北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)報告

信息與通信工程學(xué)院電磁場與電磁波實(shí)驗(yàn)報告題目：校園無線信號場強(qiáng)特性的研究姓 名： 學(xué) 號： 7 班 級： 班 2015年05月17日一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握在移動環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確的測試方法；2、熟悉并理解電磁波傳輸理論中傳輸損耗、路徑損耗、穿透損耗、衰落等概念，研究校園內(nèi)各種不同環(huán)境下陰影衰落的分布規(guī)律；3、掌握在室外環(huán)境下場強(qiáng)的正確測量方法，與相關(guān)的傳播模型進(jìn)行匹配；4、經(jīng)過實(shí)地測量，處理數(shù)據(jù)，分析校園內(nèi)電磁波強(qiáng)度的變化規(guī)律，并探究其受到影響的因素。二、實(shí)驗(yàn)原理1、電磁波的傳播方式（1）無線通信系統(tǒng)無線通信系統(tǒng)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)射信號的覆蓋區(qū)內(nèi)，才能保證接收機(jī)正常接受信號，此時，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)的大小的主要因素有：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，同頻干擾等。（2）電波傳輸方式電磁場在空間中的傳輸方式主要有反射繞射散射三種模式。當(dāng)電磁波傳播遇到比波長大很多的物體時，發(fā)生反射。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間無線路徑被尖銳物體阻擋時發(fā)生繞射。當(dāng)電波傳播空間中存在物理尺寸小于電波波長的物體且這些物體的分布較密集時，產(chǎn)生散射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面，如小物體或其它不規(guī)則物體，如樹葉街道標(biāo)志燈柱等。2、尺度路徑損耗在移動通信系統(tǒng)中， 路徑損耗是影響通信質(zhì)量的一個重要因素。大尺度平均路徑損耗： 用于測量發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間信號的平均衰落，即定義為有效發(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： （式1）即平均接收功率為： （式2）其中，定義n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度，d0為近地參考距離，d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。公式中的橫杠表示給定值d的所有可能路徑損耗的綜合平均。坐標(biāo)為對數(shù)對數(shù)時，平均路徑損耗或平均接收功率可以表示為斜率10ndB /10 倍程的直線。n依賴于特定的傳播環(huán)境，例如在自由空間，n為2；當(dāng)有阻擋物時，n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它與接受點(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)驗(yàn)數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個數(shù)值（對于正態(tài)分布中值就是均值）。人們根據(jù)不同放入地形地貌條件，歸納總結(jié)出各種電波傳播模型。下邊介紹幾種常用的描述大尺度衰落的模型。常用的電波傳播模型： 1) 自由空間模型 2) 布靈頓模型 3) EgLi 模型 4) Hata-Okumura 模型 3、陰影衰弱在無線信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其它物體對電波的遮擋。在測量過程中，不同位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率也不同，這樣就會觀察到衰落現(xiàn)象。由于這種原因造成的衰落也叫“陰影效應(yīng)”或“陰影衰落”。