北邮电磁场与电磁波实验报告材料.docx
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北邮电磁场与电磁波实验报告材料
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
一．实验目的
1.掌握在室内环境下场强的正确测试方法，理解建筑物穿透损耗的概念；
2.通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系；
3.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。
4.掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确测试方法。
二．实验内容
利用DS1131场强仪和拉杆天线，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
三．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，只有处在发射信号覆盖的区域内，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。
决定覆盖区大小的因素主要有：
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。
【阴影衰落】
阴影衰落是电磁波在空间传播时受到地形起伏、高达建筑物群的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减。
阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，又称为慢衰落，其特点是衰落与无线电传播地形和地物的分布、高度有关。
在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物体对电波的遮挡。
在测量过程中，不同测量位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率不同，这样就会观察到衰落现象。
在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物遮挡，它所收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。
阴影衰落一般表示为电波传播距离r的m次幂与阴影损耗的正态对数分量的乘积。
移动用户和基站之间的距离为r时，传播路径损耗和阴影衰落可以表示为：
其中，
为0均值的高斯分布随机变量，单位为
，标准偏差为
，单位也
。
对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同的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的分析阴影的随机效应。
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受功率，m表示以
表示的接收功率的均值或中值，
表示接收功率的标准差，单位为
。
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
频段其典型值是
。
阴影衰落分布的标准差
（dB）
频率
（MHz）
准平坦地形
不规则地形（米）
城市
郊区
50
150
300
150
3.5~5.5
4~7
9
11
13
450
6
7.5
11
15
18
900
6.5
8
14
18
21
【大尺度路径衰落】
大尺度衰落是由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的，衰落特性一般服从
律，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征。
利用不同测试环境下的移动通信信道的衰落中值计算公式，可以计算移动通信系统的业务覆盖区域。
实际上，大尺度衰落
不仅与时间有关，还与距离和载波频率有关。
为了表达方便，上式中省略了距离因子d和载频
。
基于理论和测试的传播模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收信号功距离的对数而衰减。
