北邮电磁场实验_无线信号场强特性的研究..docx
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北京邮电大学
电磁场与微波测量实验
实验七无线信号场强特性的研究
学院：
班级：
组员：
1.实验内容
1.1实验目的
1.通过实地测量校园内室内外的无线电信号场强值，掌握室内外电波传播的规律；
2.熟悉并掌握无线电中的传输损耗，路径损耗，穿透损耗，衰弱等概念；
3.熟练使用无线电场强仪测试空间电场的方法；
4.学会对大量数据进行统计分析，得到相关传播模型。
1.2实验步骤
1.根据不同的地形地貌条件，归纳总结各种环境条件下可能采用的各种点播传播模型；在数据测试之前，先用理论模型在理论上对待测区进行一下分析；
2.观测波段的确定；实验地点的确定；
3.数据的测量；第一组数据在空间开放区域，地点自行选择，每半个波长为单位记录数据；
4.第二组数据可以选在室内，例如，楼道或房间，仍以半个波长为单位记录数据；
5.第三组数据在建筑物的遮挡下，观察“阴影衰弱”；总结衰弱服从的分布规律；
6.第四组数据可以找个地点，以反映建筑物外和建筑物内之间的场强差异。
对建筑物穿透损耗的测量结果进行分析，用室外平均信号场强减去同一位置室内的所测信号的额平均场强，得到的建筑物穿透损耗；
7.数据处理：
数据录用可以用excel表格等工具，表格设计要清晰，数据点评的分布和处理利用matlab等工具，得到不同区域下信号电平分布情况；得到累计概率分布曲线；得到理论值和实际值之间的标准差，进行误差分析；
8.根据不同区域的测试结果，进行比较分析，分析不同环境下造成这些结果的原因；
9.模型分析：
根据自己所测试的数据，分析不同地带的测试结果，所适用的理论模型。
2.实验原理
2.1电播传播方式
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，且这些物体的分布比较密集时，产生散射。
散射波产生于粗糙表面，如小物体或其他不规则物体，树叶，街道，标志，灯柱。
2.2无线信道中信号衰减
无线信道中的信号衰减分为衰弱，路径损耗，建筑物穿透损耗。
此外还有很多路径传播的影响.
1.移动环境下电波的衰弱包括快衰弱和慢衰弱（也叫慢衰弱），快衰弱的典型分布为Rayleigh分布和Rician分布；阴影衰弱的典型分布为正态分布。
快速衰弱和满衰弱两者构成移动通信系统中接受信号不稳定因素。
2.路径损耗：
测量发射机和接收机之间信号的平均衰弱。
即定义为有效发射功率（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（dB）。
距离是决定路径损耗大小的首要因素；除此之外，还与接收点的电波传播条件密切相关。
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，对任意的传输距离，大尺度平局路径损耗表示为：
PLddB=PLd0+10nlogdd0
即平均接收功率为：
PrddBm=PrdBm-PLd0-10nlogdd0=Prd0dBm-10nlogdd0
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为发射机与接收机之间的距离。
人们根据不同地形地貌条件，总结出各种电波传输；自由空间模型，布灵顿模型，Egli模型，HaTa-Okumura模型。
2.2.1自由空间模型
我们说的自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收平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达到移动台的。
自由空间模型计算路径损耗公式是：
Lp=32.4+20lgd+20Lgf
其中d是以公里为单位的移动平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。
2.2.2布灵顿模型
布灵顿模型假设发射天线和移动平台之间的地面时理想平面大地，并且两者之间的距离d（单位：
m）远大于发射天线的高度ht（单位：
Km）或移动台高度hr（单位：
Km），此时的路径消耗（单位：
dB）计算公式为：
Lp=120+4-Lgd-20Lght-20Lghr
2.2.3EgLi模型
EgLi模型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，其计算公式为：
Lp=88+40Lgd-20Lght-20Lghr+20Lgf-G
其中G为地形修正因子（单位：
dB）。
G反映了地形因素对路径损耗的影响。
LgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏∆h有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大，当∆h用米来测量的时候，可按照下面的式近似的估计地形的影响：
G=0∆h<15m2.431-∆h15∆h>15m150MHz频段3.051-∆h15∆h>15m280MHz频段
