作者：William Wei, Nordic Semiconductor
带响应的周期性广播（PAWR） 是蓝牙 5.4的一项新功能。它扩展了蓝牙 5.0 中的周期性广播协议。周期性广播是指设备以确定的时间发送广播数据，现在可以进行双向通信。接收器可将响应有效载荷传送回advertiser。
有了 PAwR，现在就可以建立一个超大型的一对多双向网络，并以极低的功耗运行。在许多应用中，人们必须通过双向通信管理成百上千个能源受限的设备，例如电子货架标签（ESL）、传感器网络、仓库管理等。让我们深入了解这项非常有趣的新技术。
PAwR 如何工作
广播类型
蓝牙 5.4 在逻辑传输层上定义了三种主要的广告类型：广播（Advertising Broadcast, ADVB), 周期性广播（Periodic Advertising Broadcast, PADVB), 和带响应的周期性广播 (Periodic Advertising with Responses, PAwR)。这些广播协议允许advertiser向周围任意数量的scanner广播数据，仅受advertiser射频范围的限制。
蓝牙 LE 传统广播和蓝牙 LE 扩展广播都属于 ADVB。在这些模式中，广播是不规则的，数据只向一个方向发送。在大多数情况下，scanner需要有充足的电源，因为scanner和broadcaster之间没有时间同步。此外，为避免advertiser之间的定时碰撞，广播间隔会有 0-10 毫秒的随机延迟。这就要求scanner具有较大的 RX 窗口，因此需要消耗更多的电流。
与 ADVB 不同，周期性广播（PADVB）进行定期且精确的定时广播。scanner和advertiser之间有时间同步。PADVB 不使用 ADVB 的 0-10 毫秒随机延迟。因此，scanner只需监听一段非常短且可预测的时间。利用周期性广播建立一个大型的一对多低功耗网络是可能的，例如音频广播、测向、物联网网络等。然而，缺少的是低功耗scanner只能接收数据，而不能将数据发送回advertiser。
PAwR 的推出就是为了解决这个问题。它允许advertiser发送精确的常规广播数据，同时允许scanner向advertiser发送响应有效载荷。此外，在需要更高的吞吐量时，它还为advertiser提供了与scanner建立蓝牙（Bluetooth LE）连接的机制。
时间
与其他类型的广播类似，PAwR 的运行间隔称为周期性广播间隔（Periodic Advertising Interval）。它在准确的时间间隔内发生，没有随机延迟。每个 PAwR 事件都会有多个子事件。这与 PADVB 不同，在 PADVB 中，每个事件只有一个周期性广播数据包。重要的是，同步到 PAwR 的scanner不会监听所有子事件，只会选择它订阅/同步到的子事件。多个scanner可以订阅同一个子事件。这意味着一台scanner可以订阅多个子事件。每个广播事件最多可以有 128 个子事件。
放大其中一个子事件，在事件开始时，有一个来自advertiser的传输包。它可以是：
AUX_SYNC_SUBEVENT_IND
周期性广播包
AUX_CONNECT_REQ
advertiser的连接请求
与该子事件同步的所有scanner都会扫描该数据包并处理有效载荷。数据包发出后，会有一列响应槽供scanner将其响应发送回advertiser。响应槽最多可达 256 个。
在哪个响应槽上发送哪个scanner由应用程序/配置文件决定。为避免碰撞，一个响应槽中只能有一个scanner响应。
这是 PAwR 的 R 部分，是与普通周期性广播的主要区别。这样就能以极低的功耗形成超大型双向一对多网络。
可以发现，scanner/observer只需在每个周期性广播间隔唤醒一次，以扫描子事件传输包。如果它有数据提供给advertiser，就可以在其中一个响应时隙进行传输，然后再次休眠。由于并非所有scanner都需要同时发送数据，因此一个advertiser可以为大量scanners提供服务。延迟时间很短；可低至周期性广播间隔，根据advertiser的配置，间隔时间在 7.5ms 至 81.91875s 之间。
这里的限制是吞吐量。如果scanner需要传输或接收大量数据，可能会受到广播时间间隔的限制。
如上所述，广播时间间隔最长可达 81.91875 秒，将广播时间间隔改为更短的时间间隔需要更新所有scanner以同步到新的时间间隔。在大多数情况下，这是不现实的。
解决这个问题的办法是在scanner和advertiser之间建立蓝牙 LE 连接。PAwR 支持在不使用传统 ADVB 的情况下建立连接。为了启动连接，advertiser在子事件传输包中发送 AUX_CONNECT_REQ 包，而不是 AUX_SYNC_SUBEVENT_IND 包。
AUX_CONNECT_REQ 包含scanner的地址和scanner进入蓝牙 LE 连接时应使用的连接参数。待连接的scanner将以 AUX_CONNECT_RSP 作为回应。
