《北邮电磁场报告》word版.docx

2008211123班张龙、徐立人电磁场与电磁波实验报告电磁场与电磁波实验报告-校园内无线信号场强特性的研究学院：信息与通信工程学院班级： 2008211123班 姓名： 张龙 徐立人学号：08210040 08211392 班内序号：06 22 一、实验目的1 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法2 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律3 掌握在室内环境下场强的正确测试方法，理解建筑物穿透损耗的概念4 通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系5 研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。二、实验原理无线通信系统有发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。对于接收者，只有处在发射信号的覆盖区域内，才能保证接收机正常接收信号，此时，电波场强大于等于接收机的灵敏度。因此，基站的覆盖区的大小，是无限工程师所关心的。决定覆盖区的大小的主要因素有：发射功率、馈线及接头损耗、天线增益、天线架设高度、路径损耗、衰落、接收机高度、人体效应、接收机灵敏度、建筑物的穿透损耗、同波、同频干扰。发射机接收机发射天线接收天线无线信道2.1大尺度路径损耗 在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接收功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛使用。对于任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为： （n依赖于具体的传输环境）即平均接收功率为： 其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；d0为近地参考距离；d为发射机与接收机（T-R）之间的距离。公式中的横岗表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。坐标为对数对数时，平均路径损耗或平均接收功率可表示为斜率10ndB/10倍程的直线。n值依赖于特定的传播环境。例如在自由空间，n为2，当有阻挡物时，n比2大。决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它还与接收点的电波传播条件密切相关。为此，我们引进路径损耗中值的概念。中值是使实测数据中一半大于它而另一半小于它的一个数值（对于正态分布中值就是均值）。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传输模型。下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。2.2 常用的电波传播模型 2.2.1自由空间模型自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。我们所说的自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体，电波是以直射线的方式到达移动台的。自由空间模型计算路径损耗的公式是： 其中是以为单位的路径损耗，d是以公里为单位的移动台和基站之间的距离，f是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。空气的特性近似为真空，因此当发射天线和接收天线距离地面都比较高时，可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。2.2.2布灵顿模型布灵顿模型假设发射天线和移动台之间是理想平面大地，并且两者之间的距离d远大于发射天线的高度ht或移动台的高度hr。布灵顿模型的出发角度是接收信号来自于电波的直射和一次反射，也被叫做“平面大地模型”。该模型的路径损耗公式为：单位： d（km） ht（m）hr（m）Lp（dB）系统设计时一般把接收机高度按典型值hr=1.5m处理，这时的路径损耗计算公式为： 按自由空间模型计算时，距离增加一倍时对应的路径损耗增加6dB，按布灵顿模型计算时，距离增加一倍时对应的路径损耗要增加12dB。2.2.3 EgLi模型前述的2个模型都是基于理论计算分析得出的计算公式。EgLi模型则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测模型，属于经验模型。其路径损耗公式为：单位： d（km） ht（m） hr（m） f（MHz）G（dB） Lp（dB）其中G是地下修复因子，G反映了地形因素对路径损耗的影响。EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：若将移动台的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型则有：2.2.4 Hata-Okumura模型该模型也是依据实测数据建立的模型，属于经验模型。当hr=1.5m时，按此模型计算的路径损耗为：市区： 开阔地： 单位： d（km） ht（m）f（MHz）Lp（dB）一般情况下，开阔地的路径损耗要比市区小。2.3阴影衰落在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物体对电波的遮挡。在测量过程中，不同测量位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率不同，这样就会观察到衰落现象，由于这种原因造成的衰落也叫“阴影衰落”或“阴影效应”。在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物遮挡，它收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。