校园内无线通信场强特性研究

1、信息与通信工程学院电磁场与电磁波实验报告题目：校园内无线信号场强特性的研究姓名班级学号序号201121111220112111122014年5月1实验目的12实验原理12.1大尺度路径损耗12 1 111 l-l-1 -i-.丨龙922.1.2 布灵顿模型22.1.3 egli 模型22.1.4 hata-okumura 模型32.2阴影衰落32.3建筑物的穿透损耗的定义43实验内容44实验步骤54地点选择54.2频道选择54.3数据采集54.4数据处理55实验结果与分析75.1各区域数据75.1.1新科研楼数据（东、南、西、北侧、汇总）75.2计算建筑穿透损耗95.3实验结论95.4误差分析

2、96分工安排107心得体会107.1 陈焕部分107.2 中涛部分108附录108.1 matlab 代码108.2 实验原始数据111实验目的1) 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及止确测试方法。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止确测试方法。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物材料的关系。2实验原理无线通信系统是由发射机、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

3、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。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，平均接收信号功率随距离对 数衰减，这种模型已被广泛地使用对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为：一一dpl(d)db = pl(do) +1 on log()do即平均

4、接收功率为：pr(d)dbm = pdbm- pl(jo)一 10/7 log() = pr(ddbm-1 onlog()dodo其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；血为近地参考距离；d为发射机与接收 机(tr)之间的距离。以上两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，它述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

5、于它而另一半小于它的一个数值(对于状态分布 屮值就是均值）。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种屯波传播模型。下面介绍几种常用的 描述大尺度衰落的模型。常用的电波传播模型如下：2.1.1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：厶 =32.4 + 20lgd + 20lgt其屮lp是以db为单位的路径损耗，d是以公里为单位的移动台与基站之间的距离，f是以mhz为 单位的移动工作频点或工作频段的频率。空气的特性可

6、近似为真空，因此当发射天线与移动台距离地面都较高时，可以近似使用自由空间模 型來估计路径损耗。2.1.2布灵顿模型布灵顿模型假设发射天线和移动台之间的地面是理想平面大地，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,此时的路径损耗计算公式为：s = 120 + 40lgd - 20lght - 20lghr其中距离d的单位是公里，天线高度ht及hr的单位是米，路径损耗lp的单位是db。2.1.3 egli 模型前述的自由空间模型及布灵顿模型都是基于理论分析得出的计算公式。egli公式则是从大量实测结 果中归纳出来的中值预测公式，属于经验模型，其计算式为：s 二 88 +

7、40 lgd 一 20lght - 20lghr + 20lgf 一 g其中路径损耗lp的单位是db,距离d的单位是公里，天线高度ht及hr的单位是米，工作频率f 的单位是mhz,地形修正因子g的单位是db。g反应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ah有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当ah用米来测量吋，可 按下式近似的估计地形的影响：0a/? < 15ma/yg = 2.43(1 )h > 15m 150mhz频段15az；3.05(1)a/?>15m 2s0mhz 频段157若将移动台的经典高度值hr=1.5m代入egli模型

8、则有：lp = 84.5 + 40lgd 一 20lght + 20 lgf 一 g2.1.4 hata-okumura 模型hata-okumura模型也是根据实测数据建立的模型。当移动台的高度为典型值hr=1.5m时，按 hata-okumura模型计算路径损耗的公式为：市区内的hata模型为：lp4 = 69.55 + 26.16厶妙 一 13.s2lghte -+ (44.99 - 6.55lghre)lgd + cm + g简化后为：lp = 69.55 + 26.2lgf -13.82 厶刃 + (44.99 - 6.55厶劝/)20 厶關2.2阴影衰落在无线信道里，造成慢衰落的最

9、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“阴影衰落雹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人，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:dpr(= pr(d)dbm+ xs = pr(do)dbm - 10nlog(一) + xcrdo其中，x”为0均值的高斯分布随机变量，单位db,标准偏差cr,单位d

