以下文章來源于Nordic半導體 ，作者博客文章

概 要

藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）的Bluetooth v5.4 核心規范為支持藍牙的物聯網設備帶來了多項優勢，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備的應用，如零售、資產跟蹤和智慧家居環境。

主要優勢包括：

與數千個終端節點進行雙向通信

帶響應的周期性廣播 (PAwR)

加密廣播數據 (EAD)

范圍更廣，能效更高

提高資產跟蹤的準確性和精確度

基于標準的電子貨架標簽（Electronic Shelf Labels，縮寫為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）和加密廣播數據。它們共同實現了在星型拓撲結構中與數千個功耗極低的終端節點進行無連接、雙向、安全通信。

PAwR和加密廣播數據適用于涉及眾多設備傳輸少量數據的應用。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控非動態系統的大規模傳感器網絡可以從 PAWR 和加密廣播數據中受益。

PAwR 和加密廣播數據的第一個標準化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，可以預計基于藍牙的應用和生態系統將在不久將來迅速出現。

藍牙 v5.4 中帶響應的周期性廣播

迄今為止，低功耗藍牙一直無法在無連接模式下實現應用數據的雙向通信，而PAwR實現了這一點。這是該功能的主要優勢。

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則。廣播并不新鮮，數據由廣播者發送，觀察者掃描接收。PAwR 的新穎之處在于，廣播數據是在確定的時間段內以小數據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。數據在PAwR事件中發送，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主動接收數據。

雙向通信在子事件中實現。廣播者在子事件開始時傳輸數據，然后經過響應時隙延遲后，觀察者可以發送響應。響應的協調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，終端節點（觀察者）只在極小的特定時間段內進行掃描。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，設備就不必遵循傳統的連接方案，進行額外的掃描和廣播。事實上，這樣做毫無意義，因為設備已經同步。在某些情況下可能需要連接，因為 PAwR 只能傳輸少量數據。要傳輸更多數據，設備可以建立 ACL 連接。

支持加密的廣播數據（EAD）

PAwR 在滿足可擴展性和超低功耗要求的同時，還必須滿足所有現代物聯網系統的一個關鍵要求，即安全性。ESL 接入點和設備之間的數據交換必須加密，以保持機密性、避免篡改并確保網絡安全。

在藍牙 v5.4 之前，沒有對廣播數據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據交換都是通過 PAwR 進行的，因此有必要增加加密廣播數據功能。這就為廣播數據加密以及共享密鑰材料（數據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，加密廣播數據不僅可以通過 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據（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據包的全部或部分有效載荷進行加密。這意味著廣播數據包有效載荷的概念如下所示。

廣播數據 0 封裝 AD 1-3，這些數據是加密的。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鍵的廣播數據，供任何觀察者解讀，例如 AD 類型 0x01（標志）或 0x09（完整本地名稱）。

要在兩臺設備之間共享加密數據，需要它們有一個用于加密和解密數據的共享密鑰。為實現這一目標，可選擇將名為 "加密數據密鑰材料 "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據。

電子貨架標簽配置文件

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。

電子貨架標簽（ESL）是一種顯示零售店貨架上產品價格信息的設備。其目的是遠程管理所顯示的產品信息，包括產品名稱、條形碼、價格等。ESL 還可配備傳感器，如電池電壓監控或環境光感應。這類系統需要多功能性，而且對成本敏感，因此數字標簽通常由電池驅動。在這種情況下，耗電量是關鍵要求，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、交換加密廣播數據的密鑰材料以及發送大塊信息（如圖像）。然后，基于PAwR的無連接通信用于常規命令和響應。

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 環境中的廣播者，ESL 相當于觀察者。為了管理網絡，引入了一個簡單的尋址方案。每個ESL 都有一個8位 ESL ID。設備用7位組ID分組。接入點最多可管理32640臺設備。

對于從AP到ESL的通信，PAwR的子事件與 ESL 的組直接相關。分配到0號組的設備同步接收0號子事件，以此類推。傳輸到每個組的數據包包含針對后續 ESL ID 的命令序列。

如前所述，響應協調是在應用層面進行管理的。在 ESL 配置文件中，響應是動態管理的。每個 ESL 都會接收指向其組的所有命令。設備必須忽略發給其他設備的所有命令，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據為 ESL 提供了安全性。ESL設備通常需要與接入點進行初始連接以進行調試，此時也可讀取和分配密鑰材料，以便隨后交換受低功耗安全連接保護的加密廣播數據。

ESL配置文件提供了對角色、狀態和消息序列的完整描述，以及描述加密廣播數據如何用于通信的安全要求。如需深入了解，我們建議您閱讀規范或 5.4 版本的技術指南。

藍牙v5.4核心規范中的其他功能

新的核心規范還提供了另外兩項功能：

一、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。

二、廣播編碼選擇

S 參數定義前向糾錯（FEC），有兩種取值：S=2 或 S=8。它控制著糾錯數據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 發送。

總結

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，并有助于實現更多市場的標準化。我們期待看到生態系統的發展和您新想法的實現。