校园内电波传播模型的研究.docx
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校园内电波传播模型的研究
校园内电波传播模型的研究
一．实验目的
（1）通过实地测量校园里室内室外的无线信号场强，掌握室内室外电波传播规律。
（2）熟悉并掌握无线通信中，路径损耗，穿透损耗，衰落的概念。
（3）熟练掌握用场强仪测试空间电场场强的方法。
（4）学会对大量数据进行统计分析，得出相关传播模型。
二．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（又叫阴影衰落），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态分布，即高斯分布。
快衰落和慢衰落两者构成移动通信系统中接收信号不稳定因素。
（2）路径损耗：
测量发射机和接收机之间信号的平均衰落。
定义:
有效发射功率（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（db）。
距离是决定路径损耗大小的首要因素;除此之外,还与接收点的电波传播条件密切相关。
人们根据不同的地形地貌条件,总结出各种电波传播模型：
距离幂指数模型，自由空间模型，布灵顿模型，Egli模型，HaTa-Okumura模型。
（3）建筑物的穿透损耗
定义：
建筑物外测量的信号的中值电场强度和同一位置室内测量的信号中值电场强度之差（db）。
建筑物穿透损耗的大小同建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。
三．实验要求
我们组的实验地点是教二楼，包括室内一楼至四楼的楼道，二楼至四楼西边的大教室，室外绕教二楼一周。
观测波段是190.75MHZ电视音频信号。
室外测试：
测本建筑物的室外信号，即围绕该建筑物的马路上绕一圈测试，每半个波长记录一个数据。
室内测试：
将建筑物每一层的房间、走廊、水房等作为一个测试地点，每一组在该楼同一个位置的不同层测试数据，比如某一个房间对应的楼上楼下同一个位置的房间，或每一层的走廊水房等，测试数据不少于300个，将每一个地点的数据取均值和标准差，与该建筑物的室外信号均值比较得出穿透损耗。
每一组画出穿透损耗随楼层的变化规律。
四组分别选择不同建筑材料（钢筋和砖石）及不同频率测量，综合得出穿透损耗在不同的建筑材料和频率下随楼层的变化规律。
或作建筑物内部不同分隔空间穿透损耗。
四．实验数据
室内第一层楼道：
室内第二层楼道：
室内第三层楼道：
室内第四层楼道：
二楼西边大教室：
三楼西边大教室：
四楼西边大教室：
室外沿教二楼一周：
南北向：
东西向：
五．数据处理，MATLAB程序与结果
%教2走廊
clearall;
closeall;
%---------从文件读入数据-------------
a1=xlsread（'floor1.xls','Sheet1'）;
a2=xlsread（'floor2.xls','Sheet1'）;
a3=xlsread（'floor3.xls','Sheet1'）;
a4=xlsread（'floor4.xls','Sheet1'）;
b1=reshape（a1,1,102）;
b2=reshape（a2,1,98）;
b3=reshape（a3,1,90）;
b4=reshape（a4,1,89）;
%-----------数据分析并作图-----------
%---------------1层-----------------
figure（11）
subplot（1,2,1）;
histfit（b1）;
axis（[50,80,0,25]）;
gridon;
title（'教二1层走廊电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（b1）
holdon;
text（30,0.8,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（30,0.73,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（30,0.65,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（30,0.58,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（30,0.4,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
%---------------2层-----------------
figure（21）
subplot（1,2,1）;
histfit（b2）;
axis（[40,80,0,25]）;
gridon;
title（'教二2层走廊电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h2,s2]=cdfplot（b2）
holdon;
text（20,0.8,['最小值=',num2str（s2.min）]）;
text（20,0.73,['最大值=',num2str（s2.max）]）;
text（20,0.65,['均值=',num2str（s2.mean）]）;
text（20,0.58,['中值=',num2str（s2.median）]）;
text（20,0.4,['标准差=',num2str（s2.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
%---------------3层-----------------
figure（31）
subplot（1,2,1）;
histfit（b3）;
axis（[30,85,0,25]）;
gridon;
title（'教二3层走廊电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h3,s3]=cdfplot（b3）
holdon;
text（0,0.8,['最小值=',num2str（s3.min）]）;
text（0,0.73,['最大值=',num2str（s3.max）]）;
text（0,0.65,['均值=',num2str（s3.mean）]）;
text（0,0.58,['中值=',num2str（s3.median）]）;
text（0,0.4,['标准差=',num2str（s3.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
%---------------4层-----------------
figure（41）
subplot（1,2,1）;
histfit（b4）;
axis（[30,85,0,30]）;
gridon;
title（'教二4层走廊电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h4,s4]=cdfplot（b4）
