SmartWatch能源消耗研究（1）

SmartWatch能源消耗研究（1）

摘要

SmartWatch耗能源消耗大致可分一下以下四個研究方向：電池本身的放電模式、用戶使用SmartWatch的使用方式，SmartWatch系統決定的后臺程序運行的耗電模式、SmartWatch硬件節能原件的開發及采用方式。本文把對SmartWatch的耗能問題研究集中在一個點上--SmartWatch的能源優化方式，從現有的SmartWatch的能源消耗現狀出發，在已有的研究中總結研究SmartWatch能源消耗存在的問題，并針對現有研究得出自己的見解，并進行總結。

介紹

作為可穿戴計算機的最流行的類型--SmartWatch具有方便快捷的特點，除了作為一個定時器，SmartWatch的最重要的應用是接收電話，推送通知，即時信息，天氣預報，新聞，手表程序控制手機程序等。然而，SmartWatch自身配備的電池的容量是十分有限的。它通常只有300毫安到500毫安，比普通智能手機的電池要小得多（2k–3k 毫安）[ 1]。此外，充電手表需要特殊的充電插頭。根據測評使用的商品SmartWatch如LG，顯示完全充電的手表往往不能持續一整天。

盡管SmartWatch得到了很多人關注，能源效率從研究界很少受到關注。由于手機和手表之間的內在差異，也很難直接應用現有的智能手機能源優化技術，由于SmartWatch的尺寸所限，擴大電池容量的技術很難實現，SmartWatch的的能源優化技術就成為可以實現延長SmartWatch工作時間的關鍵。本文將分為三個部分進行展開：

第二節SmartWatch能源優化技術研究現狀分析。SmartWatch能源現狀分析主要是從三篇論文研究成果進行現狀分析，包括SmartWatch能耗的測量及優化、SmartWatch操作系統Android-wareOS的特點、SmartWatch和智能手機計算分擔策略。

基于研究工作提出存在的問題。亦是在三篇論文的研究工作基礎之上進行分析得出。

第四節總結部分就SmartWatch的能源可優化技術進行總結。

2. SmartWatch能源優化技術研究現狀分析

論文[ 2]1進行SmartWatch能耗的測量和優化工作。建立SmartWatch的能源動力模型，這是一個函數 ，當 對應于系統活動和設備上直接可測量的事件時，映射 到他們所產生的能量與功率消耗。該論文研究得出SmartWatch具有與智能手機不同的能耗特點，例如，當手表處于休眠狀態總耗能，平均超過50%的手表能量消耗。而顯示狀態的耗能占手表整體能源消耗30%以上。并且這篇論文根據他們的測量結果，提出了具體的解決方案來提高能源效率，如手表，表盤顯示節能，智能顯示調光等。

論文[ 3]2研究SmartWatch的操作系統Android Wear特點，從系統層的角度研究SmartWatch的執行效率。通過運行一套十五個基準測試，概述了Android Wear系統四個方面包括CPU使用情況，閑置情況，線程級并行性和微體系結構行為的特點；該論文發現的低效率根本原因在于一個一系列廣泛但未知的操作系統設計缺陷。他們的研究對設計未來的可穿戴式操作系統具有啟發意義。

論文[4]3研究了降低SmartWatch的能源消耗的新型計算分擔技術。基于現有技術在具有無限資源的云服務器分擔復雜的計算思想，提出在SmartWatch上將將復雜的操作分擔到智能手機的技術。因此，這篇論文將考慮重心放在可以執行復雜的計算的智能手機，而不是基于智能手機的SmartWatch的的狀態，如能源消耗，過程延遲和其他過程的副作用。

第一篇論文描述表象SmartWatch耗能特點，第二篇論文描述了導致耗能的SmartWatch操作系統的設計問題，從改進操作系統的低效率的角度優化SmartWatch耗能的效率，第三篇論文從提出智能手機分擔復雜計算的角度提出解決SmartWatch耗能的新方法。并且三篇論文就不同就角度提出來了優化方案，這三篇論文一定程度上代表目前該領域關于SmartWatch能源優化

3. 基于研究工作提出存在的問題

3.1實驗測量SmartWatch與能耗存在的關系

構建SmartWatch的功耗模型[ 5]。在這里展示了一個LG SmartWatch的粗粒度的功耗模型初步結果。手表運行Android Wear 操作系統。它配備了一個Cortex A7處理器，4GB存儲空間，512MB內存，1.3寸P-OLED顯示，Wi-Fi，藍牙和各種傳感器。建模方法參考智能手機功率建模高級方法。使用Monsoon功率監視器測量以下部件的功耗：設備基線（兩者）睡眠和清醒模式），CPU，顯示器，藍牙，Wi-Fi，和觸摸屏。測量結果如表1所示。

