Il consumo energetico di uno smartphone è definito dalla quantità di energia utilizzata dallo smartphone per gestire i servizi che offre. Il divario tra l'energia immagazzinata nella batteria e l'energia consumata dai componenti principali è aumentata ad ogni generazione. Il consumo energetico di uno smartphone deriva dal consumo dei suoi componenti perché il software , sempre più numeroso, li richiede. È quindi importante saper misurare e capire come viene consumata l'energia sui dispositivi mobili. Questo porta i ricercatori a lavorare su diverse soluzioni per ridurre il consumo di energia al fine di migliorare l'esperienza dell'utente. Il consumo energetico di uno smartphone ha un impatto significativo sulla sua autonomia ma un impatto trascurabile sul consumo energetico complessivo .
La penetrazione del mercato degli smartphone è forte. Alla fine del 2013, nel mondo erano in circolazione 1,4 miliardi di smartphone. Sono dotati di processori e sistemi operativi più potenti e diverse interfacce di rete . Sostituiscono diversi oggetti che avevamo in tasca e consentono al loro utente di interagire con l'attrezzatura circostante.
Ma l'uso degli smartphone è fortemente limitato dalla durata della batteria , che è soggetta alle dimensioni e ai limiti di peso del terminale . Inoltre, l' energia è una delle principali risorse che, una volta esaurita, rende inoperanti tutte le applicazioni del dispositivo mobile, comprese quelle essenziali come le chiamate di emergenza . In definitiva, la domanda che un utente si pone durante l'esecuzione di un'app mobile è: "Per quanto tempo posso utilizzare il telefono durante l'esecuzione di questa app?" ". L'ottimizzazione del consumo di energia di milioni di applicazioni per smartphone è quindi di fondamentale importanza. Sapere misurare il consumo di energia dei terminali mobili è fondamentale per la comprensione e il debug del consumo energetico delle applicazioni mobili.
Nei primi anni 2000, l'area prioritaria della ricerca riguardava l'efficienza energetica per il calcolo, come il consumo di energia dei microprocessori , poiché i servizi di Internet mobile come la posta elettronica erano ancora agli inizi. Poi le interfacce WLAN come Bluetooth e IEEE 802.11 sono diventate onnipresenti. Con i servizi Internet mobile, che stanno diventando popolari e utilizza un'applicazione che ha cambiato radicalmente la trasmissione dei dati Wireless è una parte importante del consumo di energia degli smartphone .
Poi, dal 2003, diversi leader del settore hanno sviluppato soluzioni per portare la presenza del 3D su piattaforme mobili. A causa dell'intensità dei calcoli di geometria e rasterizzazione, e una sempre esposta, queste applicazioni 3D sono estremamente intensa energia . I miglioramenti nella tecnologia delle batterie non soddisferanno il fabbisogno energetico dell'elaborazione grafica 3D nei futuri dispositivi portatili, il che sta guidando la ricerca sul miglioramento dell'efficienza energetica.
Utilizzare batterie di maggiore capacità potrebbe essere una soluzione banale, ma la loro evoluzione tecnologica non segue le tendenze dettate dalla Legge di Moore . Mentre la potenza di calcolo raddoppia ogni due anni secondo Moore, la capacità della batteria raddoppia solo ogni dieci anni. Inoltre, con più sensori, come il GPS , disponibili sui dispositivi e poiché il miglioramento della capacità della batteria è molto moderato rispetto all'aumento di nuovi servizi e materiali, il controllo del contesto e il consumo di energia dello smartphone diventa una sfida.
Il consumo energetico di uno smartphone è definito dal costo energetico necessario ai componenti hardware per svolgere la propria attività. Questa attività è indotta da esecuzioni di software, legate all'attività dell'utente. Il software, infatti, produce una quantità di lavoro, in un dato tempo (ad esempio accesso I /O , codifica o decodifica dei dati), che dà luogo ad operazioni sull'hardware. In altre parole, il consumo di energia deriva dall'esecuzione di applicazioni che, attraverso i loro comportamenti, attivano un carico di lavoro sui componenti hardware. L'ambiente esterno può anche influenzare il carico di lavoro delle operazioni software e hardware. Ad esempio, l'interferenza di rete può causare la ritrasmissione dei dati durante la trasmissione wireless. Ciò si traduce in una variazione del carico di lavoro sugli accessi I /O .
Inoltre, i terminali sono alimentati a batteria per consentire il massimo grado di libertà all'utente, ma questo limita le risorse in termini di energia e potenza . È essenziale capire la differenza tra questi due termini che a volte sono usati in modo intercambiabile.
Potere La velocità con cui viene svolto il lavoro, espressa in watt ⇒ . Energia L'integrale di tempo e potenza, espresso in joule ⇒ .Il consumo energetico di abitazioni o uffici si misura in kilowattora (1 kWh = 3600 kJ). La capacità della batteria è spesso espressa in milliampere-ora (mAh). 1000 mAh corrispondono a 13 300 joule assumendo che la tensione media della batteria sia di 3,7 V .
Inoltre, un componente di uno smartphone può avere uno o più livelli di stati di alimentazione :
stato attivo Il processore dell'applicazione è operativo. Lo schermo è acceso ei componenti sono attivi. La potenza consumata in stato attivo è elevata (ad es. da 300 a 2000 mW, durante l'ascolto di musica e l'utilizzo del Wi-Fi ) e varia notevolmente a seconda dell'utilizzo. Stato inattivo Il processore dell'applicazione è inattivo, mentre il processore di comunicazione raggiunge un basso livello di attività, perché deve rimanere connesso alla rete per ricevere chiamate , SMS . Il dispositivo è in modalità di basso consumo . La potenza consumata nello stato inattivo è significativamente inferiore rispetto allo stato attivo ed è relativamente invariabile negli usi normali. Viene misurato intorno ai 70 mW. Stato di "coda" Il dispositivo non è inattivo, ma nessuna applicazione è attiva. Componenti come schede di rete , scheda SD e GPS su molti smartphone presentano questo fenomeno dello stato "coda". Rimangono in uno stato di alta potenza per un po' di tempo dopo la loro attività.Componente | Consumo |
---|---|
Processore | 35% |
senza fili | 25% |
GSM | 25% |
Bluetooth | 7% |
Altro | 5% |
Retroilluminazione | 3% |
Gli smartphone moderni sono dotati di un'ampia varietà di componenti hardware integrati. I componenti principali sono la CPU , la memoria , la scheda SD , il WiFi , il telefono , il Bluetooth , il GPS , la fotocamera , l' accelerometro , la bussola digitale, lo schermo LCD , il touch screen , il microfono e l' altoparlante . È comune che le applicazioni per smartphone utilizzino più componenti contemporaneamente per fornire un'esperienza utente più ricca. Ciascun componente hardware può trovarsi in più modalità di funzionamento, note come stati di alimentazione di quel componente, ciascuna delle quali consuma una quantità diversa di energia .
