微波与电磁场测量实验七无线通信场强特性研究

电磁场与微波测量实验报告学院：电子工程学院专业：光电信息科学与工程班级：成员：无线通信场强特性研究一、实验目的1.通过实测量校园室内外的无线电信号场强值，掌握室内外电波传播的规律。2.熟悉并掌握无线电中的传输损耗，路径损耗，穿透损耗，衰落等概念。3.熟练使用无线电场仪测试空间电场强的方法。4.学会对大量数据进行统计分析，并得到相关传播模型。二、实验原理1、电磁波的传播方式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。对于接受者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接受信号，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，同频干扰等。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。此外还有很多径传播的影响。（1）移动环境下电波的衰减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）路径消耗: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：)/log(10)(])[(dodndoPLdBdPL.即平均接收功率为)/log(10])[(Pr)/log(10)(]Pr[])[(PrdodndBmdododndoPLdBmdBmd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为发射机与接收机之间的距离。人们根据不同放入地形地貌条件，归纳总结出各种电波传播模型。下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。常用的电波传播模型：1）自由空间模型自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。我们所说的自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体，电波是以直射线的方式到达移动台的。自由空间模型计算路径损耗的公式是：𝐿𝑝=32.4+20𝐿𝑔𝑑+20𝐿𝑔𝑓其中Lp是以dB为单位的路径损耗，𝑑是以公里为单位的移动台与基站之间的距离，𝑓是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率.2）布灵顿模型布灵顿模型假设发射天线和移动台之间的地面是理想平面大地，并且两者之间的距离𝑑(单位𝑚)远大于发射天线的高度ℎ𝑡(单位𝐾𝑚)，或移动台的高度ℎ𝑟(单位𝐾𝑚)，此时的路径损耗（单位𝑑𝐵）计算公式为：𝐿𝑝=120+40𝐿𝑔𝑑−20𝐿𝑔ℎ𝑡−20𝐿𝑔ℎ𝑟3）Egli模型前述的自由空间模型及布灵顿模型都是基于理论分析得出的计算公式。EgLi公式则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测公式，属于经验模型，其计算式为：𝐿𝑝=88+40𝐿𝑔𝑑−20𝐿𝑔ℎ𝑡−20𝐿𝑔ℎ𝑟+20𝐿𝑔𝑓−𝐺其中路径损耗𝐿𝑝的单位是𝑑𝐵，距离𝑑的单位是公里，天线高度ℎ𝑡及ℎ𝑟的单位是米，工作频率𝑓的单位是MHz，地形修正因子𝐺的单位是𝑑𝐵。𝐺反应了地形因素对路径损耗的影响。EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度∆ℎ有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当∆ℎ用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响:𝐺={0∆ℎ15𝑚2.43(1−∆ℎ15)∆ℎ15𝑚150𝑀𝐻𝑧频段3.05(1−∆ℎ15)∆ℎ15𝑚2800𝑀𝐻𝑧频段4）Hat-cost231模型Hata-Okumura模型也是根据实测数据建立的模型。当移动台的高度为典型值ℎ𝑟=1.5m时，按Hata-Okumura模型计算路径损耗的公式为：市区：𝐿𝑝1=69.55+26.2𝐿𝑔𝑓−13.82𝐿𝑔ℎ𝑡+(44.9−6.55𝐿𝑔ℎ𝑡)𝐿𝑔𝑑开阔地：𝐿𝑝2=𝐿𝑝1−4.78(𝐿𝑔𝑓)2+18.33𝐿𝑔𝑓−40.94(3)建筑物的穿透损耗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=1𝑁∑𝑃𝑖(𝑜𝑢𝑡𝑠𝑖𝑑𝑒)−1𝑀∑𝑃𝑗(𝑖𝑛𝑠𝑖𝑑𝑒)𝑀𝑗=1𝑁𝑖=1∆𝑃是穿透损耗，单位是𝑑𝐵；𝑗𝑃是在室内所测的每一点的功率，单位是𝑑𝐵𝑣，共𝑀个点；𝑃𝑖是在室外所测的每一点的功率，单位是𝑑𝐵𝑣，共𝑁个点。三、实验内容（1）根据不同的地形地貌条件，归纳总结各种环境条件下可能采用的各种电波传播模型；在数据测试前，先用理论模型在理论上对待测区域进行一下分析；（2）观测波段的确定，实验地点的确定；（3）数据的测量：第一组数据在空间开放区域，地点自行选择，每半个波长测量一组数据，每个地点的数据应该在50—100个；（4）第二组数据可以选择在室内，例如，楼道或房间，仍以半个波长为单位记录数据；（5）第三组数据在可以选择在建筑物的遮挡下，观察“阴影衰落”；总结衰落服从的分布规律；（6）第四组数据可以找个地点，以反映建筑物外个建筑物内之间的场强差异，对建筑物穿透损耗的测量结果进行分析，用室外平均信号场强减去同一位置室内的所测信号的平均场强，得到建筑的穿透损耗。