Kaisa Korhonen
Predicting mobile device battery life
Espoo 28.2.2011
1. Введение
Мобильные телефоны и другие мобильные устройства имеют один ресурс, который является существенным для всех из них: срок службы батареи. После того, как аккумулятор пуст, устройство бесполезно, пока не будет заряжено. Идеальное мобильное устройство никогда не будет перезаряжаться пользователем: он будет перезаряжать себя беспроводное соединением или воспроизводить необходимую энергию от движения. Хотя это идеальное устройство остается быть в проекте, мы должны иметь дело с проблемами, установленными ограниченным временем автономной работы.
Ограниченная срок службы батареи стала проблемой, особенно в последнем поколении мобильных устройств. Эволюция устройств в течение последних десяти лет изменилась с мобильных телефонов к многофункциональных мобильным компьютерам. Сегодня мобильное устройство может содержать, например, веб-браузер, музыкальный плеер, навигатор и множество сетевых приложений. Эта эволюция сделала устройства все более полезные и важные в повседневной жизни, но в то же время увеличилось среднее энергопотребление устройств, что приводит к более коротким и менее предсказуемому сроку службы батареи. Стало трудно пользователю оценить, когда аккумулятор мобильного устройства иссякнет, и что еще можно сделать с оставшейся емкостью батареи.
Один из способов облегчить эту проблему, чтобы сообщить пользователю о оставшейся емкости батареи на устройстве. Существующие методы показа информации батареи реализованы в большинстве мобильных устройств, а не только в телефонах, но и в камерах, MP3-плееры и ноутбуках, как правило, состоят из 1) светового сигнала, который примерно показывает уровень заряда батареи и 2) звукового сигнала, который предупреждает о низком уровне заряда батареи. Эти два метода за последние десять лет остались практически теми же, несмотря на то что, мобильные устройства усовершенствовались чрезвычайно и должны бы быть более эффективные методы, которые будут использоваться. В качестве примера более передовой метод, современные автомобили могут сказать водителю, сколько километров можно приближенно проехать с оставшимся количеством топлива. Кроме того, ноутбуки дают пользователю оценку относительно оставшегося срока службы батареи.
Целью данной работы является исследовать, как оставшийся срок службы батареи в мобильном устройстве может быть оценен и для проектирования и разработки приложения мониторинга батареи на основе мобильного компьютера, Nokia N900 для Linux. Применение мониторинга батарей должено предоставить пользователю более сложную информацию об уровне заряда батареи и оставшегося срока службы батареи, например оставшееся время вызова и оставшееся время воспроизведения аудио. Кроме того, изучается возможность оценки времени зарядки.
Работа показывает, что оценки срока службы аккумулятора на целевом устройстве можно и относительно проста: она может быть рассчитана путем деления уровня заряда батареи сообщается устройством текущим спросом устройства. Оценка времени зарядки задача более сложная, но возможная. На основании этой информацией, было разработано приложение для мониторинга батареи, названное BattInfo. BattInfo отслеживает состояние батареи и, на основе среднего спроса текущего различных
Задачи измеряется в автономном режиме, вычисляет время автономной работы для оценки задач, таких как оставшееся время ожидания, время звонка, время просмотра веб-страниц и время воспроизведения видео. BattInfo представляет всю информацию, с помощью графического интерфейса пользователя. Испытание пользователя проводилось на BattInfo, который показал, что BattInfo действительно полезно, trust- worthly приложение, которое помогает пользователям управлять своими батареи. Результаты этой работы применимы не только для мобильных и смартфонов, но и для практически любого устройства многоцелевого, который работает от батареи, например, ноутбук или планшетный компьютер.
