O consumo de energia de um smartphone é definido pela quantidade de energia utilizada pelo smartphone para operar os serviços que oferece. A diferença entre a energia armazenada na bateria e a energia consumida pelos componentes principais aumenta a cada geração. O consumo de energia de um smartphone resulta do consumo de seus componentes porque o software , cada vez mais numeroso, os requer. Portanto, é importante saber como medir e compreender como a energia é consumida em dispositivos móveis. Isso leva os pesquisadores a trabalhar em diferentes soluções para reduzir o consumo de energia a fim de melhorar a experiência do usuário. O consumo de energia de um smartphone tem um impacto significativo em sua autonomia, mas um impacto insignificante no consumo geral de energia .
A penetração do smartphones mercado é forte. No final de 2013, 1,4 bilhão de smartphones estavam em circulação em todo o mundo. Eles são equipados com processadores e sistemas operacionais mais poderosos e várias interfaces de rede . Eles substituem diferentes objetos que tínhamos em nosso bolso e permitem que seu usuário interaja com o equipamento ao redor.
Mas o uso de smartphones é severamente limitado pela duração da bateria , que está sujeita às restrições de tamanho e peso do terminal . Além disso, a energia é um dos principais recursos que, quando se esgota, torna inoperantes todas as aplicações do dispositivo móvel, incluindo as essenciais, como as chamadas de emergência . No final das contas, a pergunta que um usuário faz ao executar um aplicativo móvel é: "Por quanto tempo posso usar meu telefone durante a execução deste aplicativo?" " A otimização do consumo de energia de milhões de aplicativos para smartphones é, portanto, de importância crítica. Saber medir o consumo de energia dos terminais móveis é fundamental para a compreensão e depuração do consumo de energia das aplicações móveis.
No início dos anos 2000, a área prioritária de pesquisa dizia respeito à eficiência energética para o cálculo, como o consumo de energia dos microprocessadores , uma vez que os serviços de Internet móvel como e-mail ainda eram incipientes. Então, as interfaces WLAN , como as interfaces Bluetooth e IEEE 802.11 , tornaram-se onipresentes. Com os serviços de Internet móvel, que estão se popularizando e utilizando aplicativos que mudaram radicalmente a transmissão de dados, o Wireless é uma parte importante do consumo de energia dos smartphones .
Então, a partir de 2003, vários líderes da indústria desenvolveram soluções para trazer a presença do 3D para plataformas móveis. Por causa da intensidade dos cálculos de geometria e rasterização, e de uma sempre à mostra, essas aplicações 3D são extremamente intensivas em energia . As melhorias na tecnologia da bateria não atenderão às necessidades de energia do processamento gráfico 3D em futuros dispositivos portáteis, o que está impulsionando as pesquisas para melhorar a eficiência energética.
Usar baterias de maior capacidade pode ser uma solução trivial, mas sua evolução tecnológica não segue as tendências ditadas pela Lei de Moore . Enquanto o poder de computação dobra a cada dois anos, de acordo com Moore, a capacidade da bateria dobra a cada dez anos apenas. Além disso, com mais sensores, como GPS , disponíveis nos dispositivos, e como a melhoria na capacidade da bateria é muito moderada em relação ao aumento de novos serviços e materiais, o controle do contexto e do consumo de energia do smartphone torna-se um desafio.
O consumo de energia de um smartphone é definido pelo custo da energia necessária para que os componentes de hardware realizem sua atividade. Esta atividade é induzida por execuções de software, vinculadas à atividade do usuário. Na verdade, o software produz uma quantidade de trabalho, durante um determinado tempo (por exemplo , acesso I / O , codificação ou decodificação de dados), que dá origem a operações no hardware. Em outras palavras, o consumo de energia resulta da execução de aplicativos que, por meio de seus comportamentos, acionam uma carga de trabalho nos componentes de hardware. O ambiente externo também pode influenciar a carga de trabalho das operações de software e hardware. Por exemplo, a interferência na rede pode fazer com que os dados sejam retransmitidos durante a transmissão sem fio. Isso resulta em uma variação da carga de trabalho sobre a I / O de acessos .
Além disso, os terminais são alimentados por bateria para permitir o maior grau de liberdade ao usuário, mas isso limita os recursos em termos de energia e potência . É essencial entender a diferença entre esses dois termos, que às vezes são usados indistintamente.
Poder A velocidade com que o trabalho é realizado, expressa em watts ⇒ . Energia A integral de tempo e potência, expressa em joules ⇒ .O consumo de energia em residências ou escritórios é medido em quilowatt-hora (1 kWh = 3600 kJ). A capacidade da bateria é geralmente fornecida em miliamperes-hora (mAh). 1000 mAh correspondem a 13 300 joules assumindo que a tensão média da bateria é de 3,7 V .
Além disso, um componente de um smartphone pode ter um ou mais níveis de estados de energia :
Estado ativo O processador do aplicativo está operacional. A tela está ligada e os componentes estão ativos. A energia consumida no estado ativo é alta (por exemplo, 300 a 2000 mW, ao ouvir música e usar Wi-Fi ) e varia amplamente dependendo do uso. Estado inativo O processador do aplicativo fica ocioso, enquanto o processador de comunicação atinge um baixo nível de atividade, pois precisa permanecer conectado à rede para receber chamadas , SMS . O dispositivo está no modo de baixa energia . A energia consumida no estado inativo é significativamente menor do que no estado ativo e é relativamente invariável em usos normais. É medido em torno de 70 mW. Estado de "cauda" O dispositivo não está no estado inativo, mas nenhum aplicativo está ativo. Componentes como placas de rede , cartão SD e GPS em muitos smartphones exibem esse fenômeno do estado de "cauda". Eles permanecem em um estado de alta potência por algum tempo após sua atividade.Componente | Consumo |
---|---|
Processador | 35% |
Sem fio | 25% |
GSM | 25% |
Bluetooth | 7% |
Outro | 5% |
Iluminação de fundo | 3% |
Os smartphones modernos são equipados com uma ampla variedade de componentes de hardware integrados. Os principais componentes são a CPU , a memória , o cartão SD , o WiFi , o telefone , o Bluetooth , o GPS , a câmera , o acelerômetro , a bússola digital, a tela LCD , a tela sensível ao toque , o microfone e o alto - falante . É comum que aplicativos para smartphones usem vários componentes simultaneamente para fornecer uma experiência de usuário mais rica. Cada componente de hardware pode estar em vários modos de operação, conhecidos como estados de energia desse componente, cada um consumindo uma quantidade diferente de energia .
