信息与通信工程学院
电磁场与电磁波实验报告
题目：校园内无线信号场强特性的研究
日 期：2016年5月
目
录
一、实验目的 ........................................................................................................................................... 1 二、实验原理 ........................................................................................................................................... 1
1、电磁波的传播方式 ......................................................................................................... 1 2、尺度路径损耗 ................................................................................................................. 1 3、 阴影衰落 ....................................................................................................................... 2 4、建筑物的穿透损耗的定义 .............................................................................................. 3
三、实验内容 ........................................................................................................................................... 4 四、实验步骤 ........................................................................................................................................... 4
1、实验地点的选择 ............................................................................................................. 4 2、数据测量 ............................................................................................................................................... 5 3、数据录入 ............................................................................................................................................... 6 4、数据处理 ............................................................................................................................................... 7
五、实验结果与分析 ............................................................................................................................ 8 六、问题分析 ........................................................................................................................................ 83 七、心得体会 ...................................................................................................................................... 133 八、附录：数据处理过程 ................................................................................................................ 14
一、实验目的
1. 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法； 2. 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；
3. 掌握在室内环境下场强的正确测量方法，理解建筑物穿透损耗的概念； 4. 通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系； 5. 研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。
二、实验原理
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、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受功率之间的（ dB） 差值， 根据理论和测试的传播模型， 无论室内或室外信道， 平均接受信号功率随距离对数衰减， 这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离， 大尺度平均路径损耗表示为：
PLddBPLd010nlogd/d0 （式1）
即平均接收功率为：
PrddBmPtdBmPLd010nlogd/d0Prd0dBm10nlogd/d0
（式2）
1
其中，定义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。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以表示为斜率10ndB /10 倍程的直线。n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，它与接受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，中值是使实验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。所谓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：
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。
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。
2) 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，此时路径损耗计算公式为：
Lp=120+40lgd-20lght-20lghr
3) 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模型则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测模型，属于经验模型，计算式为：
Lp=88+40lgd-20lght-20lghr+20lgf-G