Il consumo di energia del processore è fortemente influenzato dall'utilizzo e dalla frequenza della CPU . Ad esempio, non c'è stress sul processore durante la ricerca di nuove reti Wi-Fi, tuttavia è ampiamente utilizzato dalla maggior parte dei giochi. Sebbene sia ancora uno dei componenti che consumano più energia (12,7% della potenza ), le tecniche per ottimizzare l' energia della CPU sono state oggetto di molte ricerche e tecniche mature, come la regolazione dinamica della frequenza (in) sono già state stato integrato negli smartphone. Ma i risultati misurati dipendono molto anche dal contesto di utilizzo. Infatti, più il processore viene utilizzato, più energia consuma . Ad esempio, nel 2007, le misurazioni su HTC Wizard iMate KJam (in) mostrano che il processore consuma fino al 35% della potenza totale.
Per la memoria ad accesso casuale (RAM), la potenza può essere piuttosto elevata (superiore a 100 mW in determinati scenari), ma è sempre da correlare con l'utilizzo del processore . Può superare la potenza del processore in alcuni carichi di lavoro, ma in situazioni pratiche la potenza del processore eclissa quella della memoria di un fattore due o più. Pertanto, in percentuale, la memoria contribuisce in media al 6% della potenza totale. In modalità sleep, invece, la memoria può salire fino al 20% perché deve mantenere lo stato del sistema . La memoria flash , contribuisce poco al consumo di energia . Il suo consumo raggiunge i 30 mW durante la registrazione video, ovvero l'1,5% della potenza totale. Altrimenti rappresenta solo lo 0,5% del totale. RAM e memorie flash sono tra i consumi elettrici più bassi.
Le misurazioni effettuate sull'interfaccia della scheda SD , una SanDisk da 2 GB , mostrano un aumento di potenza di 2,2 mW per le scritture e un aumento di 21,1 mW per le letture. Il suo consumo energetico è trascurabile. Anche durante la riproduzione di video, uno degli utilizzi con la più alta concentrazione di dati da dispositivi mobili, i risultati della misurazione mostrano che il consumo energetico della scheda SD è ben al di sotto dell'1% della potenza totale.
Un fattore che ha portato all'adozione diffusa dei telefoni cellulari è stato il notevole miglioramento delle tecnologie di visualizzazione. Lo schermo è il dispositivo di output principale per l'interazione con l'utente finale. La maggior parte del suo consumo di energia può essere attribuita alla retroilluminazione (fino a 414 mW); il display comprende lo schermo LCD , il touch screen , l' acceleratore grafico e la retroilluminazione . Il contenuto visualizzato sullo schermo può anche influenzare la potenza di consumo di 33,1 mW con uno schermo bianco e 74,2 mW per uno schermo nero. In altre parole, il consumo dello schermo rappresenta circa il 35,5% della potenza attiva dello smartphone. È composto dal 19,2% al 19,5% a causa della luminosità dello schermo e del 16,3% a causa del contenuto sullo schermo . Al contrario , la retroilluminazione consuma una quantità trascurabile di energia quando lo smartphone è inattivo (7,8 mW ).
L'hardware grafico dedicato, con un processore grafico ( GPU ), disponibile sugli smartphone di fascia alta , ha contribuito a fornire un'esecuzione più rapida e un consumo energetico inferiore. Inoltre, l'incorporazione della grafica 3D negli smartphone ha posto diverse sfide ai progettisti di hardware perché, rispetto ad altre piattaforme , devono affrontare un consumo energetico limitato e una potenza di calcolo inferiore. La risoluzione , il livello di dettaglio ( LOD ), l'illuminazione, la trama e la frequenza di aggiornamento dei fotogrammi sono fattori che giocano un ruolo fondamentale nel determinare la qualità della grafica 3D . Ad esempio, a confronto, su una simulazione di un gioco 2D ( Angry Birds ) e un gioco 3D ( Need for Speed Most Wanted ) per 110 secondi, la potenza consumata misurata per il gioco 2D è di 1.516 mW , mentre per il 3D gioco, il consumo energetico è di 2425 mW .
Molto recentemente, gli schermi AMOLED hanno iniziato a sostituire gli schermi LCD standard negli smartphone consumer. Rispetto allo schermo LCD, AMOLED offre una migliore qualità di visualizzazione e una migliore efficienza energetica grazie al suo esclusivo meccanismo di illuminazione.
Gli smartphone sono dotati di più interfacce di rete in modalità wireless che consentono loro di soddisfare le diverse esigenze di comunicazione e networking. Poiché gli smartphone si affidano sempre più alle connessioni wireless per eseguire le funzioni, il consumo di energia sta aumentando in modo significativo.
BluetoothIl Bluetooth è una connessione standard senza wireless a basso consumo energetico, a corto raggio (10 metri) e offre una larghezza di banda di 1 Mb/s .
L'interfaccia Bluetooth ha tre stati. Uno stato attivo, e due stati di risparmio energetico composti da una modalità "sniffer" che permette di mantenere connessa l' interfaccia Bluetooth e di riattivarla velocemente durante una trasmissione dati, e una "modalità sleep". deep ”che è la modalità più efficiente dal punto di vista energetico .
Uno studio sui consumi della scheda Bluetooth “BlueCore3” è stato effettuato nel 2006. Secondo la sua scheda tecnica, la scheda Bluetooth “BlueCore3” consuma 5,8 mW in standby e 81 mW in stato attivo (in trasferimento dati ). Tuttavia, i dati misurati mostrano piuttosto un consumo di 25 mW in stato di standby e 120 mW in stato attivo (in trasferimento dati). La modalità standby corrisponde alla modalità “sniffer” perché la modalità “deep sleep” non è disponibile per la scheda “BlueCore3”.