（2.2）
或
（2.3）
式中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；
是近地参考距离，由测试决定；d为发射机和接收机距离。
在自由空间传播时，n为2，当有障碍物时，n变大。
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：
用于测量发射机和接收机之间信号的平均衰落，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：
即平均接收功率为：
其中，
为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；
为近地参考距离；
为发射机与接收机
之间的距离。
测试表明，对于任意d，特定位置的路径损耗
又服从随机正态分布，对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同距离时，不同的随机阴影效应。
这种现象叫对数正态阴影。
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.布灵顿模型
3.EgLi模型
4.Hata-Okumura模型
【建筑物的穿透损耗】
1.定义
建筑物的穿透损耗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在同一位置室内测量的信号平均场强，用公式表示为：
是穿透损耗，单位
，
是在室内所测的每一点的功率，单位
，共M个点，
是在室外所测的每一点的功率，单位
，共N个点。
电磁波透射墙体示意图
2.影响因素
无线信号对透射能力是频率及高度的函数，天线对信号透射也有非常重要的影响。
以室外发射机的天线高度远小于建筑物本身高度考虑，在测试中显示，随着频率的增加透射损耗（净穿透损耗）减小。
例如下表数据：
（卢东如2014.楼宇信号强度及穿透损耗研究）
地点（状态）
频率（MHz）
透射损耗（dB）
建筑物底层（第一组比较）
441
16.4
896.5
11.6
1400
7.6
建筑物底层（第二组比较）
900
14.2
1800
13.4
2300
12.8
窗前
比没有窗户小6dB
透射损耗即净穿透损耗是指不考虑绕射等因素综合影响，墙体和玻璃等物体的穿透损耗，在绕射和反射等几乎没有或不明显的环境下测量得到的，近似穿透损耗。
3.不同建筑材料
各类墙体净穿透损耗：
（卢东如2014.楼宇信号强度及穿透损耗研究）
墙体类型
损耗（dB）
普通窗户玻璃（3~5mm）
1
落地玻璃墙（20~30mm）
3.6
建筑物外墙（钢筋混泥土）
19~26
建筑物内墙（砖石）
7~10
钢筋混凝土类建筑贯穿损耗中值：
数据自（通信人家园论坛|中国第一通信社区）
建筑物类型
贯穿损耗中值（dB）
标准偏差（dB）
小城市市区钢筋混凝土类
10
7.3
小城市郊区钢筋混凝土类
5.8
8.7
大城市市区钢筋混凝土类
18
7.7
大城市郊区钢筋混凝土类
13.1
9.5
大城市市区金属框架类
27
-----
由于我国的城市环境与国外有很大的不同，贯穿中值一般比国外同类名称高8-10dB。
四．实验步骤
1.实验对象选取
这次实验数据采集地点我们选择了主楼（图），主要测量三个部分的信号强度：
1.靠近主楼测量其周边一圈信号强度，由西北角开始顺时针绕主楼测量（图）。
测量时分为东南西北四个方向，其中东西侧较长，南北侧较短，近似为一个矩形；
2.测量1,2,4,6,10,13楼室内信号强度，由西北角开始顺时针绕室内走廊测量，记录特殊结构造成的信号强度波动。
由于主楼每层建筑结构大致相同，变量单一便于对比不同楼层高度对信号强度的影响；
3.测量电梯内部信号强度，电梯从上而下运行过程中记录测量数据。
北邮主楼卫星图
北邮主楼3D指示图
同时，经过查证，电视信号发射塔位于测量地点的西南方向约6.5公里处（图）。
信号发射塔方位图
在选频方面，频点选用的是低频190.758MHz（CH8，中央2套伴音频道频点），因为这个频点信号接收很好，且本班另一测量小组将在教二室内测量相同频点的信号强度，我们两组将进行钢筋混泥土建筑结构和砖石建筑结构的对比。
2.数据采集
本组频点选择：
190.758MHz（CH8，中央2套伴音频道频点），利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位
