电磁场与电磁波实验报告-08108班王胤鑫+李昕钰

校园内无线信号 场强特性的研究 实验 ：08108班 姓名：王胤鑫 09号 李昕钰 24号 目录 3 摘要 3 一、实验目的 3 二、实验原理 3 1、大尺度路径损耗 5 2、阴影衰落 3、建筑物的穿透损耗的定义 6 6 三、实验内容 6 1、实验概述 2、实验区域划分 7 四、实验结果和数据处理 10 1、分组场强的统计分布： 10 2、全局场强的统计分布： 16 五、数据 17 1、阴影衰落 17 2、场强分布 17 3、模型计算 18 4、模型比较和验证 19 六、心得体会 20 1、王胤鑫心得体会 20 2、李昕钰心得体会 21 七、参考文献 22 【摘要】 由于无线信道的复杂性，决定其传播的结果存在着很多不确定性。为了确定出北京邮电大学校园内的无线信号的场强特性，我们采取实地检验的方法，选定中央2台（190.758Mhz）的频率来代表无线信号，对结果进行统计分析，作出场强分布的大致图形。发现校园内的信号阴影衰落的分布情况符合理论上的零均值对数正态分布结果。同时根据分布图总结出北邮校园内室外区域的场强分布特点，并对此做出分析。最后，根据结果分析得出北邮校园内的电波传播规律符合Egli模型，Hata-Okumura模型和CCIR模型。 关键字：无线电波传播 阴影衰落 场强分布 一、实验目的 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确测试方法。 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律。 掌握在室内环境下场强的正确测试方法。 通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系。 研究建筑物穿透损耗与建筑物材料的关系。 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。 大尺度平均路径损耗：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使用.对任意的传播距离,大尺度平均路径损耗表示为： 即平均接收功率为： 其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；为近地参考距离；d为发射机与接收机（T-R）之间的距离。以上两公式中的横杠表示给定值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值依赖于特定的传播环境。例如在自由空间，n为2，当有阻挡物时，n比2大。 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（对于状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。下面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 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： 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。 空气的特性可近似为真空，因此当发射天线与移动台距离地面都较高时，可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。 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远大于发射天线的高度ht，或移动台的高度hr，此时的路径损耗计算公式为： 其中距离d的单位是公里，天线高度ht及hr的单位是米，路径损耗Lp的单位是dB。 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： 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Δh有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当Δh用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响： 若将移动台的经典高度值hr=1.5m代入EgLi模型则有： Hata-Okumura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： 市区内的Hata模型为： 简化后为： CCIR模型 CCIR给出了反映自由空间路径损耗和地形引入的路径损耗联合效果的经验公式。具体公式请参见模型计算部分。 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他物体对电波的遮挡。在测量过程中，不同测量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，它收到的信号时各种绕射、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，特定位置的接收功率为随机对数正态分布即： 其中，为0均值的高斯分布随机变量，单位为dB，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表示已dB表示的接收功率的中值或均值，σ表示接收功率的标准差，单位为dB。