1、信息與通信工程學院電磁場與電磁波實驗報告題目：校園內無線信號場強特性的研究姓名班級學號序號201121111220112111122014年5月1實驗目的12實驗原理12.1大尺度路徑損耗12 1 111 l-l-1 -i-.丨龍922.1.2 布靈頓模型22.1.3 egli 模型22.1.4 hata-okumura 模型32.2陰影衰落32.3建筑物的穿透損耗的定義43實驗內容44實驗步驟54地點選擇54.2頻道選擇54.3數據采集54.4數據處理55實驗結果與分析75.1各區域數據75.1.1新科研樓數據（東、南、西、北側、匯總）75.2計算建筑穿透損耗95.3實驗結論95.4誤差分析

2、96分工安排107心得體會107.1 陳煥部分107.2 中濤部分108附錄108.1 matlab 代碼108.2 實驗原始數據111實驗目的1) 掌握在移動環境下陰影衰落的概念以及止確測試方法。2) 研究校園內各種不同環境下陰影衰落的分布規律。3) 掌握在室內環境下場強的止確測試方法。4) 通過實地測量，分析建筑物穿透損耗隨頻率的變化關系。5) 研究建筑物穿透損耗與建筑物材料的關系。2實驗原理無線通信系統是由發射機、發射天線、無線信道、接收機、接收天線所組成，對于接收者，只有處 在發射信號的覆蓋區內，才能保證接收機正常接收信號，此時，電波場強大于等于接收機的靈敏度。因 此，基站的覆蓋區的大

3、小，是無線工程師所關心的。決定覆蓋區的大小的主要因素有：發射功率、饋線 及接頭損耗、天線增益、天線架設高度、路徑損耗、衰落、接收機高度、人體效應、接收機靈敏度、建 筑物的穿透損耗、同播、同頻干擾。2.1大尺度路徑損耗在移動通信系統中，路徑損耗是影響通信質量的一個重要因素。大尺度平均路徑損耗：用于測量發射機與接收機之間信號的平均衰落，即定義為有效發射功率和平 均接收功率之間的差值，根據理論和測試的傳播模型，無論室內或室外信道，平均接收信號功率隨距離對 數衰減，這種模型已被廣泛地使用對任意的傳播距離，大尺度平均路徑損耗表示為：一一dpl(d)db = pl(do) +1 on log()do即平均

4、接收功率為：pr(d)dbm = pdbm- pl(jo)一 10/7 log() = pr(ddbm-1 onlog()dodo其中，n為路徑損耗指數，表明路徑損耗隨距離增長的速度；血為近地參考距離；d為發射機與接收 機(tr)之間的距離。以上兩公式中的橫杠表示給定值d的所有可能路徑損耗的綜合平均。坐標為對 數對數時，平均路徑損耗或平均接收功率可表示為斜率10ndb/10倍程的直線。n值依賴于特定的傳播 環境。例如在自由空間，n為2,當有阻擋物時，n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它述與接收點的電波傳播條件密切相關。為此，我們 引進路徑損耗中值的概念。中值是使實測數據中一半大

5、于它而另一半小于它的一個數值(對于狀態分布 屮值就是均值）。人們根據不同的地形地貌條件，歸納總結出各種屯波傳播模型。下面介紹幾種常用的 描述大尺度衰落的模型。常用的電波傳播模型如下：2.1.1自由空間模型自由空間模型假定發射天線和接收臺都處在自由空間。我們所說的自由空間一是指真空，二是指發 射天線與接收臺之間不存在任何可能影響電波傳播的物體，電波是以直射線的方式到達移動臺的。自由 空間模型計算路徑損耗的公式是：厶 =32.4 + 20lgd + 20lgt其屮lp是以db為單位的路徑損耗，d是以公里為單位的移動臺與基站之間的距離，f是以mhz為 單位的移動工作頻點或工作頻段的頻率?？諝獾奶匦钥?/p>