Menù | Consumo in stato di basso consumo - standby | Consumo in stato attivo - trasferimento dati |
---|---|---|
BlueCore3 (consumo dato dalla scheda tecnica) | 5,8 mW | 81 mW |
BlueCore3 (consumo misurato) | 25 mW | 120 mW |
Nel frattempo, la tecnologia Bluetooth è stata rapidamente migliorata e consuma meno energia migliorando la velocità di trasferimento. Un altro studio effettuato nel 2011 utilizzando uno smartphone Nokia N95 mostra in particolare che il fatto di portare la scheda Bluetooth allo stato attivo aggiunge un costo energetico aggiuntivo di soli 3 mW. In stato di standby, con tutte le interfacce di rete disattivate e anche lo schermo, lo smartphone Nokia N95 consuma 12 mW. Questo valore rappresenta il consumo minimo dello smartphone Nokia N95 , è incluso in tutti gli altri risultati.
stato | Precisione a condizione | Potenza in mW |
---|---|---|
spento | Tutte le interfacce di rete e lo schermo sono spenti. Questo è il consumo minimo dello smartphone | 12 |
Attivo | Quando il bluetooth è passato allo stato attivo | 15 |
Connesso e in standby | Quando lo smartphone è connesso a un altro dispositivo ma non c'è scambio di dati | 67 |
Ricerca | Quando il telefono sta cercando altri dispositivi Bluetooth | 223 |
reception | Quando si ricevono i dati | 425 |
Programma | Nella trasmissione dei dati | 432 |
Il Wi-Fi è uno standard wireless a corto raggio (100 metri) e offre una larghezza di banda di 11 Mb/s per lo standard IEEE 802.11b o 54 Mb/s per lo standard IEEE 802.11g . L'utilizzo del Wi-Fi produce un picco di consumo durante la ricerca di hotspot Wi-Fi e quando lo si associa all'hotspot , fino a quasi cinque volte più energia rispetto al trasferimento dei dati. Tuttavia, il costo per mantenere questa associazione è basso. Il consumo di energia aumenta quando aumenta il tempo tra due trasferimenti, questo aumento si verifica perché l' interfaccia Wi-Fi rimane nello stato attivo che consuma da 3 a 3,5 joule al minuto. Per risparmiare energia, l'interfaccia Wi-Fi prevede una modalità di “risparmio energetico ” a cui è possibile accedere solo quando il terminale rimane connesso allo stesso hotspot Wi-Fi, inoltre i consumi possono essere differenti tra le diverse tipologie di dispositivi. interfacce.
Menù | Consumo in stato di basso consumo (standby) |
Consumo in stato attivo (trasferimento dati) |
---|---|---|
Cisco PCM-350 (consumo misurato) | 390 mW | 1.600 mW |
Netgear MA701 (consumo dato dalla scheda tecnica) | 264 mW | 990 mW |
Linksys WCF12 (consumo misurato) | 256 mW | 890 mW |
stato | Tornado | procedura guidata | Nokia n95 |
---|---|---|---|
Programma | 1.242,3 mW | 1.844 mW | 1.629 mW |
reception | 988.7 mW | 1.716,7 mW | 1375 mW |
Non attivo | Non divulgato | 1.271,1 mW | 979 mW |
Dormire | <1 mW | <1 mW | Non divulgato |
Energia modalità di risparmio | 48,7 mW | 84,5 mW | 26 mW |
In collegamento | Non divulgato | Non divulgato | 868 mW |
Disconnessione | Non divulgato | Non divulgato | 135 mW |
L'interfaccia Wi-Fi può essere in cinque stati: trasmissione, ricezione, inattività, sospensione e risparmio energetico. Lo stato di sonno è quello che consuma di meno. Il consumo è notevolmente ridotto in modalità “risparmio energetico”. Lo stato inattivo può essere relativamente alto perché corrisponde solo allo stato prima dello stato di sospensione. Gli smartphone con interfaccia Wi-Fi IEEE 802.11b (velocità massima 11 Mbit/s ), come HTC Tornado (in) e Nokia N95 , consumano meno energia rispetto agli smartphone con interfaccia Wi-Fi IEEE 802.11g (velocità massima 54 Mbit / s ), come HTC Wizard (en) . La ricezione consuma meno energia della trasmissione. Le misurazioni effettuate su uno smartphone ZTE V880 hanno inoltre dimostrato che il Wi-Fi consuma più energia in trasmissione che in ricezione.
3GIl 3G consente l'utilizzo di trasferimenti di dati ad alta velocità come MMS , la visualizzazione di video in streaming e la navigazione sul web . Due fattori determinano il consumo di energia dovuto all'attività di rete in uno smartphone. Innanzitutto, l' energia di trasmissione che è proporzionale alla lunghezza di una trasmissione e al livello di potenza di trasmissione . Quindi il protocollo di controllo delle risorse radio (in) che è responsabile dell'allocazione del canale e del ridimensionamento della potenza consumata dall'interfaccia di rete in base ai timer di inattività. Il controllore delle risorse radio (in) è composto da cinque stati:
vigilia In questa modalità, l' interfaccia di rete dello smartphone non comunica con la rete anche se è in ascolto di messaggi broadcast. È in questo stato che lo smartphone consuma meno energia . Cell_DCH In questo stato lo smartphone è associato ad un canale di trasporto dedicato ed è quindi in modalità di trasmissione e ricezione. Consuma la maggior parte delle risorse di rete e l'impatto sulla batteria è molto elevato (800 mW). Quando non c'è attività per un periodo di tempo specificato, l' interfaccia di rete entra nello stato Cell_FACH. Cell_FACH In questo stato lo smartphone comunica con la rete attraverso un canale condiviso. Alcuni bit di dati possono essere trasmessi a una velocità dati relativamente bassa. Se c'è un grande volume di dati da trasmettere, l' interfaccia di rete dello smartphone passerà allo stato Cell_DCH. Il consumo è maggiore dello stato di standby. . Sono 400 mW. Cell_PCH In questo stato, nessun canale fisico dedicato è assegnato all'apparecchiatura utente, quindi non è possibile alcuna attività di trasmissione, ma lo smartphone è noto a un canale condiviso. Il consumo energetico è basso, 30 mW.Un altro parametro influenza il consumo energetico del telefono. È il timer di inattività che controlla la transizione tra gli stati. Il consumo di energia , per lo stesso valore di ritardo del tempo di inattività, è inferiore per la tecnologia WCDMA rispetto alla tecnologia cDMA2000 . Anche il fenomeno dello stato di “coda” ha un forte impatto sul 3G . Ad esempio, quando si riceve un file 50 KB, l' energia consumata nello stato "coda" rappresenta più del 60% del totale dell'energia consumata mentre all'inizio del transfer, solo il 14% del file. Il totale di energia viene consumata. La qualità del segnale della rete di telefonia mobile è anche fonte di consumo energetico . Infatti, minore è la qualità del segnale o più lontano è lo smartphone da un'antenna a relè , maggiore sarà il consumo di energia .
