移動(dòng)通信終端網(wǎng)絡(luò)功耗智能優(yōu)化方法研究

康翔宇

（廣東石油化工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東 茂名 525000）

采用硬件手段突破移動(dòng)通信終端的電源模塊帶電能力不足的問題，可以解決移動(dòng)通信終端續(xù)航能力差的問題。但是，短時(shí)間內(nèi)突破硬件瓶頸是不切合實(shí)際的。因此，從現(xiàn)有的移動(dòng)通信終端電源模塊管理模式上入手，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信終端功耗的精細(xì)化管理，是更切合實(shí)際的解決問題思路[1]。移動(dòng)通信終端在享受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(luò)環(huán)境和通信質(zhì)量。以智能手機(jī)為例，它們?cè)诰W(wǎng)期間一般處于5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，經(jīng)常受到信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定的影響[2]。由于信號(hào)強(qiáng)度不斷變化，因此會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重連、網(wǎng)絡(luò)延遲等問題，極大地消耗了智能手機(jī)的帶電量[3]。該文的研究目的就是構(gòu)建移動(dòng)通信終端的功耗模型，并分析各種導(dǎo)致智能終端功耗過大的因素，從而設(shè)計(jì)相應(yīng)的優(yōu)化方案并完成設(shè)計(jì)，進(jìn)而在現(xiàn)有硬件水平條件下提高移動(dòng)通信終端的續(xù)航能力。該文的相關(guān)結(jié)論對(duì)移動(dòng)通信終端的進(jìn)一步發(fā)展具有一定的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 移動(dòng)通信終端網(wǎng)絡(luò)功耗模型構(gòu)建

基于使用頻度的功耗測(cè)評(píng)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(guān)閉處理時(shí)，智能手機(jī)會(huì)繼續(xù)保留高電流狀態(tài)，持續(xù)一段時(shí)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(yán)重地浪費(fèi)了智能終端的電能，而且使基于使用頻度的功耗測(cè)評(píng)方法存在較大的誤差。

為了更準(zhǔn)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(gè)角度出發(fā)，構(gòu)建一個(gè)全新的功耗分析模型，其核心數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示。

式中：pij為當(dāng)前采集的第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)中第j個(gè)硬件所造成的功耗；αij為該硬件設(shè)施的使用頻度；βij為硬件關(guān)閉時(shí)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(duì)第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)來說，它的總功率實(shí)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(chǔ)功耗，k為常值；pi為當(dāng)前采集的第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)的功耗；pi0為當(dāng)前采集的第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)中第0 個(gè)硬件造成的功耗；pi1為當(dāng)前采集的第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)中第一個(gè)硬件造成的功耗；pin為當(dāng)前采集的第i個(gè)樣本數(shù)據(jù)中第n個(gè)硬件造成的功耗；αi0為第0 個(gè)硬件設(shè)施的使用頻度；αi1為第一個(gè)硬件設(shè)施的使用頻度；βi0為第0 個(gè)硬件關(guān)閉時(shí)的高電流保留情況；βi1為第一個(gè)硬件關(guān)閉時(shí)的高電流保留情況；c0為基于第0 個(gè)硬件使用頻度造成功耗的系數(shù)；c1為基于第一個(gè)硬件使用頻度造成功耗的系數(shù)；d0為第0 個(gè)硬件尾功率造成功耗的系數(shù)；d1為第一個(gè)硬件尾功率造成功耗的系數(shù)。使xi=（αi0，αi1，…αin）、yi=（βi0，βi1，…βin），實(shí)際上這兩者就分別表達(dá)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(dá)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(dāng)前采集的第i個(gè)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(dòng)通信終端網(wǎng)絡(luò)功耗優(yōu)化方法

由相關(guān)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)智能手機(jī)使用5G 功能和Wi-Fi 功能時(shí)，其使用頻度的功耗系數(shù)分別達(dá)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(xiàng)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(jī)終端的最主要功耗是由使用網(wǎng)絡(luò)引起的?？梢詮? 個(gè)角度提高智能手機(jī)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(jī)網(wǎng)絡(luò)使用方案，使智能手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)使用的功耗降低。該文從優(yōu)化智能手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)使用方案入手，降低智能手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)使用功耗，以提高智能手機(jī)的續(xù)航能力。