O consumo de energia do processador é fortemente influenciado pelo uso e frequência da CPU . Por exemplo, o processador não sobrecarrega ao procurar novas redes Wi-Fi; no entanto, ele é amplamente utilizado pela maioria dos jogos. Embora ainda seja um dos componentes que mais consome energia (12,7% da potência ), as técnicas de otimização da energia da CPU têm sido objeto de muitas pesquisas e técnicas maduras, como o ajuste dinâmico de frequência (in) já foram foi integrado em smartphones. Mas os resultados medidos também dependem muito do contexto de uso. Na verdade, quanto mais o processador é usado, mais energia ele consome . Por exemplo, em 2007, as medidas no HTC Wizard iMate KJam (in) mostram que o processador consome até 35% do total de energia .
Para memória de acesso aleatório (RAM), a potência pode ser bastante alta (maior que 100 mW em certos cenários), mas deve sempre ser correlacionada com o uso do processador . Ele pode exceder o poder do processador em algumas cargas de trabalho, mas em situações práticas, o poder do processador eclipsa o da memória por um fator de dois ou mais. Portanto, como uma porcentagem, a memória contribui com uma média de 6% da energia total. No modo de hibernação, no entanto, a memória pode aumentar até 20% porque precisa manter o estado do sistema . A memória flash , pouco contribui para o consumo de energia . Seu consumo atinge o pico de 30 mW durante a gravação de vídeo, ou 1,5% da potência total. Caso contrário, representa apenas 0,5% do total. As memórias RAM e flash estão entre os consumos elétricos mais baixos.
As medições feitas na interface do cartão SD , um SanDisk 2 GB , mostram um aumento na potência de 2,2 mW para gravações e um aumento de 21,1 mW para leituras. Seu consumo de energia é insignificante. Mesmo quando a reprodução de vídeo, uma das utilizações com a concentração mais elevada de dados de dispositivos móveis, os resultados das medições mostram que a potência de consumo do cartão SD é bem inferior a 1% do total de energia.
Um fator que levou à adoção generalizada de telefones celulares foi a melhoria dramática nas tecnologias de exibição. A tela é o dispositivo de saída principal para interação com o usuário final. A maior parte do seu consumo de energia pode ser atribuído à retroiluminação (até 414 mW); o display inclui a tela LCD , a tela de toque , os gráficos do acelerador e a luz de fundo . O conteúdo exibido na tela também pode afetar o consumo de energia de 33,1 mW com uma tela branca e 74,2 mW para uma tela preta. Ou seja, o consumo da tela representa cerca de 35,5% da potência ativa do smartphone. É composto de 19,2% a 19,5% devido ao brilho da tela e 16,3% devido ao conteúdo da tela . Por outro lado , a luz de fundo consome uma quantidade insignificante de energia quando o smartphone está no estado inativo (7,8 mW ).
Hardware gráfico dedicado, com processador gráfico ( GPU ), disponível em smartphones de última geração , ajudou a entregar execução mais rápida e menor consumo de energia. Além disso, a incorporação de gráficos 3D em smartphones apresentou vários desafios para designers de hardware porque, em comparação com outras plataformas , eles têm que lidar com entrada de energia limitada e menor poder de computação. A resolução , o nível de detalhe ( LOD ), iluminação, textura e taxa de atualização de quadros são fatores que desempenham um papel crítico na determinação da qualidade dos gráficos 3D . Por exemplo, em comparação, em uma simulação de um jogo 2D ( Angry Birds ) e um jogo 3D ( Need for Speed Most Wanted ) por 110 segundos, a energia consumida medida para o jogo 2D é 1.516 mW , enquanto para o 3D jogo, o consumo de energia é 2.425 mW .
Muito recentemente, as telas AMOLED começaram a substituir as telas LCD padrão em smartphones de consumo. Em comparação com a tela LCD, AMOLED oferece melhor qualidade de exibição e melhor eficiência de energia devido ao seu mecanismo de iluminação exclusivo.
Os smartphones são equipados com várias interfaces de rede sem fio, permitindo que atendam às diferentes demandas de comunicação e rede. Como os smartphones dependem cada vez mais de conexões sem fio para executar funções, o consumo de energia está aumentando significativamente.
BluetoothO Bluetooth é uma conexão padrão sem fio de baixa energia, curto alcance (10 metros) e oferece uma largura de banda de 1 Mb / s .
A interface Bluetooth possui três estados. Um estado ativo, e dois energia estados salvar composto por um modo de "sniffer", que permite manter o Bluetooth Interface conectado e para reativá-lo rapidamente durante uma transmissão de dados, e um "modo de suspensão". Profunda “, que é o mais energia modo eficiente .
Em 2006 foi realizado um estudo do consumo do cartão Bluetooth “BlueCore3”. De acordo com a sua ficha técnica, o cartão Bluetooth “BlueCore3” consome 5,8 mW no estado de espera e 81 mW no estado ativo. (Em transferência de dados ) No entanto, os dados medidos mostram um consumo de 25 mW no estado de espera e 120 mW no estado ativo (em transferência de dados). O modo standby corresponde ao modo “sniffer” porque o modo “deep sleep” não está disponível para o cartão “BlueCore3”.
