移動通信終端網(wǎng)絡功耗智能優(yōu)化方法研究

康翔宇

（廣東石油化工學院電子信息工程學院，廣東 茂名 525000）

采用硬件手段突破移動通信終端的電源模塊帶電能力不足的問題，可以解決移動通信終端續(xù)航能力差的問題。但是，短時間內(nèi)突破硬件瓶頸是不切合實際的。因此，從現(xiàn)有的移動通信終端電源模塊管理模式上入手，實現(xiàn)移動通信終端功耗的精細化管理，是更切合實際的解決問題思路[1]。移動通信終端在享受網(wǎng)絡服務期間，程序變遷和反饋數(shù)據(jù)的獲得都在很大程度上依賴于網(wǎng)絡環(huán)境和通信質(zhì)量。以智能手機為例，它們在網(wǎng)期間一般處于5G 網(wǎng)絡環(huán)境和Wi-Fi 網(wǎng)絡環(huán)境中，經(jīng)常受到信號強度不穩(wěn)定的影響[2]。由于信號強度不斷變化，因此會導致網(wǎng)絡重連、網(wǎng)絡延遲等問題，極大地消耗了智能手機的帶電量[3]。該文的研究目的就是構(gòu)建移動通信終端的功耗模型，并分析各種導致智能終端功耗過大的因素，從而設計相應的優(yōu)化方案并完成設計，進而在現(xiàn)有硬件水平條件下提高移動通信終端的續(xù)航能力。該文的相關結(jié)論對移動通信終端的進一步發(fā)展具有一定的理論意義和工程實用價值。

1 移動通信終端網(wǎng)絡功耗模型構(gòu)建

基于使用頻度的功耗測評方法存在很大的誤差，這是由智能終端中的尾功率現(xiàn)象引起的。所謂尾功率現(xiàn)象，就是例如5G、Wi-Fi 以及GPS 等硬組件執(zhí)行關閉處理時，智能手機會繼續(xù)保留高電流狀態(tài)，持續(xù)一段時間后，電流才能真正調(diào)整到?jīng)]有開啟這些組件的狀態(tài)。因此，尾功率現(xiàn)象不僅嚴重地浪費了智能終端的電能，而且使基于使用頻度的功耗測評方法存在較大的誤差。

為了更準確地分析智能終端的功耗情況，該文從使用頻度和尾功率的2 個角度出發(fā)，構(gòu)建一個全新的功耗分析模型，其核心數(shù)學模型如公式（1）所示。

式中：pij為當前采集的第i個樣本數(shù)據(jù)中第j個硬件所造成的功耗；αij為該硬件設施的使用頻度；βij為硬件關閉時的高電流保留情況；cj為基于使用頻度造成功耗的系數(shù)；dj為尾功率造成功耗的系數(shù)。

對第i個樣本數(shù)據(jù)來說，它的總功率實際上就是全部硬件造成的功耗和，如公式（2）所示。

式中：k為成智能終端的基礎功耗，k為常值；pi為當前采集的第i個樣本數(shù)據(jù)的功耗；pi0為當前采集的第i個樣本數(shù)據(jù)中第0 個硬件造成的功耗；pi1為當前采集的第i個樣本數(shù)據(jù)中第一個硬件造成的功耗；pin為當前采集的第i個樣本數(shù)據(jù)中第n個硬件造成的功耗；αi0為第0 個硬件設施的使用頻度；αi1為第一個硬件設施的使用頻度；βi0為第0 個硬件關閉時的高電流保留情況；βi1為第一個硬件關閉時的高電流保留情況；c0為基于第0 個硬件使用頻度造成功耗的系數(shù)；c1為基于第一個硬件使用頻度造成功耗的系數(shù)；d0為第0 個硬件尾功率造成功耗的系數(shù)；d1為第一個硬件尾功率造成功耗的系數(shù)。使xi=（αi0，αi1，…αin）、yi=（βi0，βi1，…βin），實際上這兩者就分別表達了所有硬件的使用頻度和所有硬件的尾功率。再用，這兩者分別表達了所有硬件使用頻度的功耗系數(shù)和所有硬件尾功率的功耗系數(shù)，那么公式（2）可以改寫為公式（3）。

