室外可见光通信信道建模与MATLAB实现（直射链路与反射链路）

一、直射链路（LOS）建模

1. 核心模型：Lambertian辐射模型

LED光源的辐射特性通过朗伯模型描述，直射链路增益公式为：

MATLAB实现：

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function H_los = los_channel_model(A_r, d, theta, m, T_s, g_s)
    % 参数说明：
    % A_r: 接收器有效面积 (m²)
    % d: 传输距离 (m)
    % theta: 发射角 (rad)
    % m: 朗伯阶数
    % T_s: 光学滤波器透过率
    % g_s: 聚光器增益
    
    H_los = (m+1)*A_r/(2*pi*d^2) * cos(theta)^m * cos(theta) * T_s * g_s;
end

2. 大气衰减修正

采用Gamma-Gamma模型模拟大气湍流影响：

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function alpha = atmospheric_attenuation(lambda, visibility)
    % lambda: 波长 (nm)
    % visibility: 能见度 (km)
    q = 1.6; % 默认参数（能见度>50km）
    if visibility < 5
        q = 0.585 * visibility^(1/3);
    elseif visibility <=50
        q = 1.3;
    end
    alpha = 3.91 / visibility * (lambda/550)^(-q); % 衰减系数 (km⁻¹)
end

3. 完整直射链路仿真

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% 参数设置
lambda = 800e-9; % 波长 (m)
visibility = 10; % 能见度 (km)
A_r = 1e-4; % 接收面积 (m²)
d = 50; % 距离 (m)
theta = deg2rad(30); % 发射角
m = 1.5; % 朗伯阶数
T_s = 0.9; % 滤波器透过率
g_s = 1.0; % 聚光器增益

% 计算链路增益
H_los = los_channel_model(A_r, d, theta, m, T_s, g_s);

% 大气衰减修正
alpha = atmospheric_attenuation(lambda*1e9, visibility);
H_los_attenuated = H_los * exp(-alpha * d*1e3); % 转换为米单位

二、反射链路（NLOS）建模

1. 地面反射模型（镜面反射）

假设地面为理想镜面，反射路径增益为：

MATLAB实现：

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function H_nlos = nlos_mirror_model(A_r, d1, d2, theta1, theta2, rho, m)
    % 参数说明：
    % d1: 发射端到反射面距离 (m)
    % d2: 反射面到接收端距离 (m)
    % rho: 地面反射率
    
    H_nlos = rho * (m+1)*A_r/(2*pi) * cos(theta1)^m * cos(theta2) / (d1^2 * d2^2);
end

2. 多径反射建模（蒙特卡洛仿真）

模拟多次反射路径的功率分布：

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function [H_nlos_total, delays] = nlos_multipath(A_r, num_paths, max_reflections)
    % 参数说明：
    % num_paths: 采样路径数
    % max_reflections: 最大反射次数
    
    H_nlos_total = zeros(1, num_paths);
    delays = zeros(1, num_paths);
    
    for i = 1:num_paths
        % 随机生成反射次数和路径参数
        n_reflections = randi([1, max_reflections]);
        [d1, d2, theta1, theta2, rho] = generate_random_path();
        
        % 计算单路径增益
        H = 0;
        current_distance = 0;
        for j = 1:n_reflections
            % 模拟每次反射的几何参数（需自定义生成函数）
            [d1_step, d2_step, theta1_step, theta2_step, rho_step] = ...
                calculate_reflection_params();
            H += rho_step * (m+1)*A_r/(2*pi) * cos(theta1_step)^m * cos(theta2_step) / (d1_step^2 * d2_step^2);
            current_distance += d1_step + d2_step;
        end
        
        H_nlos_total(i) = H;
        delays(i) = current_distance / 3e8; % 延迟时间 (s)
    end
end

三、联合信道建模与仿真

1. 总信道响应

MATLAB实现：

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% 直射链路参数
H_los = los_channel_model(A_r, d, theta, m, T_s, g_s);
H_los_attenuated = H_los * exp(-alpha * d*1e3);

% 反射链路参数（示例：1次反射）
[H_nlos, delays] = nlos_multipath(A_r, 1000, 2); % 1000条路径，最大2次反射

% 合并信道响应
H_total = H_los_attenuated + mean(H_nlos); % 简化处理：取平均反射增益

2. 仿真结果可视化

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% 时域信号模拟
t = 0:1e-9:1e-6; % 1μs时间窗口
signal_tx = randi([0,1],1,1000); % 随机二进制信号
signal_rx = filter(H_total, 1, signal_tx); % 信道滤波

% 绘制信道冲激响应
figure;
stem(delays*1e6, H_nlos, 'b', 'LineWidth', 1.5);
hold on;
plot(0, H_los_attenuated, 'ro', 'MarkerSize', 10);
xlabel('延迟 (μs)');
ylabel('幅度');
legend('反射路径', '直射路径');
title('NLOS+LOS联合信道冲激响应');

四、关键参数优化

1. 朗伯阶数（m）计算

根据LED半功率角（θ₁/₂）自动计算：

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function m = calculate_m(theta_half)
    m = -log(2) / log(cosd(theta_half/2));
end
% 示例：θ₁/₂=60° → m=1

2. 反射率动态调整

根据地面材质调整反射率（如湿滑地面ρ=0.7，干燥草地ρ=0.2）：

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material = 'concrete'; % 可选值：'asphalt', 'grass', 'metal'
switch material
    case 'asphalt'
        rho = 0.3;
    case 'grass'
        rho = 0.2;
    case 'metal'
        rho = 0.8;
end

五、完整代码示例

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%% 室外VLC信道建模（直射+反射链路）
clc; clear; close all;

%% 参数设置
lambda = 800e-9; % 波长 (m)
visibility = 10; % 能见度 (km)
A_r = 1e-4; % 接收面积 (m²)
d = 50; % 直射距离 (m)
theta = deg2rad(30); % 发射角
m = calculate_m(60); % 半功率角60°
T_s = 0.9; % 滤波器透过率
g_s = 1.0; % 聚光器增益

%% 直射链路建模
H_los = los_channel_model(A_r, d, theta, m, T_s, g_s);
alpha = atmospheric_attenuation(lambda*1e9, visibility);
H_los_attenuated = H_los * exp(-alpha * d*1e3);

%% 反射链路建模（1次反射）
[H_nlos, delays] = nlos_multipath(A_r, 1000, 2);
rho = 0.3; % 湿滑地面反射率
H_nlos = rho * H_nlos;

%% 联合信道响应
H_total = H_los_attenuated + mean(H_nlos);

%% 时域仿真
t = 0:1e-9:1e-6;
signal_tx = randi([0,1],1,1000);
signal_rx = filter(H_total, 1, signal_tx);

%% 可视化
figure;
subplot(2,1,1);
stem(delays*1e6, H_nlos, 'b', 'LineWidth', 1.5);
hold on;
plot(0, H_los_attenuated, 'ro', 'MarkerSize', 10);
xlabel('延迟 (μs)');
ylabel('幅度');
title('NLOS+LOS信道冲激响应');

subplot(2,1,2);
plot(t, signal_tx, 'b', t, signal_rx, 'r--');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('信号幅度');
legend('发送信号', '接收信号');
title('信道传输效果');

参考代码室外可见光通信信道建模，直射链路和反射链路建模 www.youwenfan.com/contentcsq/50895.html

六、扩展应用

动态环境仿真：加入移动障碍物模型，实时更新反射路径。
多用户干扰：模拟多个光源的叠加效应，使用OFDM技术抑制干扰。
硬件在环验证：通过Arduino控制LED光源，采集真实光信号验证模型。