12级北邮无线场强测量实验

无线信号场强特性的研究

【实验目的】

1、通过实地测量校园内室内室外的无线电信号场强值，掌握室内室外电波传播的规律。

2、熟悉并掌握无线电中的传输损耗、路径损耗、穿透损耗、衰落等概念。

3、熟练使用无线电场强仪测试空间电场强度的方。

4、学会对大量数据进行统计分析，并得到相关传播模型。

【实验原理】

1. 电波传播方式

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.无线信道中信号衰减

无线信道中的信号衰减分为衰落、路径损耗、建筑物穿透损耗。此外还有多径传播的影响。

（1）移动环境下电波的衰落包括快衰落和慢衰落（阴影衰落）

快衰落的典型分布为Rayleigh分布或Rician分布；阴影衰落的典型分布为正太分布，即高斯分布。快衰落和慢衰落两者构成移动通信系统中接受信号不稳定因素。

（2）路径损耗

测量发射机和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差。距离是决定路径损耗的首要因素。除此之外，还与接收点的电波传播条件密切相关。

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

所说的自由空间一指真空，二指发射天线与接受台之间不存在任何可能影响电波传播的物体，电波是以直射线的方式到达移动台的，自由空间模型计算路径损耗的公式为：

Lp=32.4+20lgd+20lgf

（其中d是以公里为单位的移动台与基站之间的距离，f是以MHZ为单位的移动工作频点或工作频段的频率）

（2）布灵顿模型

布灵顿模型假设发射天线和移动台之间的地面是理想平面大地，并且两者之间的距离d远大于发射天线的高度ht，或移动台的高度hr，此时的路径损耗计算公式为：

Lp=120+40lgd-20lght-20lghr

（3）EgLi模型

EgLi模型是从大量实测结果中归纳出来的中值预测公式，属于经验模型，其计算公式为：

Lp=88+40lgd-20lght-20lghr+20lgf-G

其中路径损耗Lp的单位是dB，距离d的单位是公里，天线高度ht及hr的单位是米，工作频率f的单位是MHz，地形修正因子G的单位是dB。G反应了地形因素对路径损耗的影响。EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度Δh有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当Δh用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：

G=0 △h<15m

G=2.43（1-△h/15）△h>15m 150MHz频段

G=3.05（1-△h/15）△h>15m 280MHz频段

（4）HaTa—Okumura模型

Hata-Okumura模型也是根据实测数据建立的模型。当移动台的高度为典型值hr=1.5m时，按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为：

市区：

Lp1=69.55+26.2lgf+13.82lght+（44.9-6.55lght）lgd

开阔地：

Lp2=LP1-4.78（lgf）2+18.33lgf-40.94

一般情况下，开阔地的路径损耗比市区小。

3.建筑物的穿透损耗

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；

Pj是在室内所测的每一点的功率，单位是dBμV M个点； iP是在室外所测的每一点的功率，单位是dBμV N个点。

【实验仪器】

DS1131场强仪一台

【实验内容】

（1）根据不同的地貌条件，归纳总结不同环境下可能采用的各种电波传播模型，在数据测试前，先用理论模型在理论上对待测区域进行分析。

（2）确定波段和实验地点

（3）数据的测量，每隔半个波长测量，测量50-100个数据

（4）数据处理。数据录入Excel表格，用Matlab进行电平值的分布和处理分析，得到不同区域下电平信号分布情况，得到积累概率分布曲线，得到理论值和实际值之间的标准差，进行误差分析。

（5）根据不同区域的测试结果进行分析比较，分析不同环境下造成这些结果的原因。

（6）模型分析，根据所测数据，分析下不同地带的测试结果和所用理论模型，得到理论值和实际值的标准差，给出MATLAB 代码，进行误差分析；根据不同区域的测试结果，进行分析比较，分析不同环境下造成这些结果的原因。

【实验步骤】

待测区域的确定和分析

第一组数据我们选择了较为空旷的主楼前面的空地；

第二组数据我们选择了教四内的楼道；可以和第四组数据作对比。

第三组数据我们选择了教四西侧和邮政银行之间的路段；

第四组数据我们选择了教四南面的路段，以便与教四内部走廊测得的数据作对比。

观测波段的确定

为了使得测量的电平值较大，以尽量减少噪声对测量造成的影响，我们选择了535.25MHz 的频段，这是北京无线电视频道的北京2 台的图像信号的频点。通信波长与频率的关系可以大致计算出所测量的频率的波长，大约是0.6m，因此我们每隔0.3m 就测量一个数据（半个波长）。

