北邮大三下学期电磁场与电磁波实验

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：校医院4G信号场强特性的研究指导老师：日期：2015年6月目录一、实验目的 (1)二、实验原理 (1)三、实验内容 (3)四、实验步骤 (3)1、实验地点 (3)2、数据采集 (4)3、数据录入 (4)4、数据处理流程 (4)五、实验结果与分析 (4)1、磁场强度地理分布 (4)2、磁场强度统计分布 (4)3、建筑物的穿透损耗 (5)六、问题分析与解决 (5)1、测量误差分析 (5)2、场强分布的研究 (6)七、分工安排 (6)八、心得体会 (6)九、附录 (8)十、网络参量测量演示实验问卷 (19)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。

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）PL d dB PL d n d d010log/0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。

表1. 阴影衰落分布的标准差s （dB ）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 i j i j P P P NM ==∆=-∑∑ （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E8000手持频谱分析仪，实地测量校医院4G 信号场强。

四、实验步骤1、实验地点校医院一到四楼及一楼外一周2、数据采集利用E8000手持频谱分析仪测量联通4G无线信号（频率2555~2575MHz）的强度（单位：dBmw），分别对一到四楼以及一楼外进行测量，以半个波长（约0.68米，大约一步)为测量周期，记录该点读数。

实验中，我们在校医院内外采集数据的走向如下：由于校医院内部很多房间我们不方便进去，所以我们一到四楼我们就只在我们能活动的走廊里沿着走廊两边进行了测量，在校医院外部我们从校医院西北角开始，依次走了西侧、南侧、东侧、北侧。

3、数据录入将测量得到的数据录入Excel表格，一个地点用一列，在用matlab处理时我是每次处理一楼，然后把相应的列贴进a.xlsx文件（自己的MATLAB的导入文件），具体数据见附件1. 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。

五、实验结果与分析1、磁场强度地理分布在这儿只对各个地点的平均功率进行分析，从上图可以看出在一楼外与一楼楼道之间的穿透损耗还是很明显的，大约有5.87dBmw,（其实这里说是穿透损耗不是很准确，因为校医院南侧东侧外有花坛植物，有的地方还停的有车，东侧有很多小棚子，在楼内的话我们也不是在靠近墙壁内一周，而是在楼道里面，这样算下来平均得有10~20米的距离，所以这个值应该还包含一定的衰落值，包括阴影衰落和距离衰落）。

从一楼到四楼，随着楼层的升高可以看出信号强度是有缓慢升高的，但幅度不大，一共升高了0.62dBmw，一楼到二楼升高的幅度最大为0.33dBm，之上每层的升高就不是很明显了。

2、磁场强度统计分布起初我以为信号分布应该为正态分布，但是画完条形分布图之后发现怎么看都像瑞利分布，所以就画了条瑞利分布的曲线，果然感觉比正态分布好看多了（虽然我用KSTEST2函数检验出来结果在0.95的置信区间内既不是正态分布也不是瑞利分布，但我还是觉得应该是瑞利分布）累计概率分布图上图中蓝色是实际的累计概率图，红色的是B=1的瑞利分布概率累计曲线一楼的概率分布和累计概率分布一楼的数据到是挺符合正态分布的，基本都集中在-67.4附近，累计概率分布也拟合的挺好可以出二楼的数据更集中，基本所有数据都集中在67.2附近，基本就是均匀分布了，从右侧的概率累计分布曲线可以看出来，在-67.5~-67之间的斜率非常大，几乎就是垂直的无穷大，所以我估计二楼应该是有吸顶天线的（但是后来我专门跑去校医院看了一下，没有发现楼道里有吸顶天线）。

三楼的分布跟二楼差不多，标准差还要小一些，也是主要集中在-67.2一点，但是这个用正态拟合的图就要比二楼好看一些四楼的实验数据是看起来最不像正态分布的，主要集中在-67.2和-66.3两个地方，其实老师应该能看出来，除了一楼，其余的额二楼三楼四楼的数据都有两个峰，起初我也想不明白为什么会这样，就猜测应该是吸顶天线的位置可能和其他楼层不太一样，然后我就专门又跑校医院看了一下，楼道里居然没有吸顶天线，一楼到四楼都没有（也可能是有但我没有看到，毕竟我只在楼道里看了一下，没有到各个房间里去看），但是也有其他的发现，四楼长楼道里大部分是玻璃墙，短楼道是混凝土墙，导致这一段的数据会偏大而集中在-66.3附近。

而其他楼层都是混凝土墙，所以我觉得应该是这个原因才导致了四楼的分布会有两个峰，而不是呈现出一个峰的正态分布。

具体看下图。

由于一楼的测量路线和其他楼层不一样，这个相对来说比较均匀，所以应该是正态分布，而其他楼层基本都是小楼道加大楼道，所以基本都是两个峰。

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P1= -61.54dBmw，其标准差为。

σ=3.26。

同理可求得室内一层的磁场强度均值为P2= -67.41dBmw，标准差σ=0.44。

根据穿透损耗的定义可求穿透损耗P∆：∆=P1-P2=5.87dBmw.P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，4G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。

我们有幸能在本实验中使用能够测量高频的设备，选取的频段是信号强度相对较高的联通4G 2555~2575MHz频段。

中心频率2565MHz。

高频的测量需要密集踩点，记录的数据量需要很大，步长是需要人为控制的，可能会出现误差。

读数时，由于数值一直在跳动，所以读数也会产生一些误差。

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。