Rete | Trasmissione per Mb/s | Ricezione per Mb/s | Passa allo stato attivo |
---|---|---|---|
4G | 438,39 mW | 51,97 mW | 1.288,04 mW |
3G | 868,98 mW | 122,12 mW | 817,88 mW |
senza fili | 283,17 mW | 137,01 mW | 132,86 mW |
In 4G lo smartphone può avere due stati: “RRC-connesso” e “RRC-standby”. Lo smartphone passa dallo stato “RRC-standby” allo stato “RRC-connesso” quando c'è una ricezione o una trasmissione di dati. Dopo l'ultimo pacchetto trasferito, si avvia il timer di inattività. Lo smartphone torna allo stato "RRC-standby" quando è trascorso il timer di inattività dello smartphone . Ogni cambio di stato consuma energia .
La ricezione discontinua (in) Si tratta di un meccanismo di risparmio energetico che consiste nell'attuazione di ritardi temporali, tra due trasferimenti di dati, che consentono di porre l'interfaccia radio in uno stato di "micro sleep". Nello stato "RRC-connesso" il terminale può trovarsi in modalità "ricezione continua", "ricezione discontinua breve" o "ricezione discontinua lunga", mentre nello stato "standby RRC" può essere solo in "ricezione discontinua". " modalità. Quando non c'è stata ricezione di pacchetti per un certo tempo, l'interfaccia entra in un periodo di "micro sleep", quindi periodicamente si "sveglia" per verificare che non ce ne siano di nuovi pacchetti in ricezione.Il costo di attivazione della carta 4G è elevato, ciò si spiega con il fatto che maggiore è l'entità dei trasferimenti, maggiore è la rete 4G che diventa efficiente nel consumo di energia . Tuttavia, l' interfaccia LTE consuma molta energia , a causa del fenomeno dello stato "coda" che è particolarmente elevato (dal 32,2% al 62,2% del consumo totale).
GSM / BordoQuando lo smartphone è inattivo, la potenza dell'interfaccia GSM è elevata, consumando circa il 45% della potenza complessiva (circa 30 mW ). A differenza del 3G , l' energia nello stato di "coda" è solo il 30% dell'energia di trasferimento. L'energia all'inizio del trasferimento rimane bassa. L'interfaccia GSM è esposta a una piccola quantità di energia di manutenzione, tra 2 e 3 joule al minuto per mantenere attiva l'interfaccia. Piuttosto, è la dimensione dei dati che domina il consumo energetico rispetto ai tempi di trasferimento. L'interfaccia GSM ha un consumo energetico relativamente uniforme, nonostante un tasso variabile.
Sembra inoltre che la rete Edge consumi più energia in trasmissione che in ricezione. Questa differenza aumenta notevolmente all'aumentare della larghezza di banda (misure prese da uno smartphone “ ZTE V880 ”).
Il GPS è il sistema di tracciamento che consuma più energia. Per evidenziare la differenza di consumo energetico di questi tre metodi, i test sono stati effettuati utilizzando uno smartphone Nokia N95 che esegue una localizzazione ogni 30 secondi con, inizialmente, una batteria completamente carica. Sembra che con il sistema GPS la batteria si scarichi dopo 9 ore, dopo 40 ore con il sistema Wi-Fi e dopo 60 ore con il sistema basato sulla rete cellulare.
Gli insetti che influenzano la durata della batteria negli smartphone sono stati identificati come " bug di energia ", chiamata anche "ebug".
R. Pathak ha eseguito una classificazione dei bug energetici attingendo a 39.000 post lasciati su quattro forum online. Il risultato illustra la diversità dei loro sintomi e le cause dei bug energetici. Ecco il risultato della sua classifica per i bug energetici dell'hardware:
batteria Il 15,71% dei messaggi segnala un esaurimento anomalo di energia dovuto a una batteria difettosa. I messaggi indicavano diversi motivi: caricabatterie danneggiato, batteria usata, danni causati dall'acqua. A parte il fatto che la batteria potrebbe danneggiarsi, è stato osservato che in alcuni casi lo smartphone mostra statistiche di carica errate. Ad esempio, uno smartphone visualizza una batteria carica al cento per cento quando è carica solo al trenta per cento. I problemi di batteria difettosa vengono risolti sostituendo una nuova batteria o acquistando un nuovo telefono. In alcuni casi può essere sufficiente una procedura chiamata "calibrazione della batteria". carta SIM Lo 0,43% dei messaggi mostra che anche la carta SIM del telefono può causare perdite di energia in diversi modi. Una vecchia scheda SIM può danneggiarsi e portare a contatti difettosi, con conseguente perdita di energia. Inoltre, le diverse SIM funzionano con voltaggi diversi (5 V , 3 V , 1,8 V ). Un ritardo nella generazione della tensione potrebbe innescare una scarica della batteria. Infine, l'uso della micro SIM nei telefoni più recenti (es. iPhone) richiede agli utenti di "tagliare" la normale SIM, il che può danneggiare la scheda SIM e cortocircuitare i pin con conseguente perdita di energia. scheda SD Una scheda SD esterna può essere l'innesco per la perdita di energia. In particolare, una scheda SD danneggiata può interrompere le applicazioni che tentano ripetutamente di accedere all'hardware. Danni esterni Danni esterni all'hardware del dispositivo mobile possono anche portare a un inspiegabile calo della potenza di uno smartphone. Ad esempio, l'1,23% dei messaggi indica che l'usura dei pulsanti del telefono ha reso ipersensibile il pulsante della "schermata iniziale". Ciò ha comportato uno sblocco casuale del cellulare e quindi la retroilluminazione che si accendeva e attivava la CPU più volte, consumando energia. Materiali esterni Il 4,65% dei messaggi attribuisce il problema energetico ad hardware esterno. Di questi, i caricabatterie per telefoni inappropriati sono stati segnalati come la fonte principale (4,12% dei post). I caricabatterie da muro, i caricabatterie USB e i caricabatterie per auto caricano solo parzialmente il telefono e riscaldano notevolmente il dispositivo. Componenti esterni come altoparlanti e tastiere sono stati segnalati come fonti di perdita di energia. Questi dispositivi esterni di solito contengono una propria fonte di alimentazione, ma è stato osservato che possono consumare l'energia del dispositivo a cui sono collegati. Ad esempio, l' Eee-pad perde rapidamente energia quando è collegato a una tastiera esterna.Molti siti popolari forniscono una versione mobile, ottimizzata per un piccolo schermo. A causa dell'ignoranza del consumo energetico da parte del browser web , il codice di molti siti non è ottimizzato e costringe il browser a utilizzare più energia del necessario. Inoltre, i contenuti web dinamici come JavaScript e Flash sono ampiamente utilizzati in molti siti. Sebbene i computer desktop possano gestire facilmente questo contenuto Web dinamico, eseguirlo richiede tempo ed energia . Ad esempio, semplicemente ottimizzando il codice JavaScript della pagina Wikipedia per mobile, si può ottenere un risparmio energetico da 35 joule a 25 joule, ovvero un risparmio del 29%. Inoltre, il consumo energetico dei browser mobili varia durante il caricamento delle stesse pagine e immagini. I banner pubblicitari possono aumentare il consumo energetico dei browser.