所以，在距基站距离相同的地方，由于阴影效应的不同，它们收到的信号功率有可能相差很大，理论和测试表明，对任意的d值，特定位置的接收功率为随机对数正态分布即：其中，为均值为0的高斯分布随机变量，单位为，标准差为，单位也是。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同T-R距离时，不同的随机阴影效应。这样利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。正态分布的概率密度函数是:应用于阴影衰落时，上式的x表示某一次测量得到的接收功率，m表示以表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的标准差，单位为。阴影衰落的标准差同地形、建筑物类型、建筑物密度有关，在市区的150MHz频段其典型值是5.除了阴影衰落外，大气变化也会导致慢衰落。比如一天中的白天、夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴时、下雨时，即使在同一地点上，也会观察到路径损耗的变化。但在测量的无线信道中，大气变化造成的影响要比阴影效应小的多。下表列出了阴影衰落分布的标准差，其中的是阴影效应的标准差。 表1 阴影衰落分布的标准差（dB）频率（MHZ）准平坦地形不规则地形（米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418212.4建筑物的穿透损耗建筑物的穿透损耗的大小对于研究室内无线信道具有重要意义。穿透损耗也称为大楼效应，一般是指建筑物一楼内的中值电场强度和室外附近街道上中值电场强度之差。发射机位于室外，接收机位于室内，电波从室外进入室内，产生建筑物的穿透损耗，由于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室内场强一定小于室外的场强，造成传输损耗。室外至室内建筑物的穿透损耗定义为：室外测量的信号平均场强减去在同一位置室内测量的信号平均场强。用公式表示为：是穿透损耗，单位，是在室内所测得每一点的功率，单位，共个点，是在室外所测得每一点的功率，单位，共个点。三、实验内容利用DS1131场强仪，实地测量信号场强1 研究具体现实环境下阴影衰落分布规律，以及具体的分布参数如何；2 研究在校园内电波传播规律与现有模型的吻合程度，测试值与模型预测值的预测误 差如何；3 研究建筑物穿透损耗的变化规律。四、数据测量4.1测量环境我们选择在北京邮电大学的整个校园里进行室外信号的测量。选择测量的频段为广播调频97.4MHz。当时测量的时间为2011年4月29号下午1:304:30，天气晴朗，但是风比较大，为4-6级。根据测定要求，每半个波长测定一次数据，则对于97.4MHz而言，每个波长约为3m，半个波长为1.5m，而我自己粗略计算了下，自己一步的距离为0.7-0.8米，故实验时选定每两步测定一个数据。我们共选择了10个地点进行测量，分别为：主干道、教三、主席像到西门、学六天井、主楼、操场、教二、校医院南侧、校医院西侧南北路、中门东侧家属区。每个地点的数据采集个数不低于70个。得到的相应的数据结果为：主干道主席像-西门学六天井主楼操场62.155.56048.860.959.550.557.547.563.253.76056.466.355.160.156.154.85650.459.252.357.355.447.250.949.653.649.350.258.457.357.655.447.759.256.248.958.551.963.348.548.654.551.158.549.25254.849.559.448.24954.553.858.84548.561.546.657.548.257.959.957.556.447.26061.247.956.749.858.25355.557.248.564.557.853.952.25152.555.548.755.248.556.3544760.35058.254.54955.348.660.353.346.857.849.152.753.550.754.250.857.648.55754.951.157.356.548.656.249.560.458.145.253.555.556.957.847.861.55360.356.842.857.755.555.861.948.167.148.354.462.250.359.852.258.260.248.858.556.855.360.449.158.256.351.357.856.55555.953.561.746.155.850.560.255.555.560.356.653.354.347.158.950.752.454.946.658.258.559.155.355.56249.851.755.545.258.248.65457.147.26346.348.160.145.352.154.249.957.747.259.655.349.460.148.553.255.555.657.248.653.151.956.158.248.659.154.559.954.448.553.149.159.756.858.359.157.152.26047.253.256.759.558.952.252.454.361.449.955.958.95247.448.759.257.85553.549.149.260.35161.553.751.75956.853.555.346.358.158.146.55250.552.453.749.851.457.949.255.550.74948.56251.461.44957.950.161.265.448.655.553.154.761.54558.351.760.548.348.150.95252.450.751.448.656.151.759.15450.852.153.453.149.344.851.960.255.249.548.260.158.356.549.85855.549