BLE 中的 Advertising（广播）：什么是广播、数据包格式及广播机制

BLE 中的广播是什么？

Advertising（广播） — 是定期发送短数据包的过程，BLE 设备通过该过程宣告其存在和可用性。与经典蓝牙不同，经典蓝牙中搜索设备需要几秒钟，而 BLE 广播可以在几毫秒内发现设备，同时消耗最少的能量。

BLE 架构将设备分为两个角色：外设（Peripheral）（广播）和 中央设备（Central）（扫描）。外设发送广播数据包，中央设备扫描信道并决定是否连接。这种非对称模型是 BLE 的关键优势：广播设备仅消耗能量用于发送短数据包，而不是持续监听信道。

广播过程包括三个阶段：广播事件（在所有三个信道上发送数据包）、扫描请求/响应（与中央设备的可选交换）和 连接请求（中央设备发起连接）。每个阶段由链路层级别的蓝牙控制器管理。

广播信道及其用途

BLE 使用 40 个信道 在 2.4 GHz 频段中，其中 37（2402 MHz）、38（2426 MHz）和 39（2480 MHz）专用于广播。三个信道是发现可靠性和带宽之间的折衷：一个信道可能被 Wi-Fi 或其他干扰占用，但设备将在其他两个信道上被发现。

信道 37 位于 Wi-Fi 信道 1 附近，信道 39 位于 Wi-Fi 信道 6 附近，而信道 38 位于它们之间，在最小干扰区域。选择三个信道 保证了即使在密集的无线电环境下也能发现设备 — 例如，在有数十个 Wi-Fi 接入点的购物中心。

外设按顺序在所有三个信道上发送广播数据包 — 这称为 广播事件。中央设备一次扫描一个信道，根据蓝牙控制器中实现的算法在它们之间切换。在没有冲突的情况下，一个广播事件期间的发现概率接近 100%。

广播数据包类型

Bluetooth Core Specification 定义了多种广播协议数据单元（PDU），每种都有自己的用途。主要类型：ADV_IND（可连接无定向广播） — 具有连接能力的标准广播，ADV_NONCONN_IND（不可连接无定向广播） — 仅广播无连接，ADV_SCAN_IND（可扫描无定向广播） — 支持扫描请求，ADV_DIRECT_IND（定向广播） — 针对特定中央设备的广播。

ADV_IND — 最常见的类型，用于大多数 BLE 设备。在收到 ADV_IND 后，中央设备可以发送连接请求并建立连接。ADV_NONCONN_IND 由信标（Beacon）使用：设备广播但不接受连接请求 — 仅单向数据传输。

ADV_DIRECT_IND 包含目标中央设备的地址，允许在无需等待扫描的情况下快速建立连接。当设备已经相互"认识"时使用 — 例如，在重新连接到之前配对的智能手机后。这种类型降低了能耗，因为不需要在所有信道上广播。

广播间隔与能耗

广播间隔 — 是连续广播事件之间的时间。规范允许 20 ms 到 10.24 s 的间隔，步长为 0.625 ms。实际间隔计算为固定值和随机延迟（0–10 ms）的总和，这降低了多个广播设备之间冲突的可能性。

间隔的选择是在 发现速度 和 能耗 之间的平衡。在 20 ms 的间隔下，设备将在 20–30 ms 内被发现，但平均电流约为 1–2 mA。在 1000 ms 的间隔下 — 发现将需要最多 1 秒，但平均电流将降至 50–100 µA。对于大多数物联网设备，建议的间隔为 200–1000 ms。

根据 德州仪器应用报告 SWRA478（2024），将广播间隔从 100 ms 增加到 1000 ms 可将能耗降低 90%。如果设备不需要立即被发现（例如，每分钟发送一次数据的温度传感器），最佳间隔为 1000–2000 ms。

另一个参数 — 广播超时 — 设备广播的最长时间。在 iOS 中，外设在后台模式下 180 秒后自动关闭广播。在 Android 中没有这样的限制，但制造商可能会添加自己的限制。