從表1所示的結果可以得出以下發現：（1）CPU的功率由三個因素決定：核心的數量，每個核心的頻率，和每個核心的利用率。測量的手表配備了四核Cortex A7處理器，操作系統控制3個核心脫機，唯一的在線核心固定在768兆赫的頻率。因此，影響功率的唯一因素是CPU的利用率，我們發現功耗和cpu的利用率兩者是線性相關的。（2）手表有1.3英寸320x320 P-OLED顯示，其功率由亮度級別和像素顏色決定[ 6]。我們發現藍色是最耗能的顏色，其次是綠再紅。（3）SmartWatch的Wi-Fi狀態機相比于智能手機[ 7]多一個0.3s推廣 延遲。（4）BT狀態機由空閑和活動狀態組成。狀態推廣需要忽略不計時間，而從活躍到空閑狀態的降級是由一個4.8s閑置計時器觸發的。

3.2存在的問題

這篇論文實驗室環境下構建的SmartWatch功耗模型，只對LG的SmartWatch進行了測量，一定程度上反應了現有SmartWatch的功耗情況。測量的結論只反映了操作系統利用率和功耗的關系，缺乏更多的細節的考慮，如顯示亮度，信號強度和各種傳感器的功率消費。

3.3跟蹤用戶使用數據與能耗的關系

進行用戶測試了解SmartWatches能源消耗在用戶使用過程中的特點。IRB批準的測試用戶來自30多個的印第安那大學SmartWatch用戶。每個用戶佩戴LG Urbane SmartWatch。

圖1：能量分解（a）從我們的用戶的SmartWatch研究和（b）先前研究中的智能手機[8]

相比于在實驗室測驗數據中，用戶研究的一個關鍵優勢是它有助于了解在現實的使用場景中的能源消耗。圖1a顯示了與智能手機相比不一樣的測量結果，圖1b顯示由陳等進行的跟蹤智能手機的結果[9 ]。

我們描述我們的主要發現如下：如圖1a陰影，對于SmartWatch超過一半的精力都花在睡眠（空閑）模式。首先，在睡眠模式的功耗是不能忽略的。特別是，手表在睡眠模式（盡管它的亮度降低）仍然顯示。手表面顯示占總能耗的30.1%。第二，由于手表的應用程序的性質會導致手表的活躍使用時間短于手機：例如，時間檢查，推送通知，語音控制等，因此，在確定整體的能源消耗，睡眠模式成為一個重要組成部分。

當手表在使用模式，顯示器仍然是最大的能源消費，占40.4%（17.7%）的使用模式（整體）能源消耗。相比之下CPU的占整體能源消耗的比例較小，可能是因為LG的手表總是運行在一個固定頻率的單芯。

與智能手機相比，手表的收音機（藍牙和Wi-Fi）占整體耗電比例不大，這是由于兩個原因。第一，絕大多數智能手表沒有蜂窩接口，手機的蜂窩接口比Wi-Fi和藍牙更耗電。第二，手表與智能手機相比所產生的流量體積要低得多。

3.4存在的問題

這篇論文采集用戶使用SmartWatch的數據進行分析，所得的餅狀圖與智能手機的采集數據繪制的餅狀圖進行對比，突出了SmartWatch和智能手機耗能的差異性。沒有分析對比與實驗測試測試數據的相似性，進而重點分析SmartWatch的耗能特點。

我們重點從這張圖中分析SmartWatch在用戶使用過程中的能耗特點。與實驗測試結果相比，用戶使用過程中的數據同樣顯示，睡眠模式（包括睡眠模式手表顯示、睡眠模式手表手表不顯示）超過50%的手表能量消耗。另一個最大的特點是：實驗室測試數據和用戶使用過程采集數據均從硬件消耗給出能耗比例。這是一種粗粒度的測量方式。

3.5 SmartWatch操作系統的特點與耗能關系

操作系統執行任務響應時間越長耗能越多，了解SmartWatch的操作系統的特點及分析其系統框架存在的問題，解決系統漏洞來提高SmartWatch的執行效率從而減少能耗是全局節能的一種新思路。

3.5.1 SmartWatch操作系統存在響應時間長的特點

由于可穿戴設備的執行效率，不是可穿戴式操作系統設計的指導原則。除了Android Wear，蘋果手表也有報道顯示電池壽命不足[10 ]和緩慢的響應[ 11]，盡管對其內部結構知之甚少。高效率和低響應性主要是由于執行效率低下。圖2顯示了一個實際情況。在向用戶顯示“設置”的UI之前，可穿戴設備需要987ms。即從用戶觸摸直到啟動動作開始為止顯示異常空閑跨越130毫秒，在階段2中，OS執行啟動操作，并且CPU保持忙碌約810ms。

圖2：在Android Wear上啟動“設置”應用程序的時間表，顯示兩個異常空閑事件（不是由于I / O）和密集的CPU執行

3.5.2揭示SmartWatchOS執行效率低下的原因

論文[12 ]專注于其主要組件 - 操作系統外殼和守護程序的研究。 基于兩個理由：這些操作系統組件主導整體CPU執行，如試點研究[13 ]所示，并得到新的證據證實在本文中這些OS組件仍然未來Android Wear系統的核心。