2.2.4HaTa-Okumura模型
HaTa-Okumura模型也是一句实测数据建立的模型，当移动台高度为静电纸hr=1.5m时，按照HaTa-Okumura模型计算路径损耗的公式为：
市区：
Lp1=69.55+26.2Lgf-13.82Lght+44.9-6.55LghtLgd
开阔地：
Lp2=Lp1-4.78Lgf2+18.33Lgf-40.94
一般情况下，开阔地的路径损耗都比市区小。
2.2.5建筑物的穿透损耗
定义：
建筑物外测量的信号的中值电厂强度和同一位置室内测量的信号中值电厂强度之差（dB）。
建筑物穿透损耗的大小同建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。
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=1Ni=1NPioutside-1Mj=1MPjinside
∆P为穿透损耗（dB），Pj是在室内所测得没一点的功率（单位：
dBμv），共M个点。
Pi是在室外所测的每一个点的功率（单位：
dBμv），共N个点。
3实验数据
3.1空间开放区域
我们选取了主楼前方音乐喷泉空地进行测量。
选取的频率是100Mhz。
得到的数据（共50个）如下：
（记录数据顺序为从上到下，再从左到右）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
-44
-41
-37
-36
-40
-39
-36
-32
-30
-32
-40
-35
-32
-34
-38
-33
-34
-30
-36
-36
-36
-34
-30
-34
-30
-32
-33
-34
-41
-38
-37
-49
-32
-35
-42
-39
-40
-43
-39
-44
-42
-44
-41
-44
-43
-44
-42
-40
-39
-37
根据数据绘出的图如下所示：
数据分布直方图为：
累计概率分布曲线为：
数据分析：
由图中数据可知，空间开放区域的信号强度出现多个峰值，且峰值大小成二次函数分布。
由于是在室外空旷场地测量，信号强度普遍良好，均值约为-37dB。
由其累计概率分布曲线可知，这块区域的电波传播比较符合布灵顿模型。
3.2室内区域
我们选取了北邮的教一一楼楼道内（从西至东）进行测量。
选取的频率是100Mhz。
得到的数据如下：
（记录数据顺序为从上到下，再从左到右）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
-43
-46
-44
-46
-50
-52
-55
-53
-56
-55
-56
-100
-57
-100
-100
-55
-100
-100
-100
-56
-100
-100
-100
-100
-100
-55
-100
-57
-50
-53
-56
-54
-44
-51
-47
-100
-54
-100
-54
-100
-55
-100
-100
-100
-100
-100
-100
-100
-100
-100
-100
-100
-56
-56
-54
-54
-53
-56
-47
-50
根据数据绘出的图如下所示：
数据分布直方图为：
累计概率分布曲线为：
数据分析：
由图中可以看出，教一一楼楼道内，信号衰减严重，最差的信号达-100dB,但有几个位置信号衰减较小，分别是楼道东西两侧门口处，这里比较开阔，遮挡物不多，因此信号良好；楼道中间是南侧大门入口，没有墙体遮挡，因此楼道中间的信号也较好。
另外由于窗户和楼道墙柱的间隔分布，还陈列着一台教务查询机器，环境相对复杂，中间靠西侧的信号出现了几个峰值，变化剧烈，但总体衰减还是很大（-100dB）。
由其概率分布图可知，在楼道内，信号衰减很大，且因为楼道内部和门口位置环境情况差异较大，导致信号强度分布范围大，但衰减大是趋势。
3.3建筑物遮挡
我们选取了科学会堂与主楼之间的道路（这里两边都有建筑物遮挡）进行测量。
选取的频率是100Mhz。
得到的数据如下：
（记录数据顺序为从上到下，再从左到右）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
-44
-50
-46
-42
-37
-38
-41
-44
-43
-53
-49
-47
-51
-48
-50
-50
-47
-47
-46
-46
-49
-54
-51
-51
-53
-48
-47
-50
-51
-52
-44
-53
-51
-51
-51
-54
-45
-46
-42
-38
-40
-47
-42
-38
-40
-47
-42
-40
-45
-53
-42
根据数据绘出的图如下所示：
数据分布直方图为：
累计概率分布曲线为：
数据分析：
由图中数据可知，科学会堂与主楼之间的过道信号衰减较小（均值约为-47dB），这是因为过道宽敞面积大，比较接近于自由空间，然而从进入过道（过道左右两边为高大的科学会堂和主楼）到走出过道（至教二北侧），信号的衰减变化很大，为大尺度衰落。
