智能手機的耗電特征及APP耗電量測試的兩種方法

美國著名手機公司Palm的CEO JonRubinstein曾經(jīng)說過：“手機未來的發(fā)展取決于兩個因數(shù)，一是手機的數(shù)據(jù)傳輸速度;二就是手機待機時長。”

為什么手機待機時長如此重要呢?

現(xiàn)在，手機上網(wǎng)速度已經(jīng)有很大的提升，而且還在馬不停蹄的發(fā)展4G，5G。4G網(wǎng)絡(luò)可以將手機的上網(wǎng)速度提高到100Mbps以上，簡單的說，下載一首歌曲不用1秒鐘，下載一部電影不到1分鐘。現(xiàn)在正在制定和規(guī)劃的5G網(wǎng)絡(luò)，通過手機上網(wǎng)的速度甚至可以達到1Gbps。所以可以想象，在數(shù)據(jù)速度不再受到限制的情況下，“智能手機”結(jié)合各種應(yīng)用軟件以及“云”計算，未來的手機將成為真正的“移動終端”。手機身份證，手機銀行，手機錢包、手機交通卡，手機導(dǎo)航，手機智能駕駛……，所有的事情都使用這個“手機”通過網(wǎng)絡(luò)完成。

當(dāng)“手機”已經(jīng)變成了你時時刻刻都離不開“終端”，手機沒電是不是非常致命?

導(dǎo)致手機的待機時間短的原因比較復(fù)雜，包括手機待機狀態(tài)功耗，通話時間，上網(wǎng)時間，無線信號強弱，GPS導(dǎo)航，顯示屏亮度，各種軟件后臺運行，電池容量大小等都會影響待機時間。通常我們最關(guān)心的是手機從上一次充電到手機自動關(guān)機或提示電量不足的時間長短。

要全面分析和優(yōu)化手機的待機時長，手機、電池、充電管理一個都不能少，暫且讓我們稱它們是“手機三件套”吧。那就讓我們從手機的耗電特性開始!

手機發(fā)展趨勢和耗電特性

智能手機越來越普及，硬件處理能力越來越強，支持的軟件應(yīng)用越來越多。

我們不免也有另一種擔(dān)心，現(xiàn)在的智能手機的待機時間已經(jīng)是一個短板，未來的智能手機待機時間變得更加短呢?

從理論上來說，更大的顯示屏、更多核的處理器、更多樣化的無線連接技術(shù)等肯定會增加手機的耗電量。同時，手機的功能也越來越多，手機使用的頻率也會越來越頻繁，因此對手機的耗電性能進行優(yōu)化和管理也變得更加重要。譬如在不操作手機時更快的進入休眠，采用脈沖形式發(fā)射無線信號，非連續(xù)接收及非連續(xù)發(fā)射等。

為了優(yōu)化和改善手機的耗電，就必須先了解手機耗電的特征或發(fā)現(xiàn)手機存在哪些耗電性能上的缺陷，做到有的放矢。

手機耗電的特征可以歸納為以下幾個方面：

1.電流幅度波動大：

a) 關(guān)機漏電流：～10 to 100nA

b) 休眠電流: ~100 μA to 10mA

c) 待機電流: ~5 to 50 mA

d) 接收狀態(tài): ~100 to 300 mA (脈沖)

e) 發(fā)射狀態(tài): ~1 to 2.5 A(脈沖)

f) 應(yīng)用軟件運行：~100mA to 2A

2.電流變化的速度快、動態(tài)大：

上圖是GPRS手機發(fā)射Tx和接收Rx的電流波形：

a) 發(fā)射TX電流脈沖為0.58 ms,電流 2.02A;

b) 接收RX 電流脈沖為1.2ms,電流143 mA

c) 連續(xù)發(fā)射Tx電流脈沖間隔為 4.6 ms;

d) 空閑Idle狀態(tài)的電流為1mA。

3.電流是多種功能綜合，難以區(qū)分是誰引起的電流：

上圖是手機從Idle到顯示屏點亮，再到撥號打電話過程的電流波形;在顯示打開且手機發(fā)射的位置，電流時二者疊加的組合電流。

4.通常需要長時間的對電流進行跟蹤和觀察

如上圖需要測試手機通話時長，要持續(xù)4個小時連續(xù)記錄電流、電壓的變化，分析通話過程消耗的電量(843mAh)，而且還需要準(zhǔn)確測量脈沖電流，往往變得非常困難。

應(yīng)用軟件在手機上的耗電

運營商為什么說提出收取微信的費用?