阴影衰落的标准差同地形、建筑物类型、建筑物密度有关，在市区的150MHz频段其典型值是5dB。除了阴影效应歪，大气变化也会导致慢衰落，比如一天中的白天、夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴时、下雨时，即使是在同一地点上，也会观察的路径损耗的变化。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、建筑物的穿透损耗的定义 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中值电场强度dB之差。 由于测量为室外，因此这里有关室内部分的穿透损耗不做详述。 三、实验内容 利用DS1131场强仪，实地测量信号场强。 (1) 研究具体现实环境下阴影衰落分布规律，以及具体的分布参数如何。 (2) 研究在校园内电波传播规律与现有模型的吻合程度，测试值与模型预测值的预测误差如何。 (3) 研究建筑物穿透损耗的变化规律。 1、实验概述 我们组本次实验测量的是北邮校园内的场强分布。因而有关室内和穿透损耗的内容并未涉及。我们一共测量了515组数据，分为了七个区域，每个区域由若干地点组成，每个地点在空间上是连续的。测量的频率为623.25Mhz，为中央二台。测量时，我们严格按照一定的方向进行测量，每个测量点之间相隔大约为1m左右（即两步）。测量在一天下午进行，天气情况较好，有风。 测量路线如下图所示： 2、实验区域划分： 1：教一前主干道 2：教四前主干道 3：邮局前南北干道 4：学一和学二前干道 3：邮局前南北干道 4：学一和学二前干道 5：图书馆侧东西干道 6：教一楼侧南北干道 7：主席像附近 四、实验结果和数据处理： 我们将各区域测量到的数据进行统计，得到测量电平（场强）的概率分布直方图以及累积概率分布图。进而我们将根据测量的数据作出大致的位置-场强曲线。由于测量时我们严格按照前面提到的测量方向测量，而且每个测量点大致隔了1~2步，在要求不精确的情况下可以将每个测量点间隔看做1m。这样的话，所有的测量点序号都可以看做一个位置。因此，我们作出的图形中，横坐标既是测量点序号，也是位置，纵坐标为场强大小。 1、分组场强的统计分布 1：教一前主干道： 2：教四前主干道： 3：邮局前南北干道： 4.：学一和学二前干道： 5：图书馆侧东西干道： 6：教一楼侧南北干道： 7：主席像附近： 2、全局场强的统计分布 1：北邮校园总体： 五、数据分析 1、阴影衰落 从测量数据的统计结果和得到的相应图表中我们可以看出，无论是直方图还是累积概率分布曲线都是较为符合正态分布特性的。从前面的实验原理我们得知，阴影衰落的随机效应反映为均值为零的对数正态分布，在这里由于都采用的是分贝表示法，那么就会反映为正态分布。不同区域的阴影衰落效应的不同反映在正态分布的标准差上。这与我们的实验结果相吻合。 当然，我们的实验结果仍存在一定的问题。最主要的反映就是阴影衰落的标准差存在问题。由于我们的测量频率为190.758Mhz，根据资料标准差应该在6以上，但我们的数据过少，总体的标准差是最大的，但仍然较小，其他区域的标准差就更低。当然，我们测量的平均电平是正常的，选频的问题可以排除，并且实验的方法由于严格按照操作要求，出现严重问题的可能性也不大。我们分析，问题的原因可能一是测量环境不稳定，测量时不时有行人、车辆经过，会对测量造成一定影响。二可能是天气的影响，我们测量的时天气风比较大。三可能是在使用仪器时，比如手持测量仪、行进过程中、选取测量点等方面并不是很适当。 2、场强分布 从场强分布图我们可以看出，不同区域的场强分布不同，相同区域的不同位置场强分布也是不同的。 根据结果，我们大致可以看出主席像附近的场强最大，邮局前的南北干道场强最弱，其他的介于二者之间。分析其原因： (1) 由地图可以看出主席像附近因为比较空旷，其阴影衰落小，相对于密集建筑物的地方，信号的多次反射情况也较为缓和，因此其场强在北邮校园内应该是最强的。 (2) 邮局前主干道的信号最弱。由地图可以看出，该位置的建筑物密度很大，与学一，教四和邮局紧邻，而且其建筑物的高度也不低。因此其衰落程度也是很严重的。 (3)其他五个区域信号第二弱的为学一和学二前的干道，因为该区域受到学一，学二以及教四几栋建筑物的影响，所以衰落程度也比较严重。而对于其他四个区域，一般都是仅受一栋建筑物的影响，因此衰落并不是很严重，场强也比较理想。 3、模型计算 电波的室外传播模型有很多种，除了实验原理中提到的部分模型外，还有COST-231 Hata模型、LEE模型、COST-231 WI模型等等[2]。但由于上述提到的三种模型存在只适用于微蜂窝、频率范围不合适等问题，我们就不再考虑这些模型了。 这一部分中，我们主要将验证自由空间模型、布灵顿模型、Egli模型、Hata-Okumura模型、CCIR模型。 首先我们必须确定发射台的参数。根据查阅资料，我们测量的频率190.758Mhz(中央二台)由中央电视塔发出。发射功率在7.5Kw~10Kw左右，我们选定发射功率为。中央电视塔高度我们选定为。由于北京市大致位于平原地带，我们假设海拔的影响忽略不计，则。