該文通過以下3 種措施來降低智能手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)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(shè)置合理的網(wǎng)絡(luò)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(huì)產(chǎn)生多少額外的功耗。因此，只有精細(xì)地設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，才能降低網(wǎng)絡(luò)使用過程中智能終端的功耗。

為了檢驗(yàn)該文構(gòu)建的智能手機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用功耗優(yōu)化方案的可用性，先通過一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)系統(tǒng)基于智能手機(jī)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而記錄測(cè)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(shí)間以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間等重要數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

當(dāng)智能手機(jī)完成數(shù)據(jù)處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致CPU 組件、內(nèi)存組件使用頻度的變化，因此當(dāng)執(zhí)行測(cè)試時(shí)，在手機(jī)終端使用了日志程序，以便對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行記錄。

智能手機(jī)上采用的操作系統(tǒng)是安卓（Android）系統(tǒng)，在試驗(yàn)系統(tǒng)中，主要采用了3 個(gè)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(yīng)。2）后臺(tái)服務(wù)程序，接收用戶的響應(yīng)并完成用戶的請(qǐng)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(luò)連接程序，主要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和動(dòng)態(tài)配置的相關(guān)任務(wù)。

3 移動(dòng)通信終端網(wǎng)絡(luò)功耗優(yōu)化試驗(yàn)與分析

通過手機(jī)顯示功耗的情況是測(cè)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(shè)計(jì)的性能是否達(dá)到了預(yù)期的要求。這一階段的測(cè)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(duì)不同類型的網(wǎng)站進(jìn)行訪問，分別通過執(zhí)行優(yōu)化前的智能終端功耗觀測(cè)、執(zhí)行該文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案的智能終端功耗觀測(cè)來測(cè)試優(yōu)化是否達(dá)到了預(yù)期效果。

3.1 云醫(yī)療數(shù)據(jù)獲取的性能測(cè)試

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

圖3 智能手機(jī)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(duì)比結(jié)果

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

由圖3 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化處理，智能手機(jī)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(dāng)采用Wi-Fi 模式完成云醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問時(shí)，該文的優(yōu)化方法有利于降低智能手機(jī)功耗、延長智能手機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

由圖4 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化處理，智能手機(jī)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(dāng)采用5G 模式完成云醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問時(shí)，該文的優(yōu)化方法有利于降低智能手機(jī)功耗、延長智能手機(jī)的續(xù)航時(shí)間。因?yàn)?5G 模式的絕對(duì)功耗太大，約為 Wi-Fi 模式功耗的 5 倍，所以采用該文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方式對(duì)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(cè)試

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

圖5 智能手機(jī)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(duì)比結(jié)果

由圖6 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化處理，當(dāng)智能手機(jī)用5G 模式網(wǎng)站瀏覽時(shí)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(jī)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(jī)的續(xù)航能力。

圖6 智能手機(jī)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(duì)比結(jié)果

由圖5 可知，經(jīng)過該文的優(yōu)化，當(dāng)智能手機(jī)用Wi-Fi模式瀏覽網(wǎng)站時(shí)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(jī)用智能手機(jī)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(jī)的續(xù)航能力。

4 結(jié)語

針對(duì)移動(dòng)通信終端功耗優(yōu)化問題，該文構(gòu)建了一個(gè)測(cè)試智能終端功耗的模型，該模型同時(shí)考慮了硬件使用頻度和尾功率2 項(xiàng)指標(biāo)。針對(duì)智能終端在使用網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)連接方式選擇等方面降低智能終端的網(wǎng)絡(luò)使用功耗。通過基于簡單系統(tǒng)的試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)大小對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓挠绊憽７謩e從網(wǎng)站瀏覽和云端醫(yī)療數(shù)據(jù)訪問2 個(gè)層面對(duì)前述優(yōu)化方案進(jìn)行性能測(cè)試，證實(shí)優(yōu)化方案分別可以得到25%～75%的功耗優(yōu)化效果。