北京邮电大学电磁场与电磁波实验报告

信息与通信工程学院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姓名班级学号序号指导老师：日期：2012年4月目录一、实验目的 (1)二、实验原理 (1)1、电磁波的传播方式 (1)2、尺度路径损耗 (1)3、阴影衰落 (2)4、建筑物的穿透损耗的定义 (3)三、实验内容 (3)四、实验步骤 (4)1、实验对象的选择 (4)2、数据采集 (5)3、数据录入 (5)4、数据处理 (6)五、实验结果与分析 (7)1、磁场强度地理分布 (7)2、磁场强度统计分布 (13)3、建筑物的穿透损耗 (18)六、问题分析与解决 (18)1、测量误差分析 (18)2、场强分布的研究 (19)七、分工安排 (19)八、心得体会 (19)九、附录：数据处理过程 (21)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：()[]()()010log /0PL d dB PL d n d d =+ （式1）即平均接收功率为：()[][]()()()[]()Pr 010log /0Pr 010log /0d dBm Pt dBm PL d n d d d dBm n d d =--=-（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：()[]()[][]Pr Pr s Pr(0)10log(/0)d dBm d dBm X d dBm n d d X σ=+=-+ （式3）其中，X σ 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：22()())2x f x μσ-=- （式4） 应用于阴影衰落时，上式中的x 表示某一次测量得到的接收功率，μ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s σ(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 1503.5~5.5 4~7 9 11 13 4506 7.5 11 15 18 900 6.5 8 14 18 21表1. 阴影衰落分布的标准差s σ（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：()()1111N Moutside inside ij i j P P P N M ==∆=-∑∑ （式5）P 是穿透损耗，单位是dB ；j P 是在室内所测的每一点的功率，单位是dB v μ，共M 个点；i P 是在室外所测的每一点的功率，单位是dB v μ，共N 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，经过两人的商定，分别对北邮学生生活区的电磁场强度和教三内外的电磁场强度进行测量。

主干道的人流起伏较大，主干道路口附近的人流起伏更大，空间较为空旷。

教四和学二之间的道路人流较少且数量起伏不大，周围有茂密的植物和大量停放的自行车，与其垂直的小路人流更少，周边整洁，有学三和学四两幢高楼的遮挡。

教三是北邮体型最为庞大的教学楼，共有十层。

五层及以下是高楼层，层高大约6米，分布着大量教室，空间较大，过道宽敞，环境整洁，人流起伏较大。

五层以上是低楼层，层高大约3.5米，分布着多个学院的实验室，空间较为小，过道狭窄，人流起伏小。

教三外围是较为宽大的柏油路，周围没有较高的植物，以矮灌木为主。

示图1. 第二教学楼地理位置一览在选频方面，我们采用104Mhz。

并且，考虑到FM97.4的频率接近100MHz，波长接近3m，数值较整；而教三的室内铺设了较大块的瓷砖，我们测量发现一格约70厘米，故走两格正好就是 1.5m，这相当于走三步的路程。

故我们每走三步（即两格）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，我们在第三教学楼室内外采集数据的走向如下：示图2. 教三内各层测量走向示意图在室内，我们测了若干层的场强数据（走向已经在示图2中标出），在室外，我们采用了一楼沿着教三外墙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，为了便于MATLAB处理数据，将所有数据都存在一列，并注明地点和周边状态。

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600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。

数据采集数据整理和录入数据导入到Matlab场强空间分布统计分析、拟合、作图场强概率统计分析、拟合、作图穿透损耗计算和结论实验结论和报告整理五、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104MHz，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，故实地测量第三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. 第三教学楼外围紧贴墙壁和内部1层磁场强度分布图图2. 第三教学楼实景图（注：浅绿色箭头为室外测量路径，红褐色箭头为室内测量路径）经过matlab统计计算，得到图一的两张场强排列图。

在教三南侧的信号强度略低于教三一楼内部的强度。

从图1的第一张图看，可以看出在第27至第37个测量点的位置信号较强，这恰好是教三北门的位置，而此范围之外的信号强度普遍偏弱，波动较室内略强，可能与建筑物外部干扰较多有关。

从图2的第二张图看，信号分布较室外均匀，，第30至第35的采样点位置与室外第27至第35的采样点位置较接近，场强分布也较为相近。

在第48至第53采样点处的信号出现突增，而这附近时教三内部天井观光电梯附近，顶部有大型玻璃顶，信号骤变可能与电梯运行有关。

B、室内分布对于室内，将教三的第1、2、3、4、5层楼的磁场空间分布顺次排列如下。

图3-1. 第三教学楼第1、2、3、4、5层磁场强度分布图（东→西）图3-2，第三教学楼第9层磁场强度分布图（由西向东）通过计算，得到教三第1、2、3、4、5、9层的样本均值是64.79、65.74、64.32、58.35、60.40、57.20(dBm)。