扫描响应：额外数据

扫描响应 — 是外设响应来自中央设备的扫描请求而发送的额外数据包（最多 31 字节）。扫描请求由中央设备在收到广播数据包后发送，如果它在连接前需要更多信息。扫描响应不需要额外广播 — 仅在请求时发送，节省信道资源。

典型数据分布：在 广播 PDU（31 字节）中放置标志（3 字节）、服务 UUID（2–16 字节）和制造商数据（剩余字节）。在 扫描响应 中传输设备的全名（最多 28 字节）和额外的 UUID 或 TX Power Level。这种划分允许中央设备根据 UUID 快速过滤设备，而无需读取扫描响应。

在设计广播数据包时请考虑：如果广播 PDU 中的所有 31 字节都已占用，中央设备将无法确定该设备是否支持扫描响应。建议在广播 PDU 中至少留出 3–5 字节 空闲以指示扫描响应能力。

BLE 5.0 中的扩展广播

扩展广播（BLE 5.0） — 是广播机制的扩展，将广播数据包的大小从 31 字节增加到 251 字节，并添加了新的数据包类型。扩展广播还支持编码 PHY，可将开放区域中的通信范围增加到 1 公里，以及周期性广播，用于同步多个中央设备。

主要创新：ADV_EXT_IND — 扩展广播 PDU，可以在单个数据包中传输最多 251 字节的数据。扩展广播仅使用主信道（37、38、39）来指示完整数据在哪个辅助信道（0–36）上传输。这减少了广播信道的负载并增加了系统的总带宽。

周期性广播 — 一种额外的机制，外设在辅助信道上以固定间隔发送数据，中央设备可以与此序列同步。用于需要定期数据更新的服务 — 例如，音频传输或实时传感器读数。

在 iOS 和 Android 中配置广播

iOS（Core Bluetooth） 提供 CBPeripheralManager 来管理广播。广播参数通过 advertisementData 字典设置，使用键 CBAdvertisementDataLocalNameKey（设备名称）、CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey（服务 UUID）、CBAdvertisementDataTxPowerLevelKey（功率）。iOS 自动管理广播间隔，不允许手动设置。

import CoreBluetooth

class AdvertiserManager: NSObject, CBPeripheralManagerDelegate {

    private var peripheralManager: CBPeripheralManager!

    func startBLEAdvertising() {
        let data: [String: Any] = [
            CBAdvertisementDataLocalNameKey: "BLE Beacon",
            CBAdvertisementDataServiceUUIDsKey: [
                CBUUID("180F")
            ],
            CBAdvertisementDataIsConnectable: true
        ]
        peripheralManager.startAdvertising(data)
    }
}

Android（BluetoothLeAdvertiser） 提供更详细的控制。可用：AdvertiseSettings — 设置模式（LOW_POWER、BALANCED、LOW_LATENCY）、发射功率和间隔；AdvertiseData — 数据包内容。Android 在兼容设备上支持扩展广播（BLE 5.0），但这类设备在市场上的份额约为 30–40%。

BluetoothLeAdvertiser advertiser =
    BluetoothAdapter.getDefaultAdapter()
    .getBluetoothLeAdvertiser();

AdvertiseSettings settings = new AdvertiseSettings.Builder()
    .setAdvertiseMode(
        AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_LOW_POWER
    )
    .setTxPowerLevel(
        AdvertiseSettings.ADVERTISE_TX_POWER_MEDIUM
    )
    .build();

AdvertiseData data = new AdvertiseData.Builder()
    .setIncludeDeviceName(true)
    .addServiceUuid(new ParcelUuid(
        UUID.fromString(
            "0000180F-0000-1000-8000-00805F9B34FB"
        )
    ))
    .build();

advertiser.startAdvertising(
    settings, data, advertiseCallback
);

在开发跨平台 BLE 应用程序时，请考虑差异：iOS 不允许直接控制广播间隔，但保证在所有设备上稳定运行；Android 提供完全控制，但版本和制造商的碎片化可能导致不兼容。建议在两种平台的实际设备上 测试广播。