电磁场与电磁波实验报告-校园无线信号场强特性的研究

1、 电磁场与电磁波实验报告-校园无线信号场强特性的研究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 班 级： 学 号: 班内序号： 姓 名： 目 录【实验目的】1【实验原理】1【实验内容】6【实验步骤】61实验对象的选择62数据采集63. 数据处理7【实验结果分析】7【实验心得】16【附录】16一、 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量方法，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

2、验原理1. 电磁波的传播方式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。对于接受者，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。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

3、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树叶街道标志灯柱。 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： 即平均接收功率为： 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

4、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) 自由空间模型自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。我

5、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来估计路径损耗。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：其中距离d的单位是公里，天线高度ht及hr的单位是

6、米，路径损耗Lp的单位是dB。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：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：若将移动台的经典高度值hr=1.5m代入EgLi模型则有：4) Hata-Okumura模型Hata-Ok

7、umura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：简化后为：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

8、位置的接受功率为随机对数正态分布即：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：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

9、，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表2.1阴影衰落分布的标准差（dB）4. 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

10、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：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) 研究建筑物穿透损耗的变化规律。 四、实验步骤1实验对象的选择开始时，我们决定测量主干道等处的阴影衰落分布规律，但是测量的当天有大风，场强仪读数很不稳定，所以我

11、们改测建筑物的穿透损耗。在选择测量地点时，考虑到教一的人少，可以减少干扰，我们测量了教一的各层走廊和外侧的场强分布。在选择频率时，我们用场强仪扫频，发现调频台102.6MHZ 的频段信号强度最好，受大风的影响相对较小，读数相对稳定，非常便于测量。2 数据采集利用场强测量仪DS1131对无线信号的功率值进行测量，在97.40MHz的频率下，波长约为2.92m，我们每走一大步（约0.7m）读一次数并进行记录。在读数变化较大的地方多测数据，在变化平稳的地方少测数据。在测量建筑物内的信号强度时，选取一层至四层。在测量建筑物外的信号强度时，采用围绕该建筑物一周的测量方法。测量地点：（1）教一一层走廊东侧

12、至西侧（2）教一二层走廊西侧至东侧（3）教一三层走廊东侧至西侧（4）教一四层走廊西侧至东侧（5）教一四周外侧甬路中心天气情况：晴 大风 气温：16°C频点选择：102.6MHZ实验路线图示：3 数据处理将采集到的数据录入excel表格中，再用matlab r2014a对数据进行细致的处理以便得到明确的结论。下图所示为数据处理的流程图。五实验结果分析1）教一一层走廊东侧至西侧 教一一层信号最大值40.4，最小值75.4，均值58.54，标准差8.707。从统计分布看，与标准正态分布曲线比较，基本上符合正态分布，累积概率分布曲线很平滑，均值与中值基本吻合。从信号分布图中可以看出，信号在中

13、间最强，及两侧较强，其余较弱。这是因为教一南侧门敞开，东西侧各有各有一扇门，其余地方是墙较封闭。 2）教一二层走廊西侧至东侧 教一二层信号最大值49.8，最小值73.4，均值60.91，标准差5.38。从统计分布看，与标准正态分布曲线比较，基本上符合正态分布，累积概率分布曲线很平滑，均值与中值基本吻合。从图中可以看出，中间和两边比其余地方场强较小，这是因为有楼梯处并没有窗户使得环境更加封闭，西侧场强较大处是因为该处为卫生间，当时房间门窗开着。3）教一三层走廊东侧至西侧教一三层信号最大值49.1，最小值72.9，均值60.3，标准差5.22。从统计分布看，与标准正态分布曲线比较，基本上符合正态分

14、布，累积概率分布曲线很平滑，均值与中值基本吻合。从图中可以看出，两边场强较大，这是因为我们向北侧的窗口处测了几组数据，此时坐标为10，45,65处为楼梯处，因为没有窗户使得环境更加封闭而场强较小，其余地方为机房，当时房门紧闭，所以信号较弱。4）教一四层走廊西侧至东侧教一四层信号最大值47.2，最小值69.1，均值57.2，标准差5.83。从统计分布看，与标准正态分布曲线比较，基本上符合正态分布，累积概率分布曲线很平滑，均值与中值基本吻合。四层的均值较前几层最大，这是因为在高处，因地面建筑物的遮挡损耗减小。 5）教一东侧由南往北教一外围东侧信号最大值40.4，最小值61.6，均值48.3977，

15、标准差5.5。从统计分布看，与标准正态分布曲线比较，由于数据量小，正态分布特征不明显，累积概率分布曲线很平滑，均值与中值基本吻合。从信号分布图中可以看出，坐标20处场强较小，这是因为有大树遮挡，坐标40处较小，这是因为此处为拐角有私家车停在那里。整体较之室内信号增强，这是因为室外更开阔。 6）教一北侧由东往西教一外围北侧信号最大值41.1，最小值61.7，均值49.6，标准差3.95。从统计分布看，与标准正态分布曲线比较，基本上符合正态分布，累积概率分布曲线很平滑，均值与中值基本吻合。从信号分布图中可以看出，坐标32处场强较小，这是因为此处为小白楼较之其他地方较高穿透损耗较大。东侧比西侧场强大

