北邮校园无线信号场强特性分析实验报告.

1、校园内无线信号场强特性研究班级:姓名:学号:序号:日期:北京邮电大学Beijing University of Posts and Telecommunications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。1、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

2、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。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:PL(d

3、)dB #PL d( +) r!Odlgi( / ()n依赖于具体的传输环境)即平均接收功率为:P(d)dBm二 pdBm - PL(d0) -10nlg(d/d0) = Pr(d0)dBm -10nlg(d / d0)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。坐标为对数一对数时，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

4、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：Lp =10lg Pt/Pr =32.4 20lg d 20lg f其中Lp是以dB为单位的路径损耗，d是以

5、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:Lp =120 40lg d -20lg A -20lg hrd ( km) ht ( m)hr( m) Lp ( dB)系统设计时一般把接收机高度按典型

6、值hr=1.5m处理，这时的路径损耗计算公式为:L p = 116.5 40lg d - 20lg ht6dB，按布灵顿模型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：Lp =88 40lg（d）-20lg（ht） - 20lg（hr） 20lg（ f） - G单位：d （ km） ht（ m） hr（ m） f（ MHz）G（dB） Lp（ dB）其中G是地下修复因子，

7、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 ：h有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当：h用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：0AhG = 2.43(1)15Ah 2.43(1-羔) L.15 h 15m=h 15m 15CMHz 频段 h 15m 15CMHz 频段若将移动台的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型则有:Lp =84.5 40lg d -20lg ht 20lg f -G2.2.4 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：Lp仁 69.

8、55 26.2lg f -13.82lg ht (44.9 -6.55lg ht)lg d开阔地：Lp2 二 Lp1 -4.78(lg f)2 18.33lg f -40.94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

9、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：Pr（d）dBm =PT（d）dBm X；_ 二 （d°）dBm - 10nlog（d/d。） X；_其中，X匚为均值为0的高斯分布随机变量，单位为dB，标准差为一单位也是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。正态分布的概率密度函数是：f(x)二应用于阴影衰落时，上式的 x表示某一次测量得到的接收功率，m表示以dB表示的接收功率的均值或中值，二表示接收

10、功率的标准差，单位为 dB。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5dB .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 中的二s（dB）是阴影效应的标准差。表1阴影衰落分布的标准差6（ dB）频率（MHZ）准平坦地形不规则地形Ah （米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418212.4建

11、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dB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：P 1 一 N p (outside)1- M » (inside)n y ' m w jP是穿透损耗，单位dB，片是在室内所测得每一点的功率，单位dBV

12、，共M123学生笔舍N北邮南北主干道鸟瞰图四、实验步骤4.1选择实验对象这次实验数据采集地点我们选择了开阔同时无论何时人口都较为密集的南北主干道。选择测量的频段为广播调频190.75MHz 。当时测量的时间为 2013年5月7号下午5：30 & 00,天气晴朗，风速为 2-3级。、实验内容利用DS1131场强仪，实地测量信号场强个点，P是在室外所测得每一点的功率，单位dBW，共N个点。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；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；研究建筑物穿透损耗的变化规律。根据测定要求，每半个波长测定一次数

13、据，则对于190.75MHz而言，每个波长约为1.6m，半个波长为0.8m，而我们粗略计算了下，一小步的距离为0.3-0.4米，故实验时选定每两小步测定一个数据。4.2数据采集利用场强仪对无线信号的电平值进行测量，对于室外的信号的测量，均为每隔半个波长（约0.8米，大约两小步）记录一个数据； 记录多组数据。 在实验中，我们在主干 道由北向南方向进行测量并记录数据。测量行进方向图4.3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

14、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。4.4数据录入将测量得到的数据填入Excel表格，字段排列为地点、电平值、状态。数据录入时舍弃了电平绝对值大于 72dbmw的无效数据。4.5数据处理流程采集到的数据有大约 800组，需要对数据进行细致的处理以便得到明确的结论。下图所

15、 示为数据处理的流程图。数据整理和录入'、X场强空间分布统计分析、拟合、作图场强概率分布r、统计分析、拟合、作穿透损耗图计算和结论/实验结论 整理与分析五、实验结果地点：南北主干道磁场强度统计分布和概率累计分布图数据1199数据 200399数据 400599数据 600791matlab源程序:clear all; close all;%读取文件%w2e=xlsread('data.xls','sheet1');%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,791);%为画平面场强图作准备 %w2e3=w2e2,zeros(1,791),1:79