数据测量

由于数据量过于庞大，我们在此不便粘贴，若想查看，可见电子版。数据处理和分析

处理过程：

MATLAB处理结果：第一组数据

分析：

由图可以看出，由于主楼前地带较为空旷，所以电平值比其他几组要高。但是，由于主楼前面还有树木环绕，加上主楼本身就是一个庞大的遮挡物，所以我们的数据虽然高但是由于由东向西越来越远离主楼，会对数据本身造成极大的影响，所以，其正态性并不是很好。而且随着距主楼距离的增大，数据整体也开始偏大起来。

第二组数据

分析：

由MATLAB分析得到的图可知，由于测量是在室内，四周墙壁的遮挡对无线信号的场强起到了很大的阻挡作用，该组数据的均值明显低于其他组。由于正中间测量值是经过教四的门口测量的，门口相对于墙壁而言对电磁场的衰落影响较小，所以，中间的场强突然较强一些。其他地方场强的突然增强则是因为有窗子所致。

第三组数据

分析：

在教四和邮政储蓄银行双方遮挡下观察阴影衰落对数据测量造成的影响。由统计直方图可知，改组数据很接近正太分布，测量效果较好。但由于该往北两边仍是宿舍楼而往南却是低矮的树木和北邮西门，所以越往南，数据整体数值要偏高一些。

第四组数据

分析：

由第四组的统计直方图可知，改组数据较为接近正态分布。而且由于只有北侧有教四遮挡，所以数据仅仅比第一组数据小些。由于教四的东侧是教一，而且东南部是主楼，所以东侧的测量数据较小；而西侧是低矮树木和西门，所以测量的数据值较大。

和第一组在建筑物内测得的数据比较可知，外部电场电平值明显要大于建筑物内侧。而且门窗对电磁场的阻挡明显弱于墙壁。

【实验总结】

这次实验，锻炼了我各方面的能力。

首先是学习能力。由于我们都没用过DS1131场强仪，但是，经过阅读说明书，我们学会了如何使用该仪器，并能选择一个较好的频段进行测量。

第二，这次实验进一步增强了我对MATLAB的了解。在这次实验中，我遇到了很多对数据进行处理和正态分析以及作图的语句，而这些语句大多数我都没有学过，所以，经过资料查找，我渐渐知道了如何写程序，最终通过自己的努力，写完了程序，并且会利用结果对数据进行分析。

第三，通过这次实验，我们队无线信号的场强特性有了更深一步的研究。由于此次测量范围仅仅在北邮内部，所以路径损耗对无限场强的衰减作用影响不是很大，而由于校园内建筑物极为密集，建筑物遮挡对无线信号的衰减作用是主要的。

第四，这次实验让我们学会了如何、协商，协调各自的时间，共同解决遇到的困难，一起分析问题，相信我们今后会越来越默契的。

【附加代码】

以主楼前数据为例

clear all; close all;

%-------------读取文件---------------%

zhulou=xlsread('3-1主楼.xlsx');

%-------------转换成矩阵------------%

zhl=reshape(zhulou,1,90);

%-----------------画图-----------------%

%---画出直方图和正态曲线---%

figure(11)

histfit(zhl)

grid on;

axis([35,60,0,20]);

title('主楼前空地电平值统计直方图');

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');

%------画累积概率分布图-----%

hold on

figure(12)

[h1,s1]=cdfplot(zhulou);

title('主楼前空地电平值累积概率分布曲线');

xlabel('电平值(-dBmw)');

ylabel('样本数量(个)');

text(45,0.23,['最小值=' num2str(s1.min)]);%引号内，等号后，不要有空格text(45,0.18,['最大值=' num2str(s1.max)]);

text(45,0.13,['均值=' num2str(s1.mean)]);

text(45,0.08,['中值=' num2str(s1.median)]);

text(45,0.03,['标准差=' num2str(s1.std)]);

hold on

x=35:0.1:60;

f=normcdf(x,s1.mean,s1.std);

plot(x,f,'m');

legend('概率累积分布曲线','标准正态分布累积曲线','Location','NW');

%------画衰落强度图-------%

hold on

zhlx=[zhl,zeros(1,90),(1:90)];%转换矩阵

zhlx=reshape(zhlx,90,3);

figure(13)

surf(zhlx');

title('主楼前空地电平信号电平分布图');

xlabel('东-------------->西');

axis([1,90,1,2]);

caxis([35,60]);

colorbar('horiz');