6、近似為真空，因此當發射天線與移動臺距離地面都較高時，可以近似使用自由空間模 型來估計路徑損耗。2.1.2布靈頓模型布靈頓模型假設發射天線和移動臺之間的地面是理想平面大地，并且兩者之間的距離d遠大于發射 天線的高度ht,或移動臺的高度hr,此時的路徑損耗計算公式為：s = 120 + 40lgd - 20lght - 20lghr其中距離d的單位是公里，天線高度ht及hr的單位是米，路徑損耗lp的單位是db。2.1.3 egli 模型前述的自由空間模型及布靈頓模型都是基于理論分析得出的計算公式。egli公式則是從大量實測結 果中歸納出來的中值預測公式，屬于經驗模型，其計算式為：s 二 88 +

7、40 lgd 一 20lght - 20lghr + 20lgf 一 g其中路徑損耗lp的單位是db,距離d的單位是公里，天線高度ht及hr的單位是米，工作頻率f 的單位是mhz,地形修正因子g的單位是db。g反應了地形因素對路徑損耗的影響。egli模型認為路 徑損耗同接收點的地形起伏程度ah有關，地形起伏越大，則路徑損耗也越大。當ah用米來測量吋，可 按下式近似的估計地形的影響：0a/? < 15ma/yg = 2.43(1 )h > 15m 150mhz頻段15az；3.05(1)a/?>15m 2s0mhz 頻段157若將移動臺的經典高度值hr=1.5m代入egli模型

8、則有：lp = 84.5 + 40lgd 一 20lght + 20 lgf 一 g2.1.4 hata-okumura 模型hata-okumura模型也是根據實測數據建立的模型。當移動臺的高度為典型值hr=1.5m時，按 hata-okumura模型計算路徑損耗的公式為：市區內的hata模型為：lp4 = 69.55 + 26.16厶妙 一 13.s2lghte -+ (44.99 - 6.55lghre)lgd + cm + g簡化后為：lp = 69.55 + 26.2lgf -13.82 厶刃 + (44.99 - 6.55厶勸/)20 厶關2.2陰影衰落在無線信道里，造成慢衰落的最

9、主要原因是建筑物或其它物體對電波的遮擋。在測量過程中，不同位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率也不同，這樣就會觀察到衰落現象。由于這種原因造成的衰落也叫“陰影效應"或“陰影衰落雹在陰影衰落的情況下，移動臺被建筑物所遮擋，它收到的信號是各種繞射反射，散射波的合成。所以，在距基站距離相同的地方，由于陰影效應的不同，它們收到的信號功率有可能相差很人，理論和測試表明，對任意的d值，特定位置的接受功率為隨機對數正態分布即:dpr(= pr(d)dbm+ xs = pr(do)dbm - 10nlog(一) + xcrdo其中，x”為0均值的高斯分布隨機變量，單位db,標準偏差cr,單位d

10、b。對數止態分布描述了在傳播路徑上，具有相同tr距離時，不同的隨機陰影效應。這樣利用高斯分 布可以方便地分析陰影的隨機效應。正態分布，也叫高斯分布，概率密度函數為：/w=vexp(_ll)應用于陰影衰落吋，上式中的x表示某一次測量得到的接收功率，“表示以db表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的標準差，單位是db。陰影衰落的標準差同地形，建筑物類型，建筑物密度等有關，在市區的150mhz頻段其典型值是5db。除了陰影效應外，大氣變化也會導致陰影衰落。比如一天屮的白天，夜晚，一年中的春夏秋冬，天 晴吋，下雨時，即使在同一個地點上，也會觀察到路徑損耗的變化。但在測量的無線信道中，大氣變化 造成

11、的影響要比陰影效應小的多。下面表1是陰影衰落分布的標準差，其屮q(db)是陰影效應的標準差。a (db)j頻率(mhz)準平坦地形不規則地形ah (米)城市郊區501503001503.5 5.5479111345067.51115189006.58141821表格1影衰落分布的標準差(db)2.3建筑物的穿透損耗的定義建筑物穿透損耗的大小對于研究室內無線信道具有重要意義。穿透損耗又稱大樓效應，一般指建筑 物一樓內的中值電場強度和室外附近街道上中值電場強度db之差。發射機位于室外，接收機位于室內，電波從室外進入到室內，產生建筑物的穿透損耗，由于建筑物 存在屏蔽和吸收作用，室內場強一定小于室外的