Cardápio | Consumo em estado de baixa energia - espera | Consumo em estado ativo - transferência de dados |
---|---|---|
BlueCore3 (consumo dado pela ficha técnica) | 5,8 mW | 81 mW |
BlueCore3 (consumo medido) | 25 mW | 120 mW |
Enquanto isso, a tecnologia Bluetooth foi aprimorada rapidamente e consome menos energia , melhorando sua taxa de transferência. Outro estudo realizado em 2011 com um smartphone Nokia N95 mostra, em particular, que o facto de mudar o cartão Bluetooth para o estado ativo acrescenta um custo adicional de energia de apenas 3 mW. No modo de espera, com todas as interfaces de rede desligadas e a tela também, o smartphone Nokia N95 consome 12 mW. Este valor representa o consumo mínimo do smartphone Nokia N95 , está incluído em todos os outros resultados.
Estado | Precisão na condição | Potência em MW |
---|---|---|
Fora | Todas as interfaces de rede , bem como a tela, estão desligadas. Este é o consumo mínimo do smartphone | 12 |
Ativo | Quando o bluetooth mudou para o estado ativo | 15 |
Conectado e em espera | Quando o smartphone está conectado a outro dispositivo, mas não há troca de dados | 67 |
Pesquisa | Quando o telefone está procurando outros dispositivos Bluetooth | 223 |
Recepção | Ao receber dados | 425 |
Programa | Na transmissão de dados | 432 |
O Wi-Fi é um padrão sem fio de curto alcance (100 metros) e oferece uma largura de banda de 11 Mb / s para o padrão IEEE 802.11b ou 54 Mb / s para o padrão IEEE 802.11g . O uso de Wi-Fi produz um pico de consumo ao procurar hotspots Wi-Fi e emparelhá-lo com o hotspot , até quase cinco vezes mais energia do que a transferência de dados. No entanto, o custo de manutenção dessa associação é baixo. O consumo de energia aumenta quando o tempo entre duas transferências aumenta, esse aumento ocorre porque a interface Wi-Fi permanece no estado ativo que consome 3 a 3,5 joules por minuto. Para economizar energia, a interface Wi-Fi oferece um modo de “economia de energia ” que só pode ser acessado quando o terminal permanece conectado ao mesmo ponto de acesso Wi-Fi. Além disso, o consumo pode ser diferente entre os diferentes tipos de dispositivos. ' interfaces.
Cardápio | Consumo em estado de baixa energia (espera) |
Consumo em estado ativo (transferência de dados) |
---|---|---|
Cisco PCM-350 (consumo medido) | 390 mW | 1.600 mW |
Netgear MA701 (consumo dado pela ficha técnica) | 264 mW | 990 mW |
Linksys WCF12 (consumo medido) | 256 mW | 890 mW |
Estado | Tornado | bruxo | Nokia n95 |
---|---|---|---|
Programa | 1.242,3 mW | 1.844 mW | 1.629 mW |
Recepção | 988,7 mW | 1.716,7 mW | 1375 mW |
Inativo | Não divulgado | 1.271,1 mW | 979 mW |
Dormir | <1 mW | <1 mW | Não divulgado |
Energia modo de economia | 48,7 mW | 84,5 mW | 26 mW |
Em conexão | Não divulgado | Não divulgado | 868 mW |
Desconectando | Não divulgado | Não divulgado | 135 mW |
A interface Wi-Fi pode estar em cinco estados: transmitir, receber, inativo, hibernar e economia de energia. O estado de sono é o que menos consome. O consumo é reduzido significativamente no modo de “economia de energia”. O estado inativo pode ser relativamente alto porque ele apenas corresponde ao estado anterior ao estado de suspensão. Os smartphones com interface Wi-Fi IEEE 802.11b (velocidade máxima de 11 Mbit / s ), como o HTC Tornado (in) e Nokia N95 , consomem menos energia do que smartphones com interface Wi-Fi IEEE 802.11g (velocidade máxima de 54 Mbit / s ), como o HTC Wizard (en) . Receber consome menos energia do que transmitir. As medições realizadas em um smartphone ZTE V880 também mostraram que o Wi-Fi consome mais energia na transmissão do que na recepção.
3GO 3G permite o uso de transferências de dados de alta velocidade, como MMS , visualização de streaming de vídeos e navegação na web . Dois fatores determinam o consumo de energia devido à atividade da rede em um smartphone. Primeiro, a energia de transmissão que é proporcional ao comprimento de uma transmissão e ao nível de potência de transmissão . Em seguida, o protocolo de controle de recursos de rádio (in) que é responsável pela alocação de canal e escalonamento da energia consumida pela interface de rede com base em temporizadores de inatividade. O controlador de recursos de rádio (in) é composto por cinco estados:
véspera Nesse modo, a interface de rede do smartphone não se comunica com a rede, mesmo que esteja ouvindo mensagens de difusão. É neste estado que o smartphone consome menos energia . Cell_DCH Neste estado, o smartphone está associado a um canal de transporte dedicado e, portanto, está em modo de transmissão e recepção. Ele consome a maioria dos recursos de rede e o impacto na bateria é de um nível muito alto (800 mW). Quando não há atividade por um período de tempo especificado, a interface de rede entra no estado Cell_FACH. Cell_FACH Nesse estado, o smartphone se comunica com a rede por meio de um canal compartilhado. Alguns bits de dados podem ser transmitidos a uma taxa de dados relativamente baixa. Se houver um grande volume de dados a serem transmitidos, a interface de rede do smartphone mudará para o estado Cell_DCH. O consumo é maior que o estado de espera. É 400 MW. Cell_PCH Neste estado, nenhum canal físico dedicado é alocado para o equipamento do usuário, de forma que nenhuma atividade de transmissão é possível, mas o smartphone é conhecido por um canal compartilhado. O consumo de energia é baixo, 30 mW.Outro parâmetro influencia o consumo de energia do telefone. É o cronômetro de inatividade que controla a transição entre os estados. O consumo de energia , para o mesmo valor de atraso de tempo ocioso, é menor para a tecnologia WCDMA do que para a tecnologia cDMA2000 . O fenômeno do estado de “cauda” também tem um grande impacto no 3G . Por exemplo, ao receber um arquivo de 50 KB, a energia consumida no estado "fila" representa mais de 60% da energia total consumida enquanto no início da transferência, apenas 14% do arquivo. A energia total é consumida. A qualidade do sinal da rede de telefonia móvel também é fonte de consumo de energia . Na verdade, quanto pior a qualidade do sinal ou quanto mais longe o smartphone estiver de uma antena de relé , maior será o consumo de energia .