holdon;
text（20,0.8,['最小值=',num2str（s4.min）]）;
text（20,0.73,['最大值=',num2str（s4.max）]）;
text（20,0.65,['均值=',num2str（s4.mean）]）;
text（20,0.58,['中值=',num2str（s4.median）]）;
text（20,0.4,['标准差=',num2str（s4.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
b=54.13;
y2=[s1.mean-b,s2.mean-b,s3.mean-b,s4.mean-b]
figure（51）
gridon
plot（y2,'b'）
title（'教二穿透损耗（db）随楼层的变化曲线'）;
xlabel（'楼层'）;
ylabel（'穿透损耗'）;
text（1,0,['教二1层（db）',num2str（s1.mean-b）]）;
text（1,1,['教二2层（db）',num2str（s2.mean-b）]）;
text（1,2,['教二3层（db）',num2str（s3.mean-b）]）;
text（1,3,['教二4层（db）',num2str（s4.mean-b）]）;
%教2教室
clearall;
closeall;
%---------从文件读入数据-------------
a1=xlsread（'Book2.xls','Sheet1'）;
a2=xlsread（'Book3.xls','Sheet1'）;
a3=xlsread（'Book4.xls','Sheet1'）;
b1=reshape（a1,1,39）;
b2=reshape（a2,1,37）;
b3=reshape（a3,1,37）;
figure（11）
subplot（1,2,1）;
histfit（b1）;
axis（[0,90,0,25]）;
gridon;
title（'教二4层西边教室电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（b1）
holdon;
text（0,0.8,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（0,0.73,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（0,0.65,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（0,0.58,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（0,0.5,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
figure（12）
subplot（1,2,1）;
histfit（b2）;
axis（[0,90,0,25]）;
gridon;
title（'教二3层西边教室电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h2,s2]=cdfplot（b2）
holdon;
text（0,0.8,['最小值=',num2str（s2.min）]）;
text（0,0.73,['最大值=',num2str（s2.max）]）;
text（0,0.65,['均值=',num2str（s2.mean）]）;
text（0,0.58,['中值=',num2str（s2.median）]）;
text（0,0.5,['标准差=',num2str（s2.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
figure（13）
subplot（1,2,1）;
histfit（b3）;
axis（[0,90,0,25]）;
gridon;
title（'教二2层西边教室电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h3,s3]=cdfplot（b3）
holdon;
text（0,0.8,['最小值=',num2str（s3.min）]）;
text（0,0.73,['最大值=',num2str（s3.max）]）;
text（0,0.65,['均值=',num2str（s3.mean）]）;
text（0,0.58,['中值=',num2str（s3.median）]）;
text（0,0.5,['标准差=',num2str（s3.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
%教2楼外围
clearall;
closeall;
%---------从文件读入数据-------------
a1=xlsread（'out.xls','short1'）;
a2=xlsread（'out.xls','long1'）;
a3=xlsread（'out.xls','short2'）;
a4=xlsread（'out.xls','long2'）;
b1=reshape（a1,1,55）;
b2=reshape（a2,1,123）;
b3=reshape（a3,1,55）;
b4=reshape（a4,1,108）;
%-----------数据分析并作图-----------
%---------------西侧-----------------
figure（11）
subplot（1,2,1）;
histfit（b1）;
axis（[45,70,0,25]）;
gridon;
title（'教二西侧干道电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（b1）
holdon;
text（76,0.23,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（76,0.18,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（76,0.13,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（76,0.08,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（76,0.03,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
%---------------南侧-----------------
figure（21）
subplot（1,2,1）;
histfit（b2）;
axis（[35,75,0,25]）;
gridon;
title（'教二南侧干道电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h2,s2]=cdfplot（b2）
