第頁信息與通信工程學(xué)院電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：校園無線信號場強(qiáng)特性的研究姓名班級學(xué)號序號 日 期：電磁場與電磁波●場強(qiáng)實(shí)驗(yàn)?zāi)夸浺?、?shí)驗(yàn)?zāi)康?2二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 2三、實(shí)驗(yàn)原理 2四、實(shí)驗(yàn)步驟 51、選擇實(shí)驗(yàn)對象 52、數(shù)據(jù)采集 53、數(shù)據(jù)錄入 74、數(shù)據(jù)處理流程 7五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 81、 磁場強(qiáng)度地理分布 82、 磁場強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布 113、 建筑物的穿透損耗 134、 部分地區(qū)的多徑衰落分析 14六、 問題分析與解決 151、Matlab仿真問題研究與解決 152、特殊點(diǎn)場強(qiáng)分布的研究 153、 多徑衰落的基本研究 15七、分工安排 15八、心得體會(huì) 16九、 附錄：數(shù)據(jù)處理部分 17

實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆赵谝苿?dòng)環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確測試方法；研究校園內(nèi)各種不同環(huán)境下陰影衰落的分布規(guī)律；掌握在室內(nèi)環(huán)境下場強(qiáng)的正確測試方法，理解建筑物穿透損耗的概念；通過實(shí)地測量，分析建筑物穿透損耗隨頻率的變化關(guān)系；研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用DS1131場強(qiáng)儀，實(shí)地測量信號場強(qiáng)研究具體現(xiàn)實(shí)環(huán)境下陰影衰落分布規(guī)律，以及具體的分布參數(shù)如何；研究在校園內(nèi)電波傳播規(guī)律與現(xiàn)有模型的吻合程度，測試值與模型預(yù)測值的預(yù)測誤差如何；研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)原理無線通信系統(tǒng)是由發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、無線信道、接收機(jī)、接收天線所組成。對于接收者，只有處在發(fā)射信號覆蓋的區(qū)域內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接收信號，此時(shí)，電波場強(qiáng)大于等于接收機(jī)的靈敏度。因此，基站的覆蓋區(qū)的大小，是無線工程師所關(guān)心的。決定覆蓋區(qū)大小的因素主要有：發(fā)射功率、饋線及接頭損耗、天線增益、天線架設(shè)高度、路徑損耗、衰落、接收機(jī)高度、人體效應(yīng)、接收機(jī)靈敏度、建筑物的穿透損耗、同播、同頻干擾。陰影衰落在無線信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物體對電波的遮擋。在測量過程中，不同測量位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率不同，這樣就會(huì)觀察到衰落現(xiàn)象。在陰影衰落的情況下，移動(dòng)臺被建筑物遮擋，它所收到的信號是各種繞射、反射、散射波的合成。所以，在距基站距離相同的地方，由于陰影效應(yīng)的不同，他們收到的信號功率有可能相差很大，理論和測試表明，對任意的d值，特定位置的接收功率為隨機(jī)對數(shù)正態(tài)分布即： 其中，為0均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位為，標(biāo)準(zhǔn)偏差為，單位也是。 對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同的T-R距離時(shí)，不同的隨機(jī)陰影效應(yīng)。這樣利用高斯分布可以方便的分析陰影的隨機(jī)效應(yīng)。它的概率密度函數(shù)是： 應(yīng)用于陰影衰落時(shí)，上式中的x表示某一次測量得到的接受功率，m表示以表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差，單位為。陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)差同地形、建筑物類型、建筑物密度等有關(guān)，在市區(qū)的頻段其典型值是。除了陰影效應(yīng)外，大氣變化也會(huì)導(dǎo)致慢衰落。但在測量的無線信道中，大氣變化所造成的影響要比陰影效應(yīng)小得多。陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差σs（dB頻率（MHz）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形?h（米）城市郊區(qū)501503001503.5~5.54~79111345067.51115189006.58141821 大尺度路徑衰落在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，路徑損耗是影響通信質(zhì)量的一個(gè)重要因素。