4) Hata-Okumura 模型
此模型也是依据实测数据建立的模型，一般情况下，开阔地的路径损耗一般都比市区小。
3、 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
2
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：
PrddBmPrddBmXsPr(d0)dBm10nlog(d/d0)X
其中，X为0 均值的高斯分布随机变量，单位dB；标准偏差，单位dB。
（式3）
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，概率密度函数为：
(x)
f(x)) （式4） 22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，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。
下面是阴影衰落分布的标准差，其中s(dB)是阴影效应的标准差。
2
表1. 阴影衰落分布的标准差s（dB）
4、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
3
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：
1N(outside)1PPi
Ni1M
P是穿透损耗，单位是dB；
(inside)
Pj （式5） j1
M
Pj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
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。
四、实验步骤
1、实验地点的选择
我们希望探究高大建筑物对于信号的遮挡以及其他衰落影响，所以选择校园内高度最高的一栋建筑—主楼作为测量主体，并且主楼的四周环境不尽相同，可以进一步分析环境对于信号的影响。
首先，主楼门前即主楼西侧，有一片较为宽敞空旷的广场，可以得到太阳直射，没有树荫以及楼体阴影的遮蔽，但是由于毗邻主干道，所以来往人流较多，移动台的影响比较大。另外，主楼南北两侧均与其他教学楼相邻，北侧与教一楼相近，南侧与教二楼相邻，南北两侧均被高度不同的两栋楼相夹，道路比较狭窄，并且树木密度较大，树阴以及楼体倒影影响较大，但是相对人流密度较小。最后主楼东侧，即主楼背后，与科学会堂相邻。被楼体遮蔽较为明显，来往人流极少，但是有机动车多次经过，没有树木等其他物体的影响。
主楼南北两侧环境较为相近，其余两侧均大有不同，我们分别对于四周采取双向测量，即主楼西侧北向、西侧南向、东侧北向、东侧南向、北侧西向、北侧东向、南侧西向、南侧东向，测量了八组数据，由于主楼四周长度不同，我们对于东西两侧均测量150个数据点，而南
4
北两侧测量100个数据点。这样除了环境影响外，还可以对比移动台运动方向不同对于接收信号的影响。
在选频方面，我们选择测试模拟电视CH6频道，频率范围是167-175MHz，取频率中点170MHz，计算波长近似为1.76m，相邻测试点间隔半波长，近似为主楼门前一个半地砖的长度，在其余三侧，均取3/4步长为一个测试点。
示图 主楼地理位置及周边环境
2、数据测量
利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位：dBmw），分别对主楼四周的信号进行测量，以半个波长为测量周期，记录该点读数。首先，计算半波长值，约主楼门前一个半地砖的长度，我们先从主楼门前广场开始，主楼西侧面向南测量信号强度，广场较为空旷，虽然有树木但是距离较远，未形成遮挡，得到阳光直射。之后从两个方向测量了主楼南侧，即主楼与教二楼所夹道路，南侧向东及南侧向西，除方向不同外，周边环境一致。有高矮两栋楼体的遮挡及树荫的遮蔽。然后测量主楼东侧，也是选择两个不同方向，东侧向北、东侧向南。没有树荫，但是是主楼楼体遮蔽最为严重的一个区域，并且有数次机动车经过。最后测量主楼北侧，即主楼与教一楼所夹道路，树木密度较大，树荫遮蔽较为明显。最终为双向测量主楼一周的路径上信号强度值。
5
电磁场与电磁波·实验报告
测量路径示意图：
北侧向西 树荫遮蔽
西侧向北
广场 较为空旷
南侧向东 两侧楼体遮蔽
3、数据录入
将测量得到的数据录入Excel表格，为了便于MATLAB处理数据，将所有数据都存在一列，并注明地点和周边状态。
6
电磁场与电磁波·实验报告
示图4. 数据表格截图
电磁场与电磁波·实验报告
4、数据处理流程
采集到的数据有500组，需要对数据进行细致的处理以便得到明确的结论。下图所示为数据处理的流程图。具体的Matlab代码和拟合方法在附录中进行了详细叙述。
利用场强仪测量数据后进行了不同地点的数据整理，并录入了表格，之后将数据导入Matlab，利用Matlab作图，得出场强空间、概率分布的结果，实验结果分析如下。
五、实验结果与分析
蓝色矩形条为直方统计，红色曲线为高斯分布拟合曲线。拟合表达式为
f(x)
(x)22。拟合参数如表2所示。拟合的情况存在一定的偏差。
一、 主楼东西两侧磁场强度分析：
（1） 西侧
8
由图可见主楼西侧磁场强度存在明显的“中间高，两边低”的情况，越靠近中部信号质量明显更好。且总体信号强度相对较高，均值都在-50dBmw以上，最大值达到-40dBmw以上。天线的朝向对于信号质量的影响并不明显。
（2） 东侧
9
与西侧相反，主楼东侧磁场强度分布为“中间低，两边高”，越靠近两边信号质量明显更好。且总体信号强度相对较低，均值都接近于-60dBmw，最小值甚至达到-
10
70dBmw以下。天线的朝向对于信号质量的影响相对明显，从信号强度标准差的比较，可以看出天线面南时信号质量变化要比面北时更小。
（3） 南侧
11
（4） 北侧
电磁场与电磁波·实验报告
由上面两组数据可以看出，南北两侧的信号强度波动较小，采样数据标准差都在4.5左右，且信号质量处于中等水平，天线朝向对于信号影响不明显。
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六、问题分析
由以上的实验数据可以看出，如果单以信号强度的大小来作为判断信号质量的标准，那么主楼西侧的信号最好，南北两侧次之，东侧最差。这也与主楼周边的地理环境有关，西侧是一个较为宽阔的广场，并没有太多的遮挡，更有利于电磁波的传播；南北两侧是较为低矮的教学楼，对信号有一定的遮挡作用；东侧道路较为狭窄，且两边都是高大的建筑遮挡，因此信号质量明显下降。具体到各侧的情况，西侧信号分布呈现越往中间质量越好的趋势，明显可以看出左右两侧的树木遮挡对于信号传播的不利影响；南北两侧环境条件较为单一，所以变化并不明显；东侧左右两侧是宽阔的道路，越往中部越受到建筑物的遮挡，所以信号的强度变化呈现两侧高中间低。
七、心得体会
王昊鹏：
本次实验虽然内容并不复杂但是对我来说收获是多方面的。如果单纯的从理论角度学习电磁场电磁波是略显枯燥的，而将所学知识应用到实际中去则更加有意义，并且能进一步加深我们对于知识的理解。首先在测量数据的过程中锻炼了我细心认真的品质，由于数据较多所以需要全神贯注记好每一个数值，以免出现数据录入失误导致结果分析异常或不准的情况，500个点的数据每一个都需要确认好准确无误，是真实的所测数值。并且需要对于周边的环境细心的观察留意。另外在处理数据的过程中也锻炼了Matlab编程的能力，对于MATLAB的使用也进行了学习。最为重要的就是理论所学知识的联系与应用。电磁场与电磁波、移动通信系统、微波技术基础等课的内容在本次实验中都有体现，将所学过的知识运用到实践中，并且利用理论知识来分析实验现象是一个非常重要的过程，这不仅帮助我们实验的顺利进行，也是对于知识理解的升华。总之，通过本次实验，学习了数据整理出分析处理的方法，锻炼了理论实践相结合的能力，可以说收获颇丰。
纪嘉楠：
本次实验的比较简单，只是比较繁琐，需要细心地记录数据，以及周围环境，数据量比较大。但在认真做实验的过程中，也让我们体验到了实践所带来的充实感，以及将所学知识应用于实际测量的新鲜感。同时，这期间所学习到的数据记录、整理以及分析方法等，对于之后的学习生活也会有很大的帮助。例如matlab的数据处理部分，就让我们实际练习了直方图的绘图以及累积分布曲线的绘制，能够帮助我们掌握matlab这一强大的数据分析工具，这对于我们今后在工作学习中的大数据分析有着重要的意义。
