移動(dòng)智能終端功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)與測(cè)試

陳 婷

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350000）

5G 技術(shù)、無線通信集成電路的發(fā)展和移動(dòng)智能終端的能力提升，大幅提升了移動(dòng)通信的計(jì)算存儲(chǔ)能力，也推動(dòng)了智能終端市場(chǎng)的發(fā)展和銷售量的不斷增加[1]。移動(dòng)智能終端將計(jì)算機(jī)、通信和娛樂功能合為一體，可以實(shí)現(xiàn)語音通話、多媒體通信和數(shù)據(jù)傳輸，具有便攜性和智能性。移動(dòng)智能終端包括智能手機(jī)、平板電腦以及可穿戴設(shè)備等。這些產(chǎn)品通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到互聯(lián)網(wǎng)，除了在日常生活中得到廣泛應(yīng)用外，在生產(chǎn)制造、醫(yī)療健康和教育等領(lǐng)域也有廣闊的發(fā)展空間。以智能手機(jī)為例，根據(jù)Strategy Analytics 發(fā)布的數(shù)據(jù)，2022年全球智能手機(jī)出售量達(dá)12.5 億部。在中國(guó)，智能手機(jī)用戶數(shù)已超過9.7 億。

在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，移動(dòng)智能終端的性能和功耗逐年提高[2]。目前，市面上的移動(dòng)智能終端大多采用電池供電，電池電量受電池技術(shù)、材料和工藝、電池自身體積、終端的便攜性和移動(dòng)性等因素的制約[3]。電池電量的增長(zhǎng)跟不上設(shè)備性能的提高，使續(xù)航時(shí)間成為終端體驗(yàn)的最大瓶頸，影響了終端的應(yīng)用與發(fā)展。就目前情況來看，最適合延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間的方法就是在保證終端電量一定的情況下，優(yōu)化功耗，節(jié)約系統(tǒng)能量。

經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，訪問無線網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)智能終端功率消耗大的重要因素。據(jù)此，該文提出從軟件角度對(duì)移動(dòng)智能終端訪問網(wǎng)絡(luò)的功耗進(jìn)行精細(xì)管理，從而延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，并通過測(cè)試試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 移動(dòng)智能終端訪問網(wǎng)絡(luò)功耗研究

移動(dòng)智能終端是一類具有智能操作系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)多媒體處理和人機(jī)交互等多種功能，目前正在成為5G 和人工智能等新技術(shù)的重要載體，應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。其所具有的便攜性、多功能性和網(wǎng)絡(luò)化，通過連接無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以隨時(shí)隨地獲取信息，在滿足人們?nèi)粘Ｐ枨蟮耐瑫r(shí)也提高了工作效率。

因?yàn)榫哂辛嗽L問網(wǎng)絡(luò)的功能，以智能手機(jī)為代表的移動(dòng)智能終端的使用時(shí)長(zhǎng)空前提高，很多終端的日常作業(yè)時(shí)間超過20h。設(shè)備性能的不斷提升加大了功率消耗，而電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，嚴(yán)重影響了用戶的使用體驗(yàn)和行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

在電池技術(shù)短時(shí)間內(nèi)難以突破的情況下，就需要通過降低功耗來延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。移動(dòng)智能終端的功率消耗主要來自硬件資源的能耗（包括CPU、存儲(chǔ)器、顯示屏幕和傳感器等）和通信功能的能耗（包括Wi-Fi、藍(lán)牙和移動(dòng)數(shù)據(jù)等）。

以智能手機(jī)為例，用戶在使用過程中打開一個(gè)新的應(yīng)用程序時(shí)，常常不會(huì)及時(shí)關(guān)閉上一個(gè)應(yīng)用程序，這就導(dǎo)致經(jīng)常會(huì)同時(shí)打開多個(gè)應(yīng)用程序，但是用戶很少會(huì)注意這些程序是否在后臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行。運(yùn)行的程序數(shù)量越多，CPU 的負(fù)荷越重，如果未能及時(shí)關(guān)閉這些程序，就會(huì)導(dǎo)致手機(jī)的耗電增加。因此通過及時(shí)關(guān)閉未在使用中的應(yīng)用程序，降低CPU 負(fù)荷可以達(dá)到降低功耗的效果。但移動(dòng)智能終端最大的功率消耗因素還不是一直運(yùn)行的各類軟件，而是網(wǎng)絡(luò)訪問模式的不斷切換。