Lato connettività, la rete Wi-Fi è circa quattro volte più efficiente del 3G. Infatti, per una lettura di tre articoli sul sito mobile di BBC News per 180 secondi, la navigazione web consuma 1275 mW via Wi-Fi e 1479 mW via 3G . Ciò corrisponde a una riduzione del 20% dell'energia totale. Questa differenza può essere spiegata solo dal costo energetico dell'interfaccia radio 3G. Tuttavia, il costo del mantenimento di una connessione dati utilizzata è inferiore nel caso del 3G (≈ 10 mW) rispetto al Wi-Fi (50 mW).
Uso | 2G | 3G |
---|---|---|
Ricevendo dati | 500 mW | 1.400 mW |
Trasferimento dati | 1.389 mW | 591 mW |
Fare una chiamata per 5 minuti | 683,6 mW | 1265,7 mW |
Ricevere una chiamata per 5 minuti | 612,7 mW | 1224,3 mW |
Standby | 15,1 mW | 25,3 mW |
Invio di un SMS da 100 byte | 1,72 mW | 2,24 mW |
Invio di un SMS da 150 byte | 2,35 mW | 3,22 mW |
Invio di un SMS da 200 byte | 2,52 mW | 3,42 mW |
Invio di un SMS da 250 byte | 2,64 mW | 3,56 mW |
Invio di un SMS da 300 byte | 3,15 mW | 4,22 mW |
Effettuare una chiamata vocale tramite la rete GSM consuma in media 800 mW . Questo alto valore è in parte dovuto alla retroilluminazione dello smartphone. Tuttavia, disattivare la retroilluminazione, come suggerisce Android, può far risparmiare fino al 40% di energia. Inoltre, effettuare e ricevere una chiamata tramite GSM consuma rispettivamente il 46% e il 50% in meno di energia rispetto all'utilizzo dell'UMTS . Quindi, quando lo smartphone è inattivo, essere connesso a una rete GSM costa il 41% in meno di energia rispetto a essere connesso a UMTS. Questo è il motivo principale per cui gli utenti di smartphone 3G, avendo il solo interesse di effettuare chiamate telefoniche, dovrebbero disattivare la tecnologia 3G.
Quando si scrive un SMS, la potenza consumata è dominata dal display. Il consumo di energia durante l'invio di un SMS aumenta linearmente con la lunghezza del messaggio. Va inoltre notato che, a causa del livello di potenza più elevato dell'interfaccia radio 3G, l'invio di un SMS tramite 3G consuma sempre più energia rispetto all'utilizzo di GSM.
Per scaricare i file, la rete GSM consuma dal 40 al 70% in meno di energia rispetto alla rete 3G . Infatti, la potenza dell'interfaccia radio del 3G è superiore a quella del GSM . Inoltre, il fenomeno dello stato di “coda” è molto più presente sul 3G . Ad esempio, lo stato di “coda” per il GSM è di circa 6 secondi, molto inferiore ai 12,5 secondi impostati per il 3G. L'utilizzo della rete Wi-Fi rimane più economico rispetto all'utilizzo del GSM , soprattutto per trasferimenti di dati superiori a 100 kb , perché il costo di associazione con un hotspot Wi-Fi è elevato. Infatti, il costo energetico dell'associazione dello smartphone a un terminale Wi-Fi è paragonabile al costo energetico dello stato "coda" del 3G . Inoltre, poiché la rete GSM è a pagamento e la rete Wi-Fi è gratuita, quest'ultima dovrebbe essere la rete preferita per il trasferimento dei dati. Sfortunatamente, le reti Wi-Fi sono lontane dall'essere così diffuse, e quindi accessibili, come la rete GSM / EDGE .
Le applicazioni di streaming , come YouTube , Dailymotion o Vimeo , sono estremamente popolari oggi ma sono tra le applicazioni che consumano più energia . La comunicazione di rete (il download ), la decodifica e la visualizzazione sono i tre più consumatori a condividere il potere . I servizi di streaming si basano principalmente sul protocollo HTTP su TCP .
La riproduzione in streaming ha due parti, Avvio rapido in cui il server di streaming trasmette i dati al lettore a una velocità maggiore rispetto al resto della riproduzione. Questi dati vengono memorizzati nella memoria tampone del lettore. Per il resto della lettura, sono possibili diverse tecniche.
