校园内无线信号场强特性的研究实验报告

校园内无线信号场强特性的研究实验报告2010211117班10210498高冉10210500常宸一、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。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：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：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。3.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：P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.实验对象的选择组内协商决定选择看起来简单粗暴的南北主干道，顺便解决室内还是室外的问题，频道选择了模拟电视CH27，频率为622~630MHz。（虽然后来发现该频道信号不是很好，但因为刚开始是因为树木繁茂误以为障碍物太多导致，就一路测完了……）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dbmw，数据记录时为方便没有写‘-’号，录入是改正。因为半波长为20cm，基本上是一步一挪，测量时选择了8个地点，其中6个地点每处测量50个点，其余2个地点每处测量100个点。6个地点分别是：1)南门至中门南段（50）2)南门兴盛超市南面路口处（50）3)南门兴盛超市到中门路段（50）4)教二楼教三楼之间（100）5)毛爷爷像与主楼广场之间（50）6)教一与教四之间（50）7)图书馆到学生活动中心之间（100）8)学十到北门（50）天气状况：有风频点：622~635MHz3.实验数据：另见EXCEL表格4.数据处理采用matlab处理，代码：结果图：四、实验分析1.数值分析：1）南门至中门南段（50）均值：-70.03最大值：-61.5最小值：-81.9中值：-69.52）南门兴盛超市南面路口处（50）均值：-68.286最大值：-63最小值：-76.9中值：-67.853）南门兴盛超市到中门路段（50）均值：-64.772最大值：-58.5最小值：-72.4中值：-64.154）教二楼教三楼之间（100）均值：-67.003最大值：-51.5最小值：-80.8中值：-66.85）毛爷爷像与主楼广场之间（50）均值：-69.05最大值：-61.3最小值：-85.6中值：-67.86）教一与教四之间（50）均值：-60.014最大值：-52.4最小值：-74.4中值：-597）图书馆到学生活动中心之间（100）均值：-65.069最大值：-54.4最小值-76.1中值：-65.38）学十到北门（50）均值：-72.327最大值：-63.7最小值：-83.7中值：-72（好像用EXCEL算时有两个数错行数了……大概差了两个，没找出来……标准差没找到公式）2.结果分析、从局部分析：1.南门到兴隆超市衰减较大，应该是因为树木繁茂所导致。2.兴隆超市到中门因为附近没有较高的楼，树木也相对稀疏些，因此信号好一些。3．教二教三之间衰减不是很大，应该是因为道路较宽，相对较空旷，虽然西侧有高楼，但是因为树少，东侧教二不是很高，所以信号好一些，但是有时会从-60+dbmw突然跳到-70+dbmw，不知道为什么。4.毛爷爷像与主楼广场之间较空旷，但是西侧树木较多（行道树之外加了主席像广场的各种树）所以信号与教三附近差距不大。5．教一与教四之间信号就比较好了，两侧道路空旷，树木稀疏也不是很高，教一教四本身也不高，所以衰减比较小。6.图书馆到学生活动中心之间因为几栋宿舍楼间隔出现，且学8较高，所以信号相对教一与教四之间有所衰减。7.学十那里信号最弱，因为西侧有高楼，东侧有建筑工地，虽然没有树木，但是好拥挤啊……五、实验心得：高冉：常宸：好热……在测量的时候发现当汽车快速通过或者起风（树木多的时候）的时候对信号会有影响，而且在移动过程中信号强度同样会有变化，一般是衰减减小，于是很愉快地看着数字很美好，等到要读的时候衰减就又蹭蹭蹭上来了……曾经怀疑过在道路中间和道路一侧测得的数据会有所不同，但实践证明……差异很小。这个实验让我更形象地了解了阴影衰落，在实验过程中也增强了动手能力，而数据录入与处理的过程更是锻炼了对EXCEL的使用以及……耐心。