根据电子地图，中央电视塔(北京市海淀区西三环中路11号)到北京邮电大学(北京市海淀区西土城路10号)的直线距离大约为。发射频率190.758Mhz 然后我们确定接受台参数。假定我们手持的场强仪距离地面高度为。 我们利用MATLAB求解模型。 (1) 自由空间模型 求解得到。 (2) 布灵顿模型 求解得到 。 (3) Egli模型 G为地形修正因子，当地形起伏小于15m时，G=0，由于北京的平原地形，这里G=0。 求解得到。 (4) Hata-Okumura模型 。 其中为天线修正因子，在f>300Mhz下，，为小区类型校正因子，城市内为0。为地形校正因子，可以人为设定。 也可以采用简化的Hata模型： 由于求解的两个结果相差不大，我们采用简化模型结果。 (5) CCIR模型 该公式为Hata模型在城市传播环境下的应用，其校正因子为 。 假设市区15%的区域被建筑物覆盖，求解得到。 4、模型比较和验证 我们将接收到的平均电平值取为总体的电平平均值，代表北邮校园内的电平大小，为52.1097，先前提到发射功率，我们将其转化单位，得到。 因此，路径损耗应为 120.85 (1) 自由空间模型误差 (120.85-104.55)/120.85=13.49% (2) 布灵顿模型误差 （120.85-97.39)/120.85=19.41% (3) Egli模型误差 (120.85-97.39)/120.85=0.3% (4) Hata-Okumura模型误差 (120.85-129.76)/120.85=7.3% (5) CCIR模型误差 (120.85-129.17)/120.85=6.8%。 从上述模型的比较中我们可以看出，自由空间模型和布灵顿模型对于校园场强来说误差太大，不予考虑，Egli模型,Hata-Okumura模型和CCIR模型的预测误差都很小，可见适合校园内的电波传播规律，而其中又以Egli模型更佳，如果采用精确的Hata模型并且进行地形修正，可以预测能够进一步降低模型的误差。 六、心得体会 王胤鑫的心得体会 此次实验为一次电磁场的综合实验。通过这次实验我收获很多。首先这次实验是在北邮校园内测量场强，内容上是很贴近我们日常生活的，因此实验的兴趣也比较大。在实验中，需要确定合适的发射台频率，我们选择了测量比较折中的频段：190.758Mhz，即中央二台的频率。同时我们测量的是室外环境，在地点选择、路线选择上也需要进行思考与准备。实验的过程中也遇到了一些困难，比如电平值的跳动太大，很难进行准确的读数，而且部分地区的场强，是较弱的（我们同时测量的伴音信号在这部分区域内几乎都达不到要求），所以我们也通过实验学会了如何解决这些问题。在实验数据的整理上，由于本次实验测量的数据较多，因此无论是在测量的时候，还是在数据录入excel中的时候，都是一个巨大的考验。我们本次实验共记录了500多个数据，在对数据进行分类记录的时候也是一个浩大的工程。通过本次实验，我们不仅掌握了基本的实验技能，数据录入的技能，同时也锻炼了意志，增强了耐心。 通过这次实验又进一步了解和巩固了MATLAB这一重要工具的使用方法，包括有关数据统计、样条插值、平面作图等内容。总而言之，通过这次的大实验使得自己的实验能力、分析和解决问题的能力以及Matlab的使用操作能力有了很大的提高，自己也是受益匪浅。通过本次电磁场的实验，我学到了很多东西，尤其是在MATLAB对于实验数据的读取和处理方面，也有一些心得体会。 在编写MATLAB对数据进行分析时，开始并没有对MATLAB的数据分析工具了如指掌，因此在使用MATLAB的过程中花费了很多时间。由于本次实验的MATLAB方面主要是我负责的，因此不仅去图书馆翻阅了MATLAB书籍，在互联网上查找资料，还向学长们同学们进行询问，最重要的是在MATLAB环境中不断的试验程序，在研究了一个星期MATLAB数据统计功能之后才摸索出了对本次实验数据进行分析的最好的方法。在开始编程的时候，用CFTOOL工具对本实验数据进行高斯分布的拟合，后来发现由于CFTOOL对数据进行拟合的时候是以5为步长进行数据统计并拟合，与实际的情况有所出入，因此得出的均值不准确。后来用HIST函数进行分析，得到了满意的结果。由于本次实验共有7组数据要进行分析，经过学习，我使用xlsread函数对excel文件数据直接进行读取，简化了工作。在对excel数据进行读取时，一定要保证excel文件中没有中文符号，否则MATLAB会报错。总之，这次实验让我见识了MATLAB数据处理和图形显示方面的优越性，也让我熟练地掌握了MATLAB进行数据分析拟合的方法。 最后，对室外地区信号分析和与几种经典模型对比后，发现其实际情况更接近于Hata市区模型。这些都让我对信号的传播和衰减有了更直接的体会和认识。 总之，通过本次实验，我不仅掌握了场强仪的使用方法，MATLAB对数据进行分析的方法，也学到了做实验应该有的严谨态度和坚忍不拔的意志。同时我也感受到了作为一名合格的无线电工程师应有的品质，前人在不厌其烦地对大量的数据进行分析之后，才能总结出来多种多样的信号在空间传播损耗的模型，才能有无线通信如今蓬勃的发展。因此我们一定要继承这种品质，为无线通信事业的发展贡献力量。 李昕钰的心得体会 在实验开始前，我查阅学习了相关资料。电磁波在空间中传播会受很多因素影响。电磁波有反射，绕射和散射三种传播模式，无线信道中存在阴影衰落，路径损耗，建筑物穿透损耗，在现实环境里，温度、湿度、人员、建筑物，天气状况以及其它的很多因素都会对电磁波在空间中的传播造成不同程度的影响。