该响应应在 AUX_CONNECT_REQ 数据包之后立即发送，无需等待响应时隙。随后将立即建立蓝牙 LE 连接。advertiser将成为中心，scanner将成为外围。通过这种分离的蓝牙 LE 连接，它们可以以更高的吞吐量进行通信。
同步
要跟踪周期性广播并订阅子事件，scanner需要从advertiser处获得同步和 PAwR 信息。获取同步信息的程序与普通周期性广播PADVB 类似。scanner可以通过扫描扩展广播数据包 ADV_EXT_IND 来获取信息：
或者通过建立连接并执行周期性广播同步传输 (PAST) 程序。
两种方法各有利弊。扫描扩展广播数据包 ADV_EXT_IND 不需要连接，但它要求scanner能够进行连续扫描以捕捉广播数据包。
相比之下，使用 PAST 进行连接并接收定时信息可适用于电源有限的scanner仪，因为它只要求scanner进行正常的蓝牙 LE 广播。
不过，这对advertiser的无线电调度要求更高，因为advertiser需要同时进行周期性广播和扫描以建立蓝牙 LE 连接。
advertiser可以决定不做 ADV_EXT_IND，只做周期性广播 AUX_SYNC_SUBEVENT_IND。这是为了减少advertiser的工作量。在这种情况下，PAST 是同步scanner的唯一选择。
与 PADVB 相比，除了 SyncInfo（周期性广播间隔、同步Packet Window Offset）外，还有一些专门用于 PAwR 的额外信息需要交换：
ACAD- Additional Controller Advertising Data:
响应访问地址
子事件数量
子事件间隔
响应时隙延迟
响应槽间隔
您可能会发现，这些程序中没有定义scanner应订阅哪些子事件或响应槽的信息。这就需要应用程序/上层来决定scanner应如何获取有关子事件和响应槽的信息。例如，在执行 PAST 时配置响应槽，或对scanner进行硬编码，使其根据自身地址自动选择响应槽。
PAwR 优势和局限
优势
一对多拓扑结构中的双向通信
PAwR 为蓝牙产品增加了一个重要的缺失部分：大规模双向一对多网络。在蓝牙 5.4 之前，常见的蓝牙网络拓扑结构如下：
一对一。一个外设连接一个中心。
一对多，星形网络。一个中心可以连接多个外围设备，但链接数量有限，通常每个中心的连接数少于 20 个。
一对多广播。一个advertiser可以向许多观observers广播数据。observers的数量可以非常多，但数据只能单向传播，即从advertiser到observer。
多对多，mesh。mesh网络可提供大规模双向网络。不过，它需要由backbone节点组成的基础设施来中继信息。这些backbone节点通常需要主电源。连接的mesh网络可以作为一种解决方案，但它可能比较复杂和僵化。
使用 PAwR，只需一个简单的同步程序，即可建立一个拥有数百或数千个节点的一对多网络。一个广告商就可以管理与数千台设备之间的数据收发任务。这里的亮点在于，这种双向通信是以同步方式进行的，没有泛洪或潜在的碰撞。
广播数据可以频繁更改
PAwR 允许频繁更改广播数据。特别是，主机可以精确控制哪个数据包将进入哪个广播子事件。这是 ADVB 和 PADVB 所不具备的。使用 ADVB 和 PADVB 时，您可以随时间更新广播数据，但数据是重复发送的，而且您对广播进行时如何更新数据的控制也很有限。使用 PAwR 时，控制器会请求主机（应用程序）在每次广播事件中更新数据。应用程序可以更新每个广播事件中的每个子事件广播数据包。
advertiser可与scanner建立蓝牙 LE 连接
当对等设备需要传输大量数据，而 PAwR 有限的吞吐量无法满足要求时，例如向 ESL 标签传输显示图像时，就会使用这种连接。它与普通的蓝牙 LE 连接略有不同，不是由scanner，而是由周期性advertiser决定与scanner建立连接。它选择应该连接哪个scanner。这样做是有道理的，因为这样可以避免大量节点同时发布连接广播，造成广播信道拥塞。此外，它还允许advertiser安排新的连接，以免与正在进行的 PAwR 活动相冲突。
低功耗运行，但仍有相对较低的延迟
scanner的功耗与正常蓝牙 LE 连接时的功耗相似。这意味着超低功耗。设备可以使用纽扣电池运行数年，延迟时间等于网络的周期性广播间隔。
局限
该网络依靠一个advertiser作为网关/接入点。这意味着网络中的所有节点都必须在advertiser的覆盖范围内。可以通过多个advertiser来扩展网络，但规范并没有定义如何建立这样的网络。
吞吐量有限。advertiser需要为大量节点提供服务，与普通蓝牙 LE 连接相比，数据吞吐量相对较低，具体取决于广播间隔和响应槽的大小。
每个scanner可能没有足够的响应槽。多个scanner可以同步到同一个子事件，而子事件中的每个节点往往没有足够的响应槽。应用程序需要定义scanner应如何轮流向接入点发送数据。
PAwR 的设计将大部分复杂性放在了advertiser接入点一方。advertiser必须足够强大，才能同时处理 PAwR 广告、连接处理和节点管理任务。
PAwR 只处理堆栈的低端。它没有规定网络的高级功能，如流量控制、数据包确认、加密、身份验证等。上层有责任为应用定制这些功能。
