北邮校园无线信号场强特征的研究实验报告.doc
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无线信号场强特性的研究 2013211118班刘欣&刘畅
信息与通信工程学院
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
日 期：
2016年5月
一、实验目的 2
二、实验原理 3
1）大尺度路径损耗 3
2）阴影衰落 4
3）建筑物的穿透损耗的定义 5
三、实验内容 5
四、实验步骤 6
五、实验结果 6
1）北邮北区家属楼外不同区域阴影衰落 6
2）北邮北区家属楼内不同区域阴影衰落 9
2.1）一楼楼道 9
2.2）三楼楼道 11
2.3）五楼楼道 12
2.4）七楼楼道 14
2.5）九楼楼道 15
2.6）十一楼楼道 17
2.7）十三楼楼道 18
2.8）十五楼楼道 20
2.9）一到十五层楼道 22
2.10）一到十五层奇数层楼梯 24
六、结果分析 26
1）数据分析 27
2）误差分析及解决 28
七、实验总结 28
八、附录 29
附录1原始数据登记表 29
附录2Matlab源代码 58
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。
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：
即平均接收功功率为：
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。
例如自由空间，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：
其中，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，s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（dB）是阴影效应的标准差。
ss（dB）
频率
（MHz）
准平坦地形
不规则地形Δh（m）
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
3）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：
ΔP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，共M个点，Pi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，实地测量北邮北区家属楼内外信号场强
1.研究北邮北区家属楼内外不同环境下阴影衰落分布规律，以及具体的分布参数如何；
2.研究建筑物穿透损耗的变化规律。
四、实验步骤
1.数据采集
频点
102.5MHz
地点
北邮北区家属楼外四周及楼内8层楼道
测量步长
1个数据/步长
说明：
λ=c/f=2.93m，每步长平均约60cm，相当于一个波长内测量4.88个数据。
2.数据录入（原始数据见附录1）
将原始数据录入Excel表格：
在不同工作表下依次录入不同区域的实测数据，单列存储，便于读取。
3.数据处理
1）用Matlab对数据进行编程处理
①绘制相关曲线或图形：
实测数据曲线、信号强度图谱、概率分布柱状图、累积分布曲线等；
②计算数据特征量：
均值、标准差、中值等。
2）得出测试区域阴影衰落的分布规律，研究路径损耗与楼层关系，并计算北邮北区家属楼内外的穿透损耗。
五、实验结果
1）北邮北区家属楼外不同区域阴影衰落
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
l信号强度图谱
可以从家属区外围的测量数据看出，整体的概率分布图以及累积分布基本符合正太分布的规律，尤其是累积分布。
从信号强度图谱可以看出在车辆旁、大树旁及房子旁的信号的场强分布会出现波动。
大体上来看此北家属区楼周围在东北角的场强较大、其他的三个角较小，可能和周围的建筑物反射阻挡产生的阴影效应有关。
2）北邮北区家属楼内不同区域阴影衰落
2.1）一楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.2）三楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.3）五楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.4）七楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.5）九楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.6）十一楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.7）十三楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.8）十五楼楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
2.9）一到十五层楼道
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
l信号强度图谱
2.10）一到十五层奇数层楼梯
l实测数据曲线
l样本分布柱状图
l累积概率分布图（含数据特征量）
l信号强度图谱
六、结果分析
1）数据分析
各区域数据特征：
最小值
（dBmw）
最大值
（dBmw）
均值
（dBmw）
标准差
楼外
-53.6
-31.9
-42.1832
5.1287
一层
-76.7
-44
-60.2766
7.0499
三层
-68.5
-40.9
-50.7451
7.2786
五层
-69.4
-39.2
-54.5872
7.1528
七层
-67.6
-34.1
-50.4765
8.2921
九层
-71.7
-33.1
-50.3755
8．9988
十一层
-69.1
-35.7
-50.2588
8.6887
十三层
-62.8
-30.2
-47.286
9.3179
十五层
-70
-29.7
-46.2587
7.9295
楼内（所有楼层）
-76.7
-29.7
-51.1585
9.0524
楼梯
-70.6
-41
-51.613
6.4479
根据穿透损耗的公式：
可以知道，我们选择的北家属区的这一栋楼总穿透损耗的均值为：
下面分析不同楼层的测量值分布情况：
根据上表所示，可以比较清楚的看到当楼层较低的时候（一至三层），我们选择的家属楼对于102.5MHz的电磁波的穿透损耗是非常大的，而且穿透损耗随楼层数升高而之间减少在七到十一层趋于稳定，由于五楼环境特殊于其他楼层数据误差可能较大，在十一层到十五层穿透损耗减小的速度加快。
在每一层内部，穿透损耗也与周围的环境有关。
由各层楼的信号强度图谱可以看出在靠窗的地方从穿透损耗较小，一层约比内部要小15-20dBmw。
我们认为这是因为玻璃的穿透损耗相比砖瓦较小原因。
由于该家属楼靠窗的地方有铁门并且铁门正对电梯口，我们发现在铁门处穿透损耗明显增加，我们推测是由于金属对电磁波的损耗较大。
相比之下，除了六七层以外楼梯的穿透损耗比较接近靠窗处，我们认为是由于楼梯处比较宽敞并且通过平面图可以看出楼梯接近窗户。
由于在楼梯旁边会有居民的杂物堆积，六七层楼杂物比较少，这可能是穿透损耗小的原因之一。
2）误差分析及解决
（1）实验时我们选取了北区家属楼进行测量，但是由于内部门窗比较多，外部时而经过路人、车辆，给实验带来一定的影响，阴影衰落也有所不同；
（2）五楼由于居民两边把铁门上锁，导致无法测量完整楼道，数据不足以及环境变化可能导致误差我们只能尽量在窗户边以及中间楼道多测一些数据以尽量减小误差。
（3）记录数据时，场强仪的跳动变化比较大，我们只能凭感觉找平均值，所以读数会有一定误差；
（4）由统计产生的高斯分布需要大量数据，我们在楼内只记录了四百多个数据
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