無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量調(diào)研報(bào)告

楊橋

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無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量調(diào)研報(bào)告

楊橋

北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876

在校內(nèi)進(jìn)行了無(wú)線信號(hào)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。從動(dòng)手實(shí)踐到理論充實(shí)，再到前沿技術(shù)，是一條完整的自學(xué)路線，也是這篇報(bào)告的行文思路。進(jìn)一步設(shè)計(jì)了校園內(nèi)無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)特性的研究實(shí)驗(yàn)，包括目的、原理等基本信息，從無(wú)線信道的基本原理到無(wú)線信道的模型建立、預(yù)測(cè)，最后是預(yù)測(cè)技術(shù)的意義與技術(shù)特點(diǎn)。

無(wú)線信道；場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量；信道預(yù)測(cè)

1 校園內(nèi)無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)特性的研究

1.1 目的

（1）掌握在移動(dòng)環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確測(cè)試方法；

（2）研究校園內(nèi)不同環(huán)境下陰影衰落的分布規(guī)律；

（3）熟練使用DS1131場(chǎng)強(qiáng)儀實(shí)地測(cè)試信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的方法；

（4）學(xué)會(huì)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和處理，進(jìn)而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

1.2 原理

1.2.1 三種基本電波傳播機(jī)制

影響電波在空間傳播的三種最基本的機(jī)制為反射、繞射、散射。當(dāng)電磁波傳播遇到比其波長(zhǎng)大得多的物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間無(wú)線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)，會(huì)發(fā)生繞射。散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體，比如樹葉﹑街道標(biāo)志和燈柱等都會(huì)引發(fā)散射[1]。

1.2.2 陰影衰落

在無(wú)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(duì)電波的遮擋。在測(cè)量過程中，不同位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率也不同，這樣就會(huì)觀察到衰落現(xiàn)象，這就叫“陰影效應(yīng)”或“陰影衰落”。在陰影衰落的情況下收到的信號(hào)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(hào)功率有可能相差很大。理論和測(cè)試表明，對(duì)任意的d值，特定位置的接收功率為隨機(jī)對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

對(duì)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(shí)，不同的隨機(jī)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(jī)效應(yīng)。正態(tài)分布，也叫高斯分布，它的概率密度函數(shù)是：

除了陰影效應(yīng)外，大氣變化也會(huì)導(dǎo)致陰影衰落，比如一天中的白天、夜晚，一年中的春、夏、秋、冬以及天晴和下雨時(shí)。即使在同一個(gè)地點(diǎn)，也會(huì)觀察到路徑損耗的變化。但在測(cè)量的無(wú)線信道中，大氣變化造成的影響要比陰影效應(yīng)小得多。

1.3 路徑損耗

測(cè)量發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間信號(hào)的平均衰落，即定義為有效發(fā)射功率（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（dB）。距離是決定路徑損耗大小的首要因素；除此之外，還與接收點(diǎn)的電波傳播條件密切相關(guān)[2]。

1.4 穿透損耗

建筑物的穿透損耗是指建筑物外測(cè)量的信號(hào)的中值電場(chǎng)強(qiáng)度和同一位置室內(nèi)測(cè)量的信號(hào)中值電場(chǎng)強(qiáng)度之差（dB）。建筑物穿透損耗的大小同建筑物的材料、結(jié)構(gòu)、高度、室內(nèi)陳設(shè)、工作頻率等多種因素有關(guān)。室外至室內(nèi)建筑物的穿透損耗定義為：室外測(cè)量的信號(hào)平均場(chǎng)強(qiáng)減去在同一位置室內(nèi)測(cè)量的信號(hào)平均場(chǎng)強(qiáng)。