2.3 Android Wear操作系統

Android Wear是最受歡迎的互動操作系統之一。執行以場景為中心的分析是一種表征交互式系統經過驗證的方法[ 14]。通過擴大試點研究[ 15]中確定的核心情景，設計了一套基準測試。如表1所示，我們的基準套件包括分為以下四個類別的十五個基準。

? 醒來。受到內部或外部事件的刺激，穿戴式設備從暫停模式中轉出并提供簡要信息。設備喚醒后沒有用戶輸入。由于喚醒發生經常在日常使用中，能源效率最高重要指標。

?單輸入醒目的可穿戴設備響應來自用戶的單個輸入，例如觸摸或語音命令，共同的模式的短暫互動。由于用戶正在等待，設備需要沖刺以實現低UI延遲。

?持續互動。用戶正在與設備進行交互連續地，例如在卡片之間導航[10][ 16]。最終的UI動畫需要設備產生穩定的圖形流幀，這通常需要CPU和GPU之間的協同作用。

?感應。一套簡約的程序樣品和過程傳感器周期性地收集數據以收集已知的上下文信息驅動可穿戴應用程序執行[17 ]。這些程序保留他們的UI作為黑屏，沒有更新，延遲和功耗。如表2所示，這些概念上簡單的場景通常表現得很長用戶可感知的延遲和大量功耗。這些如圖2中的例子所示，兩個度量是緊密耦合的，最終由系統的執行效率決定。

表2：基準套件。所有時間值由systrace [18]測量

注：P1：從用戶觸摸開始啟動; P2：從啟動開始到UI顯示

表2介紹了四個方面的表征結果。該論文的研究結果清楚地表明，1）操作系統應該是系統優化的主要的目標;2）優化常用的幾個熱門功能是非常有效果的。特別地，操縱基本數據結構的功能應該獲得優先權，我們可以通過以下方法進行實現：利用SIMD硬件手動調整實施，例如 用于矢量操作的ARM NEON [ 19];硬件加速最常見的數據結構，一種方法顯示有益于密集型移動應用程序[ 20]。

我們為未來可穿戴設備操作系統的開發提供以下新指南：1）復雜運行時環境的軟件冗余和UI布局應積極修剪; 2）操作系統在“附加”用戶體驗上程序上節省CPU周期;3）短時間互動期間為來提高效率進行的按需操作可能會影響系統。

3.6存在的問題

這篇論文的研究十分細致。從Android-ware的操作系統存在響應慢的問題入手，以用戶使用情景分析了4個類別的15個基準的測試。目前針對這篇論文現有的研究，因為這篇論文涉及很多很專業的東西，我不能從很專業的角度提出問題。

3.7 SmartWatch與智能手機任務分擔策略

SmartWatch與智能手機任務分擔策略具體研究了兩種應用的算法來分擔每個設備的決策組件準確決策。設計與算法為了有效地決定分擔，智能手機應該有一個分擔決策和成本分析器。

圖3.提出的技術的流程圖

圖3顯示了所提出技術的流程圖。它有一些過程確定智能手機是否執行分擔任務。另外，我們提出了兩個在SmartWatch和智能手機中使用的算法。算法1是確定某些工作負載是否被分擔到智能手機。算法2是確定在當前的智能手機狀態下是否執行計算。具體實現如下：

算法1：在SmartWatch中轉移策略

假設要分擔的任務

P_L←本地計算能力；

P_B←藍牙傳輸能力；

T_L←本地傳輸時間；

T_B←藍牙傳輸時間；

W←工作量；

假設P_L>P_B 或者T_L>T_B,則發出轉移任務（W）的請求;

否則本地計算任務（W）;

結束假設

結束假設

算法2：SmartWatch的轉移策略

假設存在請求THEN

τ_u←CPU利用率閾值；

U_E←期望的CPU利用率；

P_C←當前的電池容量；

P_E←期望的計算能力；

τ_T←執行時間閾值；

T_E←期待的執行時間；

假設τ_u

否則執行計算任務（W）；

返回結果給SmartWatch。

向SmartWatch發送ACK消息;其他執行計算（W）;將結果返回到SmartWatch;

結束假設

結束假設

3.8 存在問題

這篇論文的主要問題在于提出了這樣的分擔計算思想，并沒有給出實驗數據驗證著這樣做的效果--到底在多大程度上節約SmartWatch的能量。而且在這個算法思想的基礎上進行實現一個通用算法，這個通用算法的好壞在不同型號的機器會存在差異。但對于特定的手機，特定的智能手表之間設計分擔計算的節能策略的思想，對于SmartWatch開發商設計特色程序具有很大啟發意義。

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[20] TECHRADAR. Apple watch battery life: How many hoursdoes it last?http://www.techradar.com/us/news/wearables/apple-watchbattery-life-how-many-hours-does-it-last–1291435,2015

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