǎn)之間的距離。在讀數(shù)過程中，電

16、平值會不停的變化，所以需要多觀察一會，得到一個相對穩(wěn)定的數(shù)值。同時，測量過程中，也需要注意周圍的環(huán)境、遮擋物的情況。數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel之后，就需要用MATLAB計算相關(guān)的參數(shù)，繪制圖表，以便之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。我通過MATLAB計算了數(shù)據(jù)的均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差，并繪制了功率折線圖、功率概率分布圖以及累計概率分布圖，來分別體現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢以及統(tǒng)計特性。之后對四個測量地點(diǎn)分別進(jìn)行了分析。本次實(shí)驗最大的收獲就是實(shí)際感受了我們生活中正在使用的信號，我們通過實(shí)地測量數(shù)據(jù)、以及分析，看到了不同的環(huán)境會對信號產(chǎn)生怎樣的影響，也觀察到了哪些情況下信號的質(zhì)量會相對較差，這也就是實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該避免的情況，如果無法

17、避免，就應(yīng)該通過一些手段去解決這個問題。實(shí)際中的環(huán)境千變?nèi)f化，但是數(shù)據(jù)依舊符合一定的統(tǒng)計規(guī)律，不禁讓我感到數(shù)學(xué)的神奇。為了完成這次實(shí)驗，自己也查了很多資料，對移動通信中的相應(yīng)知識也有了更深入的了解和認(rèn)識。2.xxx本次實(shí)驗，我主要負(fù)責(zé)記錄實(shí)驗數(shù)據(jù)、總結(jié)實(shí)驗結(jié)論和撰寫部分實(shí)驗報告。測量的過程的確有些枯燥，每走兩步記錄一個數(shù)據(jù)及周圍的情況，有時遇到突然異常的數(shù)據(jù)還要兩個人停下來分析一下可能的原因，在這個過程中我也更加深刻的理解了陰影衰落。實(shí)際中電磁波的測量研究大多是基于統(tǒng)計和概率的研究，這點(diǎn)在本次實(shí)驗中得到了很好的體現(xiàn)。這次測量就是一種多點(diǎn)多次測量，磁場強(qiáng)度分布的得到是一種統(tǒng)計結(jié)論，陰影衰落的計算

18、也是統(tǒng)計計量值。這些值和分布雖然具有波動，但依舊服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，這為實(shí)際的應(yīng)用提供了可能。例如，可以依據(jù)陰影衰落，在不同位置對信號進(jìn)行補(bǔ)償，對接收機(jī)的靈敏度進(jìn)行調(diào)整等等。數(shù)據(jù)的可視化為實(shí)驗結(jié)論的得到帶來了方便，分布擬合為了解磁場統(tǒng)計特性提供了方法。在以后的學(xué)習(xí)中，我要繼續(xù)加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化方面的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，為將來的工作和科研夯實(shí)基礎(chǔ)。附錄MATLAB代碼function Atmp1=xlsread('E:data.xlsx','A3:A62');%讀入數(shù)據(jù)figure(1);subplot(1,2,1);histfit(tmp);axis(30,80,0,40);grid on;title('功率概率分布圖');xlabel('功率值(-dBmw)