Cache veloce È il fatto di scaricare completamente il file. Questo metodo, utilizzato dal player YouTube HTML5 integrato nei browser, è il più efficiente dal punto di vista energetico. In questo modo le interfacce di rete si trovano in uno stato di basso consumo di energia durante la riproduzione. Tuttavia, se il file non viene letto nella sua interezza, i dati saranno stati scaricati inutilmente. Ciò si traduce in uno spreco di energia . Velocità di codifica Il server sta tentando di inviare più dati di quanti l'unità possa memorizzare nel buffer . Quindi il controllo del flusso TCP consente al server di trasmettere il resto dei dati alla velocità con cui il lettore li legge. Questa tecnica, utilizzata dal flash player ad alta definizione di YouTube incorporato nei browser, è la più dispendiosa in termini di energia. Infatti, l'interfaccia di rete è attiva più a lungo perché il throughput è inferiore al throughput massimo e l'intervallo di tempo tra due pacchetti non è sufficiente perché l'interfaccia passi allo stato inattivo. Strangolamento Il server trasferisce i dati a una velocità inferiore rispetto al trasferimento in blocco, ma a una velocità superiore rispetto alla "velocità di codifica". La velocità richiesta dal lettore è specificata nella richiesta HTTP . La velocità in bit per il browser flash player YouTube dello smartphone Samsung Galaxy S III è 1,25 volte la velocità in bit della "velocità di codifica". Questa tecnica, utilizzata dal flash player YouTube standard ea bassa definizione incorporato nei browser, legge più velocemente della tecnica "encode rate". Ma come la tecnica della "velocità di codifica", spreca energia perché la velocità in bit è inferiore alla velocità in bit massima. Stop-Start-M Il lettore (client) apre una nuova connessione TCP e invia una nuova richiesta HTTP per ogni "avvio". Dopo aver ricevuto una quantità di dati, il lettore chiude la connessione. Questa tecnica utilizzata dal player nativo di YouTube spreca energia, soprattutto in 3G e 4G perché l'interfaccia di rete si trova in uno stato di "coda" dopo ogni trasferimento. Stop-Start-S Il lettore (client) utilizza una connessione TCP persistente. Interrompe semplicemente la riproduzione durante un periodo di "interruzione". Durante questo periodo di "spegnimento", i messaggi di controllo del flusso TCP vengono scambiati tra il server e il lettore. È l'unità che provoca il successivo "periodo di avvio". Questa tecnica, utilizzata dai lettori di Dailymotion e Vimeo , consuma molta energia perché la connessione è persistente. L'interfaccia di rete è quindi sempre attiva.I giochi che si basano sulla grafica 3D sono tra le app più popolari sugli smartphone. Tuttavia, a causa dell'elevato volume di elaborazione grafica sul processore e sulla GPU e dei requisiti di qualità del display, i videogiochi sono tra i tipi di applicazioni per smartphone che consumano più energia. Il contributo della CPU al consumo energetico totale può arrivare fino al 40%. Questa è la fase dei calcoli geometrici, in cui il processore calcola gli attributi e le posizioni dei vertici all'interno di una scena 3D, che utilizza la maggior parte della potenza e del tempo di calcolo, consumando oltre il 40% del tempo di calcolo e oltre il 35% della potenza totale. Inoltre, alcuni videogiochi richiedono un'interazione dell'utente che comporta l'uso frequente di diversi sensori, ad esempio sensori di inclinazione o movimento delle dita sul touch screen, che influiscono sul consumo energetico.
Molte applicazioni sono inutilmente avide di potere . In effetti, la maggior parte dell'energia di un'applicazione viene spesa nell'accesso ai componenti di I/O. La CPU consuma una piccola frazione della potenza dell'applicazione, la maggior parte della quale viene utilizzata nella creazione dell'interfaccia grafica dell'applicazione. Uno studio mostra anche che dal 65% al 75% dell'energia nelle app gratuite viene spesa in moduli pubblicitari di terze parti, come in Angry Birds , dove solo il 20% del consumo totale di energia è stato utilizzato per giocare effettivamente al gioco stesso. L'esecuzione di un'applicazione popolare, della durata di trenta secondi, può attivare da 29 a 47 processi figlio, molti dei quali sono programmi di terze parti. La complessità di queste applicazioni è notevole. L'esecuzione di queste app per circa 30 secondi consuma dallo 0,35% allo 0,75% di una carica completa della batteria, una velocità che potrebbe scaricare l'intera batteria in poche ore.
Applicazione | Durata | Numero di fili | % tamburi | Principale causa di perdita di energia |
---|---|---|---|---|
browser Android | 30s | 34 | 0,35% | 38% per richieste e risposte HTTP e 16% per uno strumento di monitoraggio degli utenti user |
Angry Birds | 28 secondi | 47 | 0,37% | 45% a causa di uno strumento di monitoraggio degli utenti |
Fchess | 33 secondi | 37 | 0,60% | 50% a causa della pubblicità |
New York Times | 41 secondi | 29 | 0,75% | 65% per la creazione del database e 15% per uno strumento di monitoraggio degli utenti |
mapquest | 29 secondi | 43 | 0,60% | 27% per il rendering del browser, 20% per il download della mappa |
Le applicazioni location-based, come “traffico in tempo reale”, Facebook o Myspace , vengono utilizzate per essere in costante contatto con i social network, per scopi commerciali o di intrattenimento. Queste applicazioni, che richiedono posizioni in tempo reale, consumano molta energia. Questa energia viene in parte consumata da rinfreschi non necessari della posizione. Infatti, in alcuni casi, come quando il telefono è statico o il segnale GPS o della rete cellulare non è disponibile, le richieste di localizzazione vengono comunque eseguite quando non vanno a buon fine. Un altro caso è l'esecuzione simultanea di più applicazioni location-based. Questi richiamano gli aggiornamenti della posizione indipendentemente invece della sincronizzazione.
I due parametri che influenzano il consumo di energia sono l'intervallo di tempo e l'intervallo di distanza che producono l'aggiornamento della posizione. Le applicazioni possono decidere di aumentare questi intervalli per ridurre il consumo di energia, ad esempio quando la batteria è scarica. Ciò può significare impostare l'aggiornamento ogni minuto o ogni 20 metri anziché ogni 30 secondi e ogni 10 metri.