Остальная часть этой работы организована следующим образом. Глава 2 описывает эволюцию мобильных устройств и обсуждает, как эволюция повлияла на срок службы батареи. В главе 3 представлены различные научно-исследовательские работы, направленные на снижение потребление энергии мобильных устройств. Глава 4 исследования возможности прогнозирования срока службы аккумулятора и время зарядки на целевом устройстве. В нем также представлены результаты измерений, которые проводились для того, чтобы выяснить, энергопотребление различных задач (например, звонки, веб-браузер) на N900. На основании выводов, содержащихся в главе 4, приложение для мониторинга батареи, названный BattInfo, разработан и реализован. BattInfo подробно описан в главе 5. И, наконец, тестовый пользователь провел на BattInfo представлен после чего заявка оценивается и сделаны выводы.
2. Эволюция мобильных устройств
Согласно результатам исследования, проведенного пользователем в 2005 году TNS, крупнейшего в мире специалиста на заказ исследования рынка, наиболее разыскиваемых особенность будущего мобильного устройства «два дня автономной работы во время активного использования» [1]. Короткий срок службы батареи был, и до сих пор является проблемой в мобильных устройствах. В этой главе описывается эволюция мобильных устройств в течение последних 10-15 лет, объясняя причины, которые приводят к этой ситуации и возможные средства правовой защиты. Обзор имеющихся в настоящее время приложений мониторинга батареи для мобильных устройств приведен в конце главы.
2.1 Увеличение потребляемой мощности
Случаи использования мобильных устройств, сильно изменились за последние годы, как показано на рисунке на рисунке 1 [2]. Использованию случаи первых мобильных телефонов были просты: вызов и, возможно, обмен текстовыми сообщениями. Так как большинство людей только сделать несколько телефонных звонков в день, а также потому что вызов и обмен текстовыми сообщениями были более дорогими, чем сегодня, телефоны были в состоянии ожидания большую часть времени.
По мере того как телефоны затем начали разрабатывать, новые функции, такие как календарь, mp3 воспроизведения, а также FM-радио были встроены в устройства. Как было больше случаев использования, телефоны были в течение долгого времени не осталось в состоянии ожидания, вместо того, чтобы они использовались в течение дня для различных целей. Мобильные телефоны стали смартфоны, и как они использовались больше, чем раньше, энергопотребление телефонов лопуляции. Новое поколение мобильных устройств характеризуется увеличением количества подключенных, всегда-онлайн-приложений. Например сетей и локализации социальных становятся все более популярными [2]. Увеличение использования полосы пропускания и запуска многих приложений одновременно в фоновом режиме повысили спрос на энергию устройств еще больше.
Также GSM Arena предоставляет интересные цифры об особенностях мобильных устройств в своей статье «Эволюция мобильных телефонов: особенности в фокусе» [3]. В статье изображает проникновение различных интерфейсов и функций в мобильных телефонах в течение последнего десятилетия. На рисунке 2 показано, например, годовой процент мобильных телефонов, оснащенных интерфейсом беспроводной локальной сети (WLAN). Полоски на рисунке показывают абсолютное среднее значение, в котором каждая модель телефона имеет ту же статистическую значимость (такой же вес). Оранжевые полоски указывают на средневзвешенную, который принимает во внимание тот факт, что различные модели телефонов имеют разные значения, в расчете на количество раз, что модель была оторвалась от базы данных GSM Арены. Таким образом, при расчете среднего значения взвешенной популярной моделью телефона имеет больший вес, чем непопулярным один делает. За последние десять лет доля мобильных телефонов с интерфейсом WLAN вырос почти на 40%, измеренной абсолютной средней и рост еще больше, если измеряется взвешенное в среднем.
Рисунок 1: Эволюция случаев использования мобильных устройств [2].