12、場強，造成傳輸損耗。室外至室內建筑物的穿透損耗定 義為：室外測量的信號平均場強減去同一位置室內測量的信號平均場強。用公式表示為：1 n1 mp _，p(oufside)2，p (imide)p是穿透損耗，單位是db；匕是在室內所測的每一點的功率，單位是dbpv,共m個點; 片是在室外所測的每一點的功率，單位是db/llv ,共n個點。3實驗內容利用ds1131場強儀，實地測量信號場強。1) 研究具體現實環境下陰影衰落分布規律，以及具體的分布參數如何。2) 研究在校園內電波傳播規律與現有模型的吻合程度，測試值與模型預測值的預測誤差如何。3) 研究建筑物穿透損耗的變化規律。4實驗步驟4.1地點選擇

13、我們的研究重心是學校內建筑的穿透損耗，對室內室外均要進行一定數量的測試，并要求每個樓層 的結構基木相同。我們選擇了做磚石結構建筑的穿透損耗的分析。上網百度了一下以往的報告，發現并 沒有對食堂的測量研究。考慮到學校里有兩個食堂，并且一個是磚石結構，另一個是鋼筋混凝土結構， 便于另一組同學商議好，各擇其一進行測量，方便進行對比。所以，我們選擇了新科研樓作為測試點， 室外對東南西北四面均進行了測量。4.2頻道選擇我們需要毎隔半個波長測一個數據。調頻立體聲廣播64.25mhz信號(ch2)較強且穩定，經計算其波 長為4.67米，而半波長為2.34米，人的步幅大概為0.7-0.8米，所以每走三步進行一次

14、測量剛好符合， 容易把握。所以我們選擇了調頻立體聲廣播64.25mhz進行測量。4.3數據采集室外：從新科研樓北面馬路開始，往返兩次共采集231個數據；東側101個數據；南側128個數據; 西側81個數據。方位新科東側新科南側新科西側新科北側采集個數/個10112881231折返次數2212表格2數據采集分布表4.4數據處理數據處理流程如下:表格3數據處理流程圖5實驗結果與分析5.1各區域數據5.1.1新科研樓數據（東、南、西、北側、匯總）新科樂側s號電平分布宜方囹20（15105新科樂側佶號電平累積概率分布1imi采集電平宿080.6040.2舒科南側信號電平累積概率分布0-80-75-70

15、65-60-55電平值/dbmw最大值=-5617i最4'值s75#30平均 1=-64:2861-標準全=-十56&* 0£*118075-70-65-60-55電平値/dbmw201510550-70-60電平值/dbmw/科南虬倍號電平分布直方圖08060.2-50-70-60電平值/dbmw新科南側信號電平祇率分布對比正態分布0.2°800 150 05-75-70-65-60-55電平值/dbmw-50圖1新科東側數據統計圖1新科南側數據統計新科西側信號電平分布直方圖新科西側信號電平累積概率分布-80v、皿-80-70-60-50電平值/dbmw-

16、70-60-50電平值/dbmw圖2新科西側數據統計新科四側一信號電平分布直方圖120新科北側倍號電平分布直方圖60:采集電平值電平值/dbmwv、皿0.80.6°80新科北側信號電平累積槪率分布1040.2-70-60-50電平值/dbmw圖3新科北側數據統計10080604020-50-70-60電平值/dbmw新科四側一信號電平累積概率分布1采集電平宿?800.80 6040.2°80-50-70-60電平值/dbmw新科四側一信號電平概率分布對比正態分布0.25?800.20.150.10.05-75-70-65-60電平值/dbmw-55-50圖4新科四側匯總數據

