移動智能終端功耗優化設計與測試

陳 婷

（福建信息職業技術學院，福建 福州 350000）

5G 技術、無線通信集成電路的發展和移動智能終端的能力提升，大幅提升了移動通信的計算存儲能力，也推動了智能終端市場的發展和銷售量的不斷增加[1]。移動智能終端將計算機、通信和娛樂功能合為一體，可以實現語音通話、多媒體通信和數據傳輸，具有便攜性和智能性。移動智能終端包括智能手機、平板電腦以及可穿戴設備等。這些產品通過無線網絡連接到互聯網，除了在日常生活中得到廣泛應用外，在生產制造、醫療健康和教育等領域也有廣闊的發展空間。以智能手機為例，根據Strategy Analytics 發布的數據，2022年全球智能手機出售量達12.5 億部。在中國，智能手機用戶數已超過9.7 億。

在市場需求的推動下，移動智能終端的性能和功耗逐年提高[2]。目前，市面上的移動智能終端大多采用電池供電，電池電量受電池技術、材料和工藝、電池自身體積、終端的便攜性和移動性等因素的制約[3]。電池電量的增長跟不上設備性能的提高，使續航時間成為終端體驗的最大瓶頸，影響了終端的應用與發展。就目前情況來看，最適合延長設備續航時間的方法就是在保證終端電量一定的情況下，優化功耗，節約系統能量。

經驗數據顯示，訪問無線網絡是移動智能終端功率消耗大的重要因素。據此，該文提出從軟件角度對移動智能終端訪問網絡的功耗進行精細管理，從而延長續航時間，并通過測試試驗加以驗證。

1 移動智能終端訪問網絡功耗研究

移動智能終端是一類具有智能操作系統的嵌入式計算機設備，可以實現多媒體處理和人機交互等多種功能，目前正在成為5G 和人工智能等新技術的重要載體，應用場景非常廣泛。其所具有的便攜性、多功能性和網絡化，通過連接無線網絡與互聯網，用戶可以隨時隨地獲取信息，在滿足人們日常需求的同時也提高了工作效率。

因為具有了訪問網絡的功能，以智能手機為代表的移動智能終端的使用時長空前提高，很多終端的日常作業時間超過20h。設備性能的不斷提升加大了功率消耗，而電池儲能技術發展相對滯后，嚴重影響了用戶的使用體驗和行業的進一步發展。

在電池技術短時間內難以突破的情況下，就需要通過降低功耗來延長續航時間。移動智能終端的功率消耗主要來自硬件資源的能耗（包括CPU、存儲器、顯示屏幕和傳感器等）和通信功能的能耗（包括Wi-Fi、藍牙和移動數據等）。

以智能手機為例，用戶在使用過程中打開一個新的應用程序時，常常不會及時關閉上一個應用程序，這就導致經常會同時打開多個應用程序，但是用戶很少會注意這些程序是否在后臺繼續運行。運行的程序數量越多，CPU 的負荷越重，如果未能及時關閉這些程序，就會導致手機的耗電增加。因此通過及時關閉未在使用中的應用程序，降低CPU 負荷可以達到降低功耗的效果。但移動智能終端最大的功率消耗因素還不是一直運行的各類軟件，而是網絡訪問模式的不斷切換。

為了實現上網，智能手機一般會提供3 類移動網絡訪問模式。第一，使用移動數據上網；第二，連接Wi-Fi 上網；第三，使用移動熱點、藍牙共享和USB 共享等。由于使用移動數據上網會花費手機的流量，如果超出流量，將產生額外的費用。使用移動熱點等方式同樣會花費手機的流量，還會造成手機發熱、電量消耗快等問題，因此在3 種模式中通常會以連接Wi-Fi 上網的模式為主。

但是，當智能手機脫離了固定的環境、處在移動狀態或未知環境中，會因為網絡環境和通信質量的變化，又自主地切換到使用移動數據上網的網絡訪問模式。隨著位置的不斷變化，智能手機可能在已知環境和未知環境中來回轉換，在該過程中也要不斷切換訪問網絡的模式。該模式切換正是智能手機最主要的功率消耗因素。因此，如何有效控制訪問網絡模式切換中的功率消耗，并緩解用戶的終端續航焦慮，是控制智能手機等移動智能終端功率消耗的最重要工作。

2 移動智能終端功耗優化設計

以CPU 為例，由于用戶沒有及時關閉未在使用中的應用程序，因此導致CPU 的負荷加重，成為增加移動智能終端功率消耗的重要因素之一。而由于位置變化引起網絡環境和通信質量變化導致的訪問網絡模式的頻繁切換，則成為增加移動智能終端功率消耗的最主要因素。為此，該文以智能手機為例，從上述2 個角度入手，分別在軟件上設計對應的功耗優化方法，來盡可能地節省設備的功耗，改善系統的續航表現。