В статье приводятся цифры также для Bluetooth, FM-радио и Global PO- sitioning System (GPS) интерфейсов. Каждый из них постоянно увеличивает своё проникновение в мобильные телефоны в течение последнего десятилетнего периода. Таким образом, на сегодняшний день мобильное устройство может иметь пять радиоинтерфейсов (сотовая связь, WLAN, Bluetooth, FM и интерфейсы GPS), в то время как десять лет назад телефоны имели только один или два. Кроме того, проникновение камер, встроенных в мобильные телефоны увеличилось почти до 100%. Еще одна особенность, которая имеет большое влияние на энергопотребление телефонами является размер экрана. Известно, что экраны учета энергии имеют значительный спрос в современных телефонах [4]. На рисунке 3 показан средний размер дисплея мобильного телефона с 2000 года и что средний размер дисплея вырос более чем на 60%, если измерять по абсолютному среднем значению, и почти 100%, если измеряется средневзвешенного увеличения общего потребления энергии в мобильных устройствах.
Таким образом, средняя потребляемая мощность мобильных устройств значительно вырос. Также разработаны технологии батареи, но не так быстро, как устройства. На фиг.4 показан разрыв между количеством энергии, необходимой мобильным устройством Nokia для активного использования двух дней, а количество энергии, которое может быть обеспечено с помощью стандартного размера батареи, в соответствии с внутреннего анализа компании Nokia [2]. Красная кривая на рисунке показывает, как спрос на энергию устройств увеличилась и оценивается расти в ближайшие годы. Энергия, доступная от стандартного размера батареи, изображенный на рисунке с синей кривой, явно недостаточно.
Рисунок 2: WLAN проникновение интерфейса в мобильных телефонах [3].
Рисунок 3: Мобильный телефон размер дисплея [3].
Из-за большого зазора между энергией, необходимой мобильным устройствам и доступной энергией от батареи, средний срок службы батареи мобильных устройств в активном использовании менее чем за два дня. В дополнение к сокращению срока службы батареи в среднем, срок службы батареи становится менее предсказуемым. Старше мобильный телефон может быть использован только для звонков и текстовых сообщений. Таким образом, вызов был энергетически наиболее сложной задачей, которая может быть сделано с телефоном. Это было относительно легко для пользователя, чтобы предсказать, как быстро батарея будет стекать в течение дня. В современных мобильных телефонах максимальная потребляемая мощность выросла, что означает, что существует большая вариация потребляемой мощности телефона. В режиме ожидания без подключения к Интернету аккумулятор может длиться в течение нескольких дней. Если пользователь вместо имеет приложение карт GPS на основе работает в фоновом режиме во время просмотра веб-страниц и прослушивания музыки, батарея может быть полностью разряжена в течение нескольких часов. Срок службы батареи, таким образом, более непредсказуемым в новых мобильных телефонах.
Рисунок 4: энергия для мобильного телефона нужно против наличия энергии [2].
2.2 Методы повышения срока службы аккумулятора
Два основных способа улучшить срок службы батареи: максимизируя энергию, доступную для мобильного устройства и свести к минимуму энергию, необходимую устройством. Максимальное увеличение энергии, доступной для устройства может быть сделано за счет повышения емкости батареи (без увеличения размера батареи). В последние годы емкость батареи улучшилась на 5-10% в год [2], что не было достаточно, чтобы компенсировать увеличение спроса на энергию из мобильных устройств. Зарядный скорость и удобство другие факторы, которые влияют на количество энергии, доступной для мобильного устройства. Если зарядка была быстрой и возможно практически везде (в офисах, кафетериях, автобусы, автобусные остановки), короткий срок службы батареи не будет такой серьезной проблемой, так как устройство может заряжать практически в любом месте и в любое время. Кроме того, использование новых источников энергии, например, солнечной энергии, энергии от движения и беспроводной энергии, сделает зарядку более удобным, а также дальнейшее улучшение ситуации.