），估测频点相应半波长伟0.78米，每走1步约为0.8米（恰好为楼道地砖2格）读一次数并进行信号电平记录。
共测量的近1000组数据进行分析比较，分别是主楼外北侧、东侧、南侧、西侧以及主楼一层、二层、四层、六层、十层、十三层，电梯内部。
在测量建筑物外的信号强度时，采用自西北角起顺时针方向围绕该建筑物一周的测量方法。
在测量室内信号时，采用自西北角起顺时针方向围绕该楼层楼道一周的测量方法。
（图）。
测量当天天气情况：
多云转晴、微风。
场强仪倾斜45°使用，天线仅拔出第一节。
主楼内部结构示意图
五．实验数据
1.原始数据录入
将测量得到的数据录入Excel表格，分别以东、南、西、北以及各个楼层方向为单独的sheet，便于数据处理时进行MATLAB的数导入和获取。
记录时间、地点、电平值的同时记录测量时周围的可能影响电平值因素，便于后期数据分析（表）。
数据记录表格
原始实验数据见附件
2.数据处理流程
采集到的数据有近1000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：
3.数据处理MATLAB关键语句
本次实验数据的处理主要利用EXCEL和MATLAB两个软件完成，其中MATLAB中的关键处理语句主要分为以下几个部分：
1.原始数据读入MATLAB
data=xlsread（'data.xlsx',10）;
Data=data';%将数据转置为行向量
Data=-1.*Data;
L=length（Data）;%数据长度
功能：
录入数据，行列转置后各数据取相反数并计算数据个数。
2.作信号强度散点图
x=（1:
1:
L）;
plot（x,Data,'Linewidth',1.3,'Color',[0.3,0.3,1]）;
meandata=mean（Data）;
holdon;
plot（x,meandata,'r.','Color',[1,0.4,0.6]）;
功能：
根据原始数据作出各信号强度的散点分布和平均值曲线。
3.作信号强度频率分布直方图
[y,x]=hist（Data,10）%画样本数目直方图
y=y/L/mean（diff（x））;
h1=bar（x,y,1）;
axis（[-80,-45,0,0.20]）;
gridon
功能：
根据原始数据划分十个信号强度分组，计算落于每一信号强度范围中的测量数据个数，作出频率分布直方图。
4.作统计概率曲线和拟合正太分布曲线
y=normpdf（x,mean1,std1）;%在相同均值标准差下，画正态分布图
plot（x,y,'r','Linewidth',1.8,'Color',[1,0.4,0.6]）
axis（[-80,-45,0,0.20]）;
[n,m]=hist（Data）;%在同一坐标系下，画出统计概率图
plot（m,n/L/mean（diff（m））,'Linewidth',1.8,'Color',[0.3,0.3,1]）
功能：
根据原始数据的频率分布直方图作出统计概率曲线，并利用测量数据的均值和方差作出拟合的正态分布曲线。
5.作信号强度表面图
Data2=[Data,zeros（1,L）,（1:
L）];%转换矩阵
Data2=reshape（Data2,L,3）;
surf（Data2'）;%画surf图，表示统计分布
功能：
根据原始数据用不同颜色表示不同点的信号强度，可更加直观的展示出信号强度的变化和分布规律。
6.作信号强度概率累积分布图
cdfplot（Data）
功能：
根据原始数据作出信号强度概率累积分布图。
六．实验结果与分析
1.主楼外围电磁场强度及其分析
（1）主楼外围北侧
图主楼外围北侧
最大值
最小值
平均值
标准差
-56.1dbmw
-68.7dbmw
-60.98dbmw
2.86
由主楼外围北侧信号强度散点图（图）中标记的A点的电平值可知，信号强度突然降低，参见原始数据表格备注知该处在测量数据时有大量自行车及机动车停放于测试点周围，影响信号强度。
（2）主楼外围东侧
最大值
最小值
平均值
标准差
-52.6dbmw
-69dbmw
-60.22dbmw
3.23
（3）主楼外围南侧
最大值
最小值
平均值
标准差
-48.7dbmw
-67.4dbmw
-56.57dbmw
4.16
（4）主楼外围西侧
最大值
最小值
平均值
标准差
-59dbmw
-67.8dbmw
-58.22dbmw