Rede | Transmissão por Mb / s | Recepção por Mb / s | Mudar para o estado ativo |
---|---|---|---|
4G | 438,39 mW | 51,97 mW | 1.288,04 mW |
3G | 868,98 mW | 122,12 mW | 817,88 mW |
Sem fio | 283,17 mW | 137,01 mW | 132,86 mW |
No 4G, o smartphone pode ter dois estados: “RRC-conectado” e “RRC-standby”. O smartphone passa do estado “RRC em espera” para o estado “RRC conectado” quando há recepção ou transmissão de dados. Após a transferência do último pacote , o cronômetro de inatividade é iniciado. O smartphone retorna ao estado “RRC em espera” quando o cronômetro de inatividade do smartphone se esgota. Cada mudança de estado consome energia .
A recepção descontínua (em) É um mecanismo de poupança de energia que consiste em implementar atrasos de tempo, entre duas transferências de dados, que permitem colocar a interface rádio em estado "micro sleep". No estado "RRC-conectado", o terminal pode estar no modo "recepção contínua", "recepção curta descontínua" ou "recepção longa descontínua", enquanto no estado "RRC-standby" ele só pode estar em "recepção descontínua " modo. Quando não houver recepção de pacotes por um determinado tempo, a interface entra em um período de "micro hibernação", então irá "despertar" periodicamente para verificar se não há novos pacotes em recepção.O custo de ativação do cartão 4G é alto, isso se explica pelo fato de que quanto maior o tamanho das transferências, maior será o consumo eficiente de energia da rede 4G . No entanto, a interface LTE consome muita energia , devido ao fenômeno do estado de "cauda" que é particularmente alto (de 32,2% a 62,2% do consumo total).
GSM / EdgeQuando o smartphone está ocioso, a potência da interface GSM é alta, consumindo cerca de 45% da potência total (cerca de 30 mW ). Ao contrário do 3G , a energia no estado "cauda" é apenas 30% da energia de transferência. A energia no início da transferência permanece baixa. A interface GSM é exposta a uma pequena quantidade de energia de manutenção, entre 2 e 3 joules por minuto, para manter a interface ativa. Em vez disso, é o tamanho dos dados que domina o consumo de energia do que os tempos entre transferências. A interface GSM tem um consumo de energia relativamente uniforme, apesar de uma taxa variável.
Também parece que a rede Edge consome mais energia na transmissão do que na recepção. Esta diferença aumenta consideravelmente quando a largura de banda aumenta (medições tiradas de um smartphone “ ZTE V880 ”).
GPS é o sistema de rastreamento que mais consome energia. Para evidenciar a diferença no consumo de energia desses três métodos, foram realizados testes em um smartphone Nokia N95 que realiza uma localização a cada 30 segundos com, inicialmente, a bateria totalmente carregada. Parece que com o sistema GPS a bateria se descarrega após 9 horas, após 40 horas com o sistema Wi-Fi e após 60 horas com o sistema baseado na rede celular.
Os bugs que afetam a vida útil da bateria dos smartphones foram identificados como " bugs de energia ", também chamados de "ebug".
A. Pathak realizou uma classificação de bug de energia acessando 39.000 postagens deixadas em quatro fóruns online. O resultado ilustra a diversidade de seus sintomas e as causas dos bugs de energia. Aqui está o resultado de sua classificação para bugs de energia de hardware:
Bateria 15,71% das mensagens indicam um esgotamento anormal de energia devido a uma bateria com defeito. As mensagens indicaram vários motivos: carregador danificado, bateria usada, danos causados pela água. Para além do facto de a bateria poder ficar danificada, constatou-se que em alguns casos o smartphone apresenta estatísticas de carregamento incorretas. Por exemplo, um smartphone exibe uma bateria que está cem por cento carregada quando está apenas trinta por cento carregada. Os problemas de bateria danificada são resolvidos substituindo uma bateria nova ou comprando um novo telefone. Em alguns casos, um procedimento denominado "calibração da bateria" pode ser suficiente. cartão SIM 0,43% das mensagens mostram que o cartão SIM do telefone também pode causar perda de energia de várias maneiras. Um cartão SIM antigo pode ser danificado e causar contatos ruins, o que causa perda de energia. Além disso, os diferentes cartões SIM operam em tensões diferentes (5 V , 3 V , 1,8 V ). Um atraso na geração da tensão pode desencadear uma descarga da bateria. Finalmente, o uso de micro SIM em telefones mais novos (por exemplo, iPhone) exige que os usuários “cortem” seu SIM normal, o que pode danificar o cartão SIM e causar um curto-circuito nos pinos, resultando em perda de energia. cartão SD Um cartão SD externo pode ser o gatilho para a perda de energia. Especificamente, um cartão SD corrompido pode interromper os aplicativos que tentam acessar o hardware repetidamente. Danos exteriores Danos externos ao hardware do dispositivo móvel também podem levar a uma queda inexplicável na energia de um smartphone. Por exemplo, 1,23% das mensagens indicam que o uso e desgaste dos botões do telefone tornou o botão da “tela inicial” hipersensível. Isso resultou em um desbloqueio aleatório do celular e, portanto, a luz de fundo ligando e ativando a CPU várias vezes, consumindo energia. Materiais externos 4,65% das mensagens atribuem o problema de energia ao hardware externo. Destes, carregadores de telefone inadequados foram relatados como a maior fonte (4,12% das postagens). Carregadores de parede, carregadores USB e carregadores de carro carregam apenas parcialmente o telefone e aquecem consideravelmente o dispositivo. Componentes externos, como alto-falantes musicais e teclados, foram relatados como fontes de perda de energia. Esses dispositivos externos geralmente contêm sua própria fonte de alimentação, mas foi observado que eles podem consumir a energia do dispositivo ao qual estão conectados. Por exemplo, o Eee-pad rapidamente perde energia quando conectado a um teclado externo.Muitos sites populares fornecem uma versão móvel, otimizada para uma tela pequena. Devido ao desconhecimento do consumo de energia pelo navegador , o código de muitos sites não é otimizado e força o navegador a usar mais energia do que o necessário. Além disso, o conteúdo dinâmico da web, como JavaScript e Flash, é amplamente usado em muitos sites. Embora os computadores desktop possam lidar facilmente com esse conteúdo dinâmico da web, sua execução leva tempo e energia . Por exemplo, simplesmente otimizando o código JavaScript da página da Wikipedia para dispositivos móveis, uma economia de energia de 35 joules a 25 joules pode ser alcançada, ou seja, uma economia de 29%. Além disso, o consumo de energia dos navegadores móveis varia ao carregar as mesmas páginas e imagens. Anúncios em banner podem aumentar o consumo de energia dos navegadores.