在听完老师讲解后，我们就把测量地点选在了室外。我们选择了围绕教一，教四即主席像附近对其场强进行测量。通过比较距教学楼相同距离处四周的场强，以及对较为空旷的主席像附近场强与有严重遮蔽的教学楼处的场强进行比较，总结结论。我们选取的都是有不同遮蔽的代表性的地点，以便得出具有代表性的实验结论。 在实际测量过程中，我们一个人负责拿场强仪读数，一个人负责记录，每两步测量并记录一个数据。测量采集原始数据的过程十分麻烦，500组数据是一个很大的工作量，而且，每一次读数都要经过思考和观察，以保证读数的可靠性并尽量去除随机干扰误差。不过在我们两个人的相互鼓励和配合下，我们还是顺利且快速地完成了原始数据的采集。这个过程让我们认识到了团队合作的重要性，一个人难以完成的任务在两个人的配合之下效率就会提高很多。在测量过程中，我们相互讨论，相互学习，收到了1+1>2的理想结果。 本次实验我们记录了五百多个数据，需要将它们逐个输入Excel，这个过程十分枯燥，而且需要非常认真严谨。而且要根据不同测量地点分类录入，并记录下不同的测量状态。数据录入的过程让我认识到科学实验，甚至是以后的工作中，耐心是一项非常基本并且重要的素质，无论是学习还是工作，都不可急躁，欲速则不达。对每个数据的准确录入及对测量时所处状态的记录，对后续的结果分析都起着十分重要的意义。 本次电磁波与电磁场实验，与以往有很大不同，我们走出了实验室，来到了户外的环境，对实际的电磁波电磁场环境进行测量。在这之中，我学会了使用场强仪，大概了解了空间中的的电场分布的大小与变化的一些规律，例如一般场强的大小在-40到-70dB之间，而且在不同的频段，其场强的平均大小波动并不相同。而对于同一频率下的电场强度，在周围空旷的情况下要相对较高，而在有建筑物遮挡的情况下相对较低，刮风对场强的影响很大等等，这些都是在实地测量当中得到的感性认识。 最后，我在王胤鑫的帮助下，对我不擅长的MATLAB编程有了一定的了解，在他编程的过程中，我虚心向他学习请教，并承担了一小个部分编程工作，使我对结果分析有了更确切的认识和理解，同时使我的编程能力有了很大提高。 通过本次实验，我对电磁波在空间中的传播相关知识有了更深刻的理解，锻炼了实际动手操作能力，了解了DS1131场强仪的使用方法，掌握了更多的工科实验技能以及相关软件使用方法，锻炼了意志品质，让我对于电磁波与电磁场有了更深的认识，也锻炼了自己的动手能力，培养了团结协作的精神。更重要的是本次实验使我更加有信心和兴趣来进行以后相关课程的学习。 七、参考文献 [1] 周品、赵新芬，《MATLAB数理统计分析》，国防工业出版社，2009年。 [2] 啜钢、王文博、常永宇、全庆一，《移动通信原理与系统（第2版）》，北京邮电大学出版社，2009年2月。 [3] 徐林娟、王琦，《电磁场与电磁波实验指导书》，北京邮电大学，2009年10月。 附matlab程序代码 以教四前主干道为例，其他的六个只需更改数据和标题： %-------------读取文件---------------% out=xlsread('book.xls','Sheet1'); %-------------转换成矩阵------------% out2=reshape(out,1,length(out)); %---------为画平面场强图作准备----------% out3=[out2,zeros(1,length(out)),[1:length(out)]]; out3=reshape(out3,length(out),3); %---------教四主干道调频信号-----------% figure(11) subplot(1,2,1); histfit(out2);%画柱状图 axis([-80,-45,0,20]); grid on; title('教四主干道调频信号电平概率分布图'); xlabel('电平值(dBmw)'); ylabel('样本数量(个)'); legend('理想概率分布线','实际样本分布'); subplot(1,2,2); [h1,s1] = cdfplot(out2)%画累积概率分布图 axis([-80,-45,0,1]); hold on; %outmean=num2str(s1.mean); %outstd=num2str(s1.std); text(-62,0.23,['最小值= ',num2str(s1.min)]); text(-62,0.18,['最大值= ',num2str(s1.max)]); text(-62,0.13,['均 值= ',num2str(s1.mean)]); text(-62,0.08,['中值= ',num2str(s1.median)]); text(-62,0.03,['标准差= ',num2str(s1.std)]); title('对应累积概率分布'); figure(12) surf(out3');%画信号电平空间分布图 title('教四主干道调频信号电平空间分布图'); xlabel('<--东 西--> '); ylabel('<--北 南-->'); axis([1,length(out),1,2]); caxis([-80 -45]); colorbar('horiz');