校园无线场强特性研究报告.docx
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校园无线场强特性研究报告
校园内无线信号场强特性的研究
实验报告
班级：
姓名：
学号：
一.实验目的：
1.掌握在移动环境下衰落的概念以及正确测量方法；
2.研究校园内不用环境下阴影衰落的分布规律；
3.掌握室内环境下场强的正确测量方法，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变化的关系；
5.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系；
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。
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：
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
（2）双径模型
（3）Hata模型
（4）Hat-cost231模型
（5）Okumura模型
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：
Pr（d）[dBm]=Pr（d）[dBm]+Xσ=Pr（d0）[dBm]-10nlog（d/d0）+Xσ
其中，Xσ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，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。
建筑物穿透损耗的定义：
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：
DP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：
1.实验对象的选择：
经组内讨论，决定测量地点为教二楼室内环境，频道选择了模拟电视CH27，频率为622~630MHz，其伴音频率为629.75MHz。
2.数据采集：
利用场强测量仪DS1131对无线信号功率值进行测量，单位选择dbm，因为半波长为20cm，基本上是一步一挪，测量时选择了5个地点，每处测量110个点.
5个地点分别是：
一楼，走廊（西至东）
二楼，走廊（东至西）
三楼，走廊（西至东）
四楼，走廊（东至西）
五楼，走廊（西至东）
频点：
629.75MHz
实验数据：
见附录。
数据处理：
采用matlab处理，
代码：
clearall;
closeall;
%-------------读取文件---------------%
e2w=xlsread（'E:
\data.xlsx','sheet1','D2:
D110'）;
n2s=xlsread（'E:
\data.xlsx','sheet1','F2:
F110'）;
w2e=xlsread（'E:
\data.xlsx','sheet1','H2:
H110'）;
s2n=xlsread（'E:
\data.xlsx','sheet1','J2:
J110'）;
a2b=xlsread（'E:
\data.xlsx','sheet1','L2:
L110'）
%total=xlsread（'data.xls','total'）;
%-------------转换成矩阵------------%
e2w2=reshape（e2w,1,109）;
n2s2=reshape（n2s,1,109）;
w2e2=reshape（w2e,1,109）;
s2n2=reshape（s2n,1,109）;
a2b2=reshape（a2b,1,109）;
%total2=reshape（total,1,512）;
%---------为画平面场强图作准备----------%
e2w3=[e2w2,zeros（1,109）,[1:
109]];
e2w3=reshape（e2w3,109,3）;
n2s3=[n2s2,zeros（1,109）,[1:
109]];
n2s3=reshape（n2s3,109,3）;
w2e3=[w2e2,zeros（1,109）,[1:
109]];
w2e3=reshape（w2e3,109,3）;
s2n3=[s2n2,zeros（1,109）,[1:
109]];
s2n3=reshape（s2n3,109,3）;
a2b3=[a2b2,zeros（1,109）,[1:
109]];
a2b3=reshape（a2b3,109,3）;
%-----------教二一楼走廊-----------%
figure（11）
subplot（1,2,1）;
histfit（e2w2）;%画柱状图
axis（[-90,-60,0,25]）;
gridon;
str={'教二一楼走廊';'信号电平概率分布'};
title（str）;
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'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（e2w2）%画累积概率分布图
axis（[-90,-60,0,1]）;
holdon;
e2wmean=num2str（s1.mean）;
e2wstd=num2str（s1.std）;
text（-75,0.22,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（-75,0.17,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（-75,0.12,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（-75,0.07,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（-75,0.02,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
figure（12）
surf（e2w3'）;%画衰落强度图
title（'教二一楼走廊信号电平分布图'）;
axis（[1,109,1,2]）;
caxis（[-90-60]）;
colorbar（'horiz'）;
%------------教二二楼走廊-----------%
figure（21）
subplot（1,2,1）;
histfit（n2s2）;
axis（[-90,-50,0,30]）;
gridon;
str={'教二二楼走廊';'信号电平概率分布'};
title（str）;
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'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（n2s2）
axis（[-90,-50,0,1]）;
holdon;
n2smean=num2str（s1.mean）;
n2sstd=num2str（s1.std）;
text（-70,0.22,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（-70,0.17,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（-70,0.12,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（-70,0.07,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（-70,0.02,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
figure（22）
surf（n2s3'）;%画衰落强度图
title（'教二二楼走廊信号电平分布图'）;
axis（[1,109,1,2]）;
caxis（[-80,-40]）;
colorbar（'horiz'）;
%-------------教二三楼走廊-----------%
figure（31）
subplot（1,2,1）;
histfit（w2e2）;
axis（[-80,-50,0,30]）;
gridon;
str={'教二三楼走廊';'信号电平概率分布'};
title（str）;
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'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（w2e2）
axis（[-80,-50,0,1]）;
holdon;
w2emean=num2str（s1.mean）;
w2estd=num2str（s1.std）;
text（-65,0.22,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（-65,0.17,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（-65,0.12,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（-65,0.07,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（-65,0.02,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
figure（32）
surf（w2e3'）;%画衰落强度图
title（'教二三楼走廊信号电平分布图'）;
axis（[1,109,1,2]）;
caxis（[-80,-40]）;
colorbar（'horiz'）;
%-----------教二四楼走廊------------%
figure（41）
subplot（1,2,1）;
histfit（s2n2）;
axis（[-80,-50,0,25]）;
gridon;
str={'教二四楼走廊';'信号电平概率分布'};
title（str）;
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'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（s2n2）
axis（[-80,-50,0,1]）;
holdon;
s2nmean=num2str（s1.mean）;
s2nstd=num2str（s1.std）;
text（-65,0.22,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（-65,0.17,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（-65,0.12,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（-65,0.07,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（-65,0.02,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
figure（42）
surf（s2n3'）;%画衰落强度图
title（'教二四楼走廊信号电平分布图'）;
axis（[1,109,1,2]）;
caxis（[-80,-40]）;
colorbar（'horiz'）;
%-----------教二五楼走廊------------%
figure（51）
subplot（1,2,1）;
histfit（a2b2）;