17、統計從圖15可以看出，新科研樓東側數據波動較大，相對而言是離理想正態分布最遠的一個，而另外 三側擬合效果較佳。5.2計算建筑穿透損耗新科研新科研新科研新科研新科研 樓四側 匯總地樓東側樓南側樓西側樓北側均值-64.2861-64.3203-63.3988-65.1117-64.5139標準(74.56015.42274.75814.48274.7998表格4采樣值均值匯總在本次實驗中，我們要計算的穿透損耗是室內外通過墻壁的穿透損耗，即磚石造成的穿透損耗。1 n1 mp = ，p(outside) p (inside)_萬幺 i7利用新科研樓的數據可計算得穿透損耗為：52.2919-46.768

18、=5.5239dbo5.3實驗結論1. 室內信號的變化(1) 橫向比較在建筑物內部的同一樓層的不同區域，穿透損耗是不同的，每一層都是靠近窗口位置處接收效果好, 越靠里衰減越明顯。(2) 縱向比較建筑物不同樓層的同一區域信號損耗是不同的。一層的衰減最大，因為傳輸過程受到的遮擋本來就 比較大在室外信號就不強，經過建筑物的吸收信號就很弱了，越往上層信號大致越來越強，因為遮擋物 越來越少，少了周圍的建筑物對信號的吸收。所以老食堂二層數據的均值比一層的要大。2. 建筑物的穿透損耗不同結構的建筑物對信號的屏蔽和吸收作用程度不同，穿透損耗也就不同，通常鋼筋混凝土結構的 建筑物的穿透損耗要比磚石結構的建筑物的

19、穿透損耗大。本次實驗我們計算出了老食堂磚石的穿透損 耗，僅為 5.5239dbo5.4誤差分析1、我們在下午4點開始新科研樓外的數據，測到中途5點多吋，到食堂去吃飯的人流比較多，隨機性 較大，給場強帶來了相當不穩定的變化。2、實驗中，我們盡量每三步測一個數據，但是步長不準確帶來了距離上的誤差。3、記錄數據時，場強儀的跳動變化比較大，只能憑感覺找平均值，故讀數會有較大誤差。4、由統計產生的高斯分布需要大量數據，我們只記錄了五百多個數據，但西側數據不到100個，數目 偏少，故對于高斯分布擬合程度不算高。若增加測量的數據數量，擬合度能得到提高。6分工安排姓名陳煥申濤分工測量讀取，matlab編程，

20、數據處理，報告撰寫測量記錄，數據錄入， 結果分析表格5分工安排7心得體會7.1陳煥部分7.2申濤部分8附錄8.1 matlab 代碼處理本次實驗的數據的關鍵代碼是使用matlab自帶的函數，大部分繁瑣的工作都在于調節圖片的細 節，此處給出老食堂室外北側所測數據的處理過程，其他數據的處理類似。%東南西北四側數據繪制將* all'改成* east * f title改成相應方位即可tb=x1sread ('電磁場數據.xls 1a * all');mmin=min(tb);%mininum value of magnitudemmax=max(tb);%maxium val

21、ue of magnitudemmean=mean(tb);%mean valuem of magnitudemstd=std(tb);%standard error of magnitudefigure(1)subplot(221);hist (tb);grid on;%draw a histogramnf xout =hist (tb) ; %n為相應電平值的個數title ( *新科四側_信號電平分布直方圖1 );xlabel ( 1 電平值 /dbmw1 ) ; ylabel ( * 釆集點數目 /個，); legend ('采集電平值* );subplot (222);cdf

22、plot (tb);咎電平值的累積概率分布titled新科四側_信號電平累積概率分布，)； xlabel ('電平值/dbmw * ) ; ylabel ( * 累積概率 * ); xpositon=mmin;ypositon=l;text (xpositon, ypositon-0 05, 1 最大值=1 , num2str (mmax); text (xpositon, ypositon-0 15, 1 最小值=1 , num2str (mmin);text (xpositon, ypositon-0 25/ 1 平均值= 1 , num2str (mmean); text (xp