大尺度平均路徑損耗：用于測量發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間信號的平均衰落，定義為有效發(fā)射功率和平均接受功率之間的（dB）差值，根據(jù)理論和測試的傳播模型，無論室內(nèi)或室外信道，平均接受信號功率隨距離對數(shù)衰減，這種模型已被廣泛的使用。對任意的傳播距離。大尺度平均路徑損耗表示為： 即平均接收功率為： 其中，為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度；為近地參考距離；為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它還與接收點(diǎn)的電波傳播條件密切相關(guān)。為此，我們引進(jìn)路徑損耗中值的概念。中值是使實(shí)測數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個(gè)數(shù)值（對于正態(tài)分布中值就是均值）。人們根據(jù)不同的地形地貌條件，歸納總結(jié)出各種電波傳播模型。自由空間模型布靈頓模型EgLi模型Hata-Okumura模型建筑物的穿透損耗定義建筑物的穿透損耗大小對于研究室內(nèi)無線信道具有重要意義。穿透損耗又稱大樓效應(yīng)，一般指建筑物一樓內(nèi)的中值電場強(qiáng)度和室外附近街道上中值電場強(qiáng)度之差。發(fā)射機(jī)位于室外，接收機(jī)位于室內(nèi)，電波從室外進(jìn)入到室內(nèi)，產(chǎn)生建筑物的穿透損耗，由于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室內(nèi)場強(qiáng)一定小于室外的場強(qiáng)，造成傳輸損耗。室外至室內(nèi)建筑物的穿透損耗定義為：室外測量的信號平均場強(qiáng)減去在同一位置室內(nèi)測量的信號平均場強(qiáng)，用公式表示為： 是穿透損耗，單位，是在室內(nèi)所測的每一點(diǎn)的功率，單位，共M個(gè)點(diǎn)，是在室外所測的每一點(diǎn)的功率，單位，共N個(gè)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)步驟1、選擇實(shí)驗(yàn)對象NN北郵圖書館鳥瞰圖 這次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)我們選擇了書香氣息很濃同時(shí)無論何時(shí)人口都較為密集的圖書館。圖書館建筑較為規(guī)整，其一圈近似為正方形，方便測量，且測量點(diǎn)比較整齊。在選頻方面，我們采用的是低頻測量，頻點(diǎn)選用的是106.1MHz，因?yàn)檫@是在全市范圍內(nèi)接收效果較好的一個(gè)頻道。2、數(shù)據(jù)采集利用場強(qiáng)儀DS1131測量無線信號的強(qiáng)度（單位），圍繞北郵圖書館一周按照北東南西的順序順時(shí)針測量。此外，測量時(shí)以一步為一個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)基本保證平均取點(diǎn)。startstart測量行進(jìn)方向圖3、數(shù)據(jù)錄入將測量得到的數(shù)據(jù)錄入Excel表格，分別以東、南、西、北每個(gè)方向?yàn)橐粡垎为?dú)的sheet，每行錄入10個(gè)數(shù)據(jù)。 4、數(shù)據(jù)處理流程采集到的數(shù)據(jù)有500多組，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的處理以便得到明確的結(jié)論。下圖所示為數(shù)據(jù)處理的流程圖。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)整理和錄入場強(qiáng)空間分布統(tǒng)計(jì)分析、擬合、作圖場強(qiáng)概率分布統(tǒng)計(jì)分析、擬合、作圖穿透損耗計(jì)算和結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)論整理與分析導(dǎo)入MATLAB實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析磁場強(qiáng)度地理分布東、南、西、北四個(gè)方向場強(qiáng)均值分別為：-45.63dBmW；-44.66dBmW；-45.42dBmW；-45.20dBmW東、南、西、北各方向磁場強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為： 5.15；4.17；4.30；4.38 由此可以看出，均值來看圖書館南側(cè)信號強(qiáng)度最好，而東側(cè)則最差；標(biāo)準(zhǔn)差來看仍是南側(cè)最小，說明波動(dòng)最小，誤差也最小。而依然是東側(cè)較大，可能是干擾較多導(dǎo)致不穩(wěn)定。圖書館南、西、北三側(cè)都為近似一條直線，而只有東面有兩塊凹進(jìn)去的地方（如上圖），故出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差較大現(xiàn)象也是可以預(yù)見的。而均值南側(cè)最大東側(cè)最小極有可能是因?yàn)殡姶挪ǖ牟ㄔ次恢闷髂?，所以南?cè)受到的損耗較小。磁場強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布由于受到傳播路徑等諸多因素的影響，故磁場強(qiáng)度分布呈波動(dòng)特性。理論分析表明，磁場強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)高斯分布特性，針對實(shí)測數(shù)據(jù)，可得到磁場強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布，對該分布進(jìn)行高斯擬合，得到了如下圖所示的結(jié)果： 如上圖所示，藍(lán)色矩形條為直方統(tǒng)計(jì)，紅色曲線為高斯分布擬合曲線。