Do lado da conectividade, a rede Wi-Fi é cerca de quatro vezes mais eficiente do que o 3G. De fato, para uma leitura de três artigos no site móvel da BBC News por 180 segundos, a navegação na web consome 1275 mW via Wi-Fi e 1479 mW via 3G . Isso corresponde a uma redução de 20% na energia total. Essa diferença só pode ser explicada pelo custo de energia da interface de rádio 3G. No entanto, o custo de manutenção de uma conexão de dados usada é menor no caso do 3G (≈ 10 mW) do que no caso do Wi-Fi (50 mW).
Usar | 2G | 3G |
---|---|---|
Recebendo dados | 500 mW | 1.400 mW |
Transferência de dados | 1.389 mW | 591 mW |
Fazendo uma ligação por 5 minutos | 683,6 mW | 1265,7 mW |
Recebendo uma chamada por 5 minutos | 612,7 mW | 1224,3 mW |
Em espera | 15,1 mW | 25,3 mW |
Enviando um SMS de 100 bytes | 1,72 mW | 2,24 mW |
Enviando um SMS de 150 bytes | 2,35 mW | 3,22 mW |
Enviando um SMS de 200 bytes | 2,52 mW | 3,42 mW |
Enviando um SMS de 250 bytes | 2,64 mW | 3,56 mW |
Enviando um SMS de 300 bytes | 3,15 mW | 4,22 mW |
Fazer uma chamada de voz pela rede GSM consome em média 800 mW . Este alto valor se deve em parte à luz de fundo do smartphone. No entanto, desligar a luz de fundo, como o Android sugere, pode economizar até 40% de energia. Além disso, fazer e receber uma chamada via GSM consome 46% e 50% menos energia, respectivamente, do que usar UMTS . Então, quando o smartphone está no estado inativo, estar conectado a uma rede GSM custa 41% menos energia do que estar conectado a UMTS. Esta é a principal razão pela qual os usuários de smartphones 3G, com o único interesse de fazer ligações, devem desligar a tecnologia 3G.
Ao escrever um SMS, a energia consumida é dominada pelo display. O consumo de energia ao enviar um SMS aumenta linearmente com o comprimento da mensagem. De referir ainda que devido ao maior nível de potência da interface de rádio 3G, o envio de SMS em 3G consome sempre mais energia do que em GSM.
Para baixar arquivos, a rede GSM consome de 40 a 70% menos energia do que a rede 3G . Na verdade, o poder da interface de rádio do 3G é maior do que o do GSM . Além disso, o fenômeno do estado de “cauda” está muito mais presente no 3G . Por exemplo, o estado de “fila” para GSM é de cerca de 6 segundos, muito inferior aos 12,5 segundos definidos para 3G. O uso da rede wi-fi continua a ser mais econômico do que o uso do GSM , principalmente para transferências de dados superiores a 100 kb , porque o custo de associação a um hotspot wi-fi é alto. Na verdade, o custo de energia de associar o smartphone a um terminal Wi-Fi é comparável ao custo de energia do estado de “cauda” do 3G . Além disso, como a rede GSM é tarifável e a rede Wi-Fi gratuita, esta última deve ser a rede preferencial para transferência de dados. Infelizmente, as redes Wi-Fi estão longe de ser tão difundidas e, portanto, acessíveis como a rede GSM / EDGE .
Aplicativos de streaming , como YouTube , Dailymotion ou Vimeo , são extremamente populares hoje, mas estão entre os aplicativos que mais consomem energia . A comunicação de rede (o download ), a decodificação e a exibição são os três principais consumidores para compartilhar energia . Os serviços de streaming dependem principalmente do protocolo HTTP sobre TCP .
A reprodução de streaming tem duas partes, Quick Start, onde o servidor de streaming transmite dados para o jogador a uma taxa mais alta do que o resto da reprodução. Esses dados são armazenados na memória buffer do leitor. Para o resto da leitura, várias técnicas são possíveis.