过道中间由于建筑物遮挡信号衰减较大，而过道两头由于遮挡较少信号衰减变小，且由概率分布图可知，其接近正态分布，这正好符合阴影衰落的特点。
3.4建筑物内和建筑物外的区别
我们选取了北邮的教一南侧道路进行测量。
选取的频率是100Mhz。
得到的数据如下：
（记录数据顺序为从上到下，再从左到右）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
电平值（dB）
-41
-45
-42
-48
-48
-44
-39
-38
-48
-45
-40
-39
-41
-43
-43
-43
-44
-43
-44
-43
-44
-42
-40
-39
-42
-39
-39
-37
-36
-39
-40
-45
-41
-43
-43
-50
-41
-42
-45
-45
-41
-48
-41
-45
根据数据绘出的图如下所示：
数据分布直方图为：
累计概率分布曲线为：
数据分析：
由图可知，教一南侧道路信号衰落较小，比较符合正态分布，由于路边间隔分布的树木遮挡，信号变化明显，出现了几个峰值，其中最大的峰值处于教一南侧与主楼前方空地的交接处，没有树木遮挡，因此信号良好。
用本组（第四组）教一南侧道路的数据的平均值减去第二组中教一一楼楼道的数据的平均值进行计算，可以求得建筑物穿透损耗：
P=（-42.4286）-（-71.1034）=28.6748dBm
可见建筑物对信号遮挡作用（穿透损耗）是相当大的。
4.程序代码
本次实验用excel录入采集到的数据，再用matlab软件进行画图和数据分析，程序代码如下：
%----------主楼前方音乐喷泉空地--------%
f1=xlsread（'D:
\data.xls','a2:
a51'）;
[f,xi]=ksdensity（f1）;
plot（f1）
title（'主楼前方音乐喷泉空地'）
xlabel（'测量点数'）
ylabel（'电平值（dB）'）
histfit（f1）
title（'主楼前方音乐喷泉空地'）
xlabel（'电平值（dB）'）
ylabel（'分布数量'）
[h,stats]=cdfplot（f1）
%----------教一一楼楼道------------%
f2=xlsread（'D:
\data.xls','b2:
b50'）;
[f,xi]=ksdensity（f2）;
plot（f2）
title（'教一一楼楼道'）
xlabel（'测量点数'）
ylabel（'电平值（dB）'）
histfit（f2）
title（'教一一楼楼道'）
xlabel（'电平值（dB）'）
ylabel（'分布数量'）
[h,stats]=cdfplot（f2）
%----------科学会堂与主楼之间的道路--------%
f3=xlsread（'D:
\data.xls','c2:
c48'）;
[f,xi]=ksdensity（f3）;
plot（f3）
title（'科学会堂与主楼之间的道路'）
xlabel（'测量点数'）
ylabel（'电平值（dB）'）
histfit（f3）
title（'科学会堂与主楼之间的道路'）
xlabel（'电平值（dB）'）
ylabel（'分布数量'）
[h,stats]=cdfplot（f3）
%----------科学会堂与主楼之间的道路--------%
f4=xlsread（'D:
\data.xls','d2:
d43'）;
[f,xi]=ksdensity（f4）;
plot（f4）
title（'教一南侧道路'）
xlabel（'测量点数'）
ylabel（'电平值（dB）'）
histfit（f4）
title（'教一南侧道路'）
xlabel（'电平值（dB）'）
ylabel（'分布数量'）
[h,stats]=cdfplot（f4）
5.误差分析
1、实验时我们选取了校园内比较宽敞的马路进行测量，但是由于地形原因，不同地方的遮挡不一样，阴影衰落也有所不同。
2、实验中，我们尽量每两步测一个数据，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，我们只能凭感觉找平均值，所以读数会有较大误差。
4、由统计产生的高斯分布需要大量数据，我们只记录了不到三百个数据，而每组差不多只有五六十个左右，数目偏少，故对于高斯分布拟合程度不算高。
6.实验心得与体会
本次实验初次接触场强仪，首先根据实验手册了解了一下基本操作。
可通过场强仪接收电台的信号，也让实验增添了趣味性。
我们选择了主楼和教一周边作为我们的测量地点，测量过程中由于没有考虑全面，所取整体数据不够多，而导致实验曲线与理想值有较大偏差。
通过本次实验，对阴影衰落有了直观上的了解，今后在实际问题中对于阴影衰落也能更肯定的加进考虑的范围。
实验后期对数据用MATLAB进行处理也让我们重温了并进一步学习了通原软件实验中学习的MATLAB知识。
总体来说，在实验过程中，我们对无线信道中的阴影衰落、路径损耗和建筑物穿透损耗的概念形成了初步认识，为数据的测量和分析打下了理论基础。
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