擬合表達(dá)式為，擬合參數(shù)如下表所示，顯然擬合情況存在一定的偏差。下表給出擬合表達(dá)式所用參數(shù)：圖書館周圍擬合參數(shù)表方向μEast-45.635.15South-44.664.17West-45.424.30North-45.204.38下面給出各個(gè)方向的概率累積分布圖： 如上圖所示，斜率越大則表明磁場的分布區(qū)間越窄，即分布越集中?？梢钥闯鰩讉€(gè)方向的圖基本符合s型曲線，其中圖書館西側(cè)的圖最漂亮，且中間斜率較高，信號強(qiáng)度較為集中。由此可以看出西側(cè)信號較其他方向更為穩(wěn)定。dAPr2r1RTh1dAPr2r1RTh1h2部分地區(qū)的多徑衰落分析在通信系統(tǒng)中，由于通信地面站天線波束較寬，受地物、地貌和海況等諸多因素的影響，使接收機(jī)收到經(jīng)折射、反射和直射等幾條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。這些不同路徑到達(dá)的電磁波射線相位不一致且具有時(shí)變性，導(dǎo)致接收信號呈衰落狀態(tài)。電波傳播的幾何模型是分析電波傳播特性的基本方法，幾何模型多用在傳播徑數(shù)不多的情況，其分析是基于電波的直線傳播特性及電波的反射、繞射、折射。由于圖書館建筑體近似表面是正方形的長方體，每個(gè)面都是個(gè)非常好的多徑衰落模型。由上圖可知，直射波的行程為： 反射波的行程為： 行程差為： 假設(shè)，則 所以 設(shè)地面反射波的反射系數(shù)為，反射波與直射波之間存在著相位差，其中行程差引起的相位差為；另外，反射將引起相移。因此對于圖書館周圍測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)場強(qiáng)強(qiáng)度大致呈周期性變化，即在若干點(diǎn)上直射波和反射波的疊加導(dǎo)致該點(diǎn)位于波節(jié)點(diǎn)上，故場強(qiáng)衰落很大；在另外若干點(diǎn)上直射波和反射波的疊加導(dǎo)致該點(diǎn)位于波腹點(diǎn)上，故場強(qiáng)衰落很小。事實(shí)上，由于無線電波的傳播具有覆蓋的特性，并且考慮到天線傳播的環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，所以多徑衰落在無線通信中普遍存在，只是在這種更便于簡化分析，得出相對準(zhǔn)確的結(jié)論。問題分析與解決1、Matlab仿真問題研究與解決 此次matlab仿真的難度并不大，主要原因是需要做的幾組圖形包括概率累積分布圖（cdfplot）、帶正態(tài)擬合的頻道直方圖（histfit）、7次多項(xiàng)式擬合對比圖及其殘差（7thdegreepolynomialfittingandresiduals）、樓梯圖（stairs）等，在matlab中都可以一鍵作圖得到。其他幾個(gè)圖基本都是直接得到，除了7次多項(xiàng)式擬合圖要在bar圖形中添加基本fitting中的7thdegreepolinomial即可。而我們一開始遇到了一個(gè)很尷尬的問題，在錄入excel文件的時(shí)候我們把數(shù)據(jù)按一行10個(gè)進(jìn)行的錄入而非一整列。在matlab繪圖的時(shí)候需要一個(gè)一維向量組，而從excel導(dǎo)入的數(shù)據(jù)表默認(rèn)是二維向量。所以需要進(jìn)行處理，而之前并沒有遇到過類似問題。后來經(jīng)查詢運(yùn)用了reshape函數(shù)，對本身矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣進(jìn)行二維變一維的轉(zhuǎn)化，解決了這個(gè)小問題。2、特殊點(diǎn)場強(qiáng)分布的研究場強(qiáng)分布研究大體可從兩方面入手，即地理位置和統(tǒng)計(jì)分布。地理分布直觀上反映了場強(qiáng)在地理位置上的大體分布情況；而統(tǒng)計(jì)分布則從概率的角度上更加有效準(zhǔn)確的反映了一個(gè)地點(diǎn)的場強(qiáng)特性。從我們這次實(shí)測數(shù)據(jù)的情況來看，對于教二樓的磁場強(qiáng)度造成主要影響的是陰影衰落，這一衰落效應(yīng)在測量教二樓室外的磁場強(qiáng)度時(shí)效果尤其明顯，在教二南面采集數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)椴煌攸c(diǎn)遮擋物不同，故接收功率有很大出入；而在教二背面進(jìn)行測量時(shí)，由于測量點(diǎn)均被教二樓所遮擋，故接收功率的標(biāo)準(zhǔn)差較小。但從另一方面來講，由于采集的數(shù)據(jù)并不夠充分，而且不排除在測量過程中一些人為誤差干擾因素的加入，因此結(jié)論不能十分確定。所以，更好的解決辦法是聯(lián)合其他同學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，這樣結(jié)論就具有很高的可靠性了。多徑衰落的基本研究對于移動(dòng)無線信道，其主要特征就是多徑傳播。多徑傳播是1由于無線傳播環(huán)境的影響，在電波的傳播路徑上電波產(chǎn)生了反射、繞射和散射，這樣當(dāng)電波傳輸?shù)揭苿?dòng)臺的天線時(shí)，信號不是單一路徑來的，而是許多路徑來的多個(gè)信號的疊加。因?yàn)殡姴ㄍㄟ^各個(gè)路徑的距離不同，所以各個(gè)路徑電波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，相位也