16、是因为东侧为图书馆，西侧为时光广场较开阔。整体方差较小，该路段变化较平稳。 7）教一西侧由北往南 教一外围西侧信号最大值36.2，最小值51.5，均值41.5667，标准差4。教一西侧场强分布较为均匀，并且比其余侧的均值大，这是因为西侧临近主干道，主干道两侧没有高大的树木，环境开阔，对信号的遮挡作用小，场强波动较小。8）教一南侧由西往东 教一外围南侧信号最大值34.7，最小值61.2，均值46.0059，标准差5.608。教一南侧由西向东场强呈增强的趋势，这是因为西侧临近教四，信号受到教四和周围高大树木的遮挡，并且主干道来往人流多，这都使得场强减小。东侧空间开阔，距离体育馆和主楼较远，受到的遮

17、挡少，因此场强较大。8）教一整体外侧教一外围信号最大值34.7，最小值61.7，均值46.8393，标准差5.5803。由于数据量大，实际样本分布更加接近于正态分布。误差来源可能有几个方面：因为场强仪示数波动，我们选取一个大概的平均值，从而引起读数误差；测量时周围有人经过，门的开合，篮球场上有人在打球，刮风等环境因素会带来误差。为了尽可能减小误差，我们在测量时会等场强仪示数稳定或波动范围很小时读数，并且保持天线朝向不变，从而减小误差。9）穿透损耗计算 查阅实际工程资料，砖混结构墙体的衰减范围是0.342-0.36dB/cm,而教一的墙体大约380mm,0.36*380/10=13.68dB,测

18、量值与工程值接近。八实验心得：九附录：1实验代码1）教一一层走廊东侧至西侧clear all;close all;first_floor=xlsread('A.xls','sheet1'); first_floor1=reshape(first_floor,1,81); first_floor2=first_floor1,zeros(1,81),1:81; first_floor2=reshape(first_floor2,81,3); figure(11) subplot(1,2,1); histfit(first_floor1);axis(30,80,0,2

19、0); grid on; title('教一一层信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量'); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线'); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(first_floor1) axis(30,80,0,1); hold on; first_floormean=num2str(s1.mean); first_floorstd=num2str(s1.std); text(56,0.23,'最小值=

20、 ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(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= ',num2str(s1.std); title('累积概率分布'); figure(12) surf(first_floor2'); title('教一一层电平分布图');

21、 xlabel('<-东 西->'); ylabel('<-南 北->'); axis(1,81,1,2); caxis(30,80); colorbar('horiz');2）教一二层走廊西侧至东侧clear all;close all;second_floor=xlsread('B.xls','sheet1'); second_floor1=reshape(second_floor,1,73); second_floor2=second_floor1,zeros(1,73),1:73;

22、second_floor2=reshape(second_floor2,73,3); figure(11) subplot(1,2,1); histfit(second_floor1);axis(30,80,0,20); grid on; title('教一二层信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量'); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线'); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(second_floor1) axis(3

23、0,80,0,1); hold on; second_floormean=num2str(s1.mean); second_floorstd=num2str(s1.std); text(56,0.23,'最小值= ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(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= &

24、#39;,num2str(s1.std); title('累积概率分布'); figure(12) surf(second_floor2'); title('教一二层电平分布图'); xlabel('<-西 东->'); ylabel('<-南 北->'); axis(1,73,1,2); caxis(30,80); colorbar('horiz');3）教一三层走廊东侧至西侧clear all;close all;third_floor=xlsread('C.xls

25、9;,'sheet1'); third_floor1=reshape(third_floor,1,72); third_floor2=third_floor1,zeros(1,72),1:72; third_floor2=reshape(third_floor2,72,3); figure(11) subplot(1,2,1); histfit(third_floor1);axis(30,80,0,20); grid on; title('教一三层信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量

26、9;); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线');subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(third_floor1) axis(30,80,0,1); hold on; third_floormean=num2str(s1.mean); third_floorstd=num2str(s1.std); text(56,0.23,'最小值= ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(s1.max); text(56,0.13,'均 值

27、= ',num2str(s1.mean); text(56,0.08,'中 值= ',num2str(s1.median); text(56,0.03,'标准差= ',num2str(s1.std); title('累积概率分布'); figure(12) surf(third_floor2'); title('教一三层电平分布图'); xlabel('<-东 西->'); ylabel('<-南 北->'); axis(1,72,1,2); caxis(30

28、,80); colorbar('horiz');4）教一四层走廊西侧至东侧clear all;close all;forth_floor=xlsread('D.xls','sheet1'); forth_floor1=reshape(forth_floor,1,62); forth_floor2=forth_floor1,zeros(1,62),1:62; forth_floor2=reshape(forth_floor2,62,3); figure(11) subplot(1,2,1); histfit(forth_floor1);axis(3