16、1;w2e3=reshape(w2e3,791,3);%南北主干道%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 画柱状图axis(40,75,0,75);grid on;str='南北主干道;'信号电平概率分布'title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(w2e2)% 画累积概率分布图 axis(40

17、,75,0,1);hold on;w2emea n=nu m2str(s1.mea n);w2estd=nu m2str(s1.std);text(56,0.23,'最小值=',nu m2str(s1.mi n);text(56,0.18,'最大值=',nu m2str(s1.max);text(56,0.13,'均 值=',num2str(s1.mean);text(56,0.08,'中值=',num2str(s1.median);text(56,0.03,'标准差=',nu m2str(s1.std); tit

18、le('对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('南北主干道信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->');axis(600,791,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');地点：主干道一学十部分磁场强度统计分布和概率累计分布图Figure 11File Edrt View Insert Tools Desktop Wundow HelpA愆Q <7 遢

19、主干道学十制分 信号电平概率分布实际样本分布理想槪率分布线O0450 6Q 70电平 dBmw4 2 0 8 6111对应累积概率分布matlab源程序:clear all;close all;%读取文件%w2e=xlsread('data.xls','学 10');%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,81);%为画平面场强图作准备 %w2e3=w2e2,zeros(1,81),1:81;w2e3=reshape(w2e3,81,3);%主干道一一学十部分%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 画柱状图

20、axis(40,75,0,20);grid on;str='主干道一一学十部分;'信号电平概率分布'title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(w2e2)% 画累积概率分布图 axis(40,75,0,1);hold on;w2emea n=nu m2str(s1.mea n);w2estd=nu m2str(s1.std);text(5

21、6,0.23,'最小值=',nu m2str(s1.mi n);text(56,0.18,'最大值=',nu m2str(s1.max);text(56,0.13,'均 值=',num2str(s1.mean);text(56,0.08,'中值=',num2str(s1.median);text(56,0.03,'标准差=',nu m2str(s1.std);title('对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分

22、信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->');axis(1,116,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');matlab源程序:地点：主干道一食堂部分磁场强度统计分布和概率累计分布图surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->');axis(1,116,1,

23、2);caxis(40 75);colorbar('horiz');matlab源程序:clear all;close all;%读取文件%w2e=xlsread('data.xls','食堂');%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,50);%为画平面场强图作准备 %w2e3=w2e2,zeros(1,50),1:50;w2e3=reshape(w2e3,50,3);%主干道一一学十部分%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 画柱状图axis(40,75,0,20);grid on;st

24、r='主干道一一食堂部分;'信号电平概率分布'title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(w2e2)% 画累积概率分布图 axis(40,75,0,1);hold on;w2emea n=nu m2str(s1.mea n);w2estd=nu m2str(s1.std);text(56,0.23,'最小值=',nu m2

25、str(s1.mi n);text(56,0.18,'最大值=',nu m2str(s1.max);text(56,0.13,'均 值=',num2str(s1.mean);text(56,0.08,'中值=',num2str(s1.median);text(56,0.03,'标准差=',nu m2str(s1.std);title('对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分信号电平分布图');ylabel('&

26、lt;-西东->');xlabel('<-北南->');axis(1,116,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');matlab源程序:地点：主干道一学八部分磁场强度统计分布和概率累计分布图surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->');axis(1,116,1,2);caxis(40 75);colorbar(&#

27、39;horiz');matlab源程序:clear all;close all;%读取文件%w2e=xlsread('data.xls','学 8');%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,100);%为画平面场强图作准备 %w2e3=w2e2,zeros(1,100),1:100;w2e3=reshape(w2e3,100,3);%主干道一一学八部分%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 画柱状图axis(40,75,0,25);grid on;str='主干道一一学八部分;'

28、信号电平概率分布'title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(w2e2)% 画累积概率分布图 axis(40,75,0,1);hold on;w2emea n=nu m2str(s1.mea n);w2estd=nu m2str(s1.std);text(56,0.23,'最小值=',nu m2str(s1.mi n);text(56,0

29、.18,'最大值=',nu m2str(s1.max);text(56,0.13,'均 值=',num2str(s1.mean);text(56,0.08,'中值=',num2str(s1.median);text(56,0.03,'标准差=',nu m2str(s1.std);title('对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlab

30、el('<-北南->');axis(1,116,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');matlab源程序:地点：主干道一花园部分磁场强度统计分布和概率累计分布图surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->');axis(1,116,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');matlab源

