蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)最终通过了蓝牙5.4版本核心规范，这为蓝牙产品带来了一系列出色的新功能以及所有优势。其中两项主要改进是带响应的定期广告(PAwR)和加密广告数据。这两项新功能相辅相成，能够在数千个超低功耗端节点组成的星形拓扑上实现安全双向的无连接式通信。
当前一个有关的典型用例是电子货架标签(ESL)配置文件，实际上它是PAwR和加密广告数据的首个标准化用例。该规范目前仍处于草案阶段，但预计很快便会获得采用。该配置文件可以为ESL用例提供标准。因此，我们预计基于蓝牙的应用和生态系统将会迅速出现。
通常，PAwR和加密广告数据适合于以大量设备传输少量数据的应用，例如不需要立即响应或监测非动态系统的大规模传感器网络，这些应用要承受更长的延迟以换取更长的电池使用时间。
以往，低功耗蓝牙技术无法在非连接模式下实现双向应用数据通信，但现在PAwR实现了这一点，它是这项特性的关键优势。
为了解释工作原理，我们将使用广播器和观察器名称。我们所熟知的广播功能，即由广播器发送数据，然后由观察器扫描接收数据。PAwR的新颖之处在于，它将广播数据在确定性时隙内以小数据包的形式组织，而使观察器可以精确地与之同步并做出响应。数据由多个PAwR子事件所组成的PAwR事件进行发送。每个观察器可以同步到一个或多个子事件，并且在同步时，观察器仅在这些特定的时隙中主动接收数据。
双向通信是在子事件中实现的。广播器在子事件开始时传输数据，然后在响应时隙延迟之后，观察器即可发送响应。响应的编排是在应用层处理的。
这项解决方案具备高效率，这依赖于观察器仅扫描特定子事件，因此端节点(观察器)可以仅在一小段特定时间内进行扫描，从而带来出色的低功耗特性。
PAwR的另一项功能是能建立ACL连接，因为子事件可能包含连接请求。借助这项功能，设备就不必遵循传统的连接方案来进行额外的扫描和广告。实际上，这没有什么意义，因为设备已经实现同步。在某些情况下可能需要进行连接，因为仅能通过PAwR传输少量数据。若要传输更多的数据，设备可以建立ACL连接。
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受到加密，以保持机密性、避免篡改并确保网络安全。
在蓝牙5.4版本之前，并没有标准化的广告数据加密方式。加密定义只存在于面向连接的通信。由于ESL应用通过PAwR来交换大部分数据，因此有必要添加加密广告数据功能。这里介绍了一种标准化方法，用于加密广告中的数据，以及共享加密数据所需要的密钥材料。值得注意的是，不仅可以通过PAwR完成广告数据加密，还可以使用其他广告传输方法来进行加密。
这项功能允许添加称为加密广告数据(类型0x31)的新AD类型，它包含了所有需要加密的AD字段，用于加密整个给定广告数据包或仅子集有效负载。这意味着广告数据包有效负载的概念如下图所示。
广告数据0包含了已加密的AD 1-3，接着是未加密的AD 4和AD 5，这提供了灵活性，并且可以开放一些非关键广告数据，让所有观察器进行解读，例如AD类型0x01(标志)或0x09(完整的本地名称)。
如要在两台设备之间共享加密的数据，就要使它们具有用于加密和解密数据的共享密钥。为此，可以选择使用称为加密数据密钥材料的新通用属性配置文件(GATT)特征，作为GAP(通用访问配置文件)服务的一部分。所连接的GATT客户端可以通过加密身份验证链路来读取这一特征，然后允许通过广告来交换加密数据。
ESL是用于在零售商店货架显示产品定价信息的设备，目标是远程管理给定产品的显示信息，包括名称、条形码、价格等等。ESL还可以配备传感器，例如电池电压监控或环境光检测的传感器。这类系统需要具有多功能性，并且其对成本敏感，因此数字标签通常使用电池供电。这类用例难以频繁充电或更换电池，因而低功耗是关键要求。
ESL配置文件实现了此类特定用例，通过使用PAwR，新的加密广告功能提供了尽可能低的功耗以及出色的安全性。面向连接的通信用于配置、交换广告数据的密钥材料以及发送较大的信息块，例如图像。然后，基于PAwR的非连接通信模式则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ESL。AP对应于PAwR相关广播器，ESL则对应于观察器。为了管理网络，可以引入简单的寻址方案。每个ESL都有一个8位ESL ID，设备使用7位群组ID进行分组。接入点最多可管理32,640个设备。
