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1、校园内无线通信场强特性研究实验报告北京邮电大学Beijing University of Posts and Telecommunications目录【摘要】 2【关键字】 3【实验目的】 3【实验要求】 4【实验仪器】 4【问题分析】 4【实验原理】 7【实验内容】 11【实验步骤】 11【实验结果】 13【结果分析与对比】 25【实验结论】 26【心得体会】 27【参考文献】 28【附录】 29【摘要】无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与 接收机之间的传播路径非常复杂， 从简单的视距传播， 到遭遇各种复 杂的地形物，如建筑物，山脉和树叶等。无线信道不像有线信道那样 固定并
2、且可以预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。甚至移 动台的速度都会对信号的电平的衰落产生影响。 无线信道的建模历来 是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决一般利用统计方法， 并且根据预期的通信系统或所分配频谱的测量值来解决。Abstract 】The mobile radio channel places fundamental limitations on the performance of wireless communication systems. The transmission path between the transmitter and the receiver c
3、an vary from simple line-of-sight to one that is severely obstructed by buildings, mountains, and foliage. Unlike wired channels that are stationary and predictable, radio channels are extremely random and do not offer easy analysis. Even the speed of motion impacts how rapidly the signal level fade
4、s as a mobile terminal moves in space. Modeling the radio channel has historically been one of the most difficult parts of mobile radio system design, and is typically done in a statistical fashion, based on measurements made specifically for an intended communication system or spectrum allocation.【
5、关键字】阴影衰落 损耗 场强 分布规律【实验目的】1. 掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确测试方法。2. 研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律。3. 掌握在室内环境下的场强的正确测试方法，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的变化关系5. 研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系【实验要求】1. 在室外和室内环境下，阴影衰落服从的分布规律，并且画出概率 分布柱状图和累计分布曲线， 求出具体分布参数如均值和标准差。2. 对北邮校园电波分布与现有传播模型进行比较，得出用具体哪一 种模型适合预测校园里的场强，以及具体的预测误差有多大（在 已知发射台参数的情况下）
6、。3. 钢筋混凝土建筑物的平均穿透损耗的均值和标准差，以及随着楼 侧的变化规律。【实验仪器】DS113场强仪一台【问题分析】影响因素总的来说，确定某一地区的传播环境的主要因素有： 自然地形（高 山，丘陵，平原，水域等） ，人工建筑的数量高度分布和材料特性等， 该地区的植被特征，天气状况，自然和人为的电磁噪声状况，系统的 工作频率和移动台运动。无线电波在此环境下传播表现出几种主要传播方式： 直射，反射， 绕射和散射以及它们的合成。无线通信系统由发射机，发射天线，无线信道， 接收机，接收天 线组成，对于接受者而言， 只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证 接收机正常地接收信号。此时，电波场强大于等于
7、接收机的灵敏度。 决定覆盖区的大小的因素主要有：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。本实验要在无线信道下测量某一频段的电视信号， 并且在测量的 过程中，接收机处于移动的状态， 故可以看作一般的无线信号在时变 的移动信道中传播。 移动信道是一种时变信道， 其基本特性就是衰落 特性，这种衰落特性取决于无线电波的传播环境。 在同一个无线信道 中，既存在大尺度衰落又存在小尺度衰落， 二者并不是独立的， 因此， 无线电波在这种信道下传播所产生的衰落主要以下几个来源：1. 大尺度衰落（表征了接收信号在
8、一定时间内的均值随传播距离和 环境的变化而呈现的缓慢变化）（1） 路径损耗： 随着信号传播距离的变化而导致的无线电波的传 播损耗和弥散。（2） 阴影效应：由于传播环境中地形的起伏，建筑物以及其他障 碍物对电磁波的遮蔽引起的衰落，称此现象为阴影效应，也 叫阴影衰落。在这种情况下，移动台被建筑物所遮蔽，它收 到的信号是各种绕射，反射，散射波的合成。所以，在距基 地距离相同的地方，由于阴影效应的不同，他们收到的信号 功率由可能相差很大。 由阴影效应产生的路径损耗成对数正 态分布。2. 小尺度衰落（表征了接收信号短时间内的快速波动）（1） 多径衰落： 无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物 的作用
9、而产生的反射，绕射和散射，使得其到达接收机时是 从多条路径传来的多个信号的叠加， 这种多径传播所引起的 信号在接收端幅度， 相位和到达时间的随机变化将导致严重 的衰落，即所谓多径衰落。（2） 多普勒效应： 移动台在电波传播路径方向上的运动将使接收 信号产生多普勒效应，其结果会导致接收信号在频域的扩 展，同时改变了信号电平的变化率。这就是所谓的多普勒频 移，它的影响会产生附加的调频噪声， 出现接收信号的失真。（ 3） 大气变化：除阴影效应外，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，也会观察到路径损耗的变化。但在测 量的无线信道
10、中， 大气变化会造成的影响要比阴影效应小得 多。【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
11、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(do) 10n log(d / do).即平均接收功率为Pr(d)dBm二 PrdBm -PL(do) -10nlog(d/do) = Pr(do)dBm -10nlog(d/do) 其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；do为近地参考距离；d为发射机与接收机之间的距离。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
12、接收功率可表示为斜率10n dB/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。常见的电波传播模型有：(i) 自由空间模型(ii) 布灵顿模型(iii) EgLi 模型(iv) Hata-Okumura 模型(v) 其他模型，如COST-231 Hat模型，CCIF模型，LE膜型， COST-231-Walfisch-lkegan模型。(2)阴
13、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 X；： =Pr(do)dBm -10nlog(d/do) X 其中，X为0均值的高斯分布随
14、机变量，单位为dB,标准偏差为二， 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:f(x)=exp( (x-m)2-)标准庄击分击泊F面是标准正态的累积概率积分函数: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，匚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
15、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，其中二s（dB）是阴影效 应的标准差。s(dB)频率准平坦地形不规则地形也h （米）城市郊区501503001503.5-5.54-79111345067.51115189006.58141821（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1 1场强。用公式表示为：二丄Xi #R（outside）- 为 X j #Pj（inside）NMP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dBw,共M个点，Pi是在室外所测的每一点的功率，
