BLE协议—广播和扫描

App Inventor 2 · 发表于 2024-05-28 10:32:36

广播和扫描在无线通信中是非常重要的一个技术点。在BLE中，扫描和广播是通信的基础，用户可以直接用扫描和广播进行数据的传输（数据量不大，功耗要求较高的情况下），也可以在广播和扫描的基础上进行连接后点对点通信。

广播

访问地址

广播包：广播包Access Address 固定为0x8E89BED6，广播包只能在广播信道（channel）上传输，即只能在37/38/39信道上传输（注：从蓝牙5.0开始广播包可以在其它信道上传输）。广播包发送给附近所有的observer（扫描者）。

数据包：数据包Access Address为一个32bit的随机值，由Initiator生成。数据包，其实是数据信道上的空中包的简称，数据包只在数据信道上传输，即除37/38/39之外的其余37信道（BLE总共占用40个信道）。每建立一次连接，重新生成一次Access address。数据包是给连接通信使用的，即用于master和slave之间通信的。

广播类型

目前BLE广播报文有7种类型，其中关于连接的报文有3种，关于广播方式的报文有4种，分别为可连接的非定向广播（ADV_IND）、可连接的定向广播（ADV_DIRECT_IND）、可扫描非定向广播（ADV_SCAN_IND）、不可连接的非定向广播（ADV_NONCONN_IND）

4种广播的使用场景各不相同
可连接的非定向广播（ADV_IND）：可以被连接，可以回复扫描响应包，最常用的广播类型，适合大部分场景。
可连接的定向广播（ADV_DIRECT_IND）：可以被连接，不可以回复扫描响应包，适用于连接特定的主设备。
可扫描非定向广播（ADV_SCAN_IND）：不可以被连接，可以回复扫描响应包，适用于一些网关子设备。
不可连接的非定向广播（ADV_NONCONN_IND）：不可以被连接，不可以回复扫描响应包，适用于beacon场景。

广播数据PDU

一个广播数据包最长为37个字节，前6个字节为设备地址，后面是数据区，数据区最大31个字节，又分为若干个AD Sturcture，扩展广播包的最大长度为255字节。数据区没用完的话，系统会在后面补0。

AD Stucture

每个AD Stucture由长度（1字节）、类型（1字节）、内容（多字节）三个部分组成，长度指的是类型+内容字节数。
下列是部分常用的AD Stucture Type

BLE_AD_TYPE_FLAG = 0x01, /* 设备BLE特性 */
BLE_AD_TYPE_16SRV_PART = 0x02, /* 设备16bit部分uuid */
BLE_AD_TYPE_16SRV_CMPL = 0x03, /* 设备16bit完整uuid */
BLE_AD_TYPE_32SRV_PART = 0x04, /* 设备32bit部分uuid */
BLE_AD_TYPE_32SRV_CMPL = 0x05, /* 设备32bit完整uuid */
BLE_AD_TYPE_128SRV_PART = 0x06, /* 设备128bit部分uuid */
BLE_AD_TYPE_128SRV_CMPL = 0x07, /* 设备128bit完整uuid */
BLE_AD_TYPE_NAME_SHORT = 0x08, /* 设备简短名称 */
BLE_AD_TYPE_NAME_CMPL = 0x09, /* 设备完整名称 */
BLE_AD_TYPE_TX_PWR = 0x0A, /* 设备广播发射功率 */
BLE_AD_TYPE_DEV_CLASS = 0x0D, /* 设备简单配对OOB标签（设备类别） */
BLE_AD_TYPE_SM_TK = 0x10, /* 设备安全管理TK值 */
BLE_AD_TYPE_SM_OOB_FLAG = 0x11, /* 设备安全管理OOB标志 */
BLE_AD_TYPE_INT_RANGE = 0x12, /* 设备连接参数范围 */
BLE_AD_TYPE_SOL_SRV_UUID = 0x14, /* 设备16bit服务UUID */
BLE_AD_TYPE_128SOL_SRV_UUID = 0x15, /* 设备128bit服务UUID */
BLE_AD_TYPE_SERVICE_DATA = 0x16, /* 设备16bit服务UUID数据 */
BLE_AD_TYPE_PUBLIC_TARGET = 0x17, /* 设备公共目标地址 */
BLE_AD_TYPE_RANDOM_TARGET = 0x18, /* 设备随机目标地址 */
BLE_AD_TYPE_APPEARANCE = 0x19, /* 设备外观 */
BLE_AD_TYPE_ADV_INT = 0x1A, /* 设备广播间隔 */
BLE_AD_TYPE_LE_DEV_ADDR = 0x1b, /* 设备BLE地址 */
BLE_AD_TYPE_LE_ROLE = 0x1c, /* 设备BLE角色 */
BLE_AD_TYPE_SPAIR_C256 = 0x1d, /* 设备简单配对哈希C-256 */
BLE_AD_TYPE_SPAIR_R256 = 0x1e, /* 设备简单配对随机化器R-256 */
BLE_AD_TYPE_32SOL_SRV_UUID = 0x1f, /* 设备128bit服务UUID */
BLE_AD_TYPE_32SERVICE_DATA = 0x20, /* 设备32bit服务UUID */
BLE_AD_TYPE_128SERVICE_DATA = 0x21, /* 设备128bit服务UUID */
BLE_AD_TYPE_MANUFACTURER_SPECIFIC = 0xFF, /* 厂商自定义数据 */