在陰影衰落的情況下，移動臺被建筑物所遮擋，它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，它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，特定位置的接受功率為隨機(jī)對數(shù)正態(tài)分布即： （式3）其中，Xs 為0 均值的高斯分布隨機(jī)變量，單位dB；標(biāo)準(zhǔn)偏差s ，單位dB。對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同T-R 距離時，不同的隨機(jī)陰影效應(yīng)。這樣利用高斯分布可以方便地分析陰影的隨機(jī)效應(yīng)。正態(tài)分布，也叫高斯分布，概率密度函數(shù)為： （式4）應(yīng)用于陰影衰落時，上式中的表示某一次測量得到的接收功率，表示以dB 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，單位是dB。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150MHz 頻段其典型值是5dB。除了陰影效應(yīng)外，大氣變化也會導(dǎo)致陰影衰落。比如一天中的白天，夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴時，下雨時，即使在同一個地點(diǎn)上，也會觀察到路徑損耗的變化。但在測量的無線信道中，大氣變化造成的影響要比陰影效應(yīng)小的多。 下面是陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差，其中(dB)是陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。（dB）頻率（MHz）準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形 （米）城市郊區(qū)501503001503.55.5479111345067.51115189006.58141821陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差（dB）4、建筑物穿透損耗的定義建筑物穿透損耗的大小對于研究室內(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dB 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)減去同一位置室內(nèi)測量的信號平均場強(qiáng)。用公式表示為： （式5）是穿透損耗，單位是dB；是在室內(nèi)所測的每一點(diǎn)的功率，單位是，共個點(diǎn)；是在室外所測的每一點(diǎn)的功率，單位是，共個點(diǎn)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟利用DS1131 場強(qiáng)儀，實(shí)地測量信號場強(qiáng)。1、測量地點(diǎn)選擇我們組選擇測量學(xué)四樓東、西、南、北四面的室外場強(qiáng)分布。為了盡可能減小人流量對測量數(shù)據(jù)的影響，我們選擇在下午13:30(大家都去上課)至13：30（下課的隊(duì)伍還尚未回到學(xué)四）這一時間段進(jìn)行測量。由下圖可以看到學(xué)四周邊環(huán)境的情況大致如下：（1）東邊靠近主干道，較為開闊，主要遮擋物為自行車、樹木、展板；（2）西邊靠近學(xué)三樓，且和學(xué)三樓距離較近，學(xué)三是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大樓，初步判斷影響較大；（3）北面是花壇、綠地，學(xué)八樓，學(xué)八樓也是和學(xué)三一樣的高樓，但是相比距離學(xué)四較遠(yuǎn)；（4）南部是花壇、學(xué)二樓，花壇內(nèi)有小樹木，學(xué)二是磚結(jié)構(gòu)的矮樓。注：測量期間空氣中有大量楊絮，我們尚無法得知楊絮是否對電磁波強(qiáng)度分布有影響。2、測量頻點(diǎn)選擇我們選擇的是中國國際廣播電臺旗下的國際流行音樂廣播頻道FM88.7MHz。（1）FM88.7的頻率接近100MHz，波長接近3m，數(shù)值較整；根據(jù)我們之前對學(xué)四公寓的室內(nèi)樓道瓷磚的測量，兩個半瓷磚大致就是半波長的1.5m，相當(dāng)于我們走三小步，所以每走三小步記錄一次數(shù)據(jù)，不易產(chǎn)生較大的間隔偏差。（2）FM88.7信號強(qiáng)度較大，測量過程中還可以聽到聲音，比較適合數(shù)據(jù)收集。（3）我們按照“4條邊，4個角”分為8組，每組測量近70個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總數(shù)超過500個。