在nRF Connect SDK中实现
本节主要介绍如何在 nRF Connect SDK 中实现 PAwR 应用程序。nRF Connect SDK 在 v2.4.0 中添加了两对示例来演示 PAwR。我们将深入代码，了解 PAwR 在这些示例中是如何实现的。
带响应的周期性广播(PAwR) advertiser和同步 (periodic_adv_rsp& periodic_sync_rsp)
advertiser会定期发布广播并扫描 PAST advertiser。建立蓝牙 LE 连接后，它将发送 PAST 信息，然后发送子事件信息。
开始时，observer/scanner会做广播以获取 PAST 信息。同步后，它将收到子事件信息，从而知道应该监听哪个子事件。
周期性广播连接程序- 发起方和响应方(periodic_adv_conn& periodic_sync_conn)
advertiser只做周期性广播，不做 PAST。
observer/scanner扫描扩展广播数据包并同步。同步后，它会在 PAwR 响应中向advertiser发送地址，以便advertiser通过 AUX_CONNECT_REQ 建立连接。有关子事件的信息是硬编码。
广播
让我们仔细看看 periodic_adv_rsp 示例中是如何设置周期性广播的：
pei:
static const struct bt_le_per_adv_param per_adv_params = {.interval_min = 0xFF,.interval_max = 0xFF,.options = 0,.num_subevents = NUM_SUBEVENTS,.subevent_interval = 0x30,.response_slot_delay = 0x5,.response_slot_spacing = 0x50,.num_response_slots = NUM_RSP_SLOTS,};struct bt_le_ext_adv *pawr_adv;static const struct bt_le_ext_adv_cb adv_cb = {.pawr_data_request = request_cb,.pawr_response = response_cb,};
配置子事件和响应槽时间参数时需要格外注意。
广播间隔应≥ subevent_interval * NUM_SUBEVENTS。
子事件间隔应≥ response_slot_delay + response_slot_spacing*NUM_RSP_SLOT
否则将收到错误
12 BT_HCI_ERR_INVALID_PARAM。
设置并开始广播：
/* Create a non-connectable non-scannable advertising set */bt_le_ext_adv_create(BT_LE_EXT_ADV_NCONN, &adv_cb, &pawr_adv);/* Set periodic advertising parameters */bt_le_per_adv_set_param(pawr_adv, &per_adv_params);/* Enable Periodic Advertising */bt_le_per_adv_start(pawr_adv);/* Start Periodic Advertising */bt_le_ext_adv_start(pawr_adv, BT_LE_EXT_ADV_START_DEFAULT);
在 bt_le_ext_adv_start() 之后，advertiser将进行扩展广播和 PAwR。这包括图 4 所示的数据包：ADV_EXT_IND、AUX_ADV_IND 和 AUX_SYNC_SUBEVENT_IND。
如上一节所述。advertiser可以选择不做扩展广播（ADV_EXT_IND 和 AUX_ADV_IND），只做周期性广播。这将有助于减少advertiser的额外广播活动，从而为更多连接/响应提供服务。要停止扩展广播，可在周期性广播开始后调用 bt_le_ext_adv_stop()。这不会停止周期性广播。要停止周期性广播，您需要调用 bt_le_per_adv_stop()。
注意：大多数嗅探器依靠扩展广播的 Syncinfo 来跟踪周期性广播train。如果关闭扩展广播，嗅探器就无法找到周期性广播数据包。
周期性advertiser有 2 个回调：
pawr_data_request: 当有缓冲区可供advertiser更新子事件数据包内容时调用。通常，每个要更新的子事件插槽都会收到一个回调。在本例中，代码只需在每个子事件中将计数器增加一个即可。
pawr_response: 当某个scanner对某个子事件做出响应时调用。在示例中，scanner只需回传它在子事件数据包中收到的内容。
这些是与普通广播或周期性广播的主要区别。您现在可以控制精确广播数据包（子事件数据包）的有效载荷。此外，您还可以从scanner中获取响应数据，这在其他类型的广播中是无法通过扫描请求获得的。
同步
