Längere Akkulaufzeit für Smartphones mit Energiemanagementtechniken

Smartphones sind zu einem unersetzlichen Gebrauchsgegenstand in unserem täglichen Leben geworden. Ob im Berufs- oder Privatleben, jede Aufgabe ist auf die eine oder andere Weise mit diesen Geräten verbunden. Um unserer zunehmenden Abhängigkeit gerecht zu werden, werden diese Smartphones jeden Tag leistungsfähiger. Leistungsstarke Prozessoren, mehr Speicherplatz und eine verbesserte Kamera sind die Merkmale, nach denen jeder Käufer sucht.

Neben dem Betriebssystem nutzen die Verbraucher auch eine Vielzahl von Anwendungen, die verschiedene Sensoren und die Verarbeitungsleistung unseres Geräts in Anspruch nehmen. Für all diese Prozesse ist eine Stromquelle erforderlich, im Falle von Mobilgeräten ist dies ein Akku. Diese Batterien müssen von Zeit zu Zeit aufgeladen werden, um die Prozesse am Laufen zu halten. Daher ist eine längere Akkulaufzeit ein weiteres wichtiges Kriterium für die Auswahl eines Smartphones. Die Technologie zur Optimierung der Akkulaufzeit hat sich nicht so schnell entwickelt wie in anderen Bereichen der Smartphone-Industrie.

Die Verlängerung der Akkulaufzeit eines Smartphones kann sowohl durch Hardware- als auch durch Softwaretechniken erreicht werden. Änderungen an der Hardware könnten auch bedeuten, dass ein größerer Akku eingebaut wird, was jedoch eine Vergrößerung des Smartphones bedeuten würde. Die Entwicklung effizienter Energieverwaltungseinheiten und stromsparender integrierter Schaltungen (ICs) ist eine machbare Lösung. Darüber hinaus werden Softwareverbesserungen im Betriebssystem zur Verwaltung batterieintensiver Anwendungen und zur sinnvollen Nutzung der verfügbaren Batterie als weitere mögliche Lösung des Problems angesehen. In diesem Artikel werden Software- und Hardwaretechniken zur Optimierung der Akkulaufzeit von Smartphones erörtert.

Software-Energiemanagement-Techniken
Die enorme Beliebtheit moderner Smartphones mit höherer Verarbeitungsleistung und schnellerer Internetverbindung hat auch die Anzahl der daten- und hardwareintensiven Anwendungen sowohl in Android als auch in iOS erhöht. Anwendungen wie WhatsApp, Instagram, Skype usw. beanspruchen nicht nur CPU-Ressourcen, sondern erfordern auch eine permanente Internetverbindung. Studien haben ergeben, dass die Internetnutzung etwa 62 % des Stromverbrauchs im Leerlauf ausmacht. Außerdem verbraucht 3G/4G im Vergleich zu Wi-Fi mehr Akku, wenn häufig kleine Datenpakete ausgetauscht werden.

Verschiedene Softwaretechniken wie Datenkompression, Paketaggregation und Batch Scheduling können zur Optimierung der Batterielebensdauer eingesetzt werden. Daher kann ein Batch-Scheduling-Mechanismus eingesetzt werden, um die Ruhezeit zu maximieren und die Häufigkeit des Aufwachens durch wiederholte Datenübertragungen von Anwendungen zu minimieren.

Die Verlagerung von Daten von 3G/4G auf Wi-Fi ist eine weitere wirksame Methode zur Verbesserung der Akkulaufzeit, da Wi-Fi im Vergleich zu 3G/4G effizienter für die Datenübertragung ist. Eine weitere Softwaretechnik besteht darin, größere Rechenaufgaben, wie z. B. rechenintensive Software, für Berechnungen in die Cloud zu verlagern. Diese Strategie kann verwendet werden, um Software wie Office 365 und MATLAB auf mobilen Geräten zu betreiben, aber sie ist mit zusätzlichen Kosten für die Kommunikation zwischen der Cloud und dem Gerät verbunden. Application State Proxy (ASP) ist eine weitere Technik, bei der die Hintergrundanwendungen, die nicht nur CPU-Ressourcen, sondern auch Internetdaten verbrauchen, unterdrückt und auf ein anderes Gerät übertragen werden und nur bei Bedarf auf das Gerät geladen werden.