（7）数据处理（8）根据不同区域的测量结果，进行比较分析，分析不同环境下造成这些结果的原因；（9）模型分析：根据自己所测的数据，分析不同地带的测量结果，所使用的理论模型。四、实验步骤1、数据采集本次实验我们选择测量空旷处，两侧遮挡处，室内及半侧遮挡处，因此接收功率也不同，这样就会观察到衰落现象。利用场强仪测量无线信号的强度，围绕体育馆和游泳馆一周按照西北东南的顺序顺时针测量。下图中箭头所示是我们采集数据的路线。在绕采集数据的过程中，我们每走一步记录一个数据，每处测量50个数据。将测量得到的数据录入Excel表格，得到一个原始数据表。2、数据处理我们利用matlab软件强大的分析功能，对大量数据进行编程处理，计算其均值与标准差，并且画出概率的累积分布曲线，与标准正态分布的累积曲线比较，得出室外阴影衰落的分布规律，此外，作出场强空间分布图，具体流程图如下。五、实验数据整理及分析1、阴影衰落的分布规律1）概率分布柱状图空旷处场强概率分布柱状图单侧遮挡处场强概率分布柱状图双侧遮挡处场强概率分布柱状图室内场强概率分布柱状图注：曲线为拟合的正态分布曲线。2）原始数据表格遮挡（dB）空旷(dB)室内(dB)室外(dB)-39-45-65-41-35-50-57-43-42-49-55-40-37-41-47-42-35-42-59-43-35-41-54-43-38-45-58-42-36-45-61-43-40-44-59-43-38-45-61-41-39-42-59-43-37-39-68-42-34-40-71-39-37-48-47-45-37-48-47-42-43-50-57-43-34-41-54-41-37-43-46-46-34-50-57-45-36-48-50-44-38-46-41-44-37-42-60-42-35-45-51-46-30-46-49-44-45-44-52-42-40-46-50-45-44-47-50-45-34-43-42-41-40-42-44-41-40-41-50-47-38-44-47-46-40-47-50-47-46-46-44-45-39-47-43-41-41-43-42-36-39-42-45-41-33-45-45-41-43-42-61-42-42-45-63-44-41-42-57-41-37-36-54-47-40-37-52-47-41-36-56-47-46-38-60-51-44-35-63-51-40-37-45-51-44-34-47-47-43-32-54-53-42-36-51-53-41-39-63-46六、实验结果分析通过以上四幅拟合曲线，我们可以看出，在不同遮挡程度的地方，不同强度的场强概率分布并不均匀，但其与标准正态分布曲线在上升下降趋势具有一致性。然而，在局部也会出现偏离的情况。我们分析这可能主要有两个因素：一是我们采集数据量不够多，有可能没有控制好数据密度，错过了重要的变化点，二是测量路线上的遮挡物情况不同，也会影响其测量情况。应用函数及关键代码主要运用了matlab中xlsread()、histfit(x)函数来做出柱状图和高斯拟合。xlsread()：从excel表格中读出数据；histfit(data,nbins)：用所采集的数据画直方图，并默认生成一条与之对应的正态分布曲线；关键代码如下：loaddata;k=ceil(1.87*(length(data3)-1)^0.4);[ni,ak]=hist(data3,k);fi=ni/length(data3);mfi=cumsum(fi);h=histfit(data3,k);set(h(1),'facecolor','b','edgecolor','w');set(h(2),'color','r');1）累积分布曲线空旷处场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比半侧遮挡处场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比-74-72-70-68-66-64-62-60-58-56-5400.10.20.30.40.50.60.70.80.91信号衰减强度（dBmW）累积频率south概率累积分布曲线标准正态分布累积曲线-80-78-76-74-72-70-68-66-64-62-6000.10.20.30.40.50.60.70.80.91信号衰减强度（dBmW）累积频率west概率累积分布曲线标准正态分布累积曲线两侧遮挡处强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比室内场强概率累积曲线与标准正态分布累积曲线对比应用函数及关键代码主要运用了matlab中xlsread()、histfit()、bar()、cdfplot()、normcdf()函数。-80-75-70-65-60-55-5000.10.20.30.40.50.60.70.80.91信号衰减强度（dBmW）累积频率east概率累积分布曲线标准正态分布累积曲线-80-75-70-65-60-5500.10.20.30.40.50.60.70.80.91信号衰减强度（dBmW）累积频率north概率累积分布曲线标准正态分布累积曲线[h,stats]=cdfplot(x)同时返回累计分布函数曲线的句柄及统计数据；normcdf(x,mu,sigma)累计正态分布函数。也叫高斯积分。其中x表示以x为分界,坐标轴左边的所有分布的累计概率；mu表示该函数中的x的平均值；sigma表示该函数中的标准差。关键代码如下：A=xlsread('data.xlsx',1,'