要实现同步，需要扩展广播或 PAST。如果要使用 PAST，则需要扫描普通广播以建立蓝牙 LE 连接，然后再使用 PAST。
建立连接后，需要调用 bt_le_per_adv_set_info_transfer()。这将向scanner发送同步信息和 PAwR 信息。
在 periodic_adv_rsp 示例中，您可以找到一条写入命令，用于发送一些有关scanner子事件编号和响应槽编号的专有数据（sync_config）。至于如何发送，则由应用程序自行决定。
以下代码来自 periorid_adv_rsp。达到同步设备的最大数量后，advertiser会停止扫描。
while (num_synced < MAX_SYNCS) {err = bt_le_scan_start(BT_LE_SCAN_PASSIVE, device_found);if (err) {printk("Scanning failed to start (err %d)\n", err);return 0;}printk("Scanning successfully started\n");k_sem_take(&sem_connected, K_FOREVER);err = bt_le_per_adv_set_info_transfer(pawr_adv, default_conn, 0);if (err) {printk("Failed to send PAST (err %d)\n", err);goto disconnect;}printk("PAST sent\n");discover_params.uuid = &pawr_char_uuid.uuid;discover_params.func = discover_func;discover_params.start_handle = BT_ATT_FIRST_ATTRIBUTE_HANDLE;discover_params.end_handle = BT_ATT_LAST_ATTRIBUTE_HANDLE;discover_params.type = BT_GATT_DISCOVER_CHARACTERISTIC;err = bt_gatt_discover(default_conn, &discover_params);if (err) {printk("Discovery failed (err %d)\n", err);goto disconnect;}printk("Discovery started\n");err = k_sem_take(&sem_discovered, K_SECONDS(10));if (err) {printk("Timed out during GATT discovery\n");goto disconnect;}sync_config.subevent = num_synced % NUM_SUBEVENTS;sync_config.response_slot = num_synced / NUM_RSP_SLOTS;num_synced++;write_params.func = write_func;write_params.handle = pawr_attr_handle;write_params.offset = 0;write_params.data = &sync_config;write_params.length = sizeof(sync_config);err = bt_gatt_write(default_conn, &write_params);if (err) {printk("Write failed (err %d)\n", err);num_synced--;goto disconnect;}printk("Write started\n");err = k_sem_take(&sem_written, K_SECONDS(10));if (err) {printk("Timed out during GATT write\n");num_synced--;goto disconnect;}printk("PAwR config written to sync %d, disconnecting\n", num_synced - 1);disconnect:err = bt_conn_disconnect(default_conn, BT_HCI_ERR_REMOTE_USER_TERM_CONN);if (err) {return 0;}k_sem_take(&sem_disconnected, K_FOREVER);}
发送传输信息后，advertiser 会直接断开连接。它不知道scanner是否与 PAwR 列车同步。可以通过在断开连接前添加延迟或最好在断开连接前收到scanner的响应来改善这种情况。您可以在本指南末尾提供的代码中找到添加的延迟。
在scanner方面，如果查看 perioridc_sync_conn 样本，就会发现它是如何注册 PAwR 并扫描包含同步和 PAwr 信息的扩展广播数据包的。
