北邮电磁场实验报告-校园内无线信号场强特性的研究

校园内无线信号场强特性的研究目录一．实验目的： (2)二．实验原理： (2)1．大尺度路径损耗 (2)2．阴影衰落 (3)3．建筑物的穿透损耗的定义 (4)三．实验内容： (5)四．实验步骤： (5)1．实验对象的选择 (5)2．数据采集 (5)3．实验数据 (6)4．数据处理 (7)五．程序代码： (8)六．实验结果分析 (11)七．数据分析： (17)1．实验结果： (17)2．结果分析： (19)八．实验心得： (20)九．参考资料： (22)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. 掌握在室内环境下的场强的正确测试方法，理解建筑物穿透损耗概念。

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。

对于接收者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接收信号，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。

1．大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收功率之间的dB 差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接收信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛地采用。

对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示式为：PL(d)[dB]=PL(d0)+10nlog(d/d0)即平均接收功率为：＿＿＿Pr(d)[dBm]=Pt[dBm]-PL(d0)-10nlog(d/d0)=Pr(d0)[dBm]-10nlog(d/d0)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（T-R）之间的距离。

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表示为斜率10ndB/10 倍程的直线。

n 值取决于特定的传播环境。

决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它还与接收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。

中值是使实测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)。

人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型：（1）自由空间模型（2）双径模型（3）Hata模型（4）Hat-cost231模型（5）Okumura 模型2．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(d)[dBm]=Pr(d)[dBm]+Xσ= Pr(d0)[dBm]-10nlog(d/d0)+ Xσ其中，Xσ为0 均值的高斯分布随机变量，单位为dB，标准偏差为σ，单位也是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，它的概率密度函数是：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，m 表示以dB 表示的接收功率的均值或中值，σ 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σ s (dB)是阴影效应的标准差。

σ s (dB)频率（MHz）准平坦地形不规则地形Δh(m)城市郊区50 150 300150 3.5---5.5 4---7 9 11 13450 6 7.5 11 15 18900 6.5 8 14 18 213．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：P是穿透损耗，单位是dB，P j是在室内所测的每一点的功率，单位是dBμv，共M 个点，P i是在室外所测的每一点的功率，单位是dBμv，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．实验对象的选择在实验课上老师讲解时，要求我们对室内信号或者室外信号进行测量。

经过我们组内协商，决定对教一的周边室外信号进行测量。

在选择频率时，我们选择了CHANNEL2的109.75MHZ 的频段，由于此信号强度较好，且有起伏变化，并且能听到channel2的频道伴音，因此很适合本次实验的测量工作。

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190.75MHZ的频率下，半波长为0.78m,每走一大步读一次数并进行记录。