复制代码

每个BLE设备的广播通常都有带有BLE_AD_TYPE_FLAG类型来表示BLE设备的特性，Flags代表的特性有以下几种：
例如：0x6代表不支持BR/EDR

广播响应包

数据格式与广播数据格式一样，可以用于拓展广播数据大小，数据最大同样为31字节。
通常动态数据使用常规广播包发送，固定数据则使用响应包进行发送。

广播间隔

BLE设备每次广播时，会在3个广播信道（37/38/39，对应的中心频率是2402MHz，2426MHz，2480MHz）上发送相同的报文，这些报文被称为一个广播事件。两个相邻广播事件之间的时间称为广播间隔。广播间隔是针对从机设备来说的，广播间隔决定了从机设备的广播频率。其实际广播间隔时间为32~16448，单位是0.625ms，所以实际的广播间隔时间是20ms ~10.28s。
下图是一个广播事件。

从下图可以看出来，两个广播事件之间的间隔T_advEvent为：

T_advEvent = advInterval + advDelay

复制代码

advInterval为用户可配置的广播间隔，范围是20ms ~10.28s
advDelay是一个随机数，范围为0-10ms
然而，在实际配置广播间隔时，配置的是最大广播间隔（Advertising_Interval_Max）和最小广播间隔（Advertising_Interval_Min），如果需要固定广播间隔，则需要将两个参数设置成一样。
之所以要这么设计，是为了防止在批量测试或者使用设备时，由于多个设备的同时广播，而形成数据风暴，防止设备之间的干扰。

扫描扫描类别

主动扫描：设备主动扫描来获取更多对端设备的信息上报Host，为后续建立链路做准备。主动扫描不仅仅可以扫描到对端设备的广播数据包，还可以捕获对端设备的响应包（回应包）。
被动扫描：设备被动扫描周围环境中对等设备发送出来的广播包并直接上报到Host。不连接的情况下常用。

扫描窗口和间隔

扫描窗口（scan window）：一次扫描进行的时间。范围是4 ~ 16384单位是0.625ms，所以实际的时间是2.5ms ~10.24s。
扫描间隔（scan interval）：一次扫描窗口开始，到下一次扫描窗口开始的时间。范围是4 ~ 16384单位是0.625ms，所以实际的时间是2.5ms ~10.24s。

如果扫描窗口=扫描间隔，则设备会一直扫描，没有间隔。

scan interval = scan window + delay

复制代码

下图是事件中的图示

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