一般Android手機每天有超過15-20%的電量被消耗在發(fā)送過度頻繁的心跳上

微信，你一定不陌生吧?網(wǎng)上是這樣介紹微信的：

微信是一種更快速的即時通訊工具，具有零資費、跨平臺溝通、顯示實時輸入狀態(tài)等功能，與傳統(tǒng)的短信溝通方式相比，更靈活、智能，且節(jié)省資費。針對圖片、語音和視頻優(yōu)化，1M可發(fā)約1000條文字信息，1000秒語音信息，約1分鐘視頻信息;微信有著精心設(shè)計過的通信協(xié)議，在后臺運行時僅消耗極少流量，一個月消耗約1.7M流量。

此前，曾冒出來一條新聞?wù)f微信要開始收費。大家會好奇——為什么要收費?誰要收費?收的是什么費?下面我們來說說這個事兒。

微信是通過數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將文字、圖片、語音或視頻等內(nèi)容傳輸出去的，因此，只要通過WIFI或者數(shù)據(jù)包月就可以實現(xiàn)完全的免費。因此，只要軟件開發(fā)商如騰訊不收取軟件費用，理論上用戶就沒有理由支付任何的費用。

然而，移動通信網(wǎng)絡(luò)中由于用戶眾多、資源稀缺，每個用戶都是動態(tài)占用資源，比如IP地址以及無線信道。為了實現(xiàn)即時通訊，微信軟件采用向移動通訊網(wǎng)絡(luò)周期性的發(fā)送資源分配請求，即使后臺運行，也保持在線狀態(tài)。這種機制也稱作為“心跳機制”。

最早的心跳機制用于服務(wù)器的安全備份機制，是為了防止服務(wù)器死機，而在服務(wù)器之間采用專用的端口和線路，周期性傳送簡短的信息，心跳就是形象的比喻。一旦收不到對方的心跳信息，服務(wù)器可以接管對方的業(yè)務(wù)，避免業(yè)務(wù)的停滯。為了業(yè)務(wù)的順暢進行，服務(wù)器發(fā)送的心跳信息可以非常頻密。

這種機制被手機上的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所借用，無論是Android的原生應(yīng)用，還是QQ、微博和微信，都采用了這種心跳機制，也就是終端定時向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送簡短的信息。諸如舊版QQ的心跳周期為30秒，新版QQ為3分鐘，微信為5分鐘，Google原生應(yīng)用為28分鐘左右。而手機每次發(fā)送心跳包，都需要移動通信網(wǎng)絡(luò)為用戶分配資源，分配的過程體現(xiàn)在信令的發(fā)送和接收上。一次心跳包的發(fā)送過程，牽涉的信令多達幾十條。這些網(wǎng)絡(luò)資源分配的信令信息運營商是不能進行收費的，就好比手機撥電話沒有接通的時候，也是很多信令信息的交互而用戶不用付費。

中國移動研究院院長黃曉慶在接受媒體采訪時，道出了微信業(yè)務(wù)給運營商帶來的壓力，稱微信僅為中國移動帶了10%的移動數(shù)據(jù)流量，卻占用其60%的信令資源。這也被外界理解為向微信收費的直接原因。

現(xiàn)在我們終于明白了，中國移動等運營商為什么說要收取微信的費用?收發(fā)微信的內(nèi)容如圖片、語音或視頻等的數(shù)據(jù)流量費用，這個已經(jīng)收取了(只是算在我們包月數(shù)據(jù)流量套餐里面)，還要收取微信的“心跳”費用!

其實運營商也不想一想，沒有這種“心跳”，哪里后面的數(shù)據(jù)流量的收費啊?