2 無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)研究的意義與應(yīng)用方向

2.1 校園內(nèi)測(cè)量

選用DS1131場(chǎng)強(qiáng)儀（直接讀出電平值，單位為dBμV）利用場(chǎng)強(qiáng)儀來(lái)測(cè)量某信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)大小，操作并不復(fù)雜。首先選擇頻率范圍合適的測(cè)試接收天線，用較短的低損耗射頻電纜將天線和場(chǎng)強(qiáng)儀（或電平表）連接牢靠，考慮到天線的方向性，務(wù)必旋轉(zhuǎn)天線使天線在空中與被測(cè)信號(hào)極化方向一致，以獲取最大感應(yīng)測(cè)量值。如果是可存儲(chǔ)天線系數(shù)的場(chǎng)強(qiáng)（頻譜）儀，就可直接讀出以μV/m為單位的場(chǎng)強(qiáng)值；如果是電平表，場(chǎng)強(qiáng)值E則接下式求出：E=Er+K+L。式中：E為場(chǎng)強(qiáng)值（單位dBμV/m）；Er為電平表測(cè)得的電平值（單位dBμV）；K為天線系數(shù)（單位dB）；L為射頻電纜插入損耗值（單位dB）。

2.2 場(chǎng)強(qiáng)儀的主要技術(shù)指標(biāo)

頻率范圍（頻道范圍1）、測(cè)量帶寬、頻率分辨率、測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)（電平）值范圍、測(cè)量精度、輸入阻抗、檢波方式、載噪比（C/N）以及工作溫度、電源供電方式等。

2.2.1 研究意義

他轉(zhuǎn)向一面墻，上面掛著一些靶子。所謂的靶子就是一個(gè)正方形膠合板，上有三個(gè)紅色圓圈，我們每個(gè)人都有各自的靶子。只見老四雙腳分開站立，雙手握槍，瞄準(zhǔn)目標(biāo)，然后射擊。一聲巨響震痛了我的耳朵，我伸長(zhǎng)脖子去看靶子，子彈剛好穿過了中間圓圈的正中心。

場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試在工程設(shè)計(jì)、建設(shè)驗(yàn)收和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中都有著非常重要的作用，如鐵路移動(dòng)通信工程建設(shè)驗(yàn)收單位需要對(duì)覆蓋場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，避免弱場(chǎng)和盲區(qū)；設(shè)計(jì)單位需要掌捤多徑分布情況，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署的參數(shù)。

2.2.2應(yīng)用方向

（1）超高速無(wú)線通信（區(qū)別于SOC）

新岸線公司自主研發(fā)的“EUHT（超高速無(wú)線通信系統(tǒng)）”，已成為多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和智能交通國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，擁有全套專用芯片、設(shè)備、終端和整體解決方案，具有高可靠、高容量、高速率，低時(shí)延、低功耗、低成本及精確定位、精密計(jì)算、精細(xì)控制等特點(diǎn)，完全滿足下一代工業(yè)互聯(lián)的需求，在全球提前3～5年全面覆蓋和基本實(shí)現(xiàn)了《5G概念白皮書》所提出的應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，已通過了多個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)和用戶的產(chǎn)品級(jí)第三方充分測(cè)試和驗(yàn)證。

EUHT技術(shù)已在地鐵、高鐵、農(nóng)村無(wú)線寬帶覆蓋等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了全面商用。

（2）海洋地質(zhì)調(diào)查、海上遠(yuǎn)距離無(wú)線通信（衛(wèi)星）

在海上遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)中，海面至大氣電離層間的反射是傳輸過程的重要組成部分。海水電解質(zhì)濃度、海風(fēng)氣流影響、大氣組成成分比例都是影響無(wú)線通信信道的重要因素。因此，根據(jù)不同經(jīng)緯度、年均溫度濕度、洋流方向與流速進(jìn)行信道測(cè)量，通過反演實(shí)現(xiàn)信道預(yù)測(cè)，建立常規(guī)化可適應(yīng)性模型，是海上遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的核心操作辦法。

3 無(wú)線信號(hào)的信道建模與預(yù)測(cè)的反演實(shí)現(xiàn)

3.1 信道建模

2018年美國(guó)大學(xué)生建模競(jìng)賽A題的解題核心，就在于對(duì)衛(wèi)星通信過程中，電離層與海平面之間的無(wú)線通信信道進(jìn)行建模處理。