我们测量共测量的六组数据进行分析比较，分别是教一与主楼，靠近与远离教一分别测了两组，教一与图书馆，靠近与远离教一分别测了两组，教一与体育馆之间，教一与教四之间。

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）教一与主楼，靠近教一侧（2）教一与主楼，远离教一侧（3）教一与图书馆，靠近教一侧（4）教一与图书馆，远离教一侧（5）教一与体育馆之间（6）教一与教四之间天气情况：微风频点选择：190.75MHZ3．实验数据数据1教一与主楼之间道路（教一内侧）数据2：教一与体育馆之间道路4．数据处理实验时测量的数据比较多，因此在处理时采用MATLAB R2010A软件进行处理，具体数据处理流程如下：五．程序代码：clear all;close all;%-------------读取文件---------------%w2e=xlsread('data.xls','w2e');s2n=xlsread('data.xls','s2n');e2w=xlsread('data.xls','e2w');n2s=xlsread('data.xls','n2s');w2eout=xlsread('data.xls','w2e out');e2wout=xlsread('data.xls','e2w out');%total=xlsread('data.xls','total');%-------------转换成矩阵------------%w2e2=reshape(w2e,1,97);s2n2=reshape(s2n,1,54);e2w2=reshape(e2w,1,110);n2s2=reshape(n2s,1,44);w2eout2=reshape(w2eout,1,133);e2wout2=reshape(e2wout,1,85);%total2=reshape(total,1,346);%---------为画平面场强图作准备----------% w2e3=[w2e2,zeros(1,97),[1:97]]; w2e3=reshape(w2e3,97,3);s2n3=[s2n2,zeros(1,54),[1:54]];s2n3=reshape(s2n3,54,3);e2w3=[e2w2,zeros(1,110),[1:110]];e2w3=reshape(e2w3,110,3);n2s3=[n2s2,zeros(1,44),[1:44]];n2s3=reshape(n2s3,44,3);w2eout3=[w2eout2,zeros(1,133),[1:133]];w2eout3=reshape(w2eout3,133,3);e2wout3=[e2wout2,zeros(1,85),[1:85]];e2wout3=reshape(e2wout3,85,3);%-----------教一与主楼之间道路（教一内侧）-----------%figure(11)subplot(1,2,1);histfit(w2e2);%画柱状图axis([40,80,0,30]);grid on;str={'教一与主楼之间道路（教一内侧）'; '信号电平概率分布'};title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线'); subplot(1,2,2);[h1,s1] = cdfplot(w2e2)%画累积概率分布图axis([40,80,0,1]);hold on;w2emean=num2str(s1.mean);w2estd=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(' 对应累积概率分布');figure(12)surf(w2e3');%画衰落强度图title('教一与主楼之间道路（教一内侧）信号电平分布图');xlabel('<--西东-->');ylabel('<--北南-->');axis([1,97,1,2]);caxis([40 80]);colorbar('horiz');%------------教一与体育馆之间道路-----------%figure(21)subplot(1,2,1);histfit(s2n2);axis([40,80,0,20]);grid on;title('教一与体育馆之间道路信号电平概率分布');xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线'); subplot(1,2,2);[h1,s1] = cdfplot(s2n2)axis([40,80,0,1]);hold on;s2nmean=num2str(s1.mean);s2nstd=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(' 对应累积概率分布');figure(22)surf(s2n3');title('教一与体育馆之间道路信号电平分布图');xlabel('<--南北-->');ylabel('<--西东-->');axis([1,54,1,2]);caxis([40 80]);colorbar('horiz');%-------------教一与图书馆之间道路（教一内侧）-----------%figure(31)subplot(1,2,1);histfit(e2w2);axis([40,80,0,30]);grid on;str={'教一与图书馆之间道路（教一内侧）'; '信号电平概率分布'};title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线'); subplot(1,2,2);[h1,s1] = cdfplot(e2w2)axis([40,80,0,1]);hold on;e2wmean=num2str(s1.mean);e2wstd=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(' 对应累积概率分布');figure(32)surf(e2w3');title('教一与图书馆之间道路（教一内侧）信号电平分布图');xlabel('<--东西-->');ylabel('<--南北-->');axis([1,110,1,2]);caxis([40 80]);colorbar('horiz');%-----------教一与教四之间道路------------% figure(41)subplot(1,2,1);histfit(n2s2);axis([40,80,0,20]);grid on;title('教一与教四之间道路信号电平概率分布');xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线'); subplot(1,2,2);[h1,s1] = cdfplot(n2s2)axis([40,80,0,1]);hold on;n2smean=num2str(s1.mean);n2sstd=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(' 对应累积概率分布');figure(42)surf(n2s3');title('教一与教四之间道路信号电平分布图');xlabel('<--北南-->');ylabel('<--东西-->');axis([1,44,1,2]);caxis([40 80]);colorbar('horiz'); %--------教一与主楼之间道路（教一外侧）------------%figure(61)subplot(1,2,1);histfit(w2eout2);axis([40,80,0,30]);grid on;str={'教一与主楼之间道路（教一外侧）'; '信号电平概率分布'};title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线'); subplot(1,2,2);[h1,s1] = cdfplot(w2eout2)axis([40,80,0,1]);hold on;w2eoutmean=num2str(s1.mean);w2eoutstd=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(' 对应累积概率分布');figure(62)surf(w2eout3');title('教一与主楼之间道路（教一外侧）信号电平分布图');xlabel('<--西东-->');ylabel('<--北南-->');axis([1,133,1,2]);caxis([40 80]);colorbar('horiz');%-------教一与图书馆之间道路（教一外侧）--------%figure(81)subplot(1,2,1);histfit(e2wout2);axis([40,80,0,30]);grid on;str={'教一与图书馆之间道路（教一外侧）'; '信号电平概率分布'};title(str);xlabel('电平值(-dBmw)');ylabel('样本数量(个)');legend('实际样本分布','理想概率分布线'); subplot(1,2,2);[h1,s1] = cdfplot(e2wout2)axis([40,80,0,1]);hold on;e2woutmean=num2str(s1.mean);e2woutstd=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(' 对应累积概率分布'); figure(82)surf(e2wout3');title('教一与图书馆之间道路（教一外侧）信号电平分布图');xlabel('<--南北-->');ylabel('<--东西-->');axis([1,85,1,2]);caxis([40 80]);colorbar('horiz');%--------显示各个均值和标准差--------% westV=[w2emean,' ',w2estd]southV=[s2nmean,' ',s2nstd]eastV=[e2wmean,' ',e2wstd]northV=[n2smean,' ',n2sstd]platformV=[w2eoutmean,' ',w2eoutstd] BplatformV=[e2woutmean,' ',e2woutstd]六．实验结果分析实验处理结果：（1）教一与主楼，靠近教一侧（2）教一与主楼，远离教一侧（3）教一与图书馆，靠近教一侧（4）教一与图书馆，远离教一侧（5）教一与体育馆之间（6）教一与教四之间七．数据分析：1．实验结果：累积概率(单位：-dbw) 1）教一与主楼，靠近教一侧最小值：52.3最大值：74.9均值：62.1857标准差：4.2132中值：622）教一与主楼，远离教一侧最小值：53最大值：74.4均值：62.0361标准差：4.613中值：61.93）教一与图书馆，靠近教一侧最小值：52.4最大值：74.2均值：62.7864标准差：4.6387中值：61.954）教一与图书馆，远离教一侧最小值：50.3最大值：72.7均值：60.1729标准差：59.2中值：4.72155）教一与体育馆之间最小值：54.4最大值：73.8均值：60.5926标准差：4.5643中值：59.56）教一与教四之间最小值：51.3最大值：72.6均值：62.3545标准差：4.9412中值：62.42．结果分析：从局部上看，教一与主楼（内）西部比东部的衰减大，因为西部有教三，教四比较大的建筑阻拦。