Cache rápido É o fato de baixar completamente o arquivo. Esse método, usado pelo player HTML5 do YouTube incorporado em navegadores, é o mais eficiente em termos de energia. Desta forma, as interfaces de rede ficam em um estado de baixo consumo de energia durante a reprodução. No entanto, se o arquivo não for lido por completo, os dados terão sido baixados desnecessariamente. Isso resulta em um desperdício de energia . Taxa de codificação O servidor está tentando enviar mais dados do que a unidade pode armazenar em seu buffer . Então , o controle de fluxo TCP permite que o servidor transmita o restante dos dados na taxa em que o leitor os lê. Essa técnica, usada pelo flash player de alta definição do YouTube embutido nos navegadores, consome mais energia. Na verdade, a interface de rede fica ativa por mais tempo porque a taxa de transferência é inferior à taxa de transferência máxima e o intervalo de tempo entre dois pacotes não é suficiente para que a interface mude para o estado inativo. Estrangulamento O servidor transfere dados a uma taxa mais baixa do que a transferência em massa, mas a uma taxa mais alta do que a "taxa de codificação". A velocidade solicitada pelo leitor é especificada na solicitação HTTP . A taxa de bits para o navegador Flash player do YouTube do smartphone Samsung Galaxy S III é 1,25 vezes a taxa de bits da "taxa de codificação". Essa técnica, usada pelo flash player padrão e de baixa definição do YouTube embutido em navegadores, lê mais rápido do que a técnica de "taxa de codificação". Mas, como a técnica de "taxa de codificação", ela desperdiça energia porque a taxa de bits é menor que a taxa de bits máxima. Stop-Start-M O leitor (cliente) abre uma nova conexão TCP e envia uma nova solicitação HTTP para cada "início". Após receber uma quantidade de dados, o leitor fecha a conexão. Esta técnica usada pelo player nativo do YouTube desperdiça energia, especialmente em 3G e 4G porque a interface de rede é encontrada em um estado de "fila" após cada transferência. Stop-Start-S O jogador (cliente) usa uma conexão TCP persistente. Ele simplesmente interrompe a reprodução durante um período de "parada". Durante esse período de "desligamento", mensagens de controle de fluxo TCP são trocadas entre o servidor e o leitor. É a unidade que causa o próximo "período de inicialização". Essa técnica, usada pelos leitores do Dailymotion e Vimeo , consome muita energia porque a conexão é persistente. A interface de rede está, portanto, permanentemente ativa.Os jogos que contam com gráficos 3D estão entre os aplicativos mais populares para smartphones. Mas, devido ao grande volume de computação gráfica no processador e GPU e ao requisito de qualidade de exibição, os videogames estão entre os tipos de aplicativos para smartphones que mais consomem energia. A contribuição da CPU para o consumo total de energia pode ser de até 40%. Esta é a fase dos cálculos de geometria, onde o processador calcula os atributos e posições dos vértices dentro de uma cena 3D, que usa a maior parte do poder e tempo de computação, consumindo mais de 40% do tempo de computação e mais de 35% do poder total. Além disso, alguns videogames requerem interação do usuário que envolve o uso frequente de diferentes sensores, por exemplo, sensores de inclinação ou movimento dos dedos na tela sensível ao toque, influenciando no consumo de energia.
Muitos aplicativos são desnecessariamente ávidos por energia . Na verdade, a maior parte da energia de um aplicativo é gasta no acesso aos componentes de E / S. A CPU consome uma pequena fração da energia do aplicativo, a maior parte da qual é usada na construção da interface gráfica do aplicativo. Um estudo mostra ainda que 65% a 75% da energia em aplicativos gratuitos é gasta em módulos de publicidade de terceiros, como no Angry Birds , onde apenas 20% do consumo total de energia foi usado para jogar o jogo em si. Executar um aplicativo popular, com duração de trinta segundos, pode ativar de 29 a 47 processos filhos, muitos dos quais são programas de terceiros. A complexidade desses aplicativos é considerável. Executar esses aplicativos por cerca de 30 segundos consome 0,35% a 0,75% da carga total da bateria, uma taxa que pode drenar toda a bateria em questão de horas.
Aplicativo | Duração | Número de processos | % bateria | Principal causa de perda de energia |
---|---|---|---|---|
Navegador Android | 30s | 34 | 0,35% | 38% para solicitações e respostas HTTP e 16% devido a uma ferramenta de rastreamento de usuário |
Angry Birds | 28 s | 47 | 0,37% | 45% devido a uma ferramenta de rastreamento de usuário |
Fchess | 33 s | 37 | 0,60% | 50% devido à publicidade |
nytimes | 41 s | 29 | 0,75% | 65% para construir o banco de dados e 15% devido a uma ferramenta de rastreamento de usuário |
mapquest | 29 s | 43 | 0,60% | 27% para renderização do navegador, 20% para download de mapas |
Os aplicativos baseados em localização, como o “tráfego em tempo real”, Facebook ou MySpace , costumam estar em contato constante com as redes sociais, para fins comerciais ou de entretenimento. Esses aplicativos, que exigem localizações em tempo real, consomem muita energia. Essa energia é parcialmente consumida por atualizações desnecessárias do local. Na verdade, em certos casos, como quando o telefone está estático ou o sinal do GPS ou da rede celular não está disponível, as solicitações de localização ainda são executadas quando não são bem-sucedidas. Outro caso é a execução simultânea de vários aplicativos baseados em localização. Essas atualizações de localização invocam independentemente, em vez de sincronizar.
Os dois parâmetros que influenciam o consumo de energia são o intervalo de tempo e o intervalo de distância que produzem a atualização do local. Os aplicativos podem decidir aumentar esses intervalos para reduzir o consumo de energia, por exemplo, quando a bateria está fraca. Isso pode significar definir a atualização a cada minuto ou a cada 20 metros, em vez de a cada 30 segundos e a cada 10 metros.