31、程序:clear all;close all;%读取文件%w2e=xlsread('data.xls','花园');%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,116);%为画平面场强图作准备 %w2e3=w2e2,zeros(1,116),1:116;w2e3=reshape(w2e3,116,3);%主干道一一花园部分%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 画柱状图axis(40,75,0,25);grid on;str='主干道一一花园部分;'信号电平概率分布'title(str)

32、;xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(w2e2)% 画累积概率分布图 axis(40,75,0,1);hold on;w2emea n=nu m2str(s1.mea n);w2estd=nu m2str(s1.std);text(56,0.23,'最小值=',nu m2str(s1.mi n);text(56,0.18,'最大值=',nu m

33、2str(s1.max);text(56,0.13,'均 值=',num2str(s1.mean);text(56,0.08,'中值=',num2str(s1.median);text(56,0.03,'标准差=',nu m2str(s1.std);title('对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->

34、9;);axis(1,116,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');matlab源程序:地点：教二教三之间部分磁场强度统计分布和概率累计分布图surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一花园部分信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->');axis(1,116,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');matlab源程序:clear all;close all;

35、%读取文件%w2e=xlsread('data.xls','教二教三');%转换成矩阵%w2e2=reshape(w2e,1,82);%为画平面场强图作准备 %w2e3=w2e2,zeros(1,82),1:82;w2e3=reshape(w2e3,82,3);%主干道一一教二教三之间部分 %figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);% 画柱状图axis(40,75,0,25);grid on;str='主干道一一教二教三之间部分;'信号电平概率分布'title(str);xlabel('电平值

36、(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线');subplot(1,2,2);h1,s1 = cdfplot(w2e2)% 画累积概率分布图 axis(40,75,0,1);hold on;w2emea n=nu m2str(s1.mea n);w2estd=nu m2str(s1.std);text(56,0.23,'最小值=',nu m2str(s1.mi n);text(56,0.18,'最大值=',nu m2str(s1.max);tex

37、t(56,0.13,'均 值=',num2str(s1.mean);text(56,0.08,'中值=',num2str(s1.median);text(56,0.03,'标准差=',nu m2str(s1.std);title('对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('主干道一一教二教三之间部分信号电平分布图');ylabel('<-西东->');xlabel('<-北南->');axis(1,8

38、2,1,2);caxis(40 75);colorbar('horiz');六、实验结果分析由于受到传播路径等诸多因素的影响, 磁场强度在一定范围内呈现高斯分布特性， 故磁场强度分布呈波动特性。 理论分析表明, 针对实测数据，可得到磁场强度的统计分布，对该分布进行高斯拟合，即可得上面的磁场强度统计分布。其中，蓝色矩形条为直方统计，红色曲线为高斯分布拟合曲线。拟合表达式为 如下表所示，显然拟合情况存在一定的偏差。f（X）二x.2，拟合参数F表给出拟合表达式所用参数:图书馆周围拟合参数表位置南北主干道-56.75.46学十部分-61.64.99食堂部分-61.44.80学八部分-5

39、8.013.59花园部分-52.44.13教二教三之间部分-54.865.31由概率累计分布图所示，斜率越大则表明磁场的分布区间越窄，即分布越集中。可 以看出几个方向的图基本符合s型曲线，其中学八部分的图最漂亮，且中间斜率较高，信号强度较为集中。由此可以看出学八部分信号较其他方向更为稳定。但图中某些区间内，出现了一个短暂的下降。原因如下：1、由于采集的点数为 200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、

40、 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，在测量到某些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两座建筑之间，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。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的区域，信号强度较强，在较远的地方信号强度较弱。由近 至远呈现出大尺度的

41、衰落规律。在个别区域，由于周围建筑物、树木的遮挡以及人群、车辆等的流动因素，使得这 些区域信号出现急剧的衰减。从大的范围来说，经验模型具有一定的概括性和统计意义，在实测信号场强时需要 根据相关数据对模型进行校正。七、任务分工数据测量，matlab编程。 数据测量，报告撰写。数据测量，录入。八、实验心得这次试验是我们走出实验室在校园内进行的一次有趣的实验。我和另两位同学一起 进行了南北主干道的场强测试，从北门到南门，一小步测一个数，并详细记录测试地点 周围的遮挡和环境变化。平时轻轻松松就能走完的一段路，没想到那天测完的时候竟然 这么累，不过实验很有意思，我也收获了不少。在电磁场课本还有现代通信技术课本上我们都学到无线通信的原理以及环境对无线通信造成的影响。短期快衰落和长期慢衰落、自由空间路径损耗