整理校园场强测量Word下载.docx
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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：
（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，特定位置的接受功率为随机对数正态分布即：
（式3）
其中，Xσ为0均值的高斯分布随机变量，单位dB；
标准偏差σ，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
50
150
300
3.5~5.5
4~7
9
11
13
450
6
7.5
15
18
900
6.5
8
14
21
表1.阴影衰落分布的标准差
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
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。
四、实验步骤
1、实验对象的选择
由于对衰落的现象比较感兴趣，我们选择了室内作为实验场所，经商议我们最终决定在第二教学楼进行场强的测量。
教二是坐南朝北的建筑方式，俯视楼体成“工”字形。
由下面的示图1可以看到，教二是北邮唯一一栋占有一块完整绿地的建筑，与马路均隔有一排树木的微型绿化带。
在教二的北方是北邮最高的建筑主楼，西侧是人流密度较大且覆盖校园无线网密集的教三（教二本身也覆盖无线网，只是信号强度不如教三好），无线覆盖的频段和我们测量频点97.4MHz差距较远，干扰可忽略。
东侧是建筑规模较小的网络中心楼（正对教二东侧有一个U型凹槽，对该处场强影响较大），南侧是较平整规则的一小排家属楼。
示图1.第二教学楼地理位置一览
在选频方面，我们决定采用北京人民广播电台的音乐广播频道FM97.4，因为老师说FM97.4是在全市范围内接收效果最好的一个广播频道（除交通广播以外）。
并且，考虑到FM97.4的频率接近100MHz，波长接近3m，数值较整；
而教二的室内铺设了较大块的瓷砖，我们测量发现一格约60厘米，故走两格半正好就是1.5m，这相当于走三步的路程。
故我们每走三步（即两格半）读一次数据，不易产生较大的间隔偏差。
2、数据采集
利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位：
dBmw），分别对第二教学楼室内外的信号进行测量，以半个波长（约1.5米，室内地砖两格半，大概走三步）为测量周期，记录该点读数。
对于建筑穿透损耗的测量就依据在室内一层的测量路径，相应地在建筑外围一层的路面上，转一圈测量，测量的方法与室内信号的测量方法类似（在室内走了几百个三步之后，步子大小已经基本规范）。
实验中，我们在第二教学楼室内外采集数据的走向如下：
示图2.教二内各层测量走向示意图
示图3.教二外围测量走向示意图
在室内，我们分别测了每层的场强数据（走向已经在示图2中标出），以及东、中、西三处各层楼梯（由下向上）的场强数据。
由于3楼东段被锁了，故该段数据无法获取。
在室外，我们采用了一楼由东向西的测量走向，以使室内外的测量数据更具可比性。
3、数据录入
将测量得到的数据录入Excel表格，得到一个由三张分表构成的总表：
室外数据表、室内第一次测量数据表、室内第二次测量数据表。
每层楼占用一列数据，列尾标注数据的采集地点、方向等信息；
特殊位置的数据用颜色标记，如加粗表示有门窗，蓝色表示每层中间楼梯口，绿色表示进入门关，黄色表示露天等。
如示图4所示。
示图4.数据表格部分截图
4、数据处理流程
采集到的数据有700多组，需要对数据进行细致的处理以便得到明确的结论。
下图所示为数据处理的流程图。
具体的Matlab代码和拟合方法在附录中进行了详细叙述。
五、实验结果与分析
1、磁场强度地理分布
磁场的地理位置分布在实际工程中有着重要意义。
基站的选址和盲区的测量均需要考究地理位置。
由于我们测量选取的中心频点是97.4MHz，属于低频，不会存在盲区，但磁场强度的地理位置分布仍对于我们理解磁场分布规律有帮助，故实地测量第二教学楼磁场空间分布。
A、室外分布
对于室外，得到了如图1所示的磁场强度空间分布图。
结合地形图（图2），进行分析。
图1.第二教学楼外围紧贴墙壁和内部1层磁场强度分布图
图2.第二教学楼实景地貌图（斜右上角为正北方向）
对比图1的磁场强度色度和图2地形，直观的结论是：
北侧由于面向主楼前的喷泉广场，地形相对开阔，建筑物阻隔较少，磁场强度值较高，表现为红移。
而西侧和东侧，处于叫三楼和网络中心楼夹缝之间，地势掩蔽，磁场较弱，呈现蓝移。
进一步仔细的观察可以发现，尽管东西两侧磁场普遍较弱，但也存在突发变强的点，这并非是数据噪声，而是因为建筑物有缺口（如东侧中间，网络中心楼产生了下凹，又如西侧教三楼门敞开，均产生了影响）。
由此可见，室外电磁场的分布基本遵循建筑物掩蔽效应的影响，即阻隔较多时场强均值表现为偏低，阻隔较少时相对较高。
但由于磁场强度受到多种电磁效应的影响，波动性明显。
B、室内分布