3、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：dBmw），我們按照正南、東南、西南、正北、東北、西北、正東、正西分為8個點(diǎn)，如下圖所示，測量88.7MHz頻點(diǎn)的電磁波強(qiáng)度；以半個波長（約1.5米，大概走三小步)為測量周期， 記錄該點(diǎn)讀數(shù)。4、數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析將測量得到的數(shù)據(jù)錄入Excel表格，為了便于MATLAB處理數(shù)據(jù)，將所有數(shù)據(jù)都存在一列，并注明地點(diǎn)和周邊狀態(tài)。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，分析周邊環(huán)境，驗(yàn)證模型，得出結(jié)論。原始數(shù)據(jù)和Matlab代碼請見excel表格和附錄。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、統(tǒng)計特性分析（1）某一特定位置的接收功率為隨機(jī)正態(tài)分布由于受到傳播路徑的諸多影響，磁場強(qiáng)度呈現(xiàn)波動特性，理論分析表明磁場強(qiáng)度值在一定區(qū)間內(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)計分布，分別對8個點(diǎn)采集到的原始數(shù)據(jù)用matlab進(jìn)行正態(tài)分布擬合，得到結(jié)果如下：1）各個點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)都基本符合隨機(jī)正態(tài)分布。2）A、B、H點(diǎn)的擬合情況較差，這是因?yàn)闃颖静粔虼笤斐傻模绕涫荁點(diǎn)（正西邊），即學(xué)四和學(xué)三之前的通道，該區(qū)域較為狹小，所以按照半波長一個數(shù)據(jù)我們只得到了58個有效數(shù)據(jù)，樣本較小，所以統(tǒng)計特性不明顯。3）E、F、G點(diǎn)擬合效果較好，這和我們在這三個點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)樣本較大有一定關(guān)系，也和這三個地點(diǎn)較為開闊，遮擋較少有關(guān)。4）C點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)是最多的，但是擬合效果并不是特別好，因?yàn)镃點(diǎn)所處的學(xué)二學(xué)四之間的小花園中樹木較多，而且分布較為凌亂、高低不一致。（2）將學(xué)四作為一個點(diǎn)，對500個數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合上圖是對500多個數(shù)據(jù)的對數(shù)隨機(jī)正態(tài)分布擬合，偏差不大，符合預(yù)計情況。這是由于我們采集數(shù)據(jù)的樣本足夠大，而且調(diào)頻廣播88.7MHz在室外的信號情況較好（我們在測量的全程都可以正常地收聽）。2、磁場強(qiáng)度與地理位置的關(guān)系對每個點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)取平均值作為該點(diǎn)的信號強(qiáng)度，可以分析出信號強(qiáng)度與地理位置的關(guān)系。下圖是各個點(diǎn)的信號強(qiáng)度值（均值）與位置關(guān)系的直方圖。由直方圖可以看出，信號強(qiáng)度最大的是F點(diǎn)，其次是G點(diǎn)、B點(diǎn)。而A點(diǎn)、H點(diǎn)的信號強(qiáng)度最弱，分析原因如下： 首先注明的是：我們在測量的時候人、車很少，基本可以排除這部分的影響；在測量當(dāng)天空氣中的楊絮較多，但是考慮到楊絮分布的隨機(jī)性和我們采樣樣本足夠大，默認(rèn)排除楊絮的影響；室外bupt的無線WiFi信號較弱，也默認(rèn)不會影響我們的數(shù)據(jù)。（1）F點(diǎn)位于西南角，G、B點(diǎn)分別位于西北和西邊，信號強(qiáng)度較大。可以推測FM88.7信號的發(fā)射臺位于西邊。我們通過查找資料得知，中國國際廣播電臺的發(fā)射塔位于西三環(huán)，和數(shù)據(jù)結(jié)果一致。（2）A（正東）、H（東北）、E（東南）點(diǎn)信號強(qiáng)度較弱，主要原因是受學(xué)四樓的影響，學(xué)四樓較高，且是鋼筋混凝土架構(gòu)，所以對電磁波影響較大。