10、b。对数止态分布描述了在传播路径上，具有相同tr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：/w=vexp(_ll)应用于阴影衰落吋，上式中的x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。比如一天屮的白天，夜晚，一年中的春夏秋冬，天 晴吋，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

11、的影响要比阴影效应小的多。下面表1是阴影衰落分布的标准差，其屮q(db)是阴影效应的标准差。a (db)j频率(mhz)准平坦地形不规则地形ah (米)城市郊区501503001503.5 5.5479111345067.51115189006.58141821表格1影衰落分布的标准差(db)2.3建筑物的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

12、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：1 n1 mp _，p(oufside)2，p (imide)p是穿透损耗，单位是db；匕是在室内所测的每一点的功率，单位是dbpv,共m个点; 片是在室外所测的每一点的功率，单位是db/llv ,共n个点。3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。4实验步骤4.1地点选择

13、我们的研究重心是学校内建筑的穿透损耗，对室内室外均要进行一定数量的测试，并要求每个楼层 的结构基木相同。我们选择了做砖石结构建筑的穿透损耗的分析。上网百度了一下以往的报告，发现并 没有对食堂的测量研究。考虑到学校里有两个食堂，并且一个是砖石结构，另一个是钢筋混凝土结构， 便于另一组同学商议好，各择其一进行测量，方便进行对比。所以，我们选择了新科研楼作为测试点， 室外对东南西北四面均进行了测量。4.2频道选择我们需要毎隔半个波长测一个数据。调频立体声广播64.25mhz信号(ch2)较强且稳定，经计算其波 长为4.67米，而半波长为2.34米，人的步幅大概为0.7-0.8米，所以每走三步进行一次

14、测量刚好符合， 容易把握。所以我们选择了调频立体声广播64.25mhz进行测量。4.3数据采集室外：从新科研楼北面马路开始，往返两次共采集231个数据；东侧101个数据；南侧128个数据; 西侧81个数据。方位新科东侧新科南侧新科西侧新科北侧采集个数/个10112881231折返次数2212表格2数据采集分布表4.4数据处理数据处理流程如下:表格3数据处理流程图5实验结果与分析5.1各区域数据5.1.1新科研楼数据（东、南、西、北侧、汇总）新科乐侧s号电平分布宜方囹20（15105新科乐侧佶号电平累积概率分布1imi采集电平宿080.6040.2舒科南侧信号电平累积概率分布0-80-75-70

15、65-60-55电平值/dbmw最大值=-5617i最4'值s75#30平均 1=-64:2861-标准全=-十56&* 0£*118075-70-65-60-55电平値/dbmw201510550-70-60电平值/dbmw/科南虬倍号电平分布直方图08060.2-50-70-60电平值/dbmw新科南侧信号电平祇率分布对比正态分布0.2°800 150 05-75-70-65-60-55电平值/dbmw-50图1新科东侧数据统计图1新科南侧数据统计新科西侧信号电平分布直方图新科西侧信号电平累积概率分布-80v、皿-80-70-60-50电平值/dbmw-

16、70-60-50电平值/dbmw图2新科西侧数据统计新科四侧一信号电平分布直方图120新科北侧倍号电平分布直方图60:采集电平值电平值/dbmwv、皿0.80.6°80新科北側信号电平累积槪率分布1040.2-70-60-50电平值/dbmw图3新科北侧数据统计10080604020-50-70-60电平值/dbmw新科四侧一信号电平累积概率分布1采集电平宿?800.80 6040.2°80-50-70-60电平值/dbmw新科四侧一信号电平概率分布对比正态分布0.25?800.20.150.10.05-75-70-65-60电平值/dbmw-55-50图4新科四侧汇总数据

