Visible light communications for next generation in-flight systems

In recent years, the amount of flights have undergone a rapid increase and at the same time also the number of passengers complaining for the lack of Internet connectivity during the flight is increased as well. Although some airline companies currently provide an Internet service based on both satellite communications (mostly in the Ku band) to ensure the aircrafts’ coverage and on on-board cognitive Wi-Fi systems to interface with the users’ terminals, the capacity is limited by the large geographical coverage of the geostationary satellites. In fact, the huge number of served airplanes forces the overall bandwidth to be subdivided in several small portions which are insufficient to serve all the passengers. Moreover, the potentials of cognitive-type radio frequency systems are greatly limited by the need to not generate spurious interference to the avionic instrumentation. This thesis work aims at investigating the possibility of providing the passengers with a radio frequency-free Internet access through optical wireless communications, in particular by using the visible light emitted by the LED reading lamps as a carrier for the downlink and the infrared light for the uplink. The wireless optical channel is studied in detail both in terms of impulse response and signal-to-interference-plus-noise ratio, characterizing its peculiarities. Moreover, optimized digital transmission techniques are tested to best suit with on-board scenarios. An innovative high-capacity backbone network is proposed to interconnect the LED reading lamps one to each other, reducing as much as possible the extra weight and limiting the energy consumption. Finally, the development of a visible light optical transceiver with its relative preliminary tests is reported.

Negli ultimi anni si è assistito ad un progressivo aumento dei voli di linea in tutto il mondo, e di conseguenza del numero dei passeggeri, i quali lamentano con sempre maggiore insistenza l’assenza di una connessione ad Internet durante il volo. Sebbene alcune compagnie aeree attualmente forniscano un servizio di connettività basato sia su comunicazioni satellitari (principalmente in banda Ku) per fornire la copertura necessaria all’aereo che su Wi-Fi cognitivo a bordo per l’interfaccia con i terminali utente, la capacità è fortemente limitata per la copertura territoriale troppo vasta dei satelliti geostazionari. Infatti, il grande numero di aerei serviti dal singolo satellite forza la suddivisione della banda disponibile in porzioni troppo esigue per poter soddisfare tutti i passeggeri. Inoltre, le potenzialità dei sistemi a radiofrequenza di tipo cognitivo è limitata dalla necessità di non interferire in maniera spuria (e dunque incontrollata) con le strumentazioni elettroniche di assistenza al volo. Questo lavoro di tesi si propone di investigare la possibilità di fornire ai passeggeri un accesso ad Internet permanente e senza problematiche di interferenza elettromagnetica radio mediante collegamenti ottici wireless, nello specifico impiegando la luce visibile delle lampade a LED adibite alla lettura come portante per il downlink e la luce infrarossa per l’uplink. Si studia nel dettaglio il canale ottico wireless sia in termini di risposta all’impulso che di rapporto segnale-rumore, caratterizzandolo nelle sue peculiarità, per poi passare a proporre tecniche di trasmissione digitale ottimizzate per questo specifico scenario di comunicazione e una rete innovativa di backbone ad alta capacità per interconnettere tra loro le lampade LED riducendo al massimo il peso aggiuntivo e limitando il consumo energetico. Infine, si riporta lo sviluppo di un ricetrasmettitore ottico in luce visibile con relativi test preliminari.