Bluetooth SIG 的 Bluetooth® v5.4 核心規(guī)范為支持 Bluetooth 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來了多項優(yōu)勢，重點是增強了通信能力、安全性和效率。這些改進尤其適用于涉及大量設(shè)備的應用，如零售、資產(chǎn)跟蹤和智慧家居環(huán)境。
主要優(yōu)勢包括：
• 與數(shù)千個終端節(jié)點進行雙向通信
• 帶響應的周期性廣播 (PAwR)
• 加密廣播數(shù)據(jù) (EAD)
• 范圍更廣，能效更高
• 提高資產(chǎn)跟蹤的準確性和精確度
• 基于標準的 ESL 和其他應用方法
藍牙 v5.4 的兩項主要改進是帶響應的周期性廣播（PAwR）和加密廣播數(shù)據(jù)。它們共同實現(xiàn)了在星型拓撲結(jié)構(gòu)中與數(shù)千個功耗極低的終端節(jié)點進行無連接、雙向、安全通信。
PAwR 和加密廣播數(shù)據(jù)適用于涉及眾多設(shè)備傳輸少量數(shù)據(jù)的應用。這些應用可以接受更長的延遲，以換取更長的電池壽命。例如，不需要立即響應或監(jiān)控非動態(tài)系統(tǒng)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡可以從 PAWR 和加密廣播數(shù)據(jù)中受益。
PAwR 和加密廣播數(shù)據(jù)的第一個標準化藍牙用例是電子貨架標簽 (ESL) 配置文件。該配置文件的出臺將為 ESL 用例提供一個標準，因此我們預計基于藍牙的應用和生態(tài)系統(tǒng)將在不久的將來迅速出現(xiàn)。
藍牙 v5.4 中帶響應的周期性廣播（PAwR)
迄今為止，藍牙 LE 一直無法在無連接模式下實現(xiàn)應用數(shù)據(jù)的雙向通信，而 PAwR 實現(xiàn)了這一點。這是該功能的主要優(yōu)勢。
為了解釋其工作原理，我們將使用廣播者和觀察者的命名規(guī)則。廣播并不新鮮，數(shù)據(jù)由廣播者發(fā)送，觀察者掃描接收。PAwR 的新穎之處在于，廣播數(shù)據(jù)是在確定的時間段內(nèi)以小數(shù)據(jù)包的形式組織起來的，觀察者可以精確地與之同步并作出響應。數(shù)據(jù)在 PAwR 事件中發(fā)送，而 PAwR 事件由 PAwR 子事件組成。每個觀察者可與一個或多個子事件同步，在同步后，觀察者只在這些特定的時間段內(nèi)主動接收數(shù)據(jù)。
雙向通信在子事件中實現(xiàn)。廣播者在子事件開始時傳輸數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過響應時隙延遲后，觀察者可以發(fā)送響應。響應的協(xié)調(diào)工作在應用層面上進行。
這種解決方案之所以高效，是因為觀察者能夠只掃描特定的子事件。因此，終端節(jié)點（觀察者）只在極小的特定時間段內(nèi)進行掃描。這就是該解決方案在功耗方面如此高效的原因。
PAwR 的另一項功能是建立 ACL 連接，因為子事件可能包含連接請求。有了這項功能，設(shè)備就不必遵循傳統(tǒng)的連接方案，進行額外的掃描和廣播。事實上，這樣做毫無意義，因為設(shè)備已經(jīng)同步。在某些情況下可能需要連接，因為 PAwR 只能傳輸少量數(shù)據(jù)。要傳輸更多數(shù)據(jù)，設(shè)備可以建立 ACL 連接。
支持加密的廣播數(shù)據(jù)（EAD）
PAwR 在滿足可擴展性和超低功耗要求的同時，還必須滿足所有現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵要求，即安全性。ESL 接入點和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換必須加密，以保持機密性、避免篡改并確保網(wǎng)絡安全。
在藍牙 v5.4 之前，沒有對廣播數(shù)據(jù)進行加密的標準化方法。這種定義只存在于面向連接的通信中。由于 ESL 應用程序的大部分數(shù)據(jù)交換都是通過 PAwR 進行的，因此有必要增加加密廣播數(shù)據(jù)功能。這就為廣播數(shù)據(jù)加密以及共享密鑰材料（數(shù)據(jù)加密所需的密鑰材料）引入了一種標準化方法。值得注意的是，加密廣播數(shù)據(jù)不僅可以通過 PAwR 進行，還可以使用其他廣播傳輸方式。
該功能通過添加一種名為加密廣播數(shù)據(jù)（類型 0x31）的新 AD 類型，封裝了所有要加密的 AD 字段，從而允許對給定廣播數(shù)據(jù)包的全部或部分有效載荷進行加密。這意味著廣播數(shù)據(jù)包有效載荷的概念如下所示。