17、统计从图15可以看出，新科研楼东侧数据波动较大，相对而言是离理想正态分布最远的一个，而另外 三侧拟合效果较佳。5.2计算建筑穿透损耗新科研新科研新科研新科研新科研 楼四侧 汇总地楼东侧楼南侧楼西侧楼北侧均值-64.2861-64.3203-63.3988-65.1117-64.5139标准(74.56015.42274.75814.48274.7998表格4采样值均值汇总在本次实验中，我们要计算的穿透损耗是室内外通过墙壁的穿透损耗，即砖石造成的穿透损耗。1 n1 mp = ，p(outside) p (inside)_万幺 i7利用新科研楼的数据可计算得穿透损耗为：52.2919-46.768

18、=5.5239dbo5.3实验结论1. 室内信号的变化(1) 横向比较在建筑物内部的同一楼层的不同区域，穿透损耗是不同的，每一层都是靠近窗口位置处接收效果好, 越靠里衰减越明显。(2) 纵向比较建筑物不同楼层的同一区域信号损耗是不同的。一层的衰减最大，因为传输过程受到的遮挡本来就 比较大在室外信号就不强，经过建筑物的吸收信号就很弱了，越往上层信号大致越来越强，因为遮挡物 越来越少，少了周围的建筑物对信号的吸收。所以老食堂二层数据的均值比一层的要大。2. 建筑物的穿透损耗不同结构的建筑物对信号的屏蔽和吸收作用程度不同，穿透损耗也就不同，通常钢筋混凝土结构的 建筑物的穿透损耗要比砖石结构的建筑物的

19、穿透损耗大。本次实验我们计算出了老食堂砖石的穿透损 耗，仅为 5.5239dbo5.4误差分析1、我们在下午4点开始新科研楼外的数据，测到中途5点多吋，到食堂去吃饭的人流比较多，随机性 较大，给场强带来了相当不稳定的变化。2、实验中，我们尽量每三步测一个数据，但是步长不准确带来了距离上的误差。3、记录数据时，场强仪的跳动变化比较大，只能凭感觉找平均值，故读数会有较大误差。4、由统计产生的高斯分布需要大量数据，我们只记录了五百多个数据，但西侧数据不到100个，数目 偏少，故对于高斯分布拟合程度不算高。若增加测量的数据数量，拟合度能得到提高。6分工安排姓名陈焕申涛分工测量读取，matlab编程，

20、数据处理，报告撰写测量记录，数据录入， 结果分析表格5分工安排7心得体会7.1陈焕部分7.2申涛部分8附录8.1 matlab 代码处理本次实验的数据的关键代码是使用matlab自带的函数，大部分繁琐的工作都在于调节图片的细 节，此处给出老食堂室外北侧所测数据的处理过程，其他数据的处理类似。%东南西北四侧数据绘制将* all'改成* east * f title改成相应方位即可tb=x1sread ('电磁场数据.xls 1a * all');mmin=min(tb);%mininum value of magnitudemmax=max(tb);%maxium val

21、ue of magnitudemmean=mean(tb);%mean valuem of magnitudemstd=std(tb);%standard error of magnitudefigure(1)subplot(221);hist (tb);grid on;%draw a histogramnf xout =hist (tb) ; %n为相应电平值的个数title ( *新科四侧_信号电平分布直方图1 );xlabel ( 1 电平值 /dbmw1 ) ; ylabel ( * 釆集点数目 /个，); legend ('采集电平值* );subplot (222);cdf

22、plot (tb);咎电平值的累积概率分布titled新科四侧_信号电平累积概率分布，)； xlabel ('电平值/dbmw * ) ; ylabel ( * 累积概率 * ); xpositon=mmin;ypositon=l;text (xpositon, ypositon-0 05, 1 最大值=1 , num2str (mmax); text (xpositon, ypositon-0 15, 1 最小值=1 , num2str (mmin);text (xpositon, ypositon-0 25/ 1 平均值= 1 , num2str (mmean); text (xp

