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文檔簡介

1、北京郵電大學(xué)電磁場實驗校園內(nèi)無線信號場強特性研究實驗報告學(xué)院: 信息與通信工程學(xué)院 班級: 姓名: 學(xué)號: 班內(nèi)序號: 2016年5月20日目錄目錄1電磁場實驗2校園內(nèi)無線信號場強特性研究2一、實驗?zāi)康?二、實驗原理21.大尺度路徑損耗22.陰影衰落43.建筑物的穿透損耗的定義5三、實驗設(shè)備5四、實驗內(nèi)容6五、實驗步驟61.選擇測量地點和頻率62.測量63.數(shù)據(jù)錄入64.數(shù)據(jù)處理與分析6六、實驗結(jié)論16七、實驗心得體會161.楊浩田162.蔡天煒16附錄18電磁場實驗校園內(nèi)無線信號場強特性研究一、實驗?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.研究校園內(nèi)各種不同環(huán)境下陰影衰落

2、的分布規(guī)律;3.掌握在室內(nèi)環(huán)境下場強的正確測量方法,理解建筑物穿透損耗的概念;4.通過實地測量,分析建筑物穿透損耗隨頻率的變化關(guān)系;5.研究建筑物穿透損耗與建筑材料的關(guān)系。二、實驗原理無線通信系統(tǒng)有發(fā)射機、發(fā)射天線、無線信道、接收機、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)域內(nèi),才能保證接收機正常接收信號,此時,電波場強大于等于接收機的靈敏度。因此,基站的覆蓋區(qū)的大小,是無限工程師所關(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、接收機高度、人體效應(yīng)、接收機靈敏度、建筑物的穿透損耗、同波、同頻干擾。1.大尺度路徑損耗在移動通信

3、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)射機與接收機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)射機與接收機之間的距離。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

4、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,它與接受點的電波傳播條件密切相關(guān)。為此,我們引進路徑損耗中值的概念,中值是使實驗數(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)自由空間模型自由空間模型假定發(fā)射天線和接收臺都處在自由空間。我們所說的自由空間一是指真空,二是指發(fā)射天線與接收臺之間不存在任何可能影響電波傳播的物體,電波是以直射線的方式到達移動臺的。自由空間模型計算路徑損耗的公式是:其中

5、是以為單位的路徑損耗,d是以公里為單位的移動臺和基站之間的距離,f是以MHz為單位的移動工作頻點或工作頻段的頻率??諝獾奶匦越茷檎婵?,因此當(dāng)發(fā)射天線和接收天線距離地面都比較高時,可以近似使用自由空間模型來估計路徑損耗。2)布靈頓模型布靈頓模型假設(shè)發(fā)射天線和移動臺之間是理想平面大地,并且兩者之間的距離d遠大于發(fā)射天線的高度ht或移動臺的高度hr。該模型的路徑損耗公式為:單位: d(km) ht(m)hr(m)Lp(dB)系統(tǒng)設(shè)計時一般把接收機高度按典型值hr=1.5m處理,這時的路徑損耗計算公式為:按自由空間模型計算時,距離增加一倍時對應(yīng)的路徑損耗增加6dB,按布靈頓模型計算時,距離增加一倍時

6、對應(yīng)的路徑損耗要增加12dB。3)Egli模型前述的2個模型都是基于理論計算分析得出的計算公式。EgLi模型則是從大量實測結(jié)果中歸納出來的中值預(yù)測模型,屬于經(jīng)驗?zāi)P?。其路徑損耗公式為:單位: d(km) ht(m) hr(m) f(MHz)G(dB) Lp(dB)其中G是地下修復(fù)因子,G反映了地形因素對路徑損耗的影響。EgLi模型認(rèn)為路徑損耗同接收點的地形起伏程度有關(guān),地形起伏越大,則路徑損耗也越大。當(dāng)用米來測量時,可按下式近似的估計地形的影響:若將移動臺的典型高度值hr=1.5m,代入EgLi模型則有:4)Hata-Okumura模型該模型也是依據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型,屬于經(jīng)驗?zāi)P汀.?dāng)hr=1

7、.5m時,按此模型計算的路徑損耗為:市區(qū):開闊地:單位: d(km) ht(m)f(MHz)Lp(dB)一般情況下,開闊地的路徑損耗要比市區(qū)小。2.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,這樣就會觀察到衰落現(xiàn)象,由于這種原因造成的衰落也叫“陰影衰落”或“陰影效應(yīng)”。在陰影衰落的情況下,移動臺被建筑物遮擋,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,特定位置的接收功率為隨機對數(shù)正