4.02
由信号强度散点图中标记的AB段的电平值可知，信号强度突然降低，参见原始数据表格备注知该处在测量数据时突然刮起一阵强风，可能影响信号强度。
（5）主楼外围总体
a.散点图、直方图及正太拟合
最大值
最小值
平均值
标准差
-48.7dbmw
-69dbmw
-58.96dbmw
3.98
由实测的主楼外围信号强度的平均值及标准差大致判断本次测量选取的CH8频道（190.758MHz）信号强度较好，适宜测量。
b.概率累积分布图
由概率累积分布曲线（图）可知，主楼外围信号强度概率分布较为接近S型曲线，说明此次测量时主楼外围总体信号环境较好，突发干扰较少。
c．场强空间分布图
主楼外围方位
最大值（dbmw）
最小值（dbmw）
均值（dbmw）
标准差
北侧
-56.1
-68.7
-60.98
2.86
东侧
-52.6
-69
-60.22
3.23
南侧
-59
-67.8
-58.22
4.02
西侧
-56.1
-68.7
-60.98
2.86
总体
-48.7
-69
-58.96
3.98
（6）主楼外围周边信号强度分析：
●不同方位信号强度对比：
可以看出南侧的信号强度最高，因为主楼南侧的遮挡物较少、距离教二楼较远且建筑物较低，比较空旷，因此信号衰减小，信号强度高；主楼北侧的区域有教一楼遮挡，东侧有科学会堂遮挡，因此受到阴影衰落影响较严重，信号强度较差。
同时根据场强空间分布图知西南角信号强度最好，经考证该方位为发射塔方向。
因此此次测量的数据与实际情况相符。
●高低频信号强度对比：
结合同班另一测量小组（组员：
王文雪，张玉洁），所测量的教二楼外部频道2（57.75MHz）的信号强度数据，进行高低频的对比：
信号电平
西侧
南侧
东侧
北侧
高频（535.25MHz）
-70.1778
-65.8644
-76.0391
-69.4128
低频（57.75MHz）
-61.0018
-58.9465
-61.0298
-58.8750
可以看出，无论是哪个方位，高频信号的衰减明显要大于低频，这与理论相符。
同时低频也是南北侧信号强度高于东西侧。
2.主楼各楼层楼道电磁场强度及其分析
（1）主楼一楼走廊
a.散点图、直方图及正太拟合
最大值
最小值
平均值
标准差
-58.7dbmw
-75dbmw
-70.13dbmw
3.25
b.概率累积分布图
c．场强空间分布图
由场强空间分布图可知主楼一层西侧大厅中央处信号强度最好，根据实测数据表格备注可知此处为大厅开门处，且大门材料为玻璃，穿透损耗较低，符合不同材料对穿透损耗影响的相关规律。
（2）主楼二楼走廊
a.散点图、直方图及正太拟合
最大值
最小值
平均值
标准差
-66.5dbmw
-75.4dbmw
-72.11dbmw
1.81
比较一楼和二楼的电平特征值，二楼电平均值更低，平均信号更差，但是标准差明显小于一楼，可排除一楼大厅开门处引起的信号强度分布不均，波动较大的影响，数据更具有代表性。
故在分析楼内信号数据，并与外围数据进行比较分析穿透损耗时舍弃一层数据。
b.概率累积分布图
（3）主楼四楼走廊（以四层为例分析楼层内各处影响信号强度因素）
a.直方图及正太拟合
最大值
最小值
平均值
标准差
-53dbmw
-74.9dbmw
-68.35dbmw
4.33
b.概率累积分布图
c．信号强度散点图
参考实验数据表格备注分析数据，现对信号强度散点图中标注的峰值进行说明分析。
●AB段左侧有厕所，信号非常规波动，且每层楼均有此现象，目前原因未知有待探究；
●C点左侧有铁门，引起信号强度陡然降低，反映出铁质建筑材料相比钢筋混凝土建筑材料对信号衰减影响更严重，符合不同建筑材料对穿透损耗影响的相关规律；
●D点左侧有门可通外侧楼梯，信号强度较好；
●E点右侧有一开门实验室，实验室内部四面墙壁附有特殊材料，为蓝色泡沫质感，且表面呈内凹蜂窝状，此处信号强度陡增，明显优于周围信号强度，推断为该材料使反射信号较强，对信号有明显的聚集效果。
●F点左侧一外围实验室向着室内方向开着门，室外信号可穿透玻璃窗进入室内，使此处信号强度较好，明显高于均值。
d．场强空间分布图
由场强空间分布图配合散点图（对应处已标注相同字母），可以更直观比较出楼层内各处影响信号强度因素。
如E处因有开门的特殊实验室信号强度明显优于周围各处。
（4）主楼六楼走廊
a.散点图、直方图及正太拟合
最大值
最小值
平均值
标准差
-47.5dbmw
-74.9dbmw