23、ositon, ypositon-0.35, 1 标准差=1 , num2str (mstd); subplot (212);x=mmin:0.5:mmax;y=normpdf(xz mmean,mstd);plot (x,y, 1r1);hold on;grid on;% xout=linspace(min(xout),max(xout),1)% bar (xout, n/length (tb) ) ;%条形图plot(xout,n/length (tb);title新科四侧_信号电平概率分布对比正态分布，); xlabel ('电平值/dbmw * ) ; ylabel ( * 概

24、率 * );legend ('理想正态分布* ,'实测数据分布1 );8.2实验原始数据h期lr地点lr2014/4/27新科研楼lq6lq1ov91orh00lq1lq3卜v lq14lq1&91o寸91zrh z1006lq1寸91寸1oo6lq19芒1寸cm91cos16991oco9100co9100&91ooq91zo1oco9100lo1cos00v lo166 g1lo1oc-991寸991卜29g91co&lo16g91寸v919o1卜 o1colo1寸lo9196916茫1o691lo ! 91寸co91lolo91gol9茫1co&a

25、mp;lo1o5cov91os1卜r-h91lq00lo1寸& lo19g91lqv91卜co91寸& lo16srh 寸91寸co91co寸916s1z919s1cmlo91甘91cm1glo91loco91cm9100& lo1co 訂1卜&lo1寸lo919話1co00lo16話1cooq919s1cm co91og916茫1lot<9o1olo1vh茫1oq&916cm91cooo91vh009160091o0091lqlq91o9919v91卜s1oqolqlq91卜691cq69100t<9s1u&91寸lq91寸cm00

26、lq1rhoo91lo6lq1寸00lq100lq100s1lqcm91寸&91cmoo91000091lq19co91o0091z訂1寸寸 lq1co2±jvhs1寸&91006lq1olq1vh99100&916691rhoo91cm000091cqlq91coco9100691d8co991lq691ou9100ou0091xx w xxxx 眄 xx 皋 zlsdz 堡旦sv-hlqcqz0qo96oov-hs1s1o1o16 lq1910q1oc910091&916 lq1coi-hlo9z6vi-ho9甘91茫10091s16 lq1s1寸

27、91&91涪1茫1s16o寸9co卜o0000voo甘91z1g917h916 lq17h z1茫1o1s1o16 lq10q8lq66u0quooc6g91o1i-h 卜1co91g91更1g91v910091v91co16co007hovo7h600ooo1co91991co91o17h91訂17hlo1g17hlo19 g1卜寸ooc寸z0qlo寸u0qo茫1芒1s1寸91co91691oc91寸91&91lq lq1o6900z寸2lo00v-h寸91co91cq91常1lq lq1&911lo lo1991cn lq1s1o9vh9lqo6uoz寸691&am

28、p;lq1cq91co91916 lq1v lo 1寸 lq1oc91s1卜6lo16scj0091寸&91寸寸91lq s1寸lo91茫1cov91os寸ooti00ooohgoo9 g16 lo16911oq1s1s10091tia1h 卜1ti寸9r-hoo69o99116 g1s1cxj91991涪1s1s1z90000cooq666lq00寸9100910091&lo100 gicolo100 g1z9co91oo91寸卜寸寸oco卜6co g100lo1o191寸lo100 gl茫1991話19 g1寸91olo98zcj9寸s1vlo1co91v912&l

29、o1&91s1vlo19寸o卜8th寸600lo00910091茫1lo912lq1co91oo910091寸91*=7寸96thlq寸6寸66uco91z1v91lo91&lq1&91lo91&91lo910091北侧lr-74.8-69.3-67.0-59.4-59.5-63.6-66.8-56.9-60.2-71.5-71.8-65.5-63.0-65.5-61. 1-59.6-70.4-66.5-71. 7-62.3-68.9-67. 7-58.9-59.6-64. 1-73.5-66.0-65.4-63. 1-66.8-57.7-62.0-61.0-64.9-60.3-62. 1-64.6-64.5-51. 1-63.3-66. 1-65. 7-6