8、態(tài)分布即:其中,為均值為0的高斯分布隨機變量,單位為,標(biāo)準(zhǔn)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T-R距離時,不同的隨機陰影效應(yīng)。這樣利用高斯分布可以方便地分析陰影的隨機效應(yīng)。正態(tài)分布的概率密度函數(shù)是:應(yīng)用于陰影衰落時,上式的x表示某一次測量得到的接收功率,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、建筑物密度有關(guān),在市區(qū)的150MHz頻段其典型值是5.除了陰影衰落外,大氣變化也會導(dǎo)致慢衰落。比如一天中的白天、夜晚,一年中的春夏秋冬,天晴時、下雨時,即使在同一地點上,也會觀察到路徑損耗的變化。但在測量的無線信道中,大氣

9、變化造成的影響要比陰影效應(yīng)小的多。下表列出了陰影衰落分布的標(biāo)準(zhǔn)差,其中的是陰影效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。表1 陰影衰落分布的標(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)501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418213.建筑物的穿透損耗的定義建筑物的穿透損耗的大小對于研究室內(nèi)無線信道具有重要意義。穿透損耗也稱為大樓效應(yīng),一般是指建筑物一樓內(nèi)的中值電場強度和室外附近街道上中值電場強度之差。發(fā)射機位于室外,接收機位于室內(nèi),電波從室外進入室內(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)場強一定小于室外的場強,造成傳輸損耗。室外至

10、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減去在同一位置室內(nèi)測量的信號平均場強。用公式表示為:是穿透損耗,單位,是在室內(nèi)所測得每一點的功率,單位,共個點,是在室外所測得每一點的功率,單位,共個點。三、實驗設(shè)備DS1131場強儀、拉桿天線四、實驗內(nèi)容利用DS1131場強儀,實地測量信號場強。1.研究具體現(xiàn)實環(huán)境下陰影衰落分布規(guī)律,以及具體的分布參數(shù)如何。2.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。3.研究建筑物穿透損耗的變化規(guī)律。五、實驗步驟1.選擇測量地點和頻率我們選擇了科研樓為測量地點,圍繞科研樓東西南北四個方向測得500個數(shù)據(jù),主要是為了探究

11、高樓對無線信號的影響即陰影衰落。關(guān)于測量頻率我們選擇了頻道二,伴音64.252MHz。2.測量用場強儀DS1131測量科研樓周圍的開放無線信號。每隔半個波長記錄一個數(shù)據(jù),每個地點保證50個以上的測量數(shù)據(jù)。3.數(shù)據(jù)錄入見附錄Excel表格。4.數(shù)據(jù)處理與分析實際測量中,由于測量路線較短,我們選擇繞科研樓測量兩圈,即科研樓每一側(cè)的數(shù)據(jù)都有兩組。我們選取其中一組繪制了功率的折線圖,來反映沿測量路線上功率的變化情況;將兩組數(shù)據(jù)整合后繪制了功率概率分布圖以及累計概率分布圖,來反映功率分布的統(tǒng)計特性。4.1科研樓北側(cè)(由西向東)從柱狀圖我們可以看出,數(shù)據(jù)整體還是比較符合正態(tài)分布的,均值在-59.15dbm

12、。不過均值不是特別滿意,這可能是因為我們的測量路線距離科研樓距離較進,而科研樓各部分高度不一樣,導(dǎo)致陰影衰落的影響也不同,反映在測量數(shù)據(jù)上就使得數(shù)據(jù)的波動較大,這點在折線圖上也能看的出來。大部分?jǐn)?shù)據(jù)集中在-60-50dbm之間,信號強度一般,偶爾也會出現(xiàn)小于-70dbm的點。4.2科研樓東側(cè)(由北向南)可以看出,本組數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,除了-60dbm附近數(shù)值過多,其他均較好的擬合了正態(tài)分布。由均值和標(biāo)準(zhǔn)差也可以看出,數(shù)據(jù)整體穩(wěn)定在-58.87dbm附近??蒲袠菛|側(cè)由北向南樓的高度在降低,由折線圖可看出信號強度是逐漸變強的??紤]到科研樓東側(cè)均為較高的家屬院樓,環(huán)境相對也比較穩(wěn)定,信號強度也就比較穩(wěn)定

13、。4.3科研樓南側(cè)(由東向西)科研樓南側(cè)的環(huán)境最為復(fù)雜,這條路北側(cè)是科研樓,南側(cè)是老食堂,都是兩座不規(guī)則的建筑。其中老食堂里面還有一個院子,最大值-43dbm便是在這個院子附近所得。觀察柱狀圖,整體符合正態(tài)分布,且數(shù)據(jù)大多集中在均值附近。4.4科研樓西側(cè)(由南向北)柱狀圖反映的情況并不是很好,我們認(rèn)為這是由于科研樓西側(cè)的環(huán)境變化較多引起的。結(jié)合折線圖,在開始的十個點,也就是科研樓西邊道路的南側(cè),由于科研樓、老食堂、教工食堂的影響,信號強度較低。而在20個點附近,信號強度有所回升,此處為通向新食堂的岔路口。過了30個點之后,道路左側(cè)是鍋爐房,信號又相應(yīng)的下降了一些。整體趨勢與環(huán)境相符。而由于這條