Per mantenere l' energia della batteria, la politica di gestione dell'alimentazione predefinita di uno smartphone è che ogni componente, inclusa la CPU, rimanga spento o in uno stato di riposo, a meno che l'applicazione non dica esplicitamente al sistema operativo di rimanere attivo. Ad esempio, Android, IOS e Windows Mobile implementano un sistema aggressivo che sospende l'intero sistema dopo un breve periodo di inattività dell'utente. Se mantenere attivo o meno il sistema è responsabilità degli sviluppatori dell'applicazione. Per fare ciò, le applicazioni utilizzano "blocchi di sospensione" per garantire che i componenti rimangano attivi indipendentemente dall'attività dell'utente. Le applicazioni possono quindi svolgere attività informative periodiche come le notifiche. Una cattiva gestione di questi "lucchetti dormienti" nel codice dell'applicazione si traduce inevitabilmente in bug di energia , che contribuiscono in modo significativo alla perdita di energia .
Classificazione dei principali bug energetici del software:
il "bug insonne" Il "bug senza sonno" è una situazione in cui un'applicazione imposta un blocco per un componente, ma non lo rilascia, anche dopo che il lavoro è terminato. Sono il risultato di una gestione impropria nella codifica dell'applicazione delle API di controllo dell'alimentazione. L'impatto di un "insetto insonne" può essere grave, causando una perdita di energia del 10-25% all'ora senza alcun intervento dell'utente. Il "bug dell'insonnia" è stato osservato in molte applicazioni popolari come Facebook, Google Latitude, Google Calendar, servizi di messaggistica e persino widget . il "bug del ciclo" Il "bug di ciclo" è una situazione in cui un'applicazione tenta di eseguire attività non necessarie su base periodica. Diversi "bug di loop" vengono attivati quando l'applicazione non è in grado di gestire eventi esterni imprevisti, come un errore del server remoto o la modifica della password dell'account e-mail. L'applicazione tenterà ripetutamente di connettersi al server remoto o di autenticarsi al server di posta. Questo comportamento riflette il consumo di energia indesiderato. Bug del sistema operativo Gli aggiornamenti al sistema operativo, voluti o meno, rappresentano un gran numero di reclami dei clienti. Ad esempio, molti utenti di iPhone hanno segnalato un'improvvisa diminuzione della durata della batteria da 100 ore in standby a 6 ore in standby a causa della nuova potenza di dispersione in iOS 5 Apple. Anche gli utenti Android hanno riscontrato questo tipo di problema su diversi tipi di dispositivi. Ma i bug dei sistemi operativi legati all'energia , sono difficili da identificare perché i sistemi proprietari mobili.Essere in grado di creare un modello di consumo energetico è fondamentale per una migliore comprensione, progettazione e implementazione del software. Esistono due metodi per misurare e comprendere come viene consumata l' energia sugli smartphone: misurazione della potenza e modellazione della potenza. Questi due metodi sono complementari e devono essere sufficientemente calibrati per non pregiudicare la validità dei risultati.
Lo scopo della misurazione della potenza è stabilire una misurazione accurata della potenza consumata. Esistono due metodi principali per misurare la potenza a livello di sistema. Innanzitutto, le informazioni sulla batteria la cui tensione e corrente vengono fornite dalle interfacce di programmazione dell'applicazione (API) o dal software di profilazione dell'energia . Questo metodo è più facile da implementare. Oppure, un metodo più preciso, effettuando misurazioni della potenza fisica a livello di componente. La scelta del metodo dipende dalla disponibilità degli strumenti e dai requisiti della misura di potenza.
La modellazione energetica descrive come l' energia viene consumata utilizzando modelli matematici. Dal punto di vista software, ogni componente hardware ha diverse modalità di funzionamento, corrispondenti a diverse attività e capacità di elaborazione. Tenendo conto di una modalità di funzionamento, è possibile ricavare il consumo energetico del componente materiale e quindi costruirne il modello. Esistono due serie di metodi per stabilire la modellazione:
Metodi deterministici L'idea è di stimare la potenza consumata dai componenti hardware in base alla loro attività. Diversi ricercatori hanno creato strumenti di profilazione, che consentono di stabilire il profilo delle prestazioni dell'applicazione, dell'efficienza energetica e/o dell'impatto sulla rete. Ad esempio, lo strumento Eprof viene utilizzato per tracciare e registrare l' energia di ogni chiamata di sistema. metodi statistici I metodi statistici mirano a trovare una relazione tra il consumo di energia e le variabili del modello basate su modelli statistici come la regressione lineare . L'idea generale è quella di trovare la relazione tra le statistiche di sistema raccolte e il consumo di energia Ad esempio, lo strumento Sesame permette di stabilire una correlazione tra il consumo di energia e le statistiche di sistema, oppure lo strumento ARO che consiste in un raccoglitore di dati e incrocia analizzatori di strati.Le batterie agli ioni di litio sono molto popolari per i sistemi embedded mobili a causa del buon rapporto potenza /peso, della loro lunga durata e della bassa autoscarica . Inoltre, secondo M.Kim, il consumo della batteria è superiore al consumo di energia del solo smartphone. C'è una differenza sostanziale (27,6% nel caso peggiore, 9,0% in media) tra il consumo della batteria e il consumo di energia dello smartphone a causa delle perdite nella batteria. La futura ricerca sul risparmio energetico sulle batterie dovrebbe, secondo lui, essere più focalizzata sul consumo dell'intera "batteria + smartphone" piuttosto che sul consumo energetico del solo smartphone. Altre strade sono allo studio. Alcuni ricercatori della Stanford University stanno utilizzando la nanotecnologia per progettare batterie in grado di produrre dieci volte la quantità di elettricità delle attuali batterie agli ioni di litio. Altri ricercatori stanno cercando di sfruttare i movimenti dell'utente per ricaricare la batteria del telefono, ma sono solo nella fase iniziale.
Allo stesso modo, i produttori non offrono vere innovazioni per migliorare le prestazioni della propria batteria ma con regolazioni e buoni consigli, è possibile aumentare le capacità di autonomia degli smartphone.
Aumentando lo spessore degli smartphone, diventa possibile realizzare batterie più spesse e quindi più pesanti. Questo ha l'effetto di aumentare l'autonomia.
La batteria removibile dello smartphone permette di aumentare rapidamente l'autonomia.
I progettisti di applicazioni sono incoraggiati a sviluppare software per smartphone tenendo conto dell'efficienza energetica. Il loro principale ostacolo è la difficoltà di determinare l'impatto delle decisioni di progettazione del software sul consumo energetico del sistema. Dal punto di vista del mobile computing, gli sviluppatori di sistemi operativi dovrebbero essere consapevoli del grande impatto del codice sul consumo energetico dovuto alla CPU.
