室内无线红外通信传输特性模拟程序

资 源 简 介

该程序旨在深入分析室内无线红外通信环境下光信号的传播演变规律，通过建立精确的物理模型，模拟红外信号在封闭空间内的传输全过程。项目基于Lambertian辐射模型，实现对直射（LOS）路径与经墙壁、天花板、地板等障碍物多次反射后的非直射（NLOS）路径的综合仿真。其核心功能在于利用递归算法或迭代积分法计算系统的冲激响应，评估多径效应带来的码间干扰。程序能够自动计算并绘制空间内不同坐标点下的接收功率分布图，分析均方根（RMS）时延扩展对信道带宽的影响，并支持对不同房间尺寸、反射系数、收发器位置及波束偏角等关键

详 情 说 明

室内无线红外通信系统的传输特性模拟项目说明文档

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的室内无线红外通信（Optical Wireless Communication）信道仿真系统。程序通过建立精确的物理与几何模型，模拟红外光信号在封闭矩形空间内的传播行为。该仿真不仅涵盖了光源与接收机之间的直射径（LOS）通信，还重点计算了经过墙面一次反射后的非直射径（NLOS）多径分量。其核心目标是评估室内环境下的光功率空间分布、多径时延扩展特性以及系统的通信可靠性，为室内Li-Fi布局设计、可见光通信（VLC）以及无线红外接入网络提供参数参考。

功能特性

1. 空间环境建模：支持自定义房间的长、宽、高尺寸，并能灵活设置发射器（TX）与接收机（RX）的三维坐标及朝向。
2. Lambertian辐射模型：利用高阶Lambertian模型模拟发射器，支持自定义半功率角，准确刻画光束的空间指向性。
3. 反射特性仿真：采用空间离散化方法，将墙面划分为数千个微小面元，计算信号经过各面元的一次反射增益。
4. 增强型接收计算：考虑了接收机的有效面积、视场角（FOV）、滤光器增益及聚光器增益对信号捕获的影响。
5. 空间性能检测：自动扫描整个接收工作平面的性能指标，生成功率分布与时延分布的空间映射图。
6. 时间特性分析：通过数值积分计算系统的单位冲激响应（CIR），并量化均方根（RMS）时延扩展。
7. 链路质量评估：除了物理层的传播模拟，还包括路径损耗分析、随距离变化的衰减规律以及基于OOK调制的理论误码率分析。
8. 三维可视化呈现：集成六个子图的多维度结果展示，包括二维热力图、散点分析图、时域响应曲线及室内布局示意图。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本（需包含Signal Processing Toolbox和Mapping Toolbox基本功能，普通版本亦可）。
2. 硬件要求：由于反射计算涉及大量面元迭代，建议内存不低于8GB，CPU具备多核处理能力。
3. 显示分辨率：建议1920x1080及以上，以便完整显示六子图仿真分析界面。

使用方法

1. 配置参数：在程序起始位置根据需求修改房间尺寸（room_dim）、反射系数（reflection_coeff）、光源功率（P_total）及发射位置（tx_pos）等变量。
2. 设置分辨率：根据精度与运行时间的平衡，调整接收平面分辨率（res_x/res_y）及墙体划分精度（nx/ny/nz）。
3. 运行程序：执行主脚本，程序将在控制台实时显示计算进度。
4. 结果查看：程序执行完成后，将自动弹出综合仿真结果窗口，并展示六个关键维度的性能图表图录。
5. 数据导出：可根据绘图数据在工作区提取接收功率图（P_rec_map）或RMS时延图（RMS_delay_map）进行二次开发。

程序核心逻辑与算法说明

程序执行逻辑严格遵循无线光通信的物理传播过程：

1. 参数预处理：程序首先计算Lambertian辐射系数m，将角度参数转换为物理模型中的阶数。同时，程序会对四周墙壁进行网格化处理，计算每个反射面元的中心坐标、法向量及其微元面积，构建完整的空间环境数据结构。
2. 空间循环扫描：程序通过嵌套循环遍历接收平面上的每一个格点。对于每个格点，执行以下计算：

- 直射径计算：判断接收点是否在发射器的有效覆盖范围内且在接收机FOV内，计算自由空间损耗。 - 反射径计算：程序遍历所有预生成的墙面微元。对于每个微元，将其视为二次辐射源，计算“发射器-反射面元-接收器”的复合链路增益，并累积各个微元带来的功率贡献。

1. 时间演化计算：采用直方图采样法。根据各条传播路径（包含反射路径）的物理距离计算光传播时延，并将对应的功率增益按时间精度（delta_t）累积到时域矢量中，形成系统的冲激响应。
2. 统计指标计算：

- 功率分布：计算接收平面总功率并转换为dBm单位。 - RMS时延扩展：通过一阶矩（平均超额时延）和二阶矩（二阶超额时延）计算时间扩展的方差平方根。 - 路径损耗：基于发射总功率与接收总功率的比值计算信道衰减。

1. 误码率建模：假设信道受到高斯白噪声干扰，采用补余误差函数（erfc）计算不同信噪比下OOK调制系统的理论BER上限。

关键实现细节分析

1. Lambertian反射模型实现：代码中通过abs(dot(vec, norm))来实现余弦项的提取，这确保了无论面元朝向如何，都能准确计算辐射角与接收角，且通过设置FOV过滤了超出角度的光束，精确模拟了光学前端的物理物理截断特性。
2. 微元面积补偿：为了保证计算的能量守恒，程序针对墙面和天花板/地板的不同朝向，分别应用了dx*dy、dx*dz或dy*dz作为微元面积因子dA，确保反射积分在高维空间下的数值稳定性。
3. 空间热力图映射：程序使用了surf函数配合shading interp处理，将离散的扫描点插值成连续的功率分布图，这有助于识别室内通信中的“死角”及信号覆盖盲区。
4. 多径叠加原理：在计算参考点的响应时，程序使用了t_idx进行时间槽对齐。这种方法可以处理反射路径之间的时间重叠，从而真实反映多径效应造成的波形展宽，这是分析码间干扰（ISI）的基础。
5. 反射衰减处理：代码中 reflection_coeff 参数直接参与了反射链路的增益相乘，模拟了墙面材质对光子吸收的物理现象，通过调节该参数可模拟不同装修环境（如白墙、深色壁纸）对通信质量的影响。