对于室内，将5层楼的磁场空间分布整合到一起，得到了图3所示的强度分布图。
图3.第二教学楼磁场强度分布图（西→东）
横轴为实地距离度量值，方向为从西到东，纵轴为按楼层排布的磁场强度（3层东侧楼层封锁无法测量）。
红色曲线为相邻值拟合磁场强度曲线，可直观反映磁场半波长距离磁场的高低变化，避免丢失磁场强度波动的细节。
从1层至5层，磁场强度的均值分别为：
-68.2、-59.2、-53.4、-52.0、-49.8，单位是dBmw，由蓝色直线表示。
从1层到5层，各层磁场强度的标准差分别为：
4.1、4.3、6.3、5.4、5.3。
楼层由低至高，磁场强度呈现增强的趋势。
室内墙壁、门和窗户对磁场有较大影响，表现为突出波动部分，但整体磁场强度的变化趋势是地理位置越高强度越大，这和理论分析一致，较高处受到的建筑物阻隔较少，电磁波在越接近自由空间的介质中传播损耗越少。
2、磁场强度统计分布
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，对该分布进行高斯拟合，得到了如图4所示的结果。
图4.第二教学楼各楼层磁场强度统计分布图
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
。
拟合参数如表2所示。
拟合的情况存在一定的偏差。
层数
1
-68.2
4.1
2
-59.2
4.3
3
-53.5
6.3
4
-52.0
5.4
5
-49.8
5.3
表2.教二分楼层拟合参数表
室内磁场的变化受到窗户和门的影响较大。
存在一些突发的变动。
在统计特性上呈现出来的是高斯拟合偏差的部分（上凸和下凹直方）。
对应于磁场统计分布，进行累积积分，可到到概率累积分布图，如图5所示。
斜率越大的图表明磁场的分布区间越窄，即分布越集中，高斯拟合的
值越小。
其中1楼的值分布最为集中。
图5.第二教学楼概率累积分布曲线图
3、建筑物的穿透损耗
由室外磁场强度分布值，由磁场强度均值定义
可求得室外磁场强度均值为
，其标准差为
同理可求得室内一层的磁场强度均值为
，标准差
根据穿透损耗的定义可求穿透损耗
：
查阅实际工程资料，得到的穿透损耗补偿是200M频段13dB。
测量值与工程值接近。
六、问题分析与解决
1、测量误差分析
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。
移动通信频段呈现的趋势是不断提升，3G已经在2000MHz左右了，此频段信号呈现出的地理位置的依赖性增强，通信的复杂性增加，可研究的点很多。
但高频设备较为昂贵。
本实验采用的设备能测量的频段属于模拟电视信号段。
而我们选取的频点在97.4MHz，属于低频，特性较好。
高频的测量需要密集踩点，记录的数据量需要很大，而且一点通常也不会只有一次读数，而应该是多次取中值的。
97.4MHz的频点大致是1.5m一个测量点，实测中室内磁场强度读数跳变不大，故1.5m测量和读数一次，可基本达到精度要求。
2、场强分布的研究
场强的分布研究可从两方面着手，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，例如基站或者发射塔定位、接收机的安装和灵敏度控制等等，均需要考虑空间分布和统计分布的影响。
从我们时间测量和实验整理的情况看，地理位置分布总体呈现出掩蔽效应，即场强和遮挡物的多少成反比，这与理论值一致，但分布值中存在的诸多的突发变动点，为位置预测带来了困难。
因而我们进行了统计分布的研究，统计分布值呈现的拟合效果不尽如人意，我们没有十足的把握说明场强的统计分布呈现高斯分布，这一方面由于现有测量数据拟合效果有偏差，另一方面是由于要求的测量数据不够（不到1000组），结论的可信度不够。
解决的最好方法不是自己再去测量更多的数据，而是和其他组同学联合各自的数据进行统一分析，结论就具有很高的可靠性了。
参考其他组同学的结论，高斯拟合仍然具有较高的可信度。
七、分工安排
谢：
测量读取，Matlab编程，数据处理、结果分析。
王：
测量记录，数据录入，图片处理，报告撰写。
八、心得体会
谢
本次实验我第一次实际体会了电磁波的传播特性，其波动性和掩蔽效应都很明显。
我对电磁波的阴影衰落和穿透损耗有了更切身的体会。
数据采集、数据处理、分布研究，这些最基本的电磁测量和研究方法在这个实验中都得到了体现。
研究频段的选择在低频，实验的难度下降了不少，但一次实际测量的体会，这种过程的积累，将对以后测试高频和把握高频的特性打下良好的基础。
实验数据处理不能算作技术活，但其处理过程却是比较繁琐，需要相当程度的细心。
由于其他的一些研究工作中，Matlab的使用比较多，用起来比较顺手，速度也加快了很多。
本次实验用到的核心函数仅有5个，其他的代码多是重复的或者是辅助画图的。
但图形的精细化处理和整合在工作中必不可少，此时使用GUI工具的效率会大大提升。
曲线拟合可在命令行下完成也可以使用拟合工具箱完成，Matlab提供的曲线拟合工具箱和统计工具箱是十分方便的工具。
数据的可视化给实验结论的得出带来了方便，分布的拟合为了解磁场统计特性提供了方法。