無(wú)線信道是對(duì)無(wú)線通信中發(fā)送端和接收端之間的通路的一種形象比喻。如果單就無(wú)線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端，其間并沒有一個(gè)有形的連接，它的傳播路徑也有可能不只一條，但是我們?yōu)榱诵蜗蟮孛枋霭l(fā)送端與接收端之間的工作，我們假設(shè)這兩者之間有一個(gè)看不見的道路銜接，把這條銜接通路稱為信道（也稱頻段、頻道等）。無(wú)線信道中電波的傳播不是單一路徑的，而是多條路徑同時(shí)進(jìn)行傳播的，這就造成了不同相位的多個(gè)信號(hào)疊加在一起時(shí)，有時(shí)會(huì)相互加強(qiáng)（方向相同），有時(shí)則會(huì)相互消弱（方向相反）。也就是說(shuō)，在同一信道中，無(wú)線接入點(diǎn)越多，無(wú)線信號(hào)受干擾的概率就越大，信號(hào)也就越不穩(wěn)定，無(wú)線傳輸速率也會(huì)受到影響。對(duì)于無(wú)線通信來(lái)說(shuō)，惡劣的信道特性是不可回避的問題。要在這樣的傳播條件下保持可以接受的傳輸質(zhì)量，就必須采用各種技術(shù)措施來(lái)抵消衰落的不利影響[3]。

信道建模就是對(duì)如上復(fù)雜的無(wú)線信道進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與仿真，在計(jì)算機(jī)上完成一定程度上的調(diào)試與計(jì)算，目的在于更好地進(jìn)行研究與技術(shù)改造。

3.2 信道預(yù)測(cè)

3.2.1信道預(yù)測(cè)的泛定義

對(duì)信道估計(jì)的發(fā)展，對(duì)不確定信道進(jìn)行粗略建模，但在一定程度上與真實(shí)情況有較高的契合度。

校內(nèi)進(jìn)行的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量、規(guī)律分析，可以看作是對(duì)信道的簡(jiǎn)單模型化處理，同時(shí)具有可推、可借鑒的規(guī)律來(lái)講，就是一種泛定義上的信道預(yù)測(cè)。

當(dāng)然，論文中提到的信道預(yù)測(cè)都是切實(shí)的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型，例如基于粒子濾波修正信道預(yù)測(cè)技術(shù)[4]。

3.2.2信道預(yù)測(cè)的意義

人們生活水平不斷提高，人們對(duì)于無(wú)線通信特別是無(wú)線移動(dòng)通信的要求越來(lái)越高。不論是傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、可靠性還是傳輸?shù)膫鬏斔俾剩荚诖叽僦蒲泄ぷ髡哐邪l(fā)更加先進(jìn)的通信技術(shù)以滿足人們?cè)絹?lái)越苛刻的要求。在此情況下，具有代表性的第三代移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。信道預(yù)測(cè)在其中起到了重要作用。

[1]孫潛. 基于粒子濾波修正的信道預(yù)測(cè)技術(shù)[D]. 廣州：中山大學(xué)，2009.

[2]黃芳. 海上無(wú)線電波傳播特性與信道建模研究[D].海口：海南大學(xué)，2015.

[3]中國(guó)無(wú)線電管理. 工信部無(wú)2016379號(hào)-13無(wú)線電信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量方法：3[S].

[4]扈羅全，朱洪波. 脈沖無(wú)線通信信道特性與建模研究進(jìn)展[J]. 南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，26（2）：1-11.

Wireless Signal Field Strength Measurement Research Report

Yang Qiao

School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876

The wireless signal measurement experiment is carried out in school, and the experimental data is analyzed. From hands-on practice to theoretical enrichment and then to cutting-edge technology, it is a complete self-learning route and the textual thinking of this report. The research experiments on the field strength characteristics of wireless signals in campus are further designed, including the basic information of purpose and principle, from the basic principle of wireless channel to the model establishment and prediction of wireless channel, and finally the meaning and technical characteristics of prediction technology.

wireless channel; field strength measurement; channel prediction

TN929.5

A