為了實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)，智能手機(jī)一般會(huì)提供3 類移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問模式。第一，使用移動(dòng)數(shù)據(jù)上網(wǎng)；第二，連接Wi-Fi 上網(wǎng)；第三，使用移動(dòng)熱點(diǎn)、藍(lán)牙共享和USB 共享等。由于使用移動(dòng)數(shù)據(jù)上網(wǎng)會(huì)花費(fèi)手機(jī)的流量，如果超出流量，將產(chǎn)生額外的費(fèi)用。使用移動(dòng)熱點(diǎn)等方式同樣會(huì)花費(fèi)手機(jī)的流量，還會(huì)造成手機(jī)發(fā)熱、電量消耗快等問題，因此在3 種模式中通常會(huì)以連接Wi-Fi 上網(wǎng)的模式為主。

但是，當(dāng)智能手機(jī)脫離了固定的環(huán)境、處在移動(dòng)狀態(tài)或未知環(huán)境中，會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境和通信質(zhì)量的變化，又自主地切換到使用移動(dòng)數(shù)據(jù)上網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)訪問模式。隨著位置的不斷變化，智能手機(jī)可能在已知環(huán)境和未知環(huán)境中來回轉(zhuǎn)換，在該過程中也要不斷切換訪問網(wǎng)絡(luò)的模式。該模式切換正是智能手機(jī)最主要的功率消耗因素。因此，如何有效控制訪問網(wǎng)絡(luò)模式切換中的功率消耗，并緩解用戶的終端續(xù)航焦慮，是控制智能手機(jī)等移動(dòng)智能終端功率消耗的最重要工作。

2 移動(dòng)智能終端功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

以CPU 為例，由于用戶沒有及時(shí)關(guān)閉未在使用中的應(yīng)用程序，因此導(dǎo)致CPU 的負(fù)荷加重，成為增加移動(dòng)智能終端功率消耗的重要因素之一。而由于位置變化引起網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和通信質(zhì)量變化導(dǎo)致的訪問網(wǎng)絡(luò)模式的頻繁切換，則成為增加移動(dòng)智能終端功率消耗的最主要因素。為此，該文以智能手機(jī)為例，從上述2 個(gè)角度入手，分別在軟件上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的功耗優(yōu)化方法，來盡可能地節(jié)省設(shè)備的功耗，改善系統(tǒng)的續(xù)航表現(xiàn)。

首先，優(yōu)化一。針對(duì)后臺(tái)未在使用中的程序堆積過多的問題，在智能手機(jī)的內(nèi)存中植入常駐的清除程序，定時(shí)搜索已不使用但仍處于運(yùn)行狀態(tài)的軟件，對(duì)滿足清除條件的進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)閉，讓CPU 進(jìn)入省電狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)省功耗的目的。清除程序的執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 清除程序的執(zhí)行流程

從圖1 可以看出，清除程序每隔120s 自動(dòng)執(zhí)行一次。執(zhí)行時(shí)先確定非主運(yùn)行軟件的已運(yùn)行時(shí)間，判斷其是否超過運(yùn)行時(shí)間判斷閾值，具體操作如公式（1）所示。

式中：t為非主運(yùn)行軟件已運(yùn)行的時(shí)間；T為設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間判斷閾值；Sym1為第一個(gè)標(biāo)識(shí)符。

阿東擔(dān)心阿里一直站在此處看著母親，悼念儀式進(jìn)展不下去。便朝著人群中叫了聲羅爹爹。羅爹爹忙不迭過來，說：“我曉得。我來幫你們招呼阿里?！?/p>

當(dāng)非主運(yùn)行軟件已運(yùn)行時(shí)間小于時(shí)間判斷閾值，Sym1標(biāo)識(shí)符標(biāo)記為0；當(dāng)非主運(yùn)行軟件已運(yùn)行時(shí)間大于時(shí)間判斷閾值，Sym1標(biāo)識(shí)符標(biāo)記為1。

接下來進(jìn)一步確定非主運(yùn)行軟件近120s 內(nèi)的訪問次數(shù)，判斷其是否超過設(shè)定的訪問次數(shù)，具體操作如公式（2）所示。

式中：n為非主運(yùn)行軟件近120s 內(nèi)的訪問次數(shù)；N為設(shè)定的訪問次數(shù)的判斷閾值；Sym2為第二個(gè)標(biāo)識(shí)符。

當(dāng)非主運(yùn)行軟件近120s 內(nèi)的訪問次數(shù)大于訪問次數(shù)的判斷閾值，Sym2標(biāo)識(shí)符標(biāo)記為0；當(dāng)非主運(yùn)行軟件近120s 內(nèi)的訪問次數(shù)小于訪問次數(shù)的判斷閾值，Sym2標(biāo)識(shí)符標(biāo)記為1。

如果非主運(yùn)行軟件的第一個(gè)標(biāo)識(shí)符Sym1和第二個(gè)標(biāo)識(shí)符Sym2同時(shí)滿足為1，則判定該軟件為后臺(tái)未在使用中的應(yīng)用軟件，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制關(guān)閉處理，具體如公式（3）所示。