當(dāng)然，微信等創(chuàng)新的交流軟件平臺，的確是影響了運營商的短信、彩信甚至通話等收入，但這是歷史發(fā)展的趨勢，誰也無法阻擋。

不管收不收費,這種“心跳”還意味著每天你的手機將被從待機省電狀態(tài)喚醒近300次，每次相當(dāng)于打一個幾秒鐘的電話。粗略測算，一般的Android手機每天有超過15-20%的電量被消耗在發(fā)送過度頻繁的心跳上。

為了延長手機的待機時間，建議如果長時間不用的話，還是連后臺運行也關(guān)閉吧。

應(yīng)用軟件在手機上的耗電能測量嗎?

相信大家對某運營商投放的這段電視廣告應(yīng)該再熟悉不過了——“xxx手機已經(jīng)有10萬個應(yīng)用程序”!與之相應(yīng)的是網(wǎng)絡(luò)上熱議的話題——5G技術(shù)最高理論下載速率可10Gbps。

這兩個信息提示我們“移動互聯(lián)時代”時代真的要來了……

“移動互聯(lián)時代”的手機就更加有理由成為真正意義上的“移動終端”，在未來通信速度不再受限制的情況下，通過安裝什么樣的應(yīng)用軟件，手機就可以變成什么樣的終端。雖然在3G時代，通信速率還遠沒有達到帶寬不受限制，但現(xiàn)在的“智能手機”走在“移動終端”蛻變的路上，已經(jīng)有數(shù)以萬計的應(yīng)用軟件可以下載安裝，使手機變成各種功能獨特的“終端”。

手機之所以區(qū)別于電腦或其他通訊工具，最突出的優(yōu)勢就在于其移動性、便攜性。而采用鋰電池供電又是其移動性、便攜性的基礎(chǔ)，可以說鋰電池的出現(xiàn)成就了手機，但鋰電池的容量瓶頸已經(jīng)讓手機待機時間短成為一個突出問題。

其實，鋰電池的容量已經(jīng)出當(dāng)初的數(shù)百mAh提高到了現(xiàn)在的數(shù)千mAh,待機時間變得越來越短，根本原因在手機的耗電比原來大了更多，包括手機更耗電的硬件——之前的博文“手機發(fā)展趨勢和耗電特性”已經(jīng)做過相關(guān)的介紹。

另一個突出的變化就是手機需要安裝和運行更多的應(yīng)該軟件，有些運用軟件運行時需要消耗大量的電能，如前面提到的微信，QQ，微博等。

應(yīng)用軟件需要消耗電量，大家都容易理解，但究竟哪個軟件耗電大，哪個耗電量小，如何定量的評估呢?估計這個問題一直困擾著很多軟件開發(fā)者。相比硬件的耗電非常的直觀，如顯示屏的亮度等級耗電是非常容易對比和測量。軟件的耗電比較抽象和難以測試，是因為軟件必須運行在手機硬件的基礎(chǔ)上，測量到的耗電量是軟件與手機的硬件綜合疊加的耗電總和。對于耗電來所我們無法認(rèn)為的剔除硬件的耗電而單獨測試軟件的耗電。

所以，如何測試軟件的耗電?我建議軟件開發(fā)者可以有以下兩種方法：

一、橫向?qū)Ρ确ǎ悍謨刹綔y試，第一步測量手機硬件運行消耗的電量;第二步測試手機硬件和軟件運行綜合的耗電量。最后將兩次的耗電進行對比，得出軟件消耗的電量大小;

二、縱向?qū)Ρ确ǎ和瑫r進行兩臺手機，其中一臺手機不運行軟件，另一臺手機運行軟件;分別獲得兩臺手機的耗電量，對比兩臺手機耗電量差異，得出軟件消耗的電量大小。

這兩種方法在測試上有一定的差異，很多應(yīng)用軟件都是需要移動網(wǎng)絡(luò)的支持，而手機接收的網(wǎng)絡(luò)信號時會隨時間變化的。

因此、第一種方法的誤差主要來源于手機在不同的基站網(wǎng)絡(luò)下工作狀態(tài)的變化。

第二種方法的差異則體現(xiàn)在兩臺手機本身硬件消耗的電量可能存在差異，所以需要盡可能使用同一型號，同一批次的手機。而且需要使用多通道的耗電測試儀表，如之前提到的安捷倫N6705B可以最多同時支持4臺手機并行測試。