雖然學(xué)四東邊是較為開闊的主干道，但是主干道附近還分布著報刊亭、自行車、展板等障礙物，主干道兩側(cè)是高大的泡桐樹，都會削弱信號強(qiáng)度。（3）G（西北）、B（正西）、F（西南）三點(diǎn)比較可以看出F、G的強(qiáng)度都會比B點(diǎn)大，原因是B點(diǎn)受到學(xué)三樓的影響。F點(diǎn)附近是花壇、學(xué)一、教四，花壇主要是小樹木，學(xué)一和教四都比較矮，對信號衰弱影響不大。G點(diǎn)附近也是綠地，雖然受高樓學(xué)五的影響，但是相比B點(diǎn)，離高樓較遠(yuǎn)，影響較小。（4）D（正北）和C（正南）的強(qiáng)度大致相當(dāng)，但D的強(qiáng)度略大。兩個地點(diǎn)的周邊環(huán)境差別不大，都是沒有高大樹木的花壇，對信號強(qiáng)度沒有很大影響。C點(diǎn)可能會受學(xué)二、教四樓的影響，D點(diǎn)可能會受到學(xué)八、學(xué)十樓的影響。學(xué)二、教四樓比較矮小，所以我們預(yù)計C點(diǎn)強(qiáng)度應(yīng)該大于D點(diǎn)，但是結(jié)果卻不是。結(jié)合（1）我們推測可能是學(xué)四樓的影響，同時學(xué)二學(xué)四之間花壇種有大量和人體高度大致齊平的樹木，枝葉較多，經(jīng)常會碰到場強(qiáng)儀天線，對數(shù)據(jù)有一定影響。綜上所訴，我們得出結(jié)論：（1）發(fā)射塔位于學(xué)校西南邊。（2）高層建筑對信號衰弱影響較大，但也不絕對。（3）樹木也會削弱電磁信號強(qiáng)度。3、室內(nèi)外磁場強(qiáng)度分析比較該部分原始數(shù)據(jù)的室內(nèi)部分來自班內(nèi)另一小組（李莎莎、江玲小組），她們測量的是FM88.7在學(xué)四樓各樓層的分布情況。下圖是學(xué)四樓內(nèi)信號強(qiáng)度與測量位置關(guān)系的直方圖，從圖中我們可以看出：（1）學(xué)四樓內(nèi)西邊信號整體會比東邊強(qiáng)一些，正好驗(yàn)證了我們關(guān)于發(fā)射臺位置的推測。（2）樓道內(nèi)的信號強(qiáng)度整體會比室外低一些（室內(nèi)的測量值大多在-70dBm以下，而室外的測量值大多數(shù)可以達(dá)到-50dBm這個數(shù)量級）。我們推測是受到學(xué)四樓外墻的影響。同時，室內(nèi)小組測到的數(shù)據(jù)體現(xiàn)了在靠近窗戶的地方信號強(qiáng)度略大，在一定程度上也可以驗(yàn)證我們的推測。五、遇到的問題與解決辦法1、誤差分析在實(shí)驗(yàn)過程中，我們盡可能地將誤差控制在最小，體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）選擇88.7MHz頻點(diǎn)。只有達(dá)到一定接收功率才能體現(xiàn)高斯擬合，低頻段的電磁波傳播特性較好，繞射能力強(qiáng)，穿透性好，研究起來相對容易。我們在測量數(shù)據(jù)的全過程中都可以清晰地收聽到該頻道廣播，信號強(qiáng)度較大。同時半波長大概是1.5m，為三小步，在可以準(zhǔn)確控制的范圍內(nèi)。（2）樣本足夠大。研究統(tǒng)計特性對樣本要求要足夠大，我們在每個點(diǎn)都測量超過60個數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)超過500，基本可以體現(xiàn)統(tǒng)計特性。（3）測量現(xiàn)場人流、車流很少，可以忽略不計。但是整體過程還是有誤差存在的，比如場強(qiáng)儀的精度、測量讀數(shù)誤差（測量過程中，同一個位置場強(qiáng)儀讀數(shù)是不固定的）、周邊環(huán)境影響（如楊絮）等。2、場強(qiáng)分布研究場強(qiáng)的分布研究通常從兩方面著手，一是地理位置分布，二是統(tǒng)計值分布。地理位置分布直觀反映了場強(qiáng)在空間的分布，為工程實(shí)際的建設(shè)提供依據(jù)和參考。統(tǒng)計值的分布則在概率統(tǒng)計層面為研究場強(qiáng)的特性提供可能，場強(qiáng)的統(tǒng)計分布值能更加有效地反映一個地點(diǎn)的場強(qiáng)特性，為綜合設(shè)計通信系統(tǒng)提供參考。我們測量的結(jié)果與理論上的分布是符合的。3、對實(shí)驗(yàn)整體過程的分析我們根據(jù)原始數(shù)據(jù)得出的結(jié)果基本符合理論推測，但是終是冰山一角。