Hardware-Energiemanagement-Techniken
Verschiedene eingebettete Systeme, Chips, Prozessoren und Sensoren sind integriert und arbeiten synchron, um diese mobilen Geräte intelligent zu machen. Jedes der Hardware-Geräte verbraucht während seines Betriebs Strom. Von all diesen elektronischen Modulen verbraucht das Transceivermodul den meisten Strom, da es lange Zeit aktiv bleibt, um eingehende Pakete zu empfangen. Es wurden verschiedene Softwaretechniken diskutiert, um die Datenübertragung dieser Pakete zu optimieren. Digitale Signalprozessoren (DSPs) sind Schlüsselkomponenten dieser Transceivermodule, die eine große Menge an Daten für die Multimedia-Nutzung verarbeiten. Die Verringerung der Versorgungsspannung für diese DSPs ist eine direkte Methode zur Reduzierung des Stromverbrauchs.

Um die Batterielebensdauer zu verlängern, benötigt der DSP für ein Smartphone eine stromsparende und durchsatzstarke Multiplikationsakkumulation (MAC) während der Gesprächszeit und einen stromsparenden intermittierenden Betrieb während der Wartezeit. Ein 1-V-Multi-Threshold-CMOS-Schaltkreis erfüllt diese Anforderungen mit einer einfachen parallelen Architektur und einer Power-Management-Technik unter Verwendung eines eingebetteten Prozessors, der zusammen mit einem modifizierten, für die Stromversorgungssteuerung geeigneten DFF eingesetzt wird.

Neben den Prozessoren und Sende-/Empfangsgeräten ist der Bildschirm ein weiterer großer Stromverbraucher. LED-Bildschirme, die eine Hintergrundbeleuchtung benötigen, verbrauchen mehr Strom und können daher durch energieeffizientere Displays wie OLED ersetzt werden, die weniger Strom verbrauchen. OLED benötigt im Gegensatz zu LED- und LCD-Bildschirmen keine Hintergrundbeleuchtung, und jedes Pixel in OLED hat seine eigene, unabhängige Farb- und Lichtquelle. Schwarze Bilder auf OLED-Displays sind also komplett schwarz, was bei LED- und LCD-Displays nicht der Fall ist.

Die Forschung hat gezeigt, dass die Verschlechterung der Batterielebensdauer mit der Zeit auch auf Polyvinylidenfluorid (PVDF) zurückzuführen sein kann, ein Bindemittel, das verwendet wird, um die Abblätterung der Graphitanode in Batterien zu verhindern. PVDF ist nicht leitfähig und löst sich im Elektrolyten auf, weil es schlecht haftet. Ein neues konjugiertes Copolymer vom n-Typ, das Bis-imino-acenaphthenchinon-Paraphenylen (BP)-Bindemittel, wurde ebenfalls vorgeschlagen; es hat die herkömmlichen Bindemittel auf PVDF-Basis übertroffen, die Lebensdauer der Batterie verlängert und eine Degradation mit zunehmendem Alter der Batterie verhindert.

Die Forscher haben auch eine dynamische Energieverwaltungseinheit (PMU) vorgeschlagen, die Informationen über verschiedene Parameter des Prozessors und der Eingabe-/Ausgabegeräte sammelt, während verschiedene Anwendungen auf dem Smartphone laufen. Die PMU würde dann auf der Grundlage der gesammelten Informationen prädiktive, energiebewusste Verwaltungsprogramme vorschlagen.

Aussichten für das Energiemanagement von Smartphones
Das Tempo, mit dem die Smartphone-Industrie in Bezug auf die Verarbeitungsleistung und andere Funktionen voranschreitet, ist viel höher als das der Batterien. Die Forscher konzentrieren sich jetzt auf Techniken zur Energieverwaltung durch Software und Hardware, um die verfügbare Akkuenergie effizient zu verwalten. Die verschiedenen in diesem Artikel vorgestellten Techniken sind vielversprechend und werden eingesetzt, um die Akkulaufzeit von Smartphones um ein Vielfaches zu verlängern.