holdon;
text（76,0.23,['最小值=',num2str（s2.min）]）;
text（76,0.18,['最大值=',num2str（s2.max）]）;
text（76,0.13,['均值=',num2str（s2.mean）]）;
text（76,0.08,['中值=',num2str（s2.median）]）;
text（76,0.03,['标准差=',num2str（s2.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
%---------------东侧-----------------
figure（31）
subplot（1,2,1）;
histfit（b3）;
axis（[40,75,0,25]）;
gridon;
title（'教二东侧干道电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h3,s3]=cdfplot（b3）
holdon;
text（76,0.23,['最小值=',num2str（s3.min）]）;
text（76,0.18,['最大值=',num2str（s3.max）]）;
text（76,0.13,['均值=',num2str（s3.mean）]）;
text（76,0.08,['中值=',num2str（s3.median）]）;
text（76,0.03,['标准差=',num2str（s3.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
%---------------北侧-----------------
figure（41）
subplot（1,2,1）;
histfit（b4）;
axis（[40,75,0,30]）;
gridon;
title（'教二北侧干道电视信号电平概率分布'）;
xlabel（'电平值（dB）'）;
ylabel（'样本数量（个）'）;
legend（'理想概率分布曲线','实际样本分布'）;
subplot（1,2,2）;
[h4,s4]=cdfplot（b4）
holdon;
text（70,0.23,['最小值=',num2str（s4.min）]）;
text（70,0.18,['最大值=',num2str（s4.max）]）;
text（70,0.13,['均值=',num2str（s4.mean）]）;
text（70,0.08,['中值=',num2str（s4.median）]）;
text（70,0.03,['标准差=',num2str（s4.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
六．数据分析
横向比较：
比较同一层的教室里和走廊里的接收的电视信号的电平，发现教室里的信号比走廊里的信号电平衰减值要小，收到的信号质量要好。
例如，2层教室信号电平衰减为53.3dB,2层走廊信号电平衰减为57.7684dB,3层教室信号电平衰减为50.5405dB,3层走廊信号电平衰减为53.4822dB,4层教室信号电平衰减为48.8538dB,4层走廊信号电平衰减为52.4236dB.原因是教室相对离室外空间比较近，穿透损耗相对较小。
而在同一间教室内，靠窗位置接收到的信号电平衰减值要小，收到的信号质量要好。
同一层的走廊里，靠近楼东西两头的信号电平衰减值要大，中央楼梯及附近的信号电平衰减值要小，收到的信号质量比两头要好。
因为中央楼梯附近比两侧更开阔，而且有大的敞开的窗户，没有墙壁，比较少穿透损耗。
将教2楼外信号与楼内一层信号比较，楼外东西南北侧的接收信号电平衰减分别为：
58.3382dB,56.0564dB,53.9545dB,54.7972dB,而楼内1层的接收信号电平衰减为65.6098dB.可以看出：
楼外的信号电平衰减值要小，收到的信号质量比楼内好.原因是楼外少了穿透损耗.而且还可以看出,楼南北两侧的信号电平衰减值比东西两侧的要小,收到的信号质量要好,这是因为东西两侧都紧邻有高大建筑物（网络中心和教3）,阴影衰落比较大,而南北两侧相对空旷一些.
纵向比较：
1,2，3，4层走廊纵向比较可以看出，第1层衰减均值为65.6098dB，标准差为4.6873dB;第2层衰减均值为57.7684dB,标准差为5.1408dB;第3层衰减均值为53.4822dB,标准差为4.2652dB;第4层为52.4236dB,标准差为5.7526dB。
根据电磁波理论,电磁波的接收受到高度影响。
由上述数据处理结果可以看出,随着测量楼层调试的增加,接收到的信号电平衰减值逐渐降低,收到的信号质量越好。
比较2,3,4层的教室,可以得到同样的结论。
总体比较：
通过对实验原理的掌握，实验中的动手实践，以及实验后的数据分析，我们可以了解到，对于高层建筑内部的电磁波接收受很多因素的影响。
室内由于建筑物的穿透损耗，比室外信号质量要差。
而在室内靠近窗口，门口的空间，电磁波的接收效果相对室内其他地方要好一点，室内较开阔的空间中电磁波接收效果也较好。
另外，楼层越高电磁波衰减越小，收到的信号质量越好。
关于数据的正态分布：
实验总体情况大部分符合正态分布，包括四层楼的走廊，教室，室外外围。
但也有些有误差，究其原因主要有：
1、实验过程中，由于过往的不间断的人流，导致测试数据的不稳定，从而使所测得的数据不是严格的服从正态分布。
2、由于环境的差异，例如门、窗户、楼道引起了数据的高低起伏，但由于一层楼的数据不可能达到太多，所以环境的影响也导致了不能完全符合正态。
3、离理想正态曲线比较远的有教二外围的东侧和西侧，南侧北侧都比较接近正态分布。
主要是因为东西两侧长度短，测得的数据均为55组，由于数据量不够大，加上那两侧人来人往比较多，所以影响也较大，导致不是很接近正态，最大值处凹陷等结果。
七．实验心得体会
这次实验给我们的感觉与以往在实验室里的实验有很大不同，我们研究的是非常贴近生活的校园电波传播模型，包括平常我们接触很多的广播，电视信号。
通过数据采集，处理，结果分析这整个过程，我们在每个阶段都学到了不同的东西。
首先，我们了解了关于电波传播的一些基本知识，比如电波传播的主要方式，电波传播过程中的各种原因引起的损耗以及路径损耗的各种模型。
在数据采集中，我们学会了场强仪的使用，对周围事物也观察地更加仔细。
数据处理主要是用EXCEL录入数据和用MATLAB分析数据，又使我们了解了几个新的函数的使用，使这么多看似毫无关系的数据显示出一定的规律性。
对MATLAB处理后的结果结合实际情况进行分析，明白了电波在室内的分布规律以及影响这种分布的各种原因，通过对室内外对比得到了房屋的穿透特性。
了解电波传播的规律对于无线通信系统的设计具有非常重要的意义，而且通过实验可以理论联系实际，通过亲自测量，思考，分析，加深及扩展对所学知识的理解。
而且，通过这次实验，我们组内各成员间合理分工，通力合作，最后顺利完成了实验，让我们学会了如何进行集体工作，互相学习，互相配合的重要。
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