以后的学习工作中，要继续加强数据处理和数据可视化的学习和实践，这将对将来的工作和科研夯实基础。
实际中电磁波的测量研究大多是基于统计和概率的研究，这点在本次实验中得到了很好的体现。
例如，测量本身就是一种多点多次测量，磁场强度分布的得到是一种统计结论，穿透损耗的计算也是统计计量值。
这些值和分布虽然具有波动，但依旧服从一定的统计规律，这为实际的应用提供了可能。
例如，可以依据穿透损耗，对信号进行补偿，对接收机的灵敏度进行调整等等。
以后的工作和研究中，要有意识地积累更多的经验和参数结论，在工程应用中丰富自己。
王
本实验是大学以来第一次实地测量性实验。
与平时在实验室中照着书本或手册“依葫芦画瓢”大不相同的是，除了要完成理论到实践的过渡，还有许多实际问题等待着我们去分析和解决。
经过实验前的预习，我了解了电磁波在空间中反射，绕射和散射的三种传输模式；
并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。
开始实地测量的时候才发现，实验并不只是端着DS1131场强仪走几步读一个数据这么一个机械的简单重复过程。
虽然地点是熟悉的教二，如何规划测量的路线却让我们费了好一会儿心思。
于是在开始测数据前，我们考虑了画图的方案和穿透损耗的计算需求，从而选择了合适的室内外测量路线，并约定好对特殊地点的标记方法以便分析数据时有更多依据。
这一过程虽然花去了一些时间，但事实证明周到的计划能更好的指导行动，所以我们后续的测量思路非常清晰，没有绕弯子也没有做重复功。
由于本次实验需要采集的样本数据量比较大，为了找出看似随机数据背后的统计特性，我们使用了Excel录入数据，Matlab处理数据。
分析数据时，我们将一层的室内和室外数据单独提出来做了一张图，以便更直观地分析穿透损耗的影响；
然后室内一到五层采用汇总图列出比较，方便观察场强分布与楼层垂直高度变化的关系。
通过本次实验，我对电磁场与电磁波的特性以及移动通信的相关理论有了更为直观的认识，同时也体验到了做研究对人的考验：
周全的考虑、科学的态度、严谨的分析、细致地重复。
此外，如何合理地处理成员间的分工合作的关系，是能否高效率高质量的完成实验的关键。
这次自主实践的过程，不仅为今后的研究和学习打下了良好的基础，而且对未来可能遇到的各种实际问题提供了应对和解决的思路。
九、附录：
数据处理过程
本次实验涉及到的Matlab核心处理代码不多，处理函数也仅有几个。
作图涉及到诸多精细调整的地方（如图形排布、大小、位置，线形、颜色、粗细比例，标注的字体字号，坐标标度的特殊控制等等），使用代码控制作图细节将十分繁琐，故辅助采用了Matlab可视化工具处理。
这里仅列出关键处理函数和处理步骤，略去大量图形细节的函数和调整过程。
一并说明可视化拟合工具的使用。
1、磁场强度地理分布处理
拟合正文图1采用的方法主要是曲面拟合，为此，需要将一维的磁场强度扩展到二维，再由Matlab3D视图旋转视角得到平面视图。
采用Photoshop进行平面图像的整合。
主要的Matlab代码如下：
functionmfiDistribution（）
%%inputdataismagneticfieldintensity,denotedasmfiNby1.
%%loopandcalltoprocessalldataofdifferentdirections
%%needtousepictureprocesssoftwaretoobtainFigure1（herePhotoshop）
tmp=[mfi,mfi];
surf（tmp）,colorbar（'
north'
）;
为了得到较好的拟合效果，采用了相邻值拟合的方法。
使用Matlab拟合工具箱cftool完成。
如附录图1所示。
选择相邻点拟合的方式。
对每层楼进行分别拟合之后，统一对图形进行精细调整，得到正文图3的曲线。
附录图1.使用cftool处理磁场空间分布和拟合
其中的数值分析处理用到两个基本函数：
mean（）函数求取均值，var（）函数求取方差。
2、磁场强度统计分布处理
得到正文图4和参数值表2的关键代码只有两句：
%%histfitting,10blocks
histfit（mfi,10）
%%getGaussianfittingparametersmuandsigma
[mu,sigma]=normfit（mfi,10）;
得到正文图5概率累积分布曲线只用到一个关键函数cdfplot（）:
%%cumulativedistributionfunctionplot
cdfplot（mfi）;
3、建筑物的穿透损耗的计算
根据公式，使用均值函数和方差函数即可得到穿透损耗和其标准差：
%%buildingpenetrationloss
bpl=mean（mfi_outside）-mean（mfi_inside）;
%%standarddeviation
varoutside=var（mfi_outside）^0.5;
varinside=var（mfi_inside）^0.5;
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