北京邮电大学信息与通信工程学院电磁场与电磁波实验报告

信息与通信工程学院电磁场与电磁波实验报告题目：校园无线信号场强特性的研究姓 名： 学 号： 7 班 级： 班 2015年05月17日一、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、熟悉并理解电磁波传输理论中传输损耗、路径损耗、穿透损耗、衰落等概念，研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；3、掌握在室外环境下场强的正确测量方法，与相关的传播模型进行匹配；4、经过实地测量，处理数据，分析校园内电磁波强度的变化规律，并探究其受到影响的因素。二、实验原理1、电磁波的传播方式（1）无线通信系统无线通信系统由发射机、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内，才能保证接收机正常接受信号，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，是无线工程师所关心的。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，同播，同频干扰等。（2）电波传输方式电磁场在空间中的传输方式主要有反射绕射散射三种模式。当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体且这些物体的分布较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体，如树叶街道标志灯柱等。2、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受功率之间的（ dB） 差值， 根据理论和测试的传播模型， 无论室内或室外信道， 平均接受信号功率随距离对数衰减， 这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离， 大尺度平均路径损耗表示为： （式1）即平均接收功率为： （式2）其中，定义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为发射机与接收机之间的距离。公式中的横杠表示给定值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以表示为斜率10ndB /10 倍程的直线。n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，它与接受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，中值是使实验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）。人们根据不同放入地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型。下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。常用的电波传播模型： 1) 自由空间模型 2) 布灵顿模型 3) EgLi 模型 4) Hata-Okumura 模型 3、阴影衰弱在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物体对电波的遮挡。在测量过程中，不同位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率也不同，这样就会观察到衰落现象。由于这种原因造成的衰落也叫“阴影效应”或“阴影衰落”。在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物所遮挡，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，特定位置的接受功率为随机对数正态分布即： （式3）其中，Xs 为0 均值的高斯分布随机变量，单位dB；标准偏差s ，单位dB。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，也叫高斯分布，概率密度函数为： （式4）应用于阴影衰落时，上式中的表示某一次测量得到的接收功率，表示以dB 表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的标准差，单位是dB。阴影衰落的标准差同地形，建筑物类型，建筑物密度等有关，在市区的150MHz 频段其典型值是5dB。除了阴影效应外，大气变化也会导致阴影衰落。比如一天中的白天，夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴时，下雨时，即使在同一个地点上，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。 下面是阴影衰落分布的标准差，其中(dB)是阴影效应的标准差。（dB）频率（MHz）准平坦地形不规则地形 （米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821阴影衰落分布的标准差（dB）4、建筑物穿透损耗的定义建筑物穿透损耗的大小对于研究室内无线信道具有重要意义。