限于時間、儀器和個人能力的限制，我們只測量了一座樓在一個頻點(diǎn)的信號分布情況，雖然說我們利用另外一組同學(xué)的數(shù)據(jù)做了室內(nèi)外的對比，但是從“校園內(nèi)無線信號分布”這一大標(biāo)題出發(fā)我們做得其實(shí)還很不夠。空氣中電磁波信號強(qiáng)度較大的應(yīng)該是900MHz附近的移動通信網(wǎng)和2.4GHz附近的無線主流WiFi，如果能對這兩個頻率附近的電磁波進(jìn)行測量、統(tǒng)計和分析，與更多的地點(diǎn)進(jìn)行對比，也將會是一件很有意義的事。六、實(shí)驗(yàn)分工與心得體會：負(fù)責(zé)前期的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、記錄、錄入、結(jié)果分析 本次實(shí)驗(yàn)對我來說收獲很大，通過對學(xué)四周圍電磁波的實(shí)地測量，使得我們對電波傳播理論有了更深入的認(rèn)識，提升了工程素養(yǎng)，培養(yǎng)了分析和解決問題的能力。首先，在測量之前，我做了很多準(zhǔn)備工作，之所以選擇88.7MHz只要是它的信號足夠大，而且半波長的1.5m是我們可控的；在選定頻點(diǎn)之后，我們分析了學(xué)四樓附近的環(huán)境，根據(jù)“四條邊，四個角”選定了八個測量點(diǎn)，每個點(diǎn)測量50個以上的數(shù)據(jù)，并且在環(huán)境允許的情況下（如正東邊為主干道，較為開闊，面積大）多測了一些數(shù)據(jù)；同時，我們選的時間點(diǎn)也是人、車最少的，這些都是為了更真實(shí)地反映分布情況。其次，在測量過程中，我們也遇到了一些困難，測量當(dāng)天楊絮紛飛，而且因?yàn)閿?shù)據(jù)量較大，后期有些繁瑣。但是我們都克服了。這是我們第一次室外實(shí)地測量，我想在今后的學(xué)習(xí)和工作中我們還要做無數(shù)次的室外作業(yè)，還會遇到無數(shù)困難，還會有很多挑戰(zhàn)等著我們。最后，在測量結(jié)束之后，我們面臨了更繁瑣的錄入工作。但是最終分析出來的結(jié)果還是讓我們很滿意的，通過這個實(shí)驗(yàn)我也重溫了Matlab編程的有關(guān)知識，復(fù)習(xí)了相關(guān)的函數(shù)，這些對以后也是會有很多幫助的。：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、報告撰寫一年以前，看到許多學(xué)長學(xué)姐拿著小黑盒子在校園內(nèi)走走停停，我們都忍不住回頭看一眼，想象他們正在做一項(xiàng)多么“高大上”的工作一年以后，我們知道了那個黑色的盒子叫做場強(qiáng)儀，其實(shí)它并不“高大上”，只能測模擬電視信號的頻率，它的使用也很像已經(jīng)過時了的諾基亞手機(jī)我和我的隊(duì)友在漫天楊絮的日子里做著一年前學(xué)長學(xué)姐們做的工作，這項(xiàng)并不“高大上”的實(shí)驗(yàn)卻給了我很多的收獲和思考。本次實(shí)驗(yàn)我主要負(fù)責(zé)后期數(shù)據(jù)的處理部分，通過參與的前期實(shí)地測量和后期的數(shù)據(jù)分析，我對無線電波的傳輸有了更加形象的認(rèn)識，能從工程的角度來看待課本知識，把理論和實(shí)踐漸漸地融為一體。之前課本的知識都是理想情況下的建模，公式的推導(dǎo)也有很多無法理解的近似，給人的感覺就是過于抽象。通過本次實(shí)驗(yàn)，我們看到了實(shí)地測量得到的數(shù)據(jù)都大致能符合理論的模型，符合推算得到的統(tǒng)計特性，雖然不是很好的擬合，但是根據(jù)之前學(xué)過概率統(tǒng)計的有關(guān)知識，我們可以推測更大數(shù)據(jù)情況下的擬合度將會更好，從而將相應(yīng)的模型用于工程實(shí)踐中。在數(shù)據(jù)處理的過程中，因?yàn)楸容^長時間沒有用Matlab了，在調(diào)程序的時候遇到了一定的麻煩，囿于時間，我將各個點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別做成一個excel文件，分別讀取，而且每次都只能得到一個圖。這樣的代碼效率不高，完全可以繼續(xù)簡化，但是因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量也不是特別大，所以可以忽略不計，我們最終還是得到了滿意的結(jié)果。最后，在完成實(shí)驗(yàn)的最后時刻，感謝老師在本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的全過程中對我們的幫助和指導(dǎo)。附錄1、實(shí)驗(yàn)代碼（1）統(tǒng)計