式中：pi為當前采集的第i個樣本數(shù)據(jù)的功耗；xi為使用頻度；c為使用頻度功耗系數(shù)；yi為尾功率；d為尾功率功耗系數(shù)。

2 移動通信終端網(wǎng)絡功耗優(yōu)化方法

由相關數(shù)據(jù)可知，當智能手機使用5G 功能和Wi-Fi 功能時，其使用頻度的功耗系數(shù)分別達到了721 mV 和654 mV，其中5G 功能的尾功率功耗系數(shù)還有561 mV。這2 項功能的功耗超出了除來電以外的所有功能的功耗。由此可見，智能手機終端的最主要功耗是由使用網(wǎng)絡引起的?？梢詮? 個角度提高智能手機的續(xù)航能力：1）增加電池容量。2）優(yōu)化現(xiàn)有的智能手機網(wǎng)絡使用方案，使智能手機的網(wǎng)絡使用的功耗降低。該文從優(yōu)化智能手機的網(wǎng)絡使用方案入手，降低智能手機的網(wǎng)絡使用功耗，以提高智能手機的續(xù)航能力。

該文通過以下3 種措施來降低智能手機在網(wǎng)絡使用時的功耗：1）控制傳輸數(shù)據(jù)信息的大小。2）優(yōu)化信息傳輸協(xié)議。3）設置合理的網(wǎng)絡連接形式。具體框架如圖1所示。

圖1 優(yōu)化方案框架

要注意的是，以上3 種措施還要考慮執(zhí)行優(yōu)化過程中CPU 組件、內(nèi)存組件會產(chǎn)生多少額外的功耗。因此，只有精細地設計優(yōu)化方案，才能降低網(wǎng)絡使用過程中智能終端的功耗。

為了檢驗該文構(gòu)建的智能手機網(wǎng)絡使用功耗優(yōu)化方案的可用性，先通過一個試驗系統(tǒng)進行驗證。這個系統(tǒng)基于智能手機，并通過手工配置和操作傳輸數(shù)據(jù)大小、傳輸數(shù)據(jù)類型、壓縮方法和連網(wǎng)方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，從而記錄測試過程中的數(shù)據(jù)壓縮情況、數(shù)據(jù)壓縮方法、數(shù)據(jù)壓縮時間以及數(shù)據(jù)傳輸時間等重要數(shù)據(jù)。試驗系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 驗證網(wǎng)絡優(yōu)化方案的實驗系統(tǒng)

當智能手機完成數(shù)據(jù)處理時，會導致CPU 組件、內(nèi)存組件使用頻度的變化，因此當執(zhí)行測試時，在手機終端使用了日志程序，以便對各種設備進行記錄。

智能手機上采用的操作系統(tǒng)是安卓（Android）系統(tǒng)，在試驗系統(tǒng)中，主要采用了3 個類型的軟件：1）用戶操作界面，接收來自用戶操作并形成響應。2）后臺服務程序，接收用戶的響應并完成用戶的請求，其間執(zhí)行優(yōu)化操作和數(shù)據(jù)傳輸操作。3）基于http 的網(wǎng)絡連接程序，主要承擔網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸和動態(tài)配置的相關任務。

3 移動通信終端網(wǎng)絡功耗優(yōu)化試驗與分析

通過手機顯示功耗的情況是測試系統(tǒng)的基本功能。而功耗是否降低則體現(xiàn)了前述優(yōu)化設計的性能是否達到了預期的要求。這一階段的測試分為2 組，一組是基于云端的云醫(yī)療數(shù)據(jù)獲取，另一組是對不同類型的網(wǎng)站進行訪問，分別通過執(zhí)行優(yōu)化前的智能終端功耗觀測、執(zhí)行該文設計的優(yōu)化方案的智能終端功耗觀測來測試優(yōu)化是否達到了預期效果。