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八、附录：数据处理过程
clear all; close all;
tmp1=xlsread('1.xlsx','C3:C102'); length=size(tmp1,1); figure(1); subplot(2,4,1); histfit(tmp1); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('西侧面南功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,5); [h,s1]=cdfplot(tmp1); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s1.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s1.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s1.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s1.std)]); %%计算标准差 title('西侧面南累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp2=xlsread('1.xlsx','O3:O52'); length=size(tmp2,1); subplot(2,4,2); histfit(tmp2);
14
grid on;
title('西侧面北功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,6); [h,s6]=cdfplot(tmp2); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s6.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s6.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s6.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s6.std)]); %%计算标准差 title('西侧面北累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp3=xlsread('1.xlsx','I3:I102'); length=size(tmp3,1); subplot(2,4,3); histfit(tmp3); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('东侧面北功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,7); [h,s3]=cdfplot(tmp3);
15
hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s3.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s3.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s3.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s3.std)]); %%计算标准差 title('东侧面北累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp4=xlsread('1.xlsx','O55:O104'); length=size(tmp4,1); subplot(2,4,4); histfit(tmp4); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('东侧面南功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,8); [h,s4]=cdfplot(tmp4); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s4.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s4.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s4.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s4.std)]); %%计算标准差 title('东侧面南累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp5=xlsread('1.xlsx','F3:F52'); length=size(tmp5,1);
16
figure(2); subplot(2,4,1); histfit(tmp5); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('南侧面东功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,5); [h,s5]=cdfplot(tmp5); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s5.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s5.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s5.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s5.std)]); %%计算标准差 title('南侧面东累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp6=xlsread('1.xlsx','F55:F104'); length=size(tmp6,1); subplot(2,4,2); histfit(tmp6); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('南侧面西功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
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电磁场与电磁波·实验报告
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,6); [h,s6]=cdfplot(tmp6); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s6.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s6.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s6.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s6.std)]); %%计算标准差 title('南侧面西累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp7=xlsread('1.xlsx','L3:L52'); length=size(tmp7,1); subplot(2,4,3); histfit(tmp7); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('北侧面东功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,7); [h,s7]=cdfplot(tmp7); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s7.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s7.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s7.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s7.std)]); %%计算标准差