廣播數(shù)據(jù) 0 封裝 AD 1-3，這些數(shù)據(jù)是加密的。隨后是 AD 4 和 AD 5，它們是未加密的。這樣就可以靈活地保留一些非關(guān)鍵的廣播數(shù)據(jù)，供任何觀察者解讀，例如 AD 類型 0x01（標志）或 0x09（完整本地名稱）。
要在兩臺設(shè)備之間共享加密數(shù)據(jù)，需要它們有一個用于加密和解密數(shù)據(jù)的共享密鑰。為實現(xiàn)這一目標，可選擇將名為 "加密數(shù)據(jù)密鑰材料 "的新 GATT 特性作為 GAP（通用訪問配置文件）服務的一部分。已連接的 GATT 客戶端可通過加密和驗證鏈接讀取該特性，然后通過廣播交換加密數(shù)據(jù)。
電子貨架標簽配置文件
電子貨架標簽（ESL）是一種顯示零售店貨架上產(chǎn)品價格信息的設(shè)備。其目的是遠程管理所顯示的產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品名稱、條形碼、價格等。ESL 還可配備傳感器，如電池電壓監(jiān)控或環(huán)境光感應。這類系統(tǒng)需要多功能性，而且對成本敏感，因此數(shù)字標簽通常由電池驅(qū)動。在這種情況下，耗電量是關(guān)鍵要求，因為頻繁充電或更換電池是不可取的。
藍牙 5.4 版中的 ESL 配置文件為這種特定的使用情況提供了手段，通過使用 PAwR，新的加密廣播提供了盡可能低的功耗和安全性。面向連接的通信用于配置、交換加密廣播數(shù)據(jù)的密鑰材料以及發(fā)送大塊信息（如圖像）。然后，基于 PAwR 的無連接通信用于常規(guī)命令和響應。
ESL 配置文件中的角色定義為接入點 (AP) 和電子貨架標簽 (ESL)。AP 相當于 PAwR 環(huán)境中的廣播者，ESL 相當于觀察者。為了管理網(wǎng)絡，引入了一個簡單的尋址方案。每個 ESL 都有一個 8 位 ESL ID。設(shè)備用 7 位組 ID 分組。接入點最多可管理 32 640 臺設(shè)備。
對于從 AP 到 ESL 的通信，PAwR 的子事件與 ESL 的組直接相關(guān)。分配到 0 號組的設(shè)備同步接收 0 號子事件，以此類推。傳輸?shù)矫總�組的數(shù)據(jù)包包含針對后續(xù) ESL ID 的命令序列。
如前所述，響應協(xié)調(diào)是在應用層面進行管理的。在 ESL 配置文件中，響應是動態(tài)管理的。每個 ESL 都會接收指向其組的所有命令。設(shè)備必須忽略發(fā)給其他設(shè)備的所有命令，但必須使用與接收到的命令順序相對應的響應槽。例如，ESL ID #1 收到以下信息：[ESL ID #0，cmd]，[ESL ID #1，cmd]，[ESL ID #3，cmd]。它將在響應槽 #1 中做出響應。
藍牙 v5.4 中引入的加密廣播數(shù)據(jù)為 ESL 提供了安全性。ESL 設(shè)備通常需要與接入點進行初始連接以進行調(diào)試，此時也可讀取和分配密鑰材料，以便隨后交換受 LE 安全連接保護的加密廣播數(shù)據(jù)。
ESL 配置文件提供了對角色、狀態(tài)和消息序列的完整描述，以及描述加密廣播數(shù)據(jù)如何用于通信的安全要求。如需深入了解，我們建議您閱讀規(guī)范或 5.4 版本的技術(shù)指南（請參閱頁面底部的鏈接）。
隨著藍牙 5.4 版的增強，引入了超低功耗、雙向、無連接通信，許多新的應用案例成為可能，ESL 就是其中之一。
藍牙 v5.4核心規(guī)范中的其他功能
新的核心規(guī)范還提供了另外兩項功能。
LE GATT 安全等級特征 (SLC)
其目的是限制因安全條件而造成的用戶體驗流程中斷，因為安全條件可能會延遲對屬性的訪問。通過 SLC，客戶端可以預先確定足夠的安全模式和級別，以訪問所有需要的 GATT 屬性。如有必要，可在嘗試訪問 GATT 屬性之前升級鏈接安全性，以滿足訪問要求。
廣播編碼選擇
S 參數(shù)定義前向糾錯（FEC），有兩種取值：S=2 或 S=8。它控制著糾錯數(shù)據(jù)的生成量以及通信范圍的擴大程度。有了廣播編碼選擇功能，主機就能確定性地選擇控制器在傳輸廣播 PDU 時應使用的編碼方案。例如，設(shè)備可以接收 S8 編碼的 PDU，但會以 S2 編碼做出響應，因此對等設(shè)備可能無法接收這些 PDU。在這種情況下，主機可以指示控制器也使用 S8 發(fā)送。
總結(jié)
藍牙 5.4 版帶來了一些新的有趣功能，這些功能必將擴大藍牙應用的范圍，并有助于實現(xiàn)更多市場的標準化。我們期待看到生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和您新想法的實現(xiàn)。我們的技術(shù)支持團隊將為您的項目提供評估和支持。請關(guān)注 Nordic 產(chǎn)品新聞，了解 nRF Connect SDK 中這些功能的可用性更新。 |