23、ositon, ypositon-0.35, 1 標準差=1 , num2str (mstd); subplot (212);x=mmin:0.5:mmax;y=normpdf(xz mmean,mstd);plot (x,y, 1r1);hold on;grid on;% xout=linspace(min(xout),max(xout),1)% bar (xout, n/length (tb) ) ;%條形圖plot(xout,n/length (tb);title新科四側_信號電平概率分布對比正態分布，); xlabel ('電平值/dbmw * ) ; ylabel ( * 概

24、率 * );legend ('理想正態分布* ,'實測數據分布1 );8.2實驗原始數據h期lr地點lr2014/4/27新科研樓lq6lq1ov91orh00lq1lq3卜v lq14lq1&91o寸91zrh z1006lq1寸91寸1oo6lq19芒1寸cm91cos16991oco9100co9100&91ooq91zo1oco9100lo1cos00v lo166 g1lo1oc-991寸991卜29g91co&lo16g91寸v919o1卜 o1colo1寸lo9196916茫1o691lo ! 91寸co91lolo91gol9茫1co&a

25、mp;lo1o5cov91os1卜r-h91lq00lo1寸& lo19g91lqv91卜co91寸& lo16srh 寸91寸co91co寸916s1z919s1cmlo91甘91cm1glo91loco91cm9100& lo1co 訂1卜&lo1寸lo919話1co00lo16話1cooq919s1cm co91og916茫1lot<9o1olo1vh茫1oq&916cm91cooo91vh009160091o0091lqlq91o9919v91卜s1oqolqlq91卜691cq69100t<9s1u&91寸lq91寸cm00

26、lq1rhoo91lo6lq1寸00lq100lq100s1lqcm91寸&91cmoo91000091lq19co91o0091z訂1寸寸 lq1co2±jvhs1寸&91006lq1olq1vh99100&916691rhoo91cm000091cqlq91coco9100691d8co991lq691ou9100ou0091xx w xxxx 眄 xx 皋 zlsdz 堡旦sv-hlqcqz0qo96oov-hs1s1o1o16 lq1910q1oc910091&916 lq1coi-hlo9z6vi-ho9甘91茫10091s16 lq1s1寸

27、91&91涪1茫1s16o寸9co卜o0000voo甘91z1g917h916 lq17h z1茫1o1s1o16 lq10q8lq66u0quooc6g91o1i-h 卜1co91g91更1g91v910091v91co16co007hovo7h600ooo1co91991co91o17h91訂17hlo1g17hlo19 g1卜寸ooc寸z0qlo寸u0qo茫1芒1s1寸91co91691oc91寸91&91lq lq1o6900z寸2lo00v-h寸91co91cq91常1lq lq1&911lo lo1991cn lq1s1o9vh9lqo6uoz寸691&am

28、p;lq1cq91co91916 lq1v lo 1寸 lq1oc91s1卜6lo16scj0091寸&91寸寸91lq s1寸lo91茫1cov91os寸ooti00ooohgoo9 g16 lo16911oq1s1s10091tia1h 卜1ti寸9r-hoo69o99116 g1s1cxj91991涪1s1s1z90000cooq666lq00寸9100910091&lo100 gicolo100 g1z9co91oo91寸卜寸寸oco卜6co g100lo1o191寸lo100 gl茫1991話19 g1寸91olo98zcj9寸s1vlo1co91v912&l

29、o1&91s1vlo19寸o卜8th寸600lo00910091茫1lo912lq1co91oo910091寸91*=7寸96thlq寸6寸66uco91z1v91lo91&lq1&91lo91&91lo910091北側lr-74.8-69.3-67.0-59.4-59.5-63.6-66.8-56.9-60.2-71.5-71.8-65.5-63.0-65.5-61. 1-59.6-70.4-66.5-71. 7-62.3-68.9-67. 7-58.9-59.6-64. 1-73.5-66.0-65.4-63. 1-66.8-57.7-62.0-61.0-64.9-60.3-62. 1-64.6-64.5-51. 1-63.3-66. 1-65. 7-6