3.1 云醫(yī)療數(shù)據(jù)獲取的性能測試

第一組性能測試是通過智能手機向云端發(fā)送醫(yī)療數(shù)據(jù)，請求云端進行分析并給出分析結(jié)果再反饋給手機。該工作通過Wi-Fi 模式實現(xiàn)的對比圖如圖3所示，該工作通過5G 模式實現(xiàn)的對比圖如圖4所示。

圖3 智能手機通過Wi-Fi 模式獲取云醫(yī)療數(shù)據(jù)的功耗優(yōu)化前后對比結(jié)果

圖4 智能手機通過5G 模式獲取云醫(yī)療數(shù)據(jù)的功耗優(yōu)化前后對比結(jié)果

由圖3 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化處理，智能手機獲得來自云端的醫(yī)療數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)所消耗的電量比不執(zhí)行優(yōu)化的情況大概降低了50%，這充分說明了當采用Wi-Fi 模式完成云醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問時，該文的優(yōu)化方法有利于降低智能手機功耗、延長智能手機的續(xù)航時間。

由圖4 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化處理，智能手機通過5G模式獲得來自云端的醫(yī)療數(shù)據(jù)分析結(jié)果所消耗的電量比不執(zhí)行優(yōu)化的情況大概降低了60%，這充分說明了當采用5G 模式完成云醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問時，該文的優(yōu)化方法有利于降低智能手機功耗、延長智能手機的續(xù)航時間。因為 5G 模式的絕對功耗太大，約為 Wi-Fi 模式功耗的 5 倍，所以采用該文設計的優(yōu)化方式對5G 模式的功耗優(yōu)化比例比Wi-Fi模式高。

3.2 不同類型網(wǎng)站訪問的性能測試

為了進一步驗證該文優(yōu)化方法使用的廣泛性，通過第二組試驗來檢驗智能手機對不同類型網(wǎng)站訪問的功耗問題。該工作通過Wi-Fi 模式實現(xiàn)的對比圖如圖5所示，通過5G 模式實現(xiàn)的對比圖如圖6所示。

圖5 智能手機通過Wi-Fi 模式獲取網(wǎng)站瀏覽數(shù)據(jù)的功耗優(yōu)化前后對比結(jié)果

由圖6 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化處理，當智能手機用5G 模式網(wǎng)站瀏覽時的功耗也比不執(zhí)行優(yōu)化低，降低幅度為45%～75%。這說明在智能手機用5G 模式瀏覽網(wǎng)站的過程中，該文構(gòu)筑的功耗優(yōu)化方案提高了智能手機的續(xù)航能力。

圖6 智能手機通過5G 模式獲取網(wǎng)站瀏覽數(shù)據(jù)的功耗優(yōu)化前后對比結(jié)果

由圖5 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化，當智能手機用Wi-Fi模式瀏覽網(wǎng)站時的功耗也比不執(zhí)行優(yōu)化前瀏覽網(wǎng)站需要的功耗低，功耗降低了25%～50%。這說明在智能手機用智能手機模式瀏覽網(wǎng)站的過程中，該文構(gòu)筑的功耗優(yōu)化方案提高了智能手機的續(xù)航能力。

4 結(jié)語

針對移動通信終端功耗優(yōu)化問題，該文構(gòu)建了一個測試智能終端功耗的模型，該模型同時考慮了硬件使用頻度和尾功率2 項指標。針對智能終端在使用網(wǎng)絡情況下功耗大幅增加的問題，該文構(gòu)建了一種智能終端網(wǎng)絡功耗的優(yōu)化方案，該方案旨在從數(shù)據(jù)壓縮處理、合適的網(wǎng)絡連接方式選擇等方面降低智能終端的網(wǎng)絡使用功耗。通過基于簡單系統(tǒng)的試驗分析數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)大小對數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓挠绊?。分別從網(wǎng)站瀏覽和云端醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問2 個層面對前述優(yōu)化方案進行性能測試，證實優(yōu)化方案分別可以得到25%～75%的功耗優(yōu)化效果。