Полный текст публикации (англ.). Формат pdf
Использованные источники
[1] TNS Global Market Research. TNS user study. Cited 1.12.2010. Url: tns.lv/?lang=en&fullarticle=true&category=showuid&id=2288 [2] Ofversten, J. Mobile Internet Battery Life. Challenges for application SW de- velopment. Forum Nokia webinar. 16.12.2009. Cited 1.12.2010. Url: forum.nokia.com/Library/Multimedia/Webinars.xhtml [3] GSM Arena. Mobile phones evolution: Features in focus. August 2009. Cited: 1.12.2010. Url: gsmarena.com/mobile_phones_ evolution_features-review-501p2.php [4] Y. Neuvo. Cellular phones as embedded systems. In Proceedings of the IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 2004, pp. 32-37. [5] Finnish Communications Regulatory Authority. The survey on the use of telecommunications services 2009 Cited 8.12.2010. Url: ficora.fi/attachments/suomiry/5n2kRC9zk/Tutkimusraportti_2009_Telepalveluiden_kayttotutkimus.pdf [6] Ravi, N., Scott, J. and Iftode, L. Context-aware Battery Management for Mobile Phones: A Feasibility Study. In Proceedings of the 2008 Sixth Annual IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications, March 2008, pp. 224-233. [7] Kivi A., Smura T., Toyli J. (2009). Diffusion of Mobile Handset Features in Fin- land. In Proceedings of the Eighth International Conference on Mobile Business (ICMB), June 2009, pp. 209. [8] Ray, N. and Turuk, A. A Review on Energy Efficient MAC Protocols for Wire- less LANs. In Proceedings of the Fourth International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS), December 2009, pp. 137. [9] Lei, H. and Nilson, A. Queueing Analysis of Power management in the IEEE802.11 Based Wireless LANs. IEEE Transactions on Wireless Communications, April 2007, Vol. 6, No. 4, pp. 1286.
[10] Baek, S. and Choi, B. Performance Analysis of Power Save Mode in IEEE802.11 Infrastructure WLAN. In Proceedings of the International Conference on Telecommunications, June 2008.
[11] Xie, Y., Luo, X. and Chang, R. Centralized PSM: An AP-centric power saving Mode for 802.11 infrastructure networks. IEEE SarnoffSymposium, April 2009. [12] Zhu, F. and Niu, Z. Priority Based Power Saving Mode in WLAN. In Proceed- ings of the IEEE Global Telecommunications Conference, November-December 2008. [13] Perrucci, G., Fitzek, F., Sasso, G., Kellerer, W. and Widmer, J. On the impact of 2G and 3G network usage for mobile phones’ battery life. In Proceedings of the European Wireless Conference, May 2009, pp. 255. [14] Pering, T., Agarwal, Y., Gupta, R. and Want, R. CoolSpots: Reducing the Power Consumption of Wireless Mobile Devices with Multiple Radio Interfaces. In Proceedings of the 4th international conference on Mobile systems, applica- tions and services, June 2006, pp. 220-232. [15] Chowdhury, M., Jang, Y., Ji, C., Choi, S., Jeon, H., Jee, J. and Park, C. Inter- face selection for power management in UMTS/WLAN overlaying network. In Proceedings of the 11th International Conference on Advanced Communication Technology, February 2009, Vol. 01, pp. 795-799. [16] Balasubramanian, N., Balasubramanian A. and Venkataramani, A. Energy Consumption in Mobile Phones: A Measurement Study and Implications for Network Applications. In Proceedings of the 9th Internet measurement confer- ence, November 2009, pp. 280-293. [17] Nurminen, J. Parallel connections and their effect to battery consumption of a mobile phone. In Proceedings of the 7th IEEE Consumer Communications & Networking Conference, January 2010. [18] Kjaergaard, M., Langdal, J. and Godsk, T. Demonstrating EnTracked a System for Energy-Efficient Position Tracking for Mobile Devices. Proceedings of the 12th ACM international conference