29、0,80,0,15); grid on; title('教一四层信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量'); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线'); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(forth_floor1) axis(30,80,0,1); hold on; forth_floormean=num2str(s1.mean); forth_floorstd=num2str(s1.std); text(56,0.23,&

30、#39;最小值= ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(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= ',num2str(s1.std); title('累积概率分布'); figure(12) surf(forth_floor2'); title('教一四层电平分布

31、图'); xlabel('<-西 东->'); ylabel('<-南 北->'); axis(1,62,1,2); caxis(30,80); colorbar('horiz');5）教一东侧由南往北clear all;close all;east=xlsread('E.xls','east'); east1=reshape(east,1,44); east2=east1,zeros(1,44),1:44; east2=reshape(east2,44,3); figure(11)

32、 subplot(1,2,1); histfit(east1);axis(30,80,0,15); grid on; title('教一东侧信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量'); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线'); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(east1) axis(30,80,0,1); hold on; eastmean=num2str(s1.mean); eaststd=num2str(s1.std

33、); text(56,0.23,'最小值= ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(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= ',num2str(s1.std); title('累积概率分布'); figure(12) surf(east2'); title(

34、9;教一东侧电平分布图'); xlabel('<-南 北->'); ylabel('<-西 东->'); axis(1,44,1,2); caxis(30,80); colorbar('horiz');6）教一北侧由东往西clear all;close all;north=xlsread('E.xls','north'); north1=reshape(north,1,81); north2=north1,zeros(1,81),1:81; north2=reshape(north2

35、,81,3); figure(11) subplot(1,2,1); histfit(north1);axis(30,80,0,30); grid on; title('教一北侧信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量'); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线'); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(north1) axis(30,80,0,1); hold on; northmean=num2str(s1.mean); n

36、orthstd=num2str(s1.std); text(56,0.23,'最小值= ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(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= ',num2str(s1.std); title('累积概率分布'); figure(12) surf(

37、north2'); title('教一北侧电平分布图'); xlabel('<-东 西->'); ylabel('<-南 北->'); axis(1,81,1,2); caxis(30,80); colorbar('horiz');7）教一西侧由北往南clear all;close all;west=xlsread('E.xls','west'); west1=reshape(west,1,42); west2=west1,zeros(1,42),1:42; west

38、2=reshape(west2,42,3); figure(11) subplot(1,2,1); histfit(west1);axis(30,80,0,15); grid on; title('教一西侧信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量'); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线'); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(west1) axis(30,80,0,1); hold on; westmean=num2str

39、(s1.mean); weststd=num2str(s1.std); text(56,0.23,'最小值= ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(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= ',num2str(s1.std); title('累积概率分布'); figur

40、e(12) surf(west2'); title('教一西侧电平分布图'); xlabel('<-北 南->'); ylabel('<-西 东->'); axis(1,42,1,2); caxis(30,80); colorbar('horiz');8）教一南侧由西往东clear all;close all;south=xlsread('E.xls','south'); south1=reshape(south,1,85); south2=south1,zeros(

41、1,85),1:85; south2=reshape(south2,85,3); figure(11) subplot(1,2,1); histfit(south1);axis(30,80,0,20); grid on; title('教一南侧信号电平分布'); xlabel('电平值(-dBm)'); ylabel('样本数量'); legend('实际样本分布','理想概率分布曲线'); subplot(1,2,2); h1,s1 = cdfplot(south1) axis(30,80,0,1); hold

42、on; southmean=num2str(s1.mean); southstd=num2str(s1.std); text(56,0.23,'最小值= ',num2str(s1.min); text(56,0.18,'最大值= ',num2str(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= ',num2str(s1.std); title(&#

43、39;累积概率分布'); figure(12) surf(south2'); title('教一南侧电平分布图'); xlabel('<-西 东->'); ylabel('<-南 北->'); axis(1,85,1,2); caxis(30,80); colorbar('horiz');2实验数据1）教一一层走廊东侧至西侧48.248.649.653.554.955.156.260.963.760.666.869.168.669.369.269.463.464.162.166.961.26

44、1.868.262.262.360.658.458.258.153.252.450.347.242.343.545.746.346.644.540.443.250.851.747.856.251.242.148.648.655.854.157.955.370.764.264.362.463.463.771.572.667.874.575.466.165.362.47171.458.662.463.965.960.759.359.464.658.356.349.649.22）教一二层走廊西侧至东侧64.764.257.367.264.964.160.460.860.763.665.563.665

45、.160.263.556.256.851.251.651.652.449.858.259.851.654.254.451.363.463.759.363.660.260.457.758.172.373.163.963.462.261.561.660.862.673.459.255.957.157.370.161.369.770.756.957.560.256.255.256.961.75956.261.361.961.761.662.162.369.667.270.261.53）教一三层走廊东侧至西侧52.161.255.958.46461.561.467.270.355.754.862.659.254.2