首先，優化一。針對后臺未在使用中的程序堆積過多的問題，在智能手機的內存中植入常駐的清除程序，定時搜索已不使用但仍處于運行狀態的軟件，對滿足清除條件的進行強制關閉，讓CPU 進入省電狀態，從而達到節省功耗的目的。清除程序的執行流程如圖1所示。

圖1 清除程序的執行流程

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

式中：t為非主運行軟件已運行的時間；T為設定的運行時間判斷閾值；Sym1為第一個標識符。

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

當非主運行軟件已運行時間小于時間判斷閾值，Sym1標識符標記為0；當非主運行軟件已運行時間大于時間判斷閾值，Sym1標識符標記為1。

接下來進一步確定非主運行軟件近120s 內的訪問次數，判斷其是否超過設定的訪問次數，具體操作如公式（2）所示。

式中：n為非主運行軟件近120s 內的訪問次數；N為設定的訪問次數的判斷閾值；Sym2為第二個標識符。

當非主運行軟件近120s 內的訪問次數大于訪問次數的判斷閾值，Sym2標識符標記為0；當非主運行軟件近120s 內的訪問次數小于訪問次數的判斷閾值，Sym2標識符標記為1。

如果非主運行軟件的第一個標識符Sym1和第二個標識符Sym2同時滿足為1，則判定該軟件為后臺未在使用中的應用軟件，對其進行強制關閉處理，具體如公式（3）所示。

其次，優化二。為減少由網絡訪問模式的不斷切換引起的高功耗，在智能手機的內存中植入常駐的訪問網絡模式切換控制程序。如前所述，智能手機通常會選擇連接Wi-Fi上網的模式訪問網絡。當位置信息發生改變時啟動切換判斷程序，通過智能手機的定位功能獲取當前位置信息，并結合存儲的經驗Wi-Fi 配置的位置信息，判斷當前位置是否存在有效Wi-Fi，從而決定智能手機是否進行訪問網絡模式切換。該優化方案可以最大限度地減少訪問網絡模式的切換次數，避免消耗大量電量。訪問網絡模式切換控制程序的執行流程如圖2所示。

圖2 訪問網絡模式切換控制程序的執行流程

從圖2 可以看出，借助終端的定位功能，控制程序如果發現帶有經驗標記的Wi-Fi 包括當前位置時，直接選擇該訪問模式，不再進行多余的搜索；如果沒有，則選擇其他訪問模式。該操作可以避免頻繁切換訪問網絡模式，有效降低智能手機的功耗。

3 移動智能終端功耗優化測試與結果分析

完成功耗優化程序設計后，需要對程序執行效果進行測試。主要測試對后臺未在使用中的程序的清除和采取訪問網絡模式切換控制后移動智能終端功耗的優化情況。為此該文進行了3 組測試試驗。

第一組測試試驗，分別記錄植入清除程序前和植入清除程序后，在智能手機后臺運行的未在使用中的軟件數量的變化，結果如圖3所示。

圖3 智能手機后臺運行的未使用軟件數量

對比2 條曲線可以看出，在沒有采取優化措施前，智能手機后臺運行的未使用軟件的數量一直保持在高位，為6～14個。采用該文設計的優化清除程序后，未使用軟件的數量明顯下降，為1～4 個，有效地降低了系統功耗。

第二組測試試驗，對比采取該文設計的2 項優化措施前、后智能手機功耗下降的情況，結果如圖4所示。

圖4 智能手機功耗降低幅度

從圖4 可以看出，采取該文設計的優化措施后，智能手機的功耗顯著下降。9:00 時功耗下降30%，13:00 時功耗下降了78%，極大地保存了手機電量，為緩解功耗焦慮創造了基礎條件。

第三組測試試驗，對比采取該文設計的2 項優化措施前后智能手機續航時間的變化情況，結果如圖5所示。

圖5 智能手機的續航時間變化

對比2 條曲線可以看出，9:00 時，沒有優化前智能手機續航時間為22h，其后隨時間推移續航時長快速下降，到13:00 時，續航時間降為12h，其后繼續下降，到17：00，續航時間只余1h。采取該文功耗優化方法后，曲線趨于平緩，智能手機的續航時間下降幅度明顯放慢。至17:00，續航時間仍然保持在12h 左右。

4 結語

該文剖析了移動智能終端訪問網絡時的功耗主要來源于后臺未及時關閉的程序和網絡訪問模式的不斷切換。在該基礎上，從軟件入手，采取2 項針對性優化措施。第一，及時清除后臺未使用的程序；第二，訪問網絡模式切換控制。3 組測試結果顯示，采用該文功耗優化方案后，智能手機后臺運行的未使用程序數量大幅減少，功耗下降明顯，續航時間顯著提升，達到了預期的研究目的。