其次，優(yōu)化二。為減少由網(wǎng)絡(luò)訪問模式的不斷切換引起的高功耗，在智能手機(jī)的內(nèi)存中植入常駐的訪問網(wǎng)絡(luò)模式切換控制程序。如前所述，智能手機(jī)通常會(huì)選擇連接Wi-Fi上網(wǎng)的模式訪問網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)位置信息發(fā)生改變時(shí)啟動(dòng)切換判斷程序，通過智能手機(jī)的定位功能獲取當(dāng)前位置信息，并結(jié)合存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)Wi-Fi 配置的位置信息，判斷當(dāng)前位置是否存在有效Wi-Fi，從而決定智能手機(jī)是否進(jìn)行訪問網(wǎng)絡(luò)模式切換。該優(yōu)化方案可以最大限度地減少訪問網(wǎng)絡(luò)模式的切換次數(shù)，避免消耗大量電量。訪問網(wǎng)絡(luò)模式切換控制程序的執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 訪問網(wǎng)絡(luò)模式切換控制程序的執(zhí)行流程

從圖2 可以看出，借助終端的定位功能，控制程序如果發(fā)現(xiàn)帶有經(jīng)驗(yàn)標(biāo)記的Wi-Fi 包括當(dāng)前位置時(shí)，直接選擇該訪問模式，不再進(jìn)行多余的搜索；如果沒有，則選擇其他訪問模式。該操作可以避免頻繁切換訪問網(wǎng)絡(luò)模式，有效降低智能手機(jī)的功耗。

3 移動(dòng)智能終端功耗優(yōu)化測(cè)試與結(jié)果分析

完成功耗優(yōu)化程序設(shè)計(jì)后，需要對(duì)程序執(zhí)行效果進(jìn)行測(cè)試。主要測(cè)試對(duì)后臺(tái)未在使用中的程序的清除和采取訪問網(wǎng)絡(luò)模式切換控制后移動(dòng)智能終端功耗的優(yōu)化情況。為此該文進(jìn)行了3 組測(cè)試試驗(yàn)。

第一組測(cè)試試驗(yàn)，分別記錄植入清除程序前和植入清除程序后，在智能手機(jī)后臺(tái)運(yùn)行的未在使用中的軟件數(shù)量的變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 智能手機(jī)后臺(tái)運(yùn)行的未使用軟件數(shù)量

對(duì)比2 條曲線可以看出，在沒有采取優(yōu)化措施前，智能手機(jī)后臺(tái)運(yùn)行的未使用軟件的數(shù)量一直保持在高位，為6～14個(gè)。采用該文設(shè)計(jì)的優(yōu)化清除程序后，未使用軟件的數(shù)量明顯下降，為1～4 個(gè)，有效地降低了系統(tǒng)功耗。

第二組測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)比采取該文設(shè)計(jì)的2 項(xiàng)優(yōu)化措施前、后智能手機(jī)功耗下降的情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 智能手機(jī)功耗降低幅度

從圖4 可以看出，采取該文設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施后，智能手機(jī)的功耗顯著下降。9:00 時(shí)功耗下降30%，13:00 時(shí)功耗下降了78%，極大地保存了手機(jī)電量，為緩解功耗焦慮創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

第三組測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)比采取該文設(shè)計(jì)的2 項(xiàng)優(yōu)化措施前后智能手機(jī)續(xù)航時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 智能手機(jī)的續(xù)航時(shí)間變化

對(duì)比2 條曲線可以看出，9:00 時(shí)，沒有優(yōu)化前智能手機(jī)續(xù)航時(shí)間為22h，其后隨時(shí)間推移續(xù)航時(shí)長(zhǎng)快速下降，到13:00 時(shí)，續(xù)航時(shí)間降為12h，其后繼續(xù)下降，到17：00，續(xù)航時(shí)間只余1h。采取該文功耗優(yōu)化方法后，曲線趨于平緩，智能手機(jī)的續(xù)航時(shí)間下降幅度明顯放慢。至17:00，續(xù)航時(shí)間仍然保持在12h 左右。

4 結(jié)語

該文剖析了移動(dòng)智能終端訪問網(wǎng)絡(luò)時(shí)的功耗主要來源于后臺(tái)未及時(shí)關(guān)閉的程序和網(wǎng)絡(luò)訪問模式的不斷切換。在該基礎(chǔ)上，從軟件入手，采取2 項(xiàng)針對(duì)性優(yōu)化措施。第一，及時(shí)清除后臺(tái)未使用的程序；第二，訪問網(wǎng)絡(luò)模式切換控制。3 組測(cè)試結(jié)果顯示，采用該文功耗優(yōu)化方案后，智能手機(jī)后臺(tái)運(yùn)行的未使用程序數(shù)量大幅減少，功耗下降明顯，續(xù)航時(shí)間顯著提升，達(dá)到了預(yù)期的研究目的。