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电磁场与电磁波·实验报告
title('北侧面东累积概率分布'); %%画累计分布曲线
tmp8=xlsread('1.xlsx','L55:L104');
length=size(tmp8,1);
subplot(2,4,4);
histfit(tmp8);
axis([-80,-30,0,30]);
grid on;
title('北侧面西功率概率分布图');
xlabel('功率值(dBmw)');
ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,8);
[h,s8]=cdfplot(tmp8);
axis([-80,-30,0,1]);
hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s8.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s8.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s8.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s8.std)]); %%计算标准差 title('北侧面西累积概率分布'); %%画累计分布曲线
figure(3);
subplot(2,4,1);
bar (tmp1*-1) ;
axis([0,100,0,80]);
hold on;
title('西侧面南场强分布图');
xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)');
19
bar (tmp2*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('西侧面北场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,3);
bar (tmp3*-1) ;
axis([0,100,0,80]); hold on;
title('东侧面北场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,4);
bar (tmp4*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('东侧面南场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,5);
bar (tmp5*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('南侧面东场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)');
20
bar (tmp6*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('南侧面西场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,7);
bar (tmp7*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('北侧面东场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,8);
bar (tmp8*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('北侧面西场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); 21
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题目：校园内无线信号场强特性的研究
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录
一、实验目的 ........................................................................................................................................... 1 二、实验原理 ........................................................................................................................................... 1
1、电磁波的传播方式 ......................................................................................................... 1 2、尺度路径损耗 ................................................................................................................. 1 3、 阴影衰落 ....................................................................................................................... 2 4、建筑物的穿透损耗的定义 .............................................................................................. 3
三、实验内容 ........................................................................................................................................... 4 四、实验步骤 ........................................................................................................................................... 4
1、实验地点的选择 ............................................................................................................. 4 2、数据测量 ............................................................................................................................................... 5 3、数据录入 ............................................................................................................................................... 6 4、数据处理 ............................................................................................................................................... 7