Para manter a energia da bateria, a política de gerenciamento de energia padrão de um smartphone é que cada componente, incluindo a CPU, permaneça desligado ou em estado de repouso, a menos que o aplicativo diga explicitamente ao sistema operacional para permanecer ativo. Por exemplo, Android, IOS e Windows Mobile implementam um sistema agressivo que suspende todo o sistema após um breve período de inatividade do usuário. Manter ou não o sistema ativo é responsabilidade dos desenvolvedores de aplicativos. Para fazer isso, os aplicativos usam “sleep locks” para garantir que os componentes permaneçam acordados, independentemente da atividade do usuário. Os aplicativos podem realizar atividades periódicas de informação, como notificações. O gerenciamento inadequado dessas "travas suspensas" no código do aplicativo resulta inevitavelmente em bugs de energia , que contribuem significativamente para a perda de energia .
Classificação dos principais bugs de energia de software:
o "inseto insone" O "bug insone" é uma situação em que um aplicativo define um bloqueio para um componente, mas não o libera, mesmo após a conclusão do trabalho. Eles são o resultado de manuseio impróprio na codificação do aplicativo das APIs de controle de energia. O impacto de um "inseto sem dormir" pode ser severo, causando perda de energia de 10-25% por hora sem qualquer intervenção do usuário. O "bug sem dormir" foi observado em muitos aplicativos populares como Facebook, Google Latitude, Google Calendar, serviços de mensagens e até widgets . o "bug de loop" O "bug de loop" é uma situação em que um aplicativo tenta realizar tarefas desnecessárias periodicamente. Vários “bugs de loop” são acionados quando o aplicativo é incapaz de lidar com eventos externos imprevistos, como uma falha de servidor remoto ou uma alteração de senha de conta de e-mail. O aplicativo tentará repetidamente se conectar ao servidor remoto ou se autenticar no servidor de e-mail. Este comportamento reflete o consumo de energia indesejado. Bugs do sistema operacional As atualizações do sistema operacional, intencionais ou não, representam um grande número de reclamações de clientes. Por exemplo, muitos usuários de iPhone relataram uma diminuição repentina na vida útil da bateria de 100 horas em espera para 6 horas em espera devido ao novo vazamento de energia no iOS 5 da Apple. Os usuários do Android também encontraram esse tipo de problema em diferentes tipos de dispositivos. Mas os bugs dos sistemas operacionais relacionados à energia são difíceis de identificar devido aos sistemas proprietários móveis.Ser capaz de criar um modelo de consumo de energia é fundamental para um melhor entendimento, desenho e implementação de software. Existem dois métodos para medir e compreender como a energia é consumida em smartphones: Medição de energia e modelagem de energia. Esses dois métodos são complementares e devem ser suficientemente calibrados para não afetar a validade dos resultados.
O objetivo da medição de energia é estabelecer uma medição precisa da energia consumida. Existem dois métodos principais de medição de potência no nível do sistema. Em primeiro lugar, as informações da bateria cuja tensão e corrente pelas interfaces de programação de aplicativos (APIs) ou do software de perfilagem de energia . Este método é mais fácil de implementar. Ou, um método mais preciso, fazendo medições de potência física no nível do componente. A escolha do método depende da disponibilidade de instrumentos e dos requisitos da medição de potência.
A modelagem de energia descreve como a energia é consumida usando modelos matemáticos. De uma perspectiva de software, cada componente de hardware possui vários modos de operação, correspondendo a diferentes atividades e capacidades de processamento. Levando em consideração um modo de operação, é possível derivar o consumo de energia do componente material e, portanto, construir seu modelo. Existem dois conjuntos de métodos para estabelecer a modelagem:
Métodos determinísticos A ideia é estimar a energia consumida pelos componentes de hardware com base em sua atividade. Vários pesquisadores criaram ferramentas de profiling, que permitem estabelecer o perfil de desempenho de aplicativos, eficiência energética e / ou impacto na rede. Por exemplo, a ferramenta Eprof é usada para rastrear e registrar a energia de cada chamada do sistema. Métodos estatísticos Os métodos estatísticos visam encontrar uma relação entre o consumo de energia e as variáveis do modelo com base em modelos estatísticos como regressão linear . A ideia geral é encontrar a relação entre as estatísticas coletadas do sistema e o consumo de energia . Por exemplo, a ferramenta Sesame permite estabelecer uma correlação entre o consumo de energia e as estatísticas do sistema, ou a ferramenta ARO que consiste em um coletor de dados e cruzamento - analisadores de camada.As baterias de íon de lítio são muito populares para sistemas embarcados móveis devido ao bom relatório de potência / peso, sua longa vida útil e baixa autodescarga . Além disso, segundo M.Kim, o consumo da bateria é maior do que o consumo de energia de apenas smartphone. Há uma diferença substancial (27,6% no pior caso, 9,0% em média) entre o consumo da bateria e o consumo de energia do smartphone por causa das perdas na bateria. Pesquisas futuras sobre economia de energia com baterias devem, segundo ele, estar mais focadas no consumo de todo o "bateria + smartphone" do que apenas no consumo de energia do smartphone. Outros caminhos estão sendo estudados. Alguns pesquisadores da Universidade de Stanford estão usando a nanotecnologia para projetar baterias capazes de produzir dez vezes a quantidade de eletricidade das atuais baterias de íons de lítio. Outros pesquisadores estão tentando explorar os movimentos do usuário para recarregar a bateria do telefone, mas eles estão apenas no estágio inicial.
Da mesma forma, os fabricantes não oferecem inovações reais para melhorar o desempenho de suas baterias mas com ajustes e boas dicas, é possível aumentar as capacidades de autonomia dos smartphones.
Ao aumentar a espessura dos smartphones, é possível fabricar baterias mais grossas e, portanto, mais pesadas. Isso tem o efeito de aumentar a autonomia.
A bateria removível do smartphone permite aumentar rapidamente a autonomia.
