蓝牙学习四（广播）

1.简介

        什么叫做广播，顾名思义就像广场上的大喇叭一样，不停的向外传输着信号。不同的是，大喇叭传输的是音频信号，而蓝牙传输的是射频信号。

        BLE使用的是无线电波传递信息，就是将数据编码，调制到射频信号中发射。BLE使用的射频频率是2.4GHz。跟WIFI、Zigbee等协议使用的是同一频段。

        那如何做到使用同一频段而有不相互干扰呢？首先要知道的是2.4G指的不是某一个频率，而指的是一个频段（2400MHz-2483.5MHz）。在这个频段内每隔2M为一个信道，共40个信道。2.4G频段是一个用于短距离，无须执照使用的开放频段。意思就是可以免费使用。为了不占用更多的资源从而造成相互干扰，每个设备在使用时，同一时刻，只会在一个信道进行工作，不会占用其他信道。一个BLE设备，在任一时刻，只能选择40个信道之中的一个进行发射或监听。

         BLE将信道划分为广播信道和数据信道。广播信道只有3个，37、38、39。剩下的37个信道全都是数据信道0-36。

        在广播事件中，每一个广播事件都会在3个广播信道中进行数据传输，而且每一个事件都是从最小的信道编号开始传输。也就是说当广播事件来了，数据包从广播信道37、38、39中依次进行传输。

2. 广播间隔

        设备每次广播时，会在3个广播信道发送相同的报文。这些报文报文的动作被称为一个广播事件。除了定向广播外，其他广播事件均可以选择20ms-10.28s不等的间隔。通常，一个广播中的设备会每一秒广播一次。两个相邻的广播事件之间的时间被称为“广播间隔”。

        设备周期性的发送广播会有一个问题：由于设备间的时钟会不同程度的漂移，两个设备可能在很长一段时间同时广播而造成干扰。为了防止这一情况的发生，除定向广播外的其他广播类型，发送时间均会有些许波动。实现方式为，在上一次广播事件后加入“0-10ms"的随机延迟。这意味着，即使两个设备广播间隔相同，并在相同信道及时间点上发送造成了冲突，但他们发送下一个广播事件时也很大概率不会冲突。

        所以，两个相邻的广播事件之间的时间间隔T_advEvent为：

        T_AdvEvent = advInterval + advDelay

        其中，advInterval必须是0.625ms的整数倍，范围是20ms-10.24s之间。对于可扫描非定向广播和不可连接非定向广播者两种广播类型，该值最好不小于100ms，即160个0.625ms。advDelay是LL层分配的一个随机数，范围为0-10ms。

         在实际的设置中，通过设置Advertising_Interval_Min（最小广播间隔）和Advertising_Interval_Max（最大广播间隔）这两个参数来调整广播间隔。都是以0.625ms为单位。如果要固定广播间隔为某一个值，需要将这两个参数设置为同一个值即可。

3.广播类型

3.1 非定向可连接广播事件（ADV_IND）

        ADV_IND就是链路层通过广播信道发送广播的事件。发送的PDU（Protocol Data Unit-协议数据单元）是ADV_IND_PDU-通用广播报文。这个报文发送之后可以接收由扫描者发送的SCAN_REQ_PDU-扫描请求，或者由发起者发送的CONNECT_REQ_PDU-连接请求。而接收后链路层需要在同一个信道上进行扫描或回复发起者的应答。当接收的数据报文不符合广播滤波协议，要么就用下一个广播信道进行广播，要么就停止广播事件。如果接收到的SCAN_REQ_PDU通过了滤波协议，那么广播者需要在150±2us内在同一信道回复SCAN_RSP_PDU-扫描应答报文。如果接收到CONNECT_REQ_PDU，则进入连接状态，这个时候并不需要进行应答。

        需要注意的是，一个广播事件中，相邻两个ADV_IND_PDU之间的时间需要不大于10ms。

        接下来分类一下此类广播事件中广播包的发送情况。

        （1）仅仅有广播PDUS 

 （2）在广播事件中有SCAN_REQ_PDUS和SCAN_RSP_PDUS。

 注：当有扫描请求包再广播事件中的中间信道上收到时，T_IFS（帧间隔）为150us。

（3）在广播事件的结尾有SCAN_REQ和SCAN_RSP。

（4）在广播事件的中间接收到CONNECT_REQ-连接请求包。没有应答

3.2 定向可连接广播事件（ADV_DIRECT_IND）

        这个广播是为了快速建立链接。这种报文包含两个地址：广播者地址和发起者地址。发起者收到发给自己的定向广播报文后，可以立刻发送连接请求事件作为回应，并立刻进入连接状态。
定向广播事件有特殊的时序要求。完整的广播事件必须每3.75ms之内重复一次，即3.75ms内在37、38、39三个广播信道上全部发送一次报文。这样的方法使得扫描设备只需要扫描3.75ms即可收到定向广播设备的消息。

         如果按照定向广播的要去持续发送报文的话，广播信道将充斥着大量的定向广播报文。如此其他设备将无法进行广播。所以，蓝牙协议规定，定向广播不能持续1.28S以上。如果主机没有主动要求停止，或者连接没有建立，控制器会自动停止广播。一旦超过1.28S，主机只能使用通用广播让其他设备连接。

3.3 非定向不可连接事件（ADV_NONCONN_IND）

        该广播的时间要求与通用广播事件相同。此外，该事件只向外发射广播报文，但是不可以被连接，也不接收任何信息。是唯一一个只有发射而没有接受的广播类型。ibeacon发出的就是这种类型的广播。

3.4 非定向可发现不可连接事件（ADV_DISCOVER_IND/ADV_SCAN_IND）

        该广播的时间要求与通用广播事件相同，应答也是SCAN_REQ和SCAN_RSP。这个广播和通用广播的区别是，它不能建立连接。

        注：所谓的定向和非定向针对的是广播对象，如果是针对特定的对象进行广播（在广播包PDU中包含目标对象的MAC），则为定向广播。反之为非定向广播。可连接和不可连接指的是是否接受连接请求。如果是不可连接的广播类型，它将不应答连接请求报文。可扫描广播类型会回应扫描请求。

        不同的广播类型对应的扫描请求和连接请求如下图：

4. 广播响应包

        广播包有两种：广播包（Advertising Data）和响应包（Scan Response）。其中广播包是每个设备必须广播的，而响应包是可选的。

        广播包在蓝牙5.0协议栈核心中介绍如下：

        应答包介绍如下：

         每个包都是31字节，数据包中分为有效数据（significant）和无效数据（non-significant）

         有效数据部分：包含若干个广播数据单元，称为AD Structure。AD Structure的组成是：第一个字节是长度值Len，表示接下来的Len个字节是数据部分。数据部分的第一个自己表示数据的类型AD Type，剩下的len-1个字节是真正的数据AD Data。

        无效数据部分：因为广播包的长度必须是31个字节，如果有效数据部分不到31字节，则剩余部分用0补全。

        广播响应包是为了给广播一个额外的31字节数据，用于主机在主动扫描情况下，反馈数据使用。