五、实验结果与分析 ............................................................................................................................ 8 六、问题分析 ........................................................................................................................................ 83 七、心得体会 ...................................................................................................................................... 133 八、附录：数据处理过程 ................................................................................................................ 14
一、实验目的
1. 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法； 2. 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律；
3. 掌握在室内环境下场强的正确测量方法，理解建筑物穿透损耗的概念； 4. 通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系； 5. 研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。
二、实验原理
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、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受功率之间的（ dB） 差值， 根据理论和测试的传播模型， 无论室内或室外信道， 平均接受信号功率随距离对数衰减， 这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离， 大尺度平均路径损耗表示为：
PLddBPLd010nlogd/d0 （式1）
即平均接收功率为：
PrddBmPtdBmPLd010nlogd/d0Prd0dBm10nlogd/d0
（式2）
1
其中，定义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。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以表示为斜率10ndB /10 倍程的直线。n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，它与接受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，中值是使实验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。所谓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：
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。
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。
2) 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，此时路径损耗计算公式为：
Lp=120+40lgd-20lght-20lghr
3) 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模型则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测模型，属于经验模型，计算式为：
Lp=88+40lgd-20lght-20lghr+20lgf-G
4) Hata-Okumura 模型
此模型也是依据实测数据建立的模型，一般情况下，开阔地的路径损耗一般都比市区小。
3、 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
2
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：
PrddBmPrddBmXsPr(d0)dBm10nlog(d/d0)X
其中，X为0 均值的高斯分布随机变量，单位dB；标准偏差，单位dB。
（式3）
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，概率密度函数为：
(x)
f(x)) （式4） 22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，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。
下面是阴影衰落分布的标准差，其中s(dB)是阴影效应的标准差。
2
表1. 阴影衰落分布的标准差s（dB）
4、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
3
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：
1N(outside)1PPi
Ni1M
P是穿透损耗，单位是dB；
(inside)
Pj （式5） j1
M
Pj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
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。
四、实验步骤
1、实验地点的选择
我们希望探究高大建筑物对于信号的遮挡以及其他衰落影响，所以选择校园内高度最高的一栋建筑—主楼作为测量主体，并且主楼的四周环境不尽相同，可以进一步分析环境对于信号的影响。
首先，主楼门前即主楼西侧，有一片较为宽敞空旷的广场，可以得到太阳直射，没有树荫以及楼体阴影的遮蔽，但是由于毗邻主干道，所以来往人流较多，移动台的影响比较大。另外，主楼南北两侧均与其他教学楼相邻，北侧与教一楼相近，南侧与教二楼相邻，南北两侧均被高度不同的两栋楼相夹，道路比较狭窄，并且树木密度较大，树阴以及楼体倒影影响较大，但是相对人流密度较小。最后主楼东侧，即主楼背后，与科学会堂相邻。被楼体遮蔽较为明显，来往人流极少，但是有机动车多次经过，没有树木等其他物体的影响。
主楼南北两侧环境较为相近，其余两侧均大有不同，我们分别对于四周采取双向测量，即主楼西侧北向、西侧南向、东侧北向、东侧南向、北侧西向、北侧东向、南侧西向、南侧东向，测量了八组数据，由于主楼四周长度不同，我们对于东西两侧均测量150个数据点，而南
4
北两侧测量100个数据点。这样除了环境影响外，还可以对比移动台运动方向不同对于接收信号的影响。
在选频方面，我们选择测试模拟电视CH6频道，频率范围是167-175MHz，取频率中点170MHz，计算波长近似为1.76m，相邻测试点间隔半波长，近似为主楼门前一个半地砖的长度，在其余三侧，均取3/4步长为一个测试点。
示图 主楼地理位置及周边环境
2、数据测量
利用场强仪DS1131测量无线信号的强度（单位：dBmw），分别对主楼四周的信号进行测量，以半个波长为测量周期，记录该点读数。首先，计算半波长值，约主楼门前一个半地砖的长度，我们先从主楼门前广场开始，主楼西侧面向南测量信号强度，广场较为空旷，虽然有树木但是距离较远，未形成遮挡，得到阳光直射。之后从两个方向测量了主楼南侧，即主楼与教二楼所夹道路，南侧向东及南侧向西，除方向不同外，周边环境一致。有高矮两栋楼体的遮挡及树荫的遮蔽。然后测量主楼东侧，也是选择两个不同方向，东侧向北、东侧向南。没有树荫，但是是主楼楼体遮蔽最为严重的一个区域，并且有数次机动车经过。最后测量主楼北侧，即主楼与教一楼所夹道路，树木密度较大，树荫遮蔽较为明显。最终为双向测量主楼一周的路径上信号强度值。