Os designers de aplicativos são incentivados a desenvolver software para smartphones levando em consideração a eficiência energética. Seu principal obstáculo é a dificuldade de determinar o impacto das decisões de design de software no consumo de energia do sistema. De uma perspectiva de computação móvel, os desenvolvedores de sistema operacional devem estar cientes do grande impacto do código no consumo de energia devido à CPU.
Um dos objetivos é manter as interfaces de rede em um nível de energia baixo, porque durante o estado inativo não há os mesmos requisitos de desempenho de quando um usuário está usando ativamente o smartphone. Reduzir o consumo de energia no estado inativo deve ser uma prioridade para melhorar a vida útil da bateria (em média, o telefone fica no estado inativo 89% do tempo, e isso representa 46,3% do consumo total do sistema). Portanto, reduzir os níveis de potência das interfaces durante a atividade da rede, se os módulos de E / S forem desligados, pode aumentar a eficiência energética de um smartphone. Além disso, é importante agrupar ao máximo as fases da atividade de acesso à rede, embora devam permanecer em ordem sequencial, a fim de obter períodos mais longos de inatividade e reduzir o fenômeno.
Na era da computação em nuvem , o consumo de energia de um smartphone pode ser reduzido de forma eficiente, descarregando tarefas pesadas e movendo-as para a nuvem. Na verdade, com essa solução, processos complexos de TI e armazenamento de dados são implantados fora do telefone, em uma infraestrutura de TI mais poderosa e eficiente. Por exemplo, a codificação de vídeo requer processamento pesado, o que esgota a bateria do smartphone se feito no processador do smartphone. A computação em nuvem pode, portanto, potencialmente economizar energia, embora nem todos os aplicativos precisem ser migrados para a nuvem. A porta remota de um aplicativo na nuvem só é benéfica quando esse aplicativo consome potência de computação e requer poucas interações com as interfaces de rede, pois a maior parte do consumo de energia para aplicativos remotos é devido à transmissão de dados.
Existem configurações em sistemas operacionais de smartphones, por exemplo Android , que limitam o número de aplicativos em segundo plano em execução. No entanto, nem todos os aplicativos reduzem a eficiência energética de um smartphone. Portanto, em vez de limitar o número de aplicativos, deve haver informações sobre os aplicativos e os tipos de acesso à rede que consomem menos energia . Assim, o usuário pode agir de acordo. Além disso, os telefones celulares fornecem interfaces de usuário que permitem compensar entre a vida útil da bateria e a facilidade de uso, como o brilho da tela, mas a maioria dos usuários não usa os níveis de energia. Um ajuste automático de brilho deve ser incluído nos smartphones. As interfaces de usuário também permitem que os usuários desliguem componentes do sistema que consomem muita energia, como interfaces Bluetooth e Wi-Fi , para economizar energia .
Embora as necessidades anuais de eletricidade para carregar um único smartphone sejam insignificantes, não devemos negligenciar o consumo induzido por sua multiplicação. No final de 2013, mais de 1 bilhão de pessoas possuíam um smartphone. Em 2011, os fabricantes venderam mais smartphones do que PCs. Seu consumo coletivo de eletricidade, portanto, assume maior importância.
O telefone consome a energia armazenada em sua bateria. O problema surge da necessidade de recarregar as baterias em uma tomada ou outra fonte de energia elétrica. Um dos problemas fundamentais é a eficiência de conversão de energia da rede de distribuição elétrica para fornecer trabalho útil. Em outras palavras, determine o número de joules de energia proveniente da rede elétrica para produzir um joule de trabalho ao usar o dispositivo. Por exemplo, o consumo anual de energia de um assinante é estimado em 2,34 kWh. Isso é equivalente a 39 horas com uma lâmpada de 60 watts, ou a energia que um carro usa para viajar 8 km .
O alto consumo de energia, determinado pela capacidade da bateria, ações do usuário, eficiência energética do hardware e software do telefone, leva a necessidades frequentes de recarga e, portanto, a um maior consumo de energia. A maior parte do consumo de energia vem do carregamento do telefone. O carregador, uma vez conectado a uma tomada elétrica, consome energia, esteja o telefone conectado ou não. Com efeito, devido às perdas de conversão e armazenamento de eletricidade, apenas uma parte da energia retirada da rede elétrica produz trabalho útil no dispositivo móvel a funcionar a bateria, o resto se dissipa em forma de calor. Carregar a bateria consome apenas 40% da energia total consumida, por outro lado 55% se perde por conexão desnecessária do carregador, os 5% restantes correspondem a um tempo de carregamento muito longo do telefone.
Existem três áreas de possível melhoria:
Influenciar o comportamento do usuário (por exemplo, fazer com que os usuários desconectem os carregadores) é provavelmente menos eficaz do que as melhorias técnicas, porque o consumo de eletricidade do processo de carregamento não é de interesse imediato para o usuário. Usuário final. No entanto, algumas operadoras de telefonia estão tentando influenciar o comportamento do usuário com alertas que sugerem que o usuário desligue o carregador quando o carregamento estiver concluído.
Mas, um estudo da Opower mostra que a questão do impacto do consumo de energia do smartphone no consumo geral de energia é mais complexa. Na verdade, os hábitos dos consumidores estão mudando, eles estão usando smartphones para fazer coisas que costumavam fazer em computadores, televisores e consoles de jogos. Por exemplo, em março de 2012, os usuários americanos acessaram o site do Facebook principalmente com seus smartphones. Desde 2011, a visualização de conteúdo de vídeo premium aumentou em tablets e smartphones, enquanto os computadores pessoais mostraram um declínio acentuado. Além disso, smartphones e tablets usam muito menos energia do que dispositivos maiores (por exemplo, PCs). Quando você compara o consumo de eletricidade dos smartphones às necessidades dos dispositivos elétricos maiores, historicamente usados para conectividade e entretenimento, os resultados mostram que a economia é substancial.
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