Uno degli obiettivi è mantenere le interfacce di rete a un basso livello di potenza perché durante lo stato di inattività non ci sono gli stessi requisiti di prestazioni di quando un utente utilizza attivamente lo smartphone. Ridurre il consumo di energia in stato di inattività deve essere una priorità per migliorare la durata della batteria (in media, il telefono è in stato di inattività l'89% del tempo, e questo rappresenta il 46,3% del consumo totale del sistema). Pertanto, ridurre i livelli di potenza delle interfacce durante l'attività di rete, se i moduli I/O sono spenti, può aumentare l'efficienza energetica di uno smartphone. Inoltre, è importante raggruppare il più possibile le fasi di attività di accesso alla rete, anche se devono rimanere in ordine sequenziale, al fine di ottenere periodi di inattività più lunghi e ridurre lo stato di coda del fenomeno.
Nell'era del cloud computing , il consumo energetico di uno smartphone può essere ridotto in modo efficiente, scaricando le attività pesanti e spostandole nel cloud. Infatti, con questa soluzione, i processi IT complessi e l'archiviazione dei dati vengono implementati all'esterno del telefono, in un'infrastruttura IT più potente ed efficiente. Ad esempio, la codifica video richiede un'elaborazione pesante che scarica la batteria dello smartphone se eseguita sul processore dello smartphone. Il cloud computing può quindi potenzialmente risparmiare energia, sebbene non tutte le applicazioni debbano essere migrate al cloud. La porta remota di un'applicazione nel Cloud è vantaggiosa solo quando questa applicazione consuma potenza di calcolo e richiede poche interazioni con le interfacce di rete, perché la maggior parte del consumo di energia per le applicazioni remote è dovuta alla trasmissione dei dati.
Esistono impostazioni nei sistemi operativi per smartphone, ad esempio Android , che limitano il numero di app in background in esecuzione. Tuttavia, non tutte le app riducono l'efficienza energetica di uno smartphone. Pertanto, invece di limitare il numero di applicazioni, dovrebbero esserci informazioni sulle applicazioni e sui tipi di accesso alla rete che consumano meno energia . Pertanto, l'utente potrebbe agire di conseguenza. Inoltre, i telefoni cellulari forniscono interfacce utente che consentono compromessi tra la durata della batteria e la facilità d'uso, come la luminosità dello schermo, ma la maggior parte degli utenti non utilizza i livelli di potenza multipli di luminosità. Negli smartphone dovrebbe essere inclusa una regolazione automatica della luminosità. Le interfacce utente consentono inoltre agli utenti di disattivare i componenti del sistema che consumano molta energia, come le interfacce Bluetooth e Wi-Fi , per risparmiare energia .
Mentre i fabbisogni annui di energia elettrica per la ricarica di un singolo smartphone sono trascurabili, non bisogna trascurare i consumi indotti dalla loro moltiplicazione. Alla fine del 2013, più di 1 miliardo di persone possedeva uno smartphone. Nel 2011, i produttori hanno venduto più smartphone che PC. Il loro consumo collettivo di elettricità assume quindi maggiore importanza.
Il telefono consuma l'energia immagazzinata nella batteria. Il problema nasce dalla necessità di ricaricare le batterie utilizzando una presa di corrente o altra fonte di energia elettrica. Uno dei problemi fondamentali è l'efficienza della conversione dell'energia dalla rete di distribuzione elettrica per fornire lavoro utile. In altre parole, determinare il numero di joule di energia proveniente dalla rete elettrica per produrre un joule di lavoro durante l'utilizzo del dispositivo. Ad esempio, il consumo energetico annuo di un abbonato è stimato in 2,34 kWh. Ciò equivale a 39 ore di funzionamento di una lampadina da 60 watt o all'energia utilizzata da un'auto per percorrere 8 km .
L'elevato consumo energetico, determinato dalla capacità della batteria, dalle azioni dell'utente, dall'efficienza energetica dell'hardware e del software del telefono porta a frequenti necessità di ricarica e quindi a un maggiore consumo di energia dalla rete elettrica. La maggior parte del consumo di energia deriva dalla ricarica del telefono. Il caricabatterie, una volta collegato a una presa elettrica, consuma energia, indipendentemente dal fatto che il telefono sia collegato o meno. Infatti, a causa delle perdite di conversione e stoccaggio dell'energia elettrica, solo una parte dell'energia prelevata dalla rete elettrica produce lavoro utile nel dispositivo mobile funzionante a batteria, il resto si dissipa sotto forma di calore. La ricarica della batteria consuma solo il 40% dell'energia totale consumata, d'altra parte il 55% viene perso a causa della connessione non necessaria del caricabatterie, il restante 5% corrisponde a un tempo di ricarica troppo lungo del telefono.
Ci sono tre aree di possibile miglioramento:
È probabile che influenzare il comportamento degli utenti (ad esempio inducendo gli utenti a scollegare i caricabatterie) sia meno efficace dei miglioramenti tecnici perché il consumo di elettricità del processo di ricarica non è di interesse immediato per l'utente finale. Tuttavia, alcuni gestori di telefonia stanno cercando di influenzare il comportamento dell'utente con avvisi che suggeriscono all'utente di scollegare il caricabatterie al termine della ricarica.
Ma uno studio di Opower mostra che la questione dell'impatto del consumo energetico dello smartphone sul consumo energetico complessivo è più complessa. Le abitudini dei consumatori, infatti, stanno cambiando, usano gli smartphone per fare cose che facevano prima su computer, televisori e console di gioco. Ad esempio, nel marzo 2012, gli utenti americani accedono al sito Facebook principalmente con i loro smartphone. Dal 2011, la visualizzazione di contenuti video premium è aumentata su tablet e smartphone, mentre i personal computer hanno mostrato un netto calo. Inoltre, smartphone e tablet consumano molta meno energia rispetto ai dispositivi più grandi (es. PC). Quando si confrontano i consumi elettrici degli smartphone con le esigenze dei più grandi dispositivi elettrici storicamente utilizzati per la connettività e l'intrattenimento, i risultati mostrano che i risparmi sono notevoli.
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