bt_le_scan_cb_register(&scan_callbacks);bt_le_per_adv_sync_cb_register(&sync_callbacks);err = bt_le_scan_start(BT_LE_SCAN_ACTIVE, NULL);if (err) {printk("failed (err %d)\n", err);return 0;}
请注意，在捕获扩展广播数据包后，您需要创建同步对象，以便scanner可以开始跟踪周期性广播数据包。要创建同步对象，需要调用 bt_le_per_adv_sync_create()。这将允许您在scanner同步到周期性广播（而非 PAwR）时接收 bt_le_per_adv_sync_cb.synced 回调：
{struct bt_le_per_adv_sync_subevent_params params;uint8_t subevents[1];char le_addr[BT_ADDR_LE_STR_LEN];int err;bt_addr_le_to_str(info->addr, le_addr, sizeof(le_addr));printk("Synced to %s with %d subevents\n", le_addr, info->num_subevents);params.properties = 0;params.num_subevents = 1;params.subevents = subevents;subevents[0] = 0;err = bt_le_per_adv_sync_subevent(sync, ¶ms);if (err) {printk("Failed to set subevents to sync to (err %d)\n", err);}k_sem_give(&sem_per_sync);}
正如您在代码中发现的，同步后，如果您想接收 PAwR 子事件数据包，您需要调用 bt_le_per_adv_sync_subevent() 来订阅一个或多个子事件。在本示例中，要订阅的子事件被硬编码为子事件 0，该子事件中的响应槽也被硬编码为 0（参见 recv_cb 函数）。
样本将设备地址发送给advertiser，然后等待advertiser的连接（通过 AUX_CONNECT_REQ 连接 v2）。这是本应用程序特有的功能。调用 bt_le_per_adv_set_response_data()，其中包含要发送数据的子事件和响应槽。
static void recv_cb(struct bt_le_per_adv_sync *sync,const struct bt_le_per_adv_sync_recv_info *info, struct net_buf_simple *buf){int err;struct bt_le_oob oob;char addr_str[BT_ADDR_LE_STR_LEN];if (default_conn) {/* Only respond with address if not already connected */return;}if (buf && buf->len) {/* Respond with own address for the advertiser to connect to */net_buf_simple_reset(&rsp_buf);rsp_params.request_event = info->periodic_event_counter;rsp_params.request_subevent = info->subevent;rsp_params.response_subevent = info->subevent;rsp_params.response_slot = 0;err = bt_le_oob_get_local(BT_ID_DEFAULT, &oob);if (err) {printk("Failed to get OOB data (err %d)\n", err);return;}bt_addr_le_to_str(&oob.addr, addr_str, sizeof(addr_str));printk("Responding with own addr: %s\n", addr_str);net_buf_simple_add_u8(&rsp_buf, sizeof(bt_addr_le_t));net_buf_simple_add_u8(&rsp_buf, BT_DATA_LE_BT_DEVICE_ADDRESS);net_buf_simple_add_mem(&rsp_buf, &oob.addr.a, sizeof(oob.addr.a));net_buf_simple_add_u8(&rsp_buf, oob.addr.type);err = bt_le_per_adv_set_response_data(sync, &rsp_params, &rsp_buf);if (err) {printk("Failed to send response (err %d)\n", err);}} else if (buf) {printk("Received empty indication: subevent %d\n", info->subevent);} else {printk("Failed to receive indication: subevent %d\n", info->subevent);}}
