蓝牙 v5.4 中的新增功能：概述-蓝牙通信原理 电磁波

蓝牙 SIG 终于采用了蓝牙® v5.4 核心规范。这意味着蓝牙产品可以使用一组令人兴奋的新功能以及它们提供的所有优势。其中两个主要改进是定期广告响应 （PAwR） 和加密广告数据。它们共同实现了与星形拓扑中数千个超低功耗终端节点的无连接、双向、安全通信。

当前非常相关的一个示例用例是电子货架标签配置文件 （ESL）。这实际上是PAwR和加密广告数据的第一个标准化用例。该规范目前作为草案版本发布，但预计很快就会被采用。建立此配置文件为 ESL 用例提供了标准，因此我们预计基于蓝牙的应用程序和生态系统将在不久的将来迅速出现。

通常，PAwR 和加密广告数据适用于涉及大量设备传输少量数据的应用，这些设备接受更长的延迟以换取更长的电池寿命。例如，不需要立即响应或监控非动态系统的大规模传感器网络。

定期广告和响应

到目前为止，在蓝牙 LE 中，在无连接模式下应用数据的双向通信是不可能的，而 PAwR 可以实现这一点。这是此功能的主要优势。

为了解释它是如何工作的，我们将使用广播器和观察者命名约定。广播并不是什么新鲜事，数据由广播公司发送，观察者扫描以接收它。PAwR中的新功能是，广播数据在确定性时隙内以小数据包组织，观察者可以精确地与之同步和响应。数据在由 PAwR 子事件组成的 PAwR 事件中发送。每个观察者可以同步到一个或多个子事件，并且同步时，观察者仅在这些特定时隙中主动接收。

双向通信在子事件中实现。广播公司在子事件的开头传输数据，然后在响应时隙延迟之后，观察者可以发送他们的响应。响应的业务流程在应用程序级别处理。

此解决方案的效率是观察者仅扫描特定子事件的能力的结果。因此，终端节点（观察者）仅在很小的特定时间段内扫描。这就是该解决方案在功耗方面如此有效的原因。

PAwR 的另一个功能是能够建立 ACL 连接，因为子事件可能包含连接请求。借助此功能，设备不必遵循传统的连接方案进行额外的扫描和广告。事实上，这没有意义，因为设备已经同步。在某些情况下可能需要连接，因为只能通过 PAwR 传输少量数据。要传输更多数据，设备可以设置 ACL 连接。

加密广告数据

虽然PAwR正在解决可扩展性和超低功耗要求，但所有现代物联网系统都必须满足一个关键要求，即安全性。ESL 接入点和设备之间的数据交换必须加密，以保持机密性、避免篡改并保护网络。

在蓝牙 v5.4 之前，没有标准化的广告数据加密方式。这样的定义只存在于面向连接的通信中。由于ESL应用程序的大多数数据交换都流经PAwR，因此有必要添加加密的广告数据功能。这引入了一种标准化的方法，用于加密广告中的数据以及共享数据加密所需的密钥材料。值得注意的是，加密广告数据不仅可以通过PAwR完成，还可以使用其他广告传输来完成。

此功能允许通过添加称为加密广告数据（类型 0x31）的新 AD 类型来加密给定广告数据包上的全部或仅子集有效负载，该类型封装了所有要加密的 AD 字段。这意味着广告数据包有效负载在概念上如下所示。

广告数据 0 封装了已加密的 AD 1-3。其次是未加密的 AD 4 和 5。这提供了灵活性，并使一些非关键广告数据保持开放，供任何观察者解释，例如，AD 类型 0x01（标志）或0x09（完整的本地名称）。

在两个设备之间共享加密数据要求它们具有用于加密和解密数据的共享密钥。为此，可以选择将称为加密数据密钥材料的新 GATT 特征作为 GAP（通用访问配置文件）服务的一部分包含在内。连接的 GATT 客户端可以通过加密和经过身份验证的链接读取此特征，然后允许通过广告交换加密数据。