穿透损耗又称大楼效应，一般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dB 之差。 发射机位于室外，接收机位于室内，电波从室外进入到室内，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同一位置室内测量的信号平均场强。用公式表示为： （式5）是穿透损耗，单位是dB；是在室内所测的每一点的功率，单位是，共个点；是在室外所测的每一点的功率，单位是，共个点。三、实验内容与实验步骤利用DS1131 场强仪，实地测量信号场强。1、测量地点选择我们组选择测量学四楼东、西、南、北四面的室外场强分布。为了尽可能减小人流量对测量数据的影响，我们选择在下午13:30(大家都去上课)至13：30（下课的队伍还尚未回到学四）这一时间段进行测量。由下图可以看到学四周边环境的情况大致如下：（1）东边靠近主干道，较为开阔，主要遮挡物为自行车、树木、展板；（2）西边靠近学三楼，且和学三楼距离较近，学三是钢筋混凝土结构的大楼，初步判断影响较大；（3）北面是花坛、绿地，学八楼，学八楼也是和学三一样的高楼，但是相比距离学四较远；（4）南部是花坛、学二楼，花坛内有小树木，学二是砖结构的矮楼。注：测量期间空气中有大量杨絮，我们尚无法得知杨絮是否对电磁波强度分布有影响。2、测量频点选择我们选择的是中国国际广播电台旗下的国际流行音乐广播频道FM88.7MHz。（1）FM88.7的频率接近100MHz，波长接近3m，数值较整；根据我们之前对学四公寓的室内楼道瓷砖的测量，两个半瓷砖大致就是半波长的1.5m，相当于我们走三小步，所以每走三小步记录一次数据，不易产生较大的间隔偏差。（2）FM88.7信号强度较大，测量过程中还可以听到声音，比较适合数据收集。（3）我们按照“4条边，4个角”分为8组，每组测量近70个数据，数据总数超过500个。3、数据采集利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位：dBmw），我们按照正南、东南、西南、正北、东北、西北、正东、正西分为8个点，如下图所示，测量88.7MHz频点的电磁波强度；以半个波长（约1.5米，大概走三小步)为测量周期， 记录该点读数。4、数据处理与结果分析将测量得到的数据录入Excel表格，为了便于MATLAB处理数据，将所有数据都存在一列，并注明地点和周边状态。采集到的数据有500多组，需要对数据进行细致的处理，分析周边环境，验证模型，得出结论。原始数据和Matlab代码请见excel表格和附录。四、实验结果与分析1、统计特性分析（1）某一特定位置的接收功率为随机正态分布由于受到传播路径的诸多影响，磁场强度呈现波动特性，理论分析表明磁场强度值在一定区间内呈现高斯分布特性。针对实测数据，可得到磁场强度的统计分布，分别对8个点采集到的原始数据用matlab进行正态分布拟合，得到结果如下：1）各个点的原始数据都基本符合随机正态分布。2）A、B、H点的拟合情况较差，这是因为样本不够大造成的，尤其是B点（正西边），即学四和学三之前的通道，该区域较为狭小，所以按照半波长一个数据我们只得到了58个有效数据，样本较小，所以统计特性不明显。3）E、F、G点拟合效果较好，这和我们在这三个点采集的数据样本较大有一定关系，也和这三个地点较为开阔，遮挡较少有关。4）C点采集的数据是最多的，但是拟合效果并不是特别好，因为C点所处的学二学四之间的小花园中树木较多，而且分布较为凌乱、高低不一致。（2）将学四作为一个点，对500个数据进行拟合上图是对500多个数据的对数随机正态分布拟合，偏差不大，符合预计情况。这是由于我们采集数据的样本足够大，而且调频广播88.7MHz在室外的信号情况较好（我们在测量的全程都可以正常地收听）。2、磁场强度与地理位置的关系对每个点所采集的数据取平均值作为该点的信号强度，可以分析出信号强度与地理位置的关系。下图是各个点的信号强度值（均值）与位置关系的直方图。由直方图可以看出，信号强度最大的是F点，其次是G点、B点。而A点、H点的信号强度最弱，分析原因如下： 首先注明的是：我们在测量的时候人、车很少，基本可以排除这部分的影响；在测量当天空气中的杨絮较多，但是考虑到杨絮分布的随机性和我们采样样本足够大，默认排除杨絮的影响；室外bupt的无线WiFi信号较弱，也默认不会影响我们的数据。（1）F点位于西南角，G、B点分别位于西北和西边，信号强度较大。可以推测FM88.7信号的发射台位于西边。我们通过查找资料得知，中国国际广播电台的发射塔位于西三环，和数据结果一致。（2）A（正东）、H（东北）、E（东南）点信号强度较弱，主要原因是受学四楼的影响，学四楼较高，且是钢筋混凝土架构，所以对电磁波影响较大。虽然学四东边是较为开阔的主干道，但是主干道附近还分布着报刊亭、自行车、展板等障碍物，主干道两侧是高大的泡桐树，都会削弱信号强度。（3）G（西北）、B（正西）、F（西南）三点比较可以看出F、G的强度都会比B点大，原因是B点受到学三楼的影响。F点附近是花坛、学一、教四，花坛主要是小树木，学一和教四都比较矮，对信号衰弱影响不大。G点附近也是绿地，虽然受高楼学五的影响，但是相比B点，离高楼较远，影响较小。（4）D（正北）和C（正南）的强度大致相当，但D的强度略大。两个地点的周边环境差别不大，都是没有高大树木的花坛，对信号强度没有很大影响。C点可能会受学二、教四楼的影响，D点可能会受到学八、学十楼的影响。