Bluetooth 周期性广播

Periodic Advertising

周期性广播(Periodic Advertising)是 Bluetooth 5.0 才引入的,5.0 同时还引入了扩展广播(Extended Advertising),周期性广播正是扩展广播的一个应用。

扩展广播比传统广播(Bluetooth 4.0)的数据量多了 8 倍,可传输数据量由 31 字节增长到了 255 字节,现在我们来看看为什么可以这样。

广播通道

传统广播的广播通道只有 37,38,39 这三个,而扩展广播使用了两组广播通道:

  • 主要广播通道(primary advertising channel)
  • 次要广播通道(secondary advertising channel)

主要广播通道也使用 37,38,39 这三个在 Bluetooth 4.0 定义的广播通道,次要广播通道则使用剩余的 37 个通道。

扩展广播 PDU

  • ADV_EXT_IND - 主要广播通道,支持不可连接的,定向扫描的事件。
  • AUX_ADV_IND - 次要广播通道上广播数据的第一个片段,不可连接的、定向扫描的。
  • AUX_SYNC_IND - 次要广播通道,用于周期性广播,以一定间隔发送不定向的数据包。
  • AUX_CHAIN_IND - 发送剩余的数据。

传统广播事件

Bluetooth 4.0 设备的广播事件分为两部分:广播间隔(advInterval)和广播延时(advDelay)。

广播间隔是指两个相邻广播事件的间隔,范围为 20 ms ~ 10 s 。同时为了避免广播事件收到干扰和物理通道碰撞的影响,每个广播事件的末尾处有一个 0 ~ 10 ms 的广播延时,该延时是一个伪随机数。具体流程可以参考下图:

考虑这样一个场景:一个观察者(observer)想要一直监听一个广播者(broadcaster)的消息,因为每个广播事件的末尾处加了一个 0 ~ 10 ms 的随机延时,它就不知道广播者什么时候开始打广播,因此就只能把接收窗口开的尽量大,消耗更多的能量去监听。但如果观察者是一个电源受限的设备,这又该怎么办呢?是否有一种办法让观察者能够与广播者同步,这样两者就能够同时唤醒,广播者发送广播数据,观察者接收广播数据,这样能量的消耗就能降到最低,这就是周期性广播的能力。

周期性广播

上图描述了周期性广播的整体流程。

最开始的灰色区域内,广播设备在主要广播通道发送 ADV_EXT_IND 包,手机(扫描设备)开启扫描窗口监听。ADV_EXT_IND 内携带了

  • AUX_ADV_IND 在次要广播通道内的哪一个通道传输
  • AUX_ADV_IND 选择哪一个 PHY,1M PHY, 2M PHY, 或者 1M Coded PHY
  • AUX_ADV_IND 什么时候在次要广播通道上出现

这样手机就知道在什么时候,什么地点(channel)能够收到 AUX_ADV_IND 包了。AUX_ADV_IND 又提供了第一个 AUX_SYNC_IND 出现的信息

  • AUX_SYNC_IND 出现的时刻(offset time)
  • 周期性广播的间隔
  • 周期性广播生命周期内使用的 secondary channel map
  • 接入地址(Access Address),等等

有了这些信息,手机就和广播者同步了,就能够同时唤醒,广播者发送数据,手机接收数据。

  • AUX_SYNC_IND 携带了周期性广播的数据。

Periodic advertising sync transfer (PAST)

PAST 是 Bluetooth 5.1 引入的,周期性广播时扫描者与广播者有一个同步的过程,但是有一些扫描设备不想耗费这些能量去进行同步,想要借助其他已经同步的设备来同步广播者,这就是 PAST 引入的原因。

可以参考下图理解:


参考:

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