-63.41dbmw
5.65
b.概率累积分布图
与低楼层信号强度均值相比，六层信号强度明显增强，由于主楼周围并没有高层建筑遮挡，此处信号衰减主要由建筑物穿透损耗引起，可忽略阴影衰落对信号强度的影响。
（5）主楼十楼走廊
a.散点图、直方图及正太拟合
最大值
最小值
平均值
标准差
-60dbmw
-73.4dbmw
-63.35dbmw
5.87
b.概率累积分布图
c．场强空间分布图
由场强空间分布图可直观比较得出，西南侧信号强度明显好于东北侧，由于十层楼层较高无其他建筑物遮挡，仅考虑穿透损耗造成的影响。
推断为电视信号发射塔位于主楼西南侧造成此信号分布不均现象。
（6）主楼十三层楼道
a.散点图、直方图及正太拟合
最大值
最小值
平均值
标准差
-50.9dbmw
-73.4dbmw
-62.60dbmw
4.84
b.概率累积分布图
3.主楼各楼层总体信号强度综合分析
1．不同楼层信号强度对比：
主楼楼层
最大值（dBmw）
最小值（dBmw）
均值（dBmw）
标准差
一层
-58.7
-75
-70.13
3.25
二层
-66.5
-75.4
-72.11
1.81
四层
-53
-74.9
-68.35
4.33
六层
-47.5
-74.9
-63.41
5.65
十层
-60
-73.4
-63.35
5.87
十三层
-50.9
-73.4
-62.60
4.84
可以看出，除去受大厅开门处影响较大的一层数据后，随着楼层的升高，信号强度逐渐增强，在数据中显示到达6层及其以上楼层信号强度明显增加，分析其原因是高楼层对应的室外比较空旷，没有周围高层建筑物的阻挡，因此衰减很小。
（图）同时发现室内楼道测量时数据的标准差很大，这是因为每层楼两侧部分空间狭小，信号较弱衰减很大，而中心楼梯口处一般比较空旷，信号强度较强，因此差别较大。
从散点图中也可以看出，楼道两侧的信号衰减较大，而中间部分信号衰减较小。
在各测量部分中，电梯内部信号衰减最为明显，因为电梯位于主楼中央天井处，由金属材料封闭四周，穿透损耗值最高，引起严重的信号衰减。
在电梯内部单频点测量时，只能听到严重的噪声，且随楼层高度变化，信号强度没有明显变化，测量过程中若电梯开门，信号强度明显增强。
2.高低频信号强度对比：
结合同班另一测量小组（组员：
王文雪，张玉洁），所测量的教二楼内部楼道频道2（57.75MHz）的信号强度数据，进行高低频的对比：
信号电平（dbmw）
一层
二层
三层
四层
五层
高频（535.25MHz）
-75.3429
-73.3209
-68.0047
-63.7930
-60.3256
低频（57.75MHz）
-72.4524
-62.5128
-59.0394
-57.1768
-57.9962
可以看出，同样是高频的衰减大于低频的衰减，与理论相符。
且基本上也是随着楼层的上升衰减下降，信号强度增强。
4.主楼东南西北各方位电磁场强度及其分析
信号电平（dBmw）
北侧
东侧
南侧
西侧
频率（190.75MHz）
-67.7714
-67.9756
-62.5490
-64.7054
图各楼层各方位信号强度均值分布
由雷达图直观看出各个楼层，各个方位信号强度分布。
观测由中心到四个方位走向的信号分布，比较四个方位总体西侧和南侧信号强度较好，其中南侧最佳。
不同楼层曲线比较得出，除去受大厅开门影响的一楼，其余各层随楼层高度增加，信号强度增强，符合阴影衰落对信号强度影响的规律。
5.主楼总体
a.直方图及正太拟合
最大值（dBmw）
最小值（dBmw）
平均值（dBmw）
标准差
-47.5
-75.4
-66.61
5.84
b.概率累积分布图
地点
最大值（dBmw）
最小值（dBmw）
平均值（dBmw）
标准差
主楼室内总体
-47.5
-75.4d
-66.61
5.84
主楼外围总体
-48.7
-69
-58.96
3.98
二楼室内
-66.5
-75.4
-72.11
1.81
（2）穿透损耗
从控制变量的思想出发，考虑主楼外围受周围建筑物阴影衰落的影响较大，而主楼高层可忽略阴影衰落影响，故不应以主楼室内总体信号强度与外围比较估算穿透损耗。
与此同时一楼大厅开门处引起的信号强度分布不均，波动较大的影响，数据不具代表性。
故取二层室内数据与主楼外围总体相比，估算钢筋混凝土材料的穿透损耗，反映出建
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