Limitazioni di velocità sui sensori mobili

Dopo aver visto questo video della scena di attracco in Interstellar, girato con una lampadina e un ventilatore , stavo pensando:

Esistono limiti di velocità con i sensori in movimento, come ad esempio la misurazione di una ruota che gira?

So che i telefoni possono trasportare informazioni sull'autostrada e gli aerei possono comunicare con l'ATC ad altissima velocità. Quindi mi sto concentrando su un protocollo particolare: Bluetooth LE

• i sensori in rapido movimento incidono sulla misura della velocità che stanno trasmettendo?
• i chipset IoT gestiscono rapidi cambi di distanza?

Le comunicazioni affidabili tra dispositivi digitali richiedono un certo grado di elaborazione del segnale per sincronizzare i dati e il timing (orologio). L'aggiunta di movimenti relativi tra trasmettitore e ricevitore può complicare il problema. Probabilmente sei consapevole che il movimento relativo può impartire cambiamenti di frequenza Doppler. Ciò influisce anche sulla tempistica del flusso di bit.

Un dispositivo come il tuo cellulare (o anche un veicolo spaziale) ha un'elaborazione del segnale che può adattarsi a questo tipo di condizione dinamica, essendo generalmente in grado di soddisfare una vasta gamma di condizioni dinamiche. Ma questa elaborazione aggiuntiva del segnale richiede potenza per funzionare.

Sospetto che se un dispositivo Bluetooth LE (Low Energy) non è in grado di adattarsi al movimento relativo oltre un certo limite di soglia, è stata una decisione di progettazione consapevole di non includere quel tipo di capacità adattativa. Il consumo di energia sarebbe probabilmente una delle ragioni di ciò.

Questa è una domanda sulla fisica di base. A condizione che tutte le parti della rete si muovano alla stessa velocità (dare o prendere), allora non si ha alcun impatto sul fatto di trovarsi in una cornice di riferimento mobile (come siamo tutti sulla Terra).

Per i protocolli radio a lungo raggio, è necessario tenere conto del ritardo di andata e ritorno (sincronizzazione trasmissione / ricezione / trasmissione) e avere un'estremità del collegamento in movimento avrà l'effetto di rendere asimmetriche le due parti del ritardo. Ciò significa che i protocolli di terminali mobili fanno hanno bisogno di una certa considerazione di progettazione per consentire il giusto tipo di trattamento banda di guardia.

Per il caso specifico del Bluetooth LE, il raggio d'azione è probabilmente troppo piccolo per consentire la trasmissione in presenza di un significativo offset della velocità. Anche su un oggetto rotante, la velocità sarà probabilmente ragionevolmente limitata rispetto al ritardo di propagazione / temporizzazione dei bit.

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Per una ruota che gira stazionaria: quando l'antenna è montata in modo coassiale sul mozzo della ruota (supponendo che l'antenna BT interna, tipicamente piegata, sia stata sostituita con un'antenna a filo diritto - un hack comune fatto per migliorare la potenza del segnale BT), staresti bene.

Per una ruota in movimento, come in una macchina in movimento, dovrai inoltre trasportare il ricevitore in parallelo al trasmettitore. Ciò è principalmente dovuto al fatto che la distanza alla quale BT LE opera limita fortemente il tempo utile per la trasmissione dei dati (sono stati dimostrati dispositivi con distanze fino a 200 m, ma è improbabile che appaiano allo stato brado).

Se la tua ruota mobile gira intorno al ricevitore, staresti di nuovo bene (di nuovo con l'antenna sul mozzo).

Questo è tutto per prevenire lo spostamento Doppler.

Le bande di frequenza di BT sono distanti solo 2 MHz (canale 2: 2408 MHz, canale 3: 2410 MHz, ...), quindi una volta che lo spostamento di frequenza diventa troppo grande, si verificano problemi. Un trasmettitore sul canale 3 in un'automobile con una velocità di 200 km / h (125 mph) apparirà a un osservatore in movimento per operare sul canale 4 (avvicinandosi, dirigendosi) o sul canale 2 (quando ci si avvicina immediatamente). E una bella transizione di pitch-bend mentre passa velocemente. Come menzionato da Jim, BT non è stato progettato per tali scenari.

Fuori tema, ma correlato: LTE ("4G") smetterà di funzionare a 200 km / h.

Modificare:

Come ha sottolineato John Deters, il limite di 200 km / h è sbagliato. Il fatto che i telefoni cellulari funzionino su velivoli che viaggiano ad altissima velocità non dimostra che LTE funzionerà in modo affidabile (possono ancora ricorrere a 3G o 2G, e i treni passeggeri ad alta velocità e gli aeromobili passeggeri sono oggi dotati delle proprie stazioni base LTE ).

Tuttavia, LTE è utilizzabile a velocità ben superiori a 200 km / h. I test hanno dimostrato che gli handover funzioneranno a velocità fino a 500 km / h (possibilmente con notevoli interruzioni) e l'effetto Doppler può essere compensato per velocità fino a 600 km / h. Bene - questi test sono stati eseguiti a un'altitudine di 300 m, il che rende questo più un test di LTE in un treno ad alta velocità che in un aereo ad alta velocità.

Gli attuali limiti di progettazione dipendono dalla banda di frequenza LTE utilizzata. 350 km / h dovrebbero funzionare in tutte le bande di frequenza, mentre 500 km / h sono possibili per determinate frequenze.

Le prestazioni possono risentire notevolmente se un gran numero di telefoni cellulari utilizza LTE a velocità così elevate all'interno della stessa cella (come tutti i passeggeri di un treno o di un aereo, quindi il crescente utilizzo di stazioni base / ripetitori LTE per treni e aerei).