5
电磁场与电磁波·实验报告
测量路径示意图：
北侧向西 树荫遮蔽
西侧向北
广场 较为空旷
南侧向东 两侧楼体遮蔽
3、数据录入
将测量得到的数据录入Excel表格，为了便于MATLAB处理数据，将所有数据都存在一列，并注明地点和周边状态。
6
电磁场与电磁波·实验报告
示图4. 数据表格截图
电磁场与电磁波·实验报告
4、数据处理流程
采集到的数据有500组，需要对数据进行细致的处理以便得到明确的结论。下图所示为数据处理的流程图。具体的Matlab代码和拟合方法在附录中进行了详细叙述。
利用场强仪测量数据后进行了不同地点的数据整理，并录入了表格，之后将数据导入Matlab，利用Matlab作图，得出场强空间、概率分布的结果，实验结果分析如下。
五、实验结果与分析
蓝色矩形条为直方统计，红色曲线为高斯分布拟合曲线。拟合表达式为
f(x)
(x)22。拟合参数如表2所示。拟合的情况存在一定的偏差。
一、 主楼东西两侧磁场强度分析：
（1） 西侧
8
由图可见主楼西侧磁场强度存在明显的“中间高，两边低”的情况，越靠近中部信号质量明显更好。且总体信号强度相对较高，均值都在-50dBmw以上，最大值达到-40dBmw以上。天线的朝向对于信号质量的影响并不明显。
（2） 东侧
9
与西侧相反，主楼东侧磁场强度分布为“中间低，两边高”，越靠近两边信号质量明显更好。且总体信号强度相对较低，均值都接近于-60dBmw，最小值甚至达到-
10
70dBmw以下。天线的朝向对于信号质量的影响相对明显，从信号强度标准差的比较，可以看出天线面南时信号质量变化要比面北时更小。
（3） 南侧
11
（4） 北侧
电磁场与电磁波·实验报告
由上面两组数据可以看出，南北两侧的信号强度波动较小，采样数据标准差都在4.5左右，且信号质量处于中等水平，天线朝向对于信号影响不明显。
12
六、问题分析
由以上的实验数据可以看出，如果单以信号强度的大小来作为判断信号质量的标准，那么主楼西侧的信号最好，南北两侧次之，东侧最差。这也与主楼周边的地理环境有关，西侧是一个较为宽阔的广场，并没有太多的遮挡，更有利于电磁波的传播；南北两侧是较为低矮的教学楼，对信号有一定的遮挡作用；东侧道路较为狭窄，且两边都是高大的建筑遮挡，因此信号质量明显下降。具体到各侧的情况，西侧信号分布呈现越往中间质量越好的趋势，明显可以看出左右两侧的树木遮挡对于信号传播的不利影响；南北两侧环境条件较为单一，所以变化并不明显；东侧左右两侧是宽阔的道路，越往中部越受到建筑物的遮挡，所以信号的强度变化呈现两侧高中间低。
七、心得体会
王昊鹏：
本次实验虽然内容并不复杂但是对我来说收获是多方面的。如果单纯的从理论角度学习电磁场电磁波是略显枯燥的，而将所学知识应用到实际中去则更加有意义，并且能进一步加深我们对于知识的理解。首先在测量数据的过程中锻炼了我细心认真的品质，由于数据较多所以需要全神贯注记好每一个数值，以免出现数据录入失误导致结果分析异常或不准的情况，500个点的数据每一个都需要确认好准确无误，是真实的所测数值。并且需要对于周边的环境细心的观察留意。另外在处理数据的过程中也锻炼了Matlab编程的能力，对于MATLAB的使用也进行了学习。最为重要的就是理论所学知识的联系与应用。电磁场与电磁波、移动通信系统、微波技术基础等课的内容在本次实验中都有体现，将所学过的知识运用到实践中，并且利用理论知识来分析实验现象是一个非常重要的过程，这不仅帮助我们实验的顺利进行，也是对于知识理解的升华。总之，通过本次实验，学习了数据整理出分析处理的方法，锻炼了理论实践相结合的能力，可以说收获颇丰。
纪嘉楠：
本次实验的比较简单，只是比较繁琐，需要细心地记录数据，以及周围环境，数据量比较大。但在认真做实验的过程中，也让我们体验到了实践所带来的充实感，以及将所学知识应用于实际测量的新鲜感。同时，这期间所学习到的数据记录、整理以及分析方法等，对于之后的学习生活也会有很大的帮助。例如matlab的数据处理部分，就让我们实际练习了直方图的绘图以及累积分布曲线的绘制，能够帮助我们掌握matlab这一强大的数据分析工具，这对于我们今后在工作学习中的大数据分析有着重要的意义。
13
八、附录：数据处理过程
clear all; close all;
tmp1=xlsread('1.xlsx','C3:C102'); length=size(tmp1,1); figure(1); subplot(2,4,1); histfit(tmp1); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('西侧面南功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,5); [h,s1]=cdfplot(tmp1); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s1.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s1.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s1.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s1.std)]); %%计算标准差 title('西侧面南累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp2=xlsread('1.xlsx','O3:O52'); length=size(tmp2,1); subplot(2,4,2); histfit(tmp2);
14
grid on;
title('西侧面北功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,6); [h,s6]=cdfplot(tmp2); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s6.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s6.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s6.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s6.std)]); %%计算标准差 title('西侧面北累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp3=xlsread('1.xlsx','I3:I102'); length=size(tmp3,1); subplot(2,4,3); histfit(tmp3); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('东侧面北功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,7); [h,s3]=cdfplot(tmp3);
15
hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s3.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s3.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s3.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s3.std)]); %%计算标准差 title('东侧面北累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp4=xlsread('1.xlsx','O55:O104'); length=size(tmp4,1); subplot(2,4,4); histfit(tmp4); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('东侧面南功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,8); [h,s4]=cdfplot(tmp4); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s4.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s4.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s4.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s4.std)]); %%计算标准差 title('东侧面南累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp5=xlsread('1.xlsx','F3:F52'); length=size(tmp5,1);
16
figure(2); subplot(2,4,1); histfit(tmp5); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('南侧面东功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,5); [h,s5]=cdfplot(tmp5); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s5.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s5.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s5.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s5.std)]); %%计算标准差 title('南侧面东累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp6=xlsread('1.xlsx','F55:F104'); length=size(tmp6,1); subplot(2,4,2); histfit(tmp6); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('南侧面西功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
17
电磁场与电磁波·实验报告
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,6); [h,s6]=cdfplot(tmp6); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s6.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s6.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s6.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s6.std)]); %%计算标准差 title('南侧面西累积概率分布'); %%画累计分布曲线 tmp7=xlsread('1.xlsx','L3:L52'); length=size(tmp7,1); subplot(2,4,3); histfit(tmp7); axis([-80,-30,0,30]); grid on;
title('北侧面东功率概率分布图'); xlabel('功率值(dBmw)'); ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,7); [h,s7]=cdfplot(tmp7); axis([-80,-30,0,1]); hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s7.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s7.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s7.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s7.std)]); %%计算标准差
18
电磁场与电磁波·实验报告
title('北侧面东累积概率分布'); %%画累计分布曲线
tmp8=xlsread('1.xlsx','L55:L104');
length=size(tmp8,1);
subplot(2,4,4);
histfit(tmp8);
axis([-80,-30,0,30]);
grid on;
title('北侧面西功率概率分布图');
xlabel('功率值(dBmw)');
ylabel('样本数(个)');
legend('实际样本分布','标准正态分布曲线');
%%画接收信号强度概率分布柱状图以及标准正态分布曲线 subplot(2,4,8);
[h,s8]=cdfplot(tmp8);
axis([-80,-30,0,1]);
hold on;
text(-80,0.95,['最小值= ',num2str(s8.min)]);%%计算最小值 text(-80,0.85,['最大值= ',num2str(s8.max)]);%%计算最大值 text(-80,0.75,['均值= ',num2str(s8.mean)]);%%计算平均值 text(-80,0.65,['标准差= ',num2str(s8.std)]); %%计算标准差 title('北侧面西累积概率分布'); %%画累计分布曲线
figure(3);
subplot(2,4,1);
bar (tmp1*-1) ;
axis([0,100,0,80]);
hold on;
title('西侧面南场强分布图');
xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)');
19
bar (tmp2*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('西侧面北场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,3);
bar (tmp3*-1) ;
axis([0,100,0,80]); hold on;
title('东侧面北场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,4);
bar (tmp4*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('东侧面南场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,5);
bar (tmp5*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('南侧面东场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)');
20
bar (tmp6*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('南侧面西场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,7);
bar (tmp7*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('北侧面东场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); subplot(2,4,8);
bar (tmp8*-1) ;
axis([0,50,0,80]); hold on;
title('北侧面西场强分布图'); xlabel('样本(个)');
ylabel('功率值(-dBmw)'); 21