陳 婷

（福建信息職業(yè)技術學院，福建 福州 350000）

5G 技術、無線通信集成電路的發(fā)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(fā)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(xiàn)語音通話、多媒體通信和數(shù)據(jù)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(chǎn)品通過無線網(wǎng)絡連接到互聯(lián)網(wǎng)，除了在日常生活中得到廣泛應用外，在生產(chǎn)制造、醫(yī)療健康和教育等領域也有廣闊的發(fā)展空間。以智能手機為例，根據(jù)Strategy Analytics 發(fā)布的數(shù)據(jù)，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(shù)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(xù)航時間成為終端體驗的最大瓶頸，影響了終端的應用與發(fā)展。就目前情況來看，最適合延長設備續(xù)航時間的方法就是在保證終端電量一定的情況下，優(yōu)化功耗，節(jié)約系統(tǒng)能量。

經(jīng)驗數(shù)據(jù)顯示，訪問無線網(wǎng)絡是移動智能終端功率消耗大的重要因素。據(jù)此，該文提出從軟件角度對移動智能終端訪問網(wǎng)絡的功耗進行精細管理，從而延長續(xù)航時間，并通過測試試驗加以驗證。

1 移動智能終端訪問網(wǎng)絡功耗研究

移動智能終端是一類具有智能操作系統(tǒng)的嵌入式計算機設備，可以實現(xiàn)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(wǎng)絡化，通過連接無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以隨時隨地獲取信息，在滿足人們?nèi)粘Ｐ枨蟮耐瑫r也提高了工作效率。

因為具有了訪問網(wǎng)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(yè)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(fā)展相對滯后，嚴重影響了用戶的使用體驗和行業(yè)的進一步發(fā)展。

在電池技術短時間內(nèi)難以突破的情況下，就需要通過降低功耗來延長續(xù)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(shù)據(jù)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(jīng)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(xù)運行。運行的程序數(shù)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(wǎng)絡訪問模式的不斷切換。

為了實現(xiàn)上網(wǎng)，智能手機一般會提供3 類移動網(wǎng)絡訪問模式。第一，使用移動數(shù)據(jù)上網(wǎng)；第二，連接Wi-Fi 上網(wǎng)；第三，使用移動熱點、藍牙共享和USB 共享等。由于使用移動數(shù)據(jù)上網(wǎng)會花費手機的流量，如果超出流量，將產(chǎn)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(fā)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(wǎng)的模式為主。

但是，當智能手機脫離了固定的環(huán)境、處在移動狀態(tài)或未知環(huán)境中，會因為網(wǎng)絡環(huán)境和通信質量的變化，又自主地切換到使用移動數(shù)據(jù)上網(wǎng)的網(wǎng)絡訪問模式。隨著位置的不斷變化，智能手機可能在已知環(huán)境和未知環(huán)境中來回轉換，在該過程中也要不斷切換訪問網(wǎng)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(wǎng)絡模式切換中的功率消耗，并緩解用戶的終端續(xù)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(yōu)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(wǎng)絡環(huán)境和通信質量變化導致的訪問網(wǎng)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(yōu)化方法，來盡可能地節(jié)省設備的功耗，改善系統(tǒng)的續(xù)航表現(xiàn)。

首先，優(yōu)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(nèi)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(tài)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(tài)，從而達到節(jié)省功耗的目的。清除程序的執(zhí)行流程如圖1所示。

圖1 清除程序的執(zhí)行流程

從圖1 可以看出，清除程序每隔120s 自動執(zhí)行一次。執(zhí)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?！?/p>

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(nèi)的訪問次數(shù)，判斷其是否超過設定的訪問次數(shù)，具體操作如公式（2）所示。

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

當非主運行軟件近120s 內(nèi)的訪問次數(shù)大于訪問次數(shù)的判斷閾值，Sym2標識符標記為0；當非主運行軟件近120s 內(nèi)的訪問次數(shù)小于訪問次數(shù)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(yōu)化二。為減少由網(wǎng)絡訪問模式的不斷切換引起的高功耗，在智能手機的內(nèi)存中植入常駐的訪問網(wǎng)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(wǎng)的模式訪問網(wǎng)絡。當位置信息發(fā)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(jīng)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(wǎng)絡模式切換。該優(yōu)化方案可以最大限度地減少訪問網(wǎng)絡模式的切換次數(shù)，避免消耗大量電量。訪問網(wǎng)絡模式切換控制程序的執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 訪問網(wǎng)絡模式切換控制程序的執(zhí)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(fā)現(xiàn)帶有經(jīng)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(wǎng)絡模式，有效降低智能手機的功耗。

3 移動智能終端功耗優(yōu)化測試與結果分析

完成功耗優(yōu)化程序設計后，需要對程序執(zhí)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(wǎng)絡模式切換控制后移動智能終端功耗的優(yōu)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(shù)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(shù)量

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

第二組測試試驗，對比采取該文設計的2 項優(yōu)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(yōu)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(chuàng)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(yōu)化措施前后智能手機續(xù)航時間的變化情況，結果如圖5所示。

圖5 智能手機的續(xù)航時間變化

對比2 條曲線可以看出，9:00 時，沒有優(yōu)化前智能手機續(xù)航時間為22h，其后隨時間推移續(xù)航時長快速下降，到13:00 時，續(xù)航時間降為12h，其后繼續(xù)下降，到17：00，續(xù)航時間只余1h。采取該文功耗優(yōu)化方法后，曲線趨于平緩，智能手機的續(xù)航時間下降幅度明顯放慢。至17:00，續(xù)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(wǎng)絡時的功耗主要來源于后臺未及時關閉的程序和網(wǎng)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(yōu)化措施。第一，及時清除后臺未使用的程序；第二，訪問網(wǎng)絡模式切換控制。3 組測試結果顯示，采用該文功耗優(yōu)化方案后，智能手機后臺運行的未使用程序數(shù)量大幅減少，功耗下降明顯，續(xù)航時間顯著提升，達到了預期的研究目的。