axis（[-70,-40,0,25]）;
gridon;
str={'教二五楼走廊';'信号电平概率分布'};
title（str）;
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'）;
subplot（1,2,2）;
[h1,s1]=cdfplot（a2b2）
axis（[-70,-40,0,1]）;
holdon;
a2bmean=num2str（s1.mean）;
a2bstd=num2str（s1.std）;
text（-58,0.22,['最小值=',num2str（s1.min）]）;
text（-58,0.17,['最大值=',num2str（s1.max）]）;
text（-58,0.12,['均值=',num2str（s1.mean）]）;
text（-58,0.07,['中值=',num2str（s1.median）]）;
text（-58,0.02,['标准差=',num2str（s1.std）]）;
title（'对应累积概率分布'）;
figure（52）
surf（a2b3'）;%画衰落强度图
title（'教二五楼走廊信号电平分布图'）;
axis（[1,109,1,2]）;
caxis（[-70,-40]）;
colorbar（'horiz'）;
实验结果图：
四.实验分析：
数值分析：
（1）一楼，走廊（西至东）
均值：
-77.5
最大值：
-65.7
最小值：
-88.6
标准差：
5.3
（2）二楼，走廊（东至西）
均值：
-71.4
最大值：
-55.9
最小值：
-83.8
标准差：
5.9
（3）三楼，走廊（西至东）
均值：
-63.2
最大值：
-50.7
最小值：
-76.6
标准差：
5.9
（4）四楼，走廊（东至西）
均值：
-62.0
最大值：
-52.0
最小值：
-74.9
标准差：
5.7
（5）五楼，走廊（西至东）
均值：
-52.8
最大值：
-42.4
最小值：
-65.2
标准差：
4.8
局部上可以看出：
教二楼内每一楼层的信号强度东西分布较为均匀，因教二楼的对称结构，每楼层两侧教室实验室的衰减较大，中部大厅衰减较小。
随着楼层的增加，每层的平均衰减在减小。
总体上可以看出：
整个教二楼内信号强度统计分布基本上符合正态分布，累积概率分布曲线很平滑，均值与中值基本吻合。
几组信号的标准差都较小，与理论值差距不大。
五.实验心得：
杨东玥：
本次的电磁场实验的形式我们第一次遇到，是走出实验室，利用新接触的场强仪测量实际数据加以分析，再通过matlab后期处理所得数据得出结论。
仪器和实验软件我们之前接触的都不多，特别是场强仪，操作有些难度，但实际应用起来所用功能较少，也相对简单了。
通过使用matlab对数据的处理我们也重新学习了一下matlab，感觉获益良多，对校园内室内外信号的衰减概念有了直观的了解，对我们理论课的学习益处良多。
、
赵天奇：
这次实验所用的新仪器使我对此次电磁场实验产生了浓厚的兴趣，在实验中使用时虽然只用了少少的几个功能，但自己平时对它的操作也使我对它有了些基础的了解。
本次实验我负责记录数据，几百个数据测量时和录入时都很麻烦，但是我在记录和录入时，也对教二楼内各个楼层，以及每个楼层从东向西或者从西向东的信号电平分布有了直观的了解。
对于钢筋混凝土建筑物对电磁信号的衰减有了具体的认识，我也选修了移动通信课，本次实验对我移动通信课的学习也是大有裨益。
附录：
实验所测量数据：
日期
地点
状态
电平（dbmw）
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-76.0
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-78.9
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-82.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-74.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.5
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.9
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-86.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-84.4
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-77.7
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-74.9
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-79.2
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-86.1
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-85.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.2
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-74.5
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-77.1
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-75.7
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-71.9
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-76.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-75.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-72.2
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-78.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-74.5
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-72.6
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-69.1
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-66.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.4
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-71.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-68.6
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-67.0
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-69.1
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-69.7
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-75.5
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-71.1
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.5
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-74.9
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-76.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-70.6
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-72.1
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-65.7
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-78.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-70.6
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-67.2
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-70.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-67.4
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.6
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-71.4
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-79.7
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-79.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.5
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-74.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-72.9
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-78.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.0
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-75.3
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-79.9
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-73.0
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-75.8
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-75.1
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-76.6
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-78.2
2013年5月10日
教二楼
一楼，走廊（西至东）
-80.1
2013年5月10日
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