adjunct papers on Ubiquitous computing (September 2010), pp. 367-268. [19] Lin, K., Kansal, A., Lymberopoulos, D. and Zhao, F. Energy-accuracy trade-off for continuous mobile device location . In Proceedings of the 8th international conference on Mobile systems, applications, and services, June 2010, pp. 285- 298. [20] Rosu, M., Olsen, C., Luo, L. and Narayanaswami, C. The Power-Aware Stream- ing Proxy Architecture. First International Workshop on Broadband Wireless Multimedia, October 2004. [21] Jimeno, M., Christensen, K. and Nordman, B. A Network Connection Proxy to Enable Hosts to Sleep and Save Energy. In Proceedings of the IEEE Inter- national Performance, Computing and Communications Conference, December 2008, pp. 101-110. [22] Barr, K. C. and Asanovic. K. Energy-aware lossless data compression. ACM Transactions on Computer Systems, August 2006, vol. 24, no. 3, pp. 250-291. [23] Maddah, R., Sharafeddine, S. Energy-Aware Adaptive Compression Scheme for Mobile-to-Mobile Communications. IEEE 10th International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications, August 2008, pp.688-691. [24] Wang, L., Manner J. Evaluation of data compression for energy-aware com- munication in mobile networks. In Proceedings of the International Conference on Cyber-Enabled Distributed Computing and Knowledge Discovery, October 2009, pp. 69. [25] Shim, H., Chang, N., Pedram, M. A Compressed Frame Buffer to Reduce Dis- play Power Consumption in Mobile Systems. In Proceedings of the 2004 Asia and South Pacific Design Automation Conference, January 2004, pp. 819. [26] Iyer, S., Luo, L., Mayo, R. and Ranganathan, P. Energy-adaptive display system designs for future mobile environments. In Proceedings of the First International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services, May 2003, pp. 245- 258. [27] Luo, L. Designing Energy and User Efficient Interactions with Mobile Sys- tems. PhD thesis. School of Computer Science, Institute for Software Research, Carnegie Mellon University, 2008. pp. 90. [28] Kumar, K., Lu, Y.Cloud computing for mobile users. Computer, Issue 99. March 2010. [29] Kemp, R., Palmer, N., Kielmann, T., Bal, H. Cuckoo: a Computation Offload- ing Framework for Smartphones. MobiCASE 2010. [30] maemo.org. Maemo 5 Developer Guide. Cited 20.2.2011. Url: wiki.maemo.org/Documentation/Maemo_5_Developer_Guide. [31] Wen, R. and Krintz, C. Online, Battery Lifetime Prediction for Embedded and Mobile Devices. In Workshop on Power-Aware Computer Systems (PACS), 2003. [32] Double Click. The 1000 most-visited sites on the web Cited: 9.12.2010. Url: google.com/adplanner/static/top1000/. [33] Pitkanen, J. Angry Birds laajentaa reviiriaan. Tietokone-magazine, 11.12.2010. Cited 9.2.2011. Url: tietokone.fi/uutiset/angry_birds_ laajentaa_reviiriaan. [34] Nokia N900 Tech Specs, Power management. Web page. Cited 29.10.2010. Url: europe.nokia.com/find-products/devices/nokia-n900/ specifications#hardware-pow. [35] World Business Council for Sustainable Development. Reducing mobile phone no-load energy demand. Case Study, 2008. Cited 29.10.2010. Url: wbcsd.org/plugins/DocSearch/details.asp?type= DocDet&ObjectId=MzA0MTM. [36] Maemo platform. Web page. Cited 29.10.2010. Url: maemo.org/intro/ platform/. [37] dbus-monitor reference. Web page. Cited 29.10.2010. Url: dbus.freedesktop.org/doc/dbus-monitor.1.html. [38] HAL reference. Cited 29.10.2010. Url: freedesktop.org/wiki/ Software/hal. [39] Blanchette, J. and Summerfield. M. C++ GUI Programming with Qt 4. 2nd Edition. United States, Prentice Hall, 2009. [40] Attrakdiff, Single Evaluation. attrakdiff.de/en/Services/ AttrakDiff-Basic/Single-Evaluation/