.55848.653.750.262.56348.448.76253.253.748.351.160.349.257.147.149.559.756.354.748.351.157.348.550.845.550.4教二校医院南侧校医西侧南北路中门东侧家属区教三56.550.355.552.356.358.84951.149.453.155.845.453.852.84960.451.250.555.149.558.260.555.753.459.160.846.162.254.359.850.149.260.561.748.857.257.560.152.456.360.753.848.863.259.555.652.550.255.157.152.554.259.952.251.752.753.656.159.148.360.352.551.750.448.55756.450.156.947.459.15859.652.25252.752.554.855.451.752.952.755.154.648.350.551.259.153.348.557.354.251.653.447.448.549.254.749.85251.748.751.554.950.854.854.559.848.54954.354.351.45456.360.762.259.753.149.452.254.564.751.348.451.450.249.451.452.552.248.648.55549.952.85153.757.250.348.660.553.153.350.653.751.555.663.353.252.448.649.949.150.551.148.551.762.155.14944.850.257.953.254.268.661.552.159.950.147.559.760.151.448.554.34955.152.152.157.248.456.55160.957.350.955.549.848.556.850.850.849.552.751.448.357.449.947.360.250.652.148.554.848.550.658.648.848.644.850.854.257.248.548.452.249.549435751.849.347.644.451.861.7544848.654.362.455.153.553.549.256.353.553.35051.757.352.158.645.154.856.858.350.545.548.457.557.848.651.749.453.356.848.448.651.559.456.153.749.353.659.65652.251.748.558.761.150.14449.860.255.658.849.148.755.757.954.748.848.360.357.765.947.848.553.263.456.248.748.661.553.255.548.547.953.359.851.356.351.753.955.552.554.747.256.353.759.750.551.858.959.357.251.35461.360.953.350.447.955.753.250.850.851.751.869.457.352.247.259.560.160.251.151.859.764.158.948.85469.655.963.54.2测量注意事项（1）对于场强仪而言，由于其天线的长度、方向等对于接收信号的强度值是有影响的，故在使用时要保证天线始终处于全伸直状态，并且尽量在测定一个区域时保证其方向不变。（2）在测量时尽量保持身体的姿势是不变的，这样就可以减少由于身体的姿势的不同而导致的对于测量的干扰的不同。（3）在读数时应该注意，由于短期快衰落导致测量到的信号强度变化较快，有时甚至在一个比较的动态范围内跳变，这时需要根据实际情况，在评估一段时间后选取其中的平均值进行记录。（4）由于测量位置一直改变，接收天线是移动的，所以不能在移动到一个点后马上读数，故移动到某个点后，隔一段时间后再进行读数。4.3测量路径（1）下面为北京邮电大学的校园平面图：我们在校园内选取的户外点已经在图上用白色箭头标出。从图上可以清楚的看出，对于北京邮电大学校本部的多种室外环境进行了分别的取样，具有很强的代表性。因此对这些区域的研究，有助于对校园内的信号强度分布等信息有一个总体的概括和分析。五、数据处理5.1matlab源程序：clear all; close all; str=MR;%主干道WD;%主席像至西门D6;%学六天井MB;%主楼PG;%风雨操场C2;%教二HS;%校医院南侧MW;%中门西侧家属区南北路ME;%中门东侧家属区C3;%教三; com(1).a=主干道;com(2).a=主席像至西门;com(3).a=学六公寓;com(4).a=主楼;com(5).a=风雨操场;com(6).a=教二;com(7).a=校医院南侧;com(8).a=中门西侧南北干道;com(9).a=中门东侧家属区;com(10).a=教三; for i=1:size(str,1) tmp=xlsread(data.xls,str(i,:);%读入数据 length=size(tmp,1); figure(2*i-1); subplot(1,2,1); histfit(tmp); axis(30,70,0,20); grid on; title(com(i).a,功率概率分布); xlabel(功率值(-dBmw); ylabel(样本数量(个); legend(实际样本分布,理想概率分布线);%画接收信号强度概率分布柱状图 subplot(1,2,2); h,s=cdfplot(tmp); axis(30,70,0,1); hold on; text(56,0.23,最小值= ,num2str(s.min);%计算最小值 text(56,0.18,最大值= ,num2str(s.max);%计算最大值 text(56,0.13,均值= ,num2str(s.mean);%计算平均值 text(56,0.08,中值= ,num2str(s.median);%计算中值 text(56,0.03,标准差= ,num2str(s.std); %计算标准差 title(对应累积概率分布);%画累计分布曲线 figure(2*i); surf(tmp;zeros(1,length);1:length); title(com(i).a,信号功率分布图); axis(1,length,1,2); caxis(30,70); colorbar(horiz); %做出信号功率分布图end5.2数据分析5.2.1 地点：主干道从上面的接收功率概率分布柱状图的模型来看，实际的样本曲线接近于理想的概率分布正态分布。