14、路左側(cè)的建筑相對較低,所以均值也相對較高。4.5綜合分析移動臺與基站之間的距離6.4km測量頻率64.252MHz發(fā)射天線高度386.5m移動臺高度1.5m發(fā)射功率1kw查資料可知:信號發(fā)射塔位于學(xué)校西北部6.4km處。因此科研樓東北兩側(cè)主要受到科研樓的陰影衰落影響,也解釋了西側(cè)信號強度為什么要強于其他三側(cè)。經(jīng)過計算,數(shù)據(jù)更接近Hata-Okumura模型?;景l(fā)射功率為60dbm,接收信號均值為-58dbm,得到實際路徑損耗為118dB。Hata-Okumura模型計算得到路徑損耗為103.7dB,存在一定的誤差。六、實驗結(jié)論綜上分析可知,實際測得的數(shù)據(jù)基本理論分析。陰影衰落服從對數(shù)正態(tài)分布

15、規(guī)律。科研樓周圍由于高樓和復(fù)雜環(huán)境的影響,導(dǎo)致整體信號強度響度偏低,個別地方甚至低于-70dbm。在距離發(fā)射基站比較近的區(qū)域,信號強度略強于較遠的地方。由近至遠呈現(xiàn)出大尺度的衰落規(guī)律。同時,一些小的因素也會對信號強度造成影響,例如路邊的車輛、樹木等等。整體來看,實際情況基本符合理論分析結(jié)果,但由于實際情況更為復(fù)雜,會有一些小的差別。因此理論模型還需要根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的修正。七、實驗心得體會1.xxx本次試驗,我主要負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)、MATLAB編程、分析數(shù)據(jù)以及撰寫部分實驗報告。讀數(shù)據(jù)的時候需要注意的事項挺多的:要保持天線的方位、高度盡可能不變,還要控制每兩個測量點之間的距離。在讀數(shù)過程中,電

16、平值會不停的變化,所以需要多觀察一會,得到一個相對穩(wěn)定的數(shù)值。同時,測量過程中,也需要注意周圍的環(huán)境、遮擋物的情況。數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel之后,就需要用MATLAB計算相關(guān)的參數(shù),繪制圖表,以便之后對數(shù)據(jù)進行分析。我通過MATLAB計算了數(shù)據(jù)的均值、極值、標(biāo)準(zhǔn)差,并繪制了功率折線圖、功率概率分布圖以及累計概率分布圖,來分別體現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢以及統(tǒng)計特性。之后對四個測量地點分別進行了分析。本次實驗最大的收獲就是實際感受了我們生活中正在使用的信號,我們通過實地測量數(shù)據(jù)、以及分析,看到了不同的環(huán)境會對信號產(chǎn)生怎樣的影響,也觀察到了哪些情況下信號的質(zhì)量會相對較差,這也就是實際應(yīng)用中應(yīng)該避免的情況,如果無法

17、避免,就應(yīng)該通過一些手段去解決這個問題。實際中的環(huán)境千變?nèi)f化,但是數(shù)據(jù)依舊符合一定的統(tǒng)計規(guī)律,不禁讓我感到數(shù)學(xué)的神奇。為了完成這次實驗,自己也查了很多資料,對移動通信中的相應(yīng)知識也有了更深入的了解和認(rèn)識。2.xxx本次實驗,我主要負(fù)責(zé)記錄實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)實驗結(jié)論和撰寫部分實驗報告。測量的過程的確有些枯燥,每走兩步記錄一個數(shù)據(jù)及周圍的情況,有時遇到突然異常的數(shù)據(jù)還要兩個人停下來分析一下可能的原因,在這個過程中我也更加深刻的理解了陰影衰落。實際中電磁波的測量研究大多是基于統(tǒng)計和概率的研究,這點在本次實驗中得到了很好的體現(xiàn)。這次測量就是一種多點多次測量,磁場強度分布的得到是一種統(tǒng)計結(jié)論,陰影衰落的計算

18、也是統(tǒng)計計量值。這些值和分布雖然具有波動,但依舊服從一定的統(tǒng)計規(guī)律,這為實際的應(yīng)用提供了可能。例如,可以依據(jù)陰影衰落,在不同位置對信號進行補償,對接收機的靈敏度進行調(diào)整等等。數(shù)據(jù)的可視化為實驗結(jié)論的得到帶來了方便,分布擬合為了解磁場統(tǒng)計特性提供了方法。在以后的學(xué)習(xí)中,我要繼續(xù)加強數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)可視化方面的學(xué)習(xí)和實踐,為將來的工作和科研夯實基礎(chǔ)。附錄MATLAB代碼function Atmp1=xlsread('E:data.xlsx','A3:A62');%讀入數(shù)據(jù)figure(1);subplot(1,2,1);histfit(tmp);axis(30,80,0,40);grid on;title('功率概率分布圖');xlabel('功率值(-dBmw)

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