电子货架标签简介

电子货架标签 （ESL） 是一种显示零售商店货架上产品的定价信息的设备。目标是远程管理有关给定产品的显示信息，包括其名称，条形码，价格等。ESL还可以配备传感器，例如电池电压监控或环境光传感。这种类型的系统需要多功能性并且对成本敏感，这就是为什么数字标签通常由电池供电的原因。功耗是这里的关键要求，因为频繁充电或更换电池不是此用例的选择。

ESL 配置文件实现了此特定用例的方法，通过使用 PAwR，通过新的加密广告提供尽可能低的功耗和安全性。面向连接的通信用于配置、交换加密广告数据的密钥材料以及发送更大的信息块，例如图像。然后，基于PAwR的无连接通信用于常规命令和响应。

ESL 配置文件中的角色定义为接入点 （AP） 和电子磁盘架标签 （ESL）。AP 对应于 PAwR 上下文中的广播者，ESL 对应于观察者。为了管理网络，引入了一个简单的寻址方案。每个 ESL 都有一个 8 位 ESL ID。设备使用 7 位组 ID 分组。接入点最多可管理 32 640 台设备。

对于从 AP 到 ESL 的通信，PAwR 的子事件与 ESL 的组直接相关。分配给组 #0 的设备同步以接收子事件 #0，依此类推。传输到每个组的数据包包含寻址到后续 ESL ID 的命令序列。

如前所述，响应业务流程在应用程序级别进行管理。在 ESL 配置文件中，响应是动态管理的。每个 ESL 接收发往其组的所有命令。设备必须忽略发往其他命令的所有命令，但需要使用与收到的命令顺序相对应的响应槽。例如，ESL ID #1 收到以下消息：[ESL ID #0， cmd]、[ESL ID #1， cmd]、[ESL ID #3， cmd]。它将在响应槽 #1 中响应。

ESL 的安全性由蓝牙 v5.4 中引入的加密广告数据提供。 ESL 设备通常需要与 AP 的初始连接进行调试，此时还可以读取和分配密钥材料，以允许随后交换受 LE 安全连接保护的加密广告数据。

ESL 配置文件提供了角色、状态和消息序列的完整描述，以及描述如何使用加密广告数据进行通信的安全要求。如需深入了解，我们建议您阅读 5.4 版本的规范或技术指南（请参阅页面底部的链接）。

随着蓝牙 v5.4 的增强功能引入了非常低功耗、双向、无连接通信，许多新的用例成为可能，ESL 是第一个。

蓝牙 v5.4 核心规范中的其他功能

新核心规范中还提供了另外两个功能，第一个是 LE GATT 安全级别特征 （SLC）。它旨在限制由可能延迟访问属性的安全条件引起的用户体验流中的故障。使用 SLC，客户端可以预先确定足够的安全模式和级别来访问所有需要的 GATT 属性。如有必要，可以在尝试访问 GATT 属性之前升级链路安全性以满足访问要求。

广告编码选择是第二个。S 参数定义前向纠错 （FEC），并采用两个值之一：S=2 或 S=8。它控制生成多少纠错数据以及通信范围可以增加的程度。通过广告编码选择，主机可以确定性地选择控制器应用于传输广告 PDU 的编码方案。这改善了以下情况：例如，设备可以接收 S8 编码的 PDU，但会以 S2 编码的 PDU 进行响应，因此对等设备可能无法接收这些 PDU。在这种情况下，主机也可以指示控制器使用 S8 进行传输。

总结

蓝牙v5.4带来了一些有趣的新功能，这些功能肯定会扩大蓝牙应用的范围，并有助于标准化更多市场。我们期待看到生态系统的发展，并将您的新想法变为现实。我们的技术支持团队随时为您的项目进行评估和支持。关注我们的产品新闻，了解 nRF Connect SDK 中这些功能可用性的最新信息。