而对应于累计概率分布而言，其表现出平滑特性，并且均值和中值吻合的相当好，标准差为3.7924，符合要求。但图中-55dbm至-57dbm的区间内，出现了一个短暂的下降。原因如下：1、由于采集的点数为100个，样本数量有限，而正态曲线是大量数据拟 合得出的统计结果，因此在统计意义上有一定的误差。2、由于当时采样时有比较强烈的风存在，导致树木等不断摇摆，同时由于测量时有车辆、人群经过，对于测量而言都为干扰，因此造成测量的精度不够。3、场强仪由于环境因素导致显示的数值不断的发生跳变，因此人为估算时造成的误差。从主干道接收强度分布图来看，在测量到第2830个点时信号强度发生了突然的很大的衰减，这是由于此时测量地点正好经过学四楼与图书馆之间，在这段距离里，由于两边是相对封闭的区域，经过建筑物的遮挡，导致信号的衰落陡然加大，故测量的信号强度变小。但从总体来看，信号强度在主干道上由北向南是比较均匀的。5.2.2 地点：主席像西门接收信号强度基本符合正态分布曲线。对应累积概率分布曲线较平滑，并且均值与中值接近。标准差为4左右。从信号功率分布图来看，虽然采集的个别点数会出现一定的跳变，但从总体来说，在从主席像到西门的过程中，信号的强度是逐渐下降的（这从图中颜色的总体变化趋势可以得出）。这是因为在这样一个相对开阔的地带，在由东向西的过程中，测量地点距离基站的距离越来越远，故接收信号的强度也就不断的衰减。5.2.3地点：学六公寓学六的信号特征是比较特殊的，虽然其满足信号概率分布为正态，但是其信号功率分布却与其他地点有明显的不同。首先从图上可以发现整体信号的强度以红色表示为主，这意味这一地点的总体信号强度较其他地区是比较弱的。这与学六的楼身构造是有密切联系的。学六是一种三面楼身的构造，只有东侧有一个入口，但在其东侧还有住宅楼，这种接近于全封闭的结构导致信号很难直接进入，只能借助于绕射、透射、反射等，因此信号的强度弱。图中测量的第57-60个点时信号强度极弱，这是测量地点正好为学六天井深处楼层入口处，我们可以发现此时信号的强度达到了极弱。同样的道理，这种封闭结构不仅对97.4MHz的信号有影响，对于手机信号也一样，这也正好比较恰当的解释了学六的同学经常出现手机等通讯设备无信号、无法接通的状况。5.2.4 地点：主楼对于主楼而言，并不是十分切合正态分布曲线，特别是中值附近，这是由于由于围绕主楼周围的环境是很复杂的，测量时由于距离主楼较近，导致测量的结果不仅仅由随机因素导致，而且还由建筑物结构有很大关系。另外，从信号强度分布图来看，在从第50个测量点之后的数据都是大于-50dbm的，信号强度很好。这是由于此时的测量地点恰好为主楼的东侧的南北路上，这条路是相对开阔的，所以信号在传播的过程中没有大的衰减，信号强度较大。5.2.5地点：风雨操场对于风雨操场而言，其周围的环境是相对于其他环境最为简单的，周围没有大的建筑物的遮挡，属于最理想的开阔地带。因此信号强度概率分布很接近于正态曲线。累计概率分布也非常的平滑。同时，从信号功率分布图上可以知道，信号的强度值均为-55dbm以上，这也是由于信号衰减较小造成的。5.2.6 地点：教二对于教二来说，同样与信号的正态分布有较好的吻合。从概率分布图上可以看出，由西向东的过程中，信号的强度是总体逐渐增强的，这可能与测量地点的位置与发射信号点的距离越来越近有关。5.2.7 地点：校医院南侧从图上可以看出，校医院南侧的总体信号强度是比较好的，概率符合正态分布曲线。总体来说，在3437点之间信号的强度还是略微弱了点，这是由于此时测量点恰好位于校医院与南侧楼房之间的中部，由于建筑物的遮挡作用导致信号强度变弱。5.2.8地点：中门西侧南北干道对于此块区域，采集的数据并不是很符合正态分布的规律，这是因为当时在测量时有较多车辆经过，包括小汽车、货车等，这些因素作为一些不可估测因素的影响使得结果与理论值出现偏差。由于四周为居民楼聚居区，导致的结果就是信号的总体强度并不是很强。5.2.9 地点：中门东侧家属区对于这块家属区，其相对而言，周围的环境因素还是比较稳定的，因此测量的点数足可以反映出更精确的特性。此处信号概率是相当符合正态分布曲线的。更好的一个表现就是中值与平均值是相当接近的。5.2.10 地点：教三在测定教三楼的数据时，由于教三楼的楼盘范围大，测量时的点数显得有些不够。因此与正态函数分布有一定的差异性。从信号功率分布来看，在测量30-70的中间点时信号的强度是比较大的。这是由于此时测量点正好位于教三楼的西北拐角处，在这样的一块区域，从东西和南北路都可以有信号经过，因此信号强度较大，大于-50dbm。六、综合比较6.1 理论与实际分析对比通过查找资料以及估计，获取以下参数：移动台与基站之间的距离d=12km测量频率f=97.4MHz发射天线高度ht=50m移动台高度hr=1.5m发射功率Pt=10kw各个模型的路径损耗：自由空间模型93.75dB布灵顿模型125.69dBEgLi模型133.44dBHata-Okumura模型134.62dB通过测量发现，信号的平均接收强度约为-53.82dbm，而由查到的数据知发射功率为70dbm，故信号的衰减约为123.82db。通过上面数据可以发现，此校园室外模型最接近与布灵顿模型。在测量范围内 ，仅有2.46db的误差。我们可以选定布灵顿模型，然后根据相应的实测数据得出修正后的模型。6.2 校园总体信号强度概述综上分析可知，校园内的总体信号强度强度状况还是不错的。对于实际的室外模型而言，阴影衰落服从对数正态分布规律。接收信号强度概率分布满足正态分布规律。在距离发射基站比较近