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的设备可同步接收子事件#0，依此类推。传输到每个组的数据包，含有寻址后续ESL ID的命令序列。
如前所述，响应编排是在应用层中进行管理的。在ESL配置文件中，可以对响应进行动态管理。每个ESL会收到发往其组的所有命令。该设备必须忽略发往其他设备的所有命令，但需要使用与接收命令顺序相对应的响应时隙。例如，ESL ID #1收到以下信息：[ESL ID #0, cmd]、[ESL ID #1, cmd]、[ESL ID #3, cmd]，它将在响应时隙#1中发出响应。
蓝牙5.4版本中引入的加密广告数据可为ESL提供安全性。ESL设备通常需要与AP进行初始连接进行调试，此时还可以读取和分配密钥材料，以允许随后交换使用低功耗安全连接保护的加密广告数据。
ESL配置文件提供了涵盖角色、状态和信息序列的完整描述，以及描述如何使用加密广告数据通信的安全要求。如需深入了解，建议阅读蓝牙5.4版本规范或技术指南(请参考文末链接)。
蓝牙5.4版本引入了功耗极低的双向无连接通信，能够实现许多崭新的应用案例，首个用例就是ESL。
新的核心规范中还提供了两项功能，第一个是低功耗(LE)GATT安全级别特征(SLC)，目的是在用户体验流程中限制由安全条件所引起的小故障，因为这可能造成属性访问延迟。使用SLC，客户端可以预先确定足够的安全模式和等级来访问所有需要的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，以满足访问要求。
第二项功能是广告编码选择。S参数定义了前向纠错(FEC)，它采用两个编码值之一︰S=2或S=8。它可以控制生成多少纠错数据，以及通信范围可以增加到什么程度。通过广告编码选择功能，主机可以确定地选择控制器用于传输广告PDU的编码方案。这改善了一种情况，例如，设备可以接收S8编码的PDU，但以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。
为了在这个激动人心的领域提供解决方案，Nordic Semiconductor推出了第四代多协议片上系统(SoC)nRF54H20，它能够支持蓝牙5.4版本和未来的蓝牙规范，以及LE Audio、蓝牙网状网络、Thread、Matter等等。它具备高级功能组合，能够实现以前所无法实现的复杂终端产品。
nRF54H20具有多个Arm Cortex-M33处理器和多个RISC-V协处理器，这些处理器的时钟频率高达320MHz，并且每个处理器都针对特定类型工作负载进行了优化。
nRF54H20 SoC采用全新的同类领先多协议2.4GHz无线电，是世界上第一个以-100dBm RX灵敏度接收1Mbps低功耗蓝牙信号的产品。这款产品基于Nordic数十年超低功耗无线专业技术而构建，无线电RX电流低至2.0mA(3V，DC/DC)。其先进的安全性为PSA 3级认证而设计，也即最高级别的平台安全架构(PSA)认证物联网安全标准。
蓝牙5.4版本带来了一些有趣的新功能，这肯定会扩大蓝牙应用范围，并协助更多市场实现标准化。Nordic不断开发高端产品和技术，例如nRF54H20 SoC，现已向选定客户提供样品。这有助于物联网生态系统的发展，并促进所有开发人员实现创新。Nordic的技术支持团队可以及时提供丰富资源和有力支持。
（本文由Nordic公司投稿，原文参考链接：What's new in Bluetooth v5.4: An overview。）
本文为《电子技术设计》2023年9月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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