学二、教四楼比较矮小，所以我们预计C点强度应该大于D点，但是结果却不是。结合（1）我们推测可能是学四楼的影响，同时学二学四之间花坛种有大量和人体高度大致齐平的树木，枝叶较多，经常会碰到场强仪天线，对数据有一定影响。综上所诉，我们得出结论：（1）发射塔位于学校西南边。（2）高层建筑对信号衰弱影响较大，但也不绝对。（3）树木也会削弱电磁信号强度。3、室内外磁场强度分析比较该部分原始数据的室内部分来自班内另一小组（李莎莎、江玲小组），她们测量的是FM88.7在学四楼各楼层的分布情况。下图是学四楼内信号强度与测量位置关系的直方图，从图中我们可以看出：（1）学四楼内西边信号整体会比东边强一些，正好验证了我们关于发射台位置的推测。（2）楼道内的信号强度整体会比室外低一些（室内的测量值大多在-70dBm以下，而室外的测量值大多数可以达到-50dBm这个数量级）。我们推测是受到学四楼外墙的影响。同时，室内小组测到的数据体现了在靠近窗户的地方信号强度略大，在一定程度上也可以验证我们的推测。五、遇到的问题与解决办法1、误差分析在实验过程中，我们尽可能地将误差控制在最小，体现在以下几点：（1）选择88.7MHz频点。只有达到一定接收功率才能体现高斯拟合，低频段的电磁波传播特性较好，绕射能力强，穿透性好，研究起来相对容易。我们在测量数据的全过程中都可以清晰地收听到该频道广播，信号强度较大。同时半波长大概是1.5m，为三小步，在可以准确控制的范围内。（2）样本足够大。研究统计特性对样本要求要足够大，我们在每个点都测量超过60个数据，总数据超过500，基本可以体现统计特性。（3）测量现场人流、车流很少，可以忽略不计。但是整体过程还是有误差存在的，比如场强仪的精度、测量读数误差（测量过程中，同一个位置场强仪读数是不固定的）、周边环境影响（如杨絮）等。2、场强分布研究场强的分布研究通常从两方面着手，一是地理位置分布，二是统计值分布。地理位置分布直观反映了场强在空间的分布，为工程实际的建设提供依据和参考。统计值的分布则在概率统计层面为研究场强的特性提供可能，场强的统计分布值能更加有效地反映一个地点的场强特性，为综合设计通信系统提供参考。我们测量的结果与理论上的分布是符合的。3、对实验整体过程的分析我们根据原始数据得出的结果基本符合理论推测，但是终是冰山一角。限于时间、仪器和个人能力的限制，我们只测量了一座楼在一个频点的信号分布情况，虽然说我们利用另外一组同学的数据做了室内外的对比，但是从“校园内无线信号分布”这一大标题出发我们做得其实还很不够。空气中电磁波信号强度较大的应该是900MHz附近的移动通信网和2.4GHz附近的无线主流WiFi，如果能对这两个频率附近的电磁波进行测量、统计和分析，与更多的地点进行对比，也将会是一件很有意义的事。六、实验分工与心得体会：负责前期的设计、数据采集、记录、录入、结果分析 本次实验对我来说收获很大，通过对学四周围电磁波的实地测量，使得我们对电波传播理论有了更深入的认识，提升了工程素养，培养了分析和解决问题的能力。首先，在测量之前，我做了很多准备工作，之所以选择88.7MHz只要是它的信号足够大，而且半波长的1.5m是我们可控的；在选定频点之后，我们分析了学四楼附近的环境，根据“四条边，四个角”选定了八个测量点，每个点测量50个以上的数据，并且在环境允许的情况下（如正东边为主干道，较为开阔，面积大）多测了一些数据；同时，我们选的时间点也是人、车最少的，这些都是为了更真实地反映分布情况。其次，在测量过程中，我们也遇到了一些困难，测量当天杨絮纷飞，而且因为数据量较大，后期有些繁琐。但是我们都克服了。这是我们第一次室外实地测量，我想在今后的学习和工作中我们还要做无数次的室外作业，还会遇到无数困难，还会有很多挑战等着我们。最后，在测量结束之后，我们面临了更繁琐的录入工作。但是最终分析出来的结果还是让我们很满意的，通过这个实验我也重温了Matlab编程的有关知识，复习了相关的函数，这些对以后也是会有很多帮助的。：负责数据处理、报告撰写一年以前，看到许多学长学姐拿着小黑盒子在校园内走走停停，我们都忍不住回头看一眼，想象他们正在做一项多么“高大上”的工作一年以后，我们知道了那个黑色的盒子叫做场强仪，其实它并不“高大上”，只能测模拟电视信号的频率，它的使用也很像已经过时了的诺基亚手机我和我的队友在漫天杨絮的日子里做着一年前学长学姐们做的工作，这项并不“高大上”的实验却给了我很多的收获和思考。本次实验我主要负责后期数据的处理部分，通过参与的前期实地测量和后期的数据分析，我对无线电波的传输有了更加形象的认识，能从工程的角度来看待课本知识，把理论和实践渐渐地融为一体。之前课本的知识都是理想情况下的建模，公式的推导也有很多无法理解的近似，给人的感觉就是过于抽象。通过本次实验，我们看到了实地测量得到的数据都大致能符合理论的模型，符合推算得到的统计特性，虽然不是很好的拟合，但是根据之前学过概率统计的有关知识，我们可以推测更大数据情况下的拟合度将会更好，从而将相应的模型用于工程实践中。在数据处理的过程中，因为比较长时间没有用Matlab了，在调程序的时候遇到了一定的麻烦，囿于时间，我将各个点的数据分别做成一个excel文件，分别读取，而且每次都只能得到一个图。这样的代码效率不高，完全可以继续简化，但是因为本次实验的数据量也不是特别大，所以可以忽略不计，我们最终还是得到了满意的结果。最后，在完成实验的最后时刻，感谢老师在本实验进行的全过程中对我们的帮助和指导。附录1、实验代码（1）统计