无线信号场强测量调研报告

杨桥



无线信号场强测量调研报告

杨桥

北京邮电大学电子工程学院，北京 100876

在校内进行了无线信号的测量实验，并对实验数据进行了分析。从动手实践到理论充实，再到前沿技术，是一条完整的自学路线，也是这篇报告的行文思路。进一步设计了校园内无线信号场强特性的研究实验，包括目的、原理等基本信息，从无线信道的基本原理到无线信道的模型建立、预测，最后是预测技术的意义与技术特点。

无线信道；场强测量；信道预测

1 校园内无线信号场强特性的研究

1.1 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）研究校园内不同环境下阴影衰落的分布规律；

（3）熟练使用DS1131场强仪实地测试信号场强的方法；

（4）学会对大量数据进行统计分析和处理，进而得出实验结论。

1.2 原理

1.2.1 三种基本电波传播机制

影响电波在空间传播的三种最基本的机制为反射、绕射、散射。当电磁波传播遇到比其波长大得多的物体时，会发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖利的边缘阻挡时，会发生绕射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体，比如树叶﹑街道标志和灯柱等都会引发散射[1]。

1.2.2 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，这就叫“阴影效应”或“阴影衰落”。在阴影衰落的情况下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，特定位置的接收功率为随机对数正态分布。

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：

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、冬以及天晴和下雨时。即使在同一个地点，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得多。

1.3 路径损耗

测量发射机和接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（dB）。距离是决定路径损耗大小的首要因素；除此之外，还与接收点的电波传播条件密切相关[2]。

1.4 穿透损耗

建筑物的穿透损耗是指建筑物外测量的信号的中值电场强度和同一位置室内测量的信号中值电场强度之差（dB）。建筑物穿透损耗的大小同建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。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在同一位置室内测量的信号平均场强。

2 无线信号场强研究的意义与应用方向

2.1 校园内测量

选用DS1131场强仪（直接读出电平值，单位为dBμV）利用场强仪来测量某信号的场强大小，操作并不复杂。首先选择频率范围合适的测试接收天线，用较短的低损耗射频电缆将天线和场强仪（或电平表）连接牢靠，考虑到天线的方向性，务必旋转天线使天线在空中与被测信号极化方向一致，以获取最大感应测量值。如果是可存储天线系数的场强（频谱）仪，就可直接读出以μV/m为单位的场强值；如果是电平表，场强值E则接下式求出：E=Er+K+L。式中：E为场强值（单位dBμV/m）；Er为电平表测得的电平值（单位dBμV）；K为天线系数（单位dB）；L为射频电缆插入损耗值（单位dB）。

2.2 场强仪的主要技术指标

频率范围（频道范围1）、测量带宽、频率分辨率、测量场强（电平）值范围、测量精度、输入阻抗、检波方式、载噪比（C/N）以及工作温度、电源供电方式等。

2.2.1 研究意义

他转向一面墙，上面挂着一些靶子。所谓的靶子就是一个正方形胶合板，上有三个红色圆圈，我们每个人都有各自的靶子。只见老四双脚分开站立，双手握枪，瞄准目标，然后射击。一声巨响震痛了我的耳朵，我伸长脖子去看靶子，子弹刚好穿过了中间圆圈的正中心。

场强测试在工程设计、建设验收和运营维护中都有着非常重要的作用，如铁路移动通信工程建设验收单位需要对覆盖场强进行测量，评估网络覆盖水平，避免弱场和盲区；设计单位需要掌捤多径分布情况，优化网络部署的参数。

2.2.2应用方向

（1）超高速无线通信（区别于SOC）

新岸线公司自主研发的“EUHT（超高速无线通信系统）”，已成为多项行业标准和智能交通国家标准，拥有全套专用芯片、设备、终端和整体解决方案，具有高可靠、高容量、高速率，低时延、低功耗、低成本及精确定位、精密计算、精细控制等特点，完全满足下一代工业互联的需求，在全球提前3～5年全面覆盖和基本实现了《5G概念白皮书》所提出的应用场景和关键技术指标，已通过了多个权威机构和用户的产品级第三方充分测试和验证。

EUHT技术已在地铁、高铁、农村无线宽带覆盖等领域实现了全面商用。

（2）海洋地质调查、海上远距离无线通信（卫星）

在海上远距离无线通信技术中，海面至大气电离层间的反射是传输过程的重要组成部分。海水电解质浓度、海风气流影响、大气组成成分比例都是影响无线通信信道的重要因素。因此，根据不同经纬度、年均温度湿度、洋流方向与流速进行信道测量，通过反演实现信道预测，建立常规化可适应性模型，是海上远距离无线通信的核心操作办法。

3 无线信号的信道建模与预测的反演实现

3.1 信道建模

2018年美国大学生建模竞赛A题的解题核心，就在于对卫星通信过程中，电离层与海平面之间的无线通信信道进行建模处理。

无线信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的一种形象比喻。如果单就无线电波而言，它从发送端传送到接收端，其间并没有一个有形的连接，它的传播路径也有可能不只一条，但是我们为了形象地描述发送端与接收端之间的工作，我们假设这两者之间有一个看不见的道路衔接，把这条衔接通路称为信道（也称频段、频道等）。无线信道中电波的传播不是单一路径的，而是多条路径同时进行传播的，这就造成了不同相位的多个信号叠加在一起时，有时会相互加强（方向相同），有时则会相互消弱（方向相反）。也就是说，在同一信道中，无线接入点越多，无线信号受干扰的概率就越大，信号也就越不稳定，无线传输速率也会受到影响。对于无线通信来说，恶劣的信道特性是不可回避的问题。要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响[3]。

信道建模就是对如上复杂的无线信道进行数学建模与仿真，在计算机上完成一定程度上的调试与计算，目的在于更好地进行研究与技术改造。

3.2 信道预测

3.2.1信道预测的泛定义

对信道估计的发展，对不确定信道进行粗略建模，但在一定程度上与真实情况有较高的契合度。

校内进行的场强测量、规律分析，可以看作是对信道的简单模型化处理，同时具有可推、可借鉴的规律来讲，就是一种泛定义上的信道预测。

当然，论文中提到的信道预测都是切实的数学预测模型，例如基于粒子滤波修正信道预测技术[4]。

3.2.2信道预测的意义

人们生活水平不断提高，人们对于无线通信特别是无线移动通信的要求越来越高。不论是传输的准确性、可靠性还是传输的传输速率，都在催促着科研工作者研发更加先进的通信技术以满足人们越来越苛刻的要求。在此情况下，具有代表性的第三代移动通信技术应运而生。信道预测在其中起到了重要作用。

[1]孙潜. 基于粒子滤波修正的信道预测技术[D]. 广州：中山大学，2009.

[2]黄芳. 海上无线电波传播特性与信道建模研究[D].海口：海南大学，2015.

[3]中国无线电管理. 工信部无2016379号-13无线电信号场强测量方法：3[S].

[4]扈罗全，朱洪波. 脉冲无线通信信道特性与建模研究进展[J]. 南京邮电大学学报（自然科学版），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