连接 v2
当 PAwR advertiser 需要以更高的吞吐量或更低的延迟与scanner通信时，可以决定连接到同步scanner。
bt_addr_le_to_str(&peer, addr_str, sizeof(addr_str));printk("Connecting to %s in subevent %d\n", addr_str, info->subevent);synced_param.peer = &peer;synced_param.subevent = info->subevent;/* Choose same interval as PAwR advertiser to avoid scheduling conflicts */conn_param.interval_min = SUBEVENT_INTERVAL;conn_param.interval_max = SUBEVENT_INTERVAL;/* Default values */conn_param.latency = 0;conn_param.timeout = 400;err = bt_conn_le_create_synced(adv, &synced_param, &conn_param, &default_conn);if (err) {printk("Failed to initiate connection (err %d)", err);}
在进行连接 v2 时，没有扫描超时的概念，bt_conn_le_create_synced() 命令的结果会在下一个周期性广播间隔中返回回调。
注意：建议选择连接时间间隔等于或大于子事件时间间隔。这将减少调度配置，从而提高吞吐量。
低功耗示例
附件是稍作修改的 periodic_adv_rsp 和 periodic_sync_rsp 示例。advertiser 将扫描并建立蓝牙 LE 连接，以发送 PAST 信息和子事件信息。scanner与advertiser 同步后，将在每个广播间隔发送数据。
主要修改是关闭scanner上的 UART 日志记录，并在响应中添加更多有意义的数据。scanner会在每个响应槽发送其内部温度。advertiser 略有改动，使其在更长的广播间隔时间内更加稳健。代码的主要目的是展示scanner（传感器）在不同周期性广播间隔下的低功耗。
您可以在此处下载演示源代码（在 nRF Connect SDK v2.5.0 上进行了测试）：8562.PAwR_Demo.zip
https://devzone.nordicsemi.com/cfs-file/__key/communityserver-blogs-components-weblogfiles/00-00-00-00-28/8562.PAwR_5F00_Demo.zip
运行示例时，您将在advertiser 一侧看到每个scanner的温度报告：
与 periodic_adv_rsp 相同，advertiser 只支持每个子事件一个scanner。但可以修改代码，使每个子事件支持更多scanner或增加子事件的数量。您需要决定同一子事件中的scanner应如何发送响应的逻辑；通常情况下，每个子事件的响应槽数量小于scanner数量。
以下是scanner在不同周期性广播间隔（从 100 毫秒到 1 秒再到 10 秒）下的功率测量结果。这就改变了scanner的延迟时间。延迟时间越长，功耗越低。
每隔 100 毫秒输出 80uA 电流，每个子事件有 4 个字节的响应。
每个子事件以 1 秒间隔 15uA 响应 4 个字节。
7.3uA 间隔 10 秒，每个子事件响应 4 个字节。
在相对较低的 1 秒延迟时间内，可以实现 15uA 的超低功耗。我们可以使用容量为 250mAh 的 CR2032 电池进行粗略计算。如果我们能将 70% 的容量用于蓝牙 LE，那么它的寿命为 250mAh * 70% / 15uA = 12500 小时 = 520 天。
总结
PAwR 是蓝牙 LE 的一项令人兴奋的新功能。它增强了周期性广播协议，可能会为蓝牙 LE 技术在新的商业垂直领域打开大门。蓝牙 LE 和 PAwR 使许多曾经无法实现或过于复杂的应用变得可行。我们很高兴看到它将如何实施，并随时准备帮助您将这项技术推向市场。
如果您对 PAwR 的主要应用之一 ESL 感兴趣，请继续阅读以下指南：
开始使用蓝牙电子货架标签 (ESL) 和带响应的周期性广播 (PAwR)
https://www.nordicsemi.cn/news/bluetooth-electronic-shelf-labels-periodic-advertising-with-responses/
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