智能手机功耗分析、测量、管理与电池问题：一项综述性研究
本文作者是Pijush Kanti Dutta Pramanik（印度国立技术学院杜尔加布尔分校计算机科学与工程系）、Nilanjan Sinhababu（印度理工学院卡拉格普尔分校）、Bulbul Mukherjee、Aranyak Maity（印度西孟加拉邦技术学院计算机科学与工程系）、Sanjeevikumar Padmanaban（奥尔堡大学能源技术系，高级IEEE会员）、Bijoy Kumar Upadhyaya（特里普拉技术学院电子与通信工程系，IEEE会员）、Jens Bo Holm-Nielsen（奥尔堡大学能源技术系）以及Prasenjit Choudhury（印度国立技术学院杜尔加布尔分校计算机科学与工程系）。该论文发表于2019年12月10日，收录于期刊《IEEE Access》（数字对象标识符DOI：10.1109/ACCESS.2019.2958684）。这篇论文的题目是“Power consumption analysis, measurement, management, and issues: a state-of-the-art review of smartphone battery and energy usage”，即《智能手机电池与能耗的功耗分析、测量、管理与问题：一项最新综述》。
这是一篇关于智能手机功耗与电池技术的综合性文献综述。它系统地整合并分析了该领域的现有研究，旨在为读者提供一个全景式的理解。论文的核心目标是：厘清智能手机能量消耗的复杂原因，评估当前功耗测量与管理技术，审视锂离子电池的现状与替代方案，并探讨电池相关的安全隐患。鉴于电池技术进步缓慢已成为智能手机功能充分发挥的主要瓶颈，优化能源使用、提升能源效率变得至关重要。本综述面向包括用户、设备制造商、应用开发者和网络运营商在内的整个智能手机生态系统，为理解和管理能耗提供基础。
论文的主要内容围绕四个核心的文献综述展开，并辅以对智能手机功耗来源的详细分析。
第一个主要观点：全面分析智能手机的功耗来源。 论文详细剖析了导致智能手机能量消耗的各类因素，并将其归类为硬件组件、通信模块、软件组件、用户使用模式以及其他外部因素。作者不仅识别了这些耗电源，还估算了其大致消耗量，并为每个组件提出了降低功耗的可行性建议。例如，在硬件方面，中央处理器（CPU）因其动态功耗、短路电流和晶体管漏电而成为“耗电大户”，降低其电压和时钟频率是有效的节能手段。图形处理器（GPU）的功耗则与屏幕分辨率、像素密度和刷新率直接相关，降低这些参数可以节省电力。在通信模块方面，蜂窝网络、Wi-Fi和全球定位系统（GPS）是主要的能耗来源，信号强度弱、频繁的网络切换（handoff）以及持续的连接维护会显著增加功耗。软件方面，操作系统（OS）和应用本身的设计对能耗有决定性影响，优化不佳的代码、过度请求权限的应用会加剧电力消耗。用户行为，如长时间通话、网络浏览、玩游戏、播放音视频等，通过与上述硬件和软件的交互，共同决定了最终的电量消耗模式。论文以表格（表3）和图表（图8）的形式总结了这些耗电源及其节能建议，为理解智能手机的能耗构成提供了清晰的框架。
第二个主要观点：综述智能手机功耗测量与建模的研究现状。 为了有效管理能耗，首先需要准确地测量和评估它。论文回顾了关于智能手机功耗评估、分析和建模的研究工作。这部分介绍了能量分析器（Energy Profiler）的概念及其工作原理，通常包括数据收集、功耗建模、分析与估计三个阶段。功耗建模是关键，可以根据输入变量的类型分为基于硬件的模型、基于软件的模型和混合模型。作者提及了该领域的一些早期开创性工作，例如Carroll和Heiser在2010年对手机各硬件组件功耗的剖析。也介绍了更近期的研究，如针对LTE智能手机的系统级功耗模型，该模型考虑了非连续接收（DRX）等节能机制，以及针对Wi-Fi数据传输的确定性能耗模型，该模型利用网络流量特征来估计能耗。这些测量与建模技术是开发有效能源管理策略的基础，它们帮助开发者和研究者识别能耗“热点”，量化不同操作或应用的能源成本。
第三个主要观点：综述智能手机功耗管理技术与方法。 在理解功耗来源和能够测量功耗之后，下一步就是如何管理或降低功耗。论文总结了旨在减少智能手机能量需求、优化能源使用的各种研究。这涵盖了从系统层面到应用层面的多种节能方法和技术。例如，在硬件层面，可以采用更节能的组件（如低功耗内存LPDDR）和硬件加速器。在通信层面，可以采用智能策略来管理无线接口的状态（如快速休眠、非连续接收），或在信号弱时切换到更节能的网络模式。在软件和应用层面，则涉及代码优化、计算卸载（将繁重的计算任务转移到云端或边缘设备）、以及有效的后台任务管理。此外，用户行为引导（如建议用户在不使用时关闭GPS、降低屏幕亮度等）也是重要的节能途径。图10和图11分别列出了最大化每日电池寿命和延长电池整体寿命的实用建议。这些管理技术的目标是弥合电池有限容量与设备日益增长的能源需求之间的差距。
第四个主要观点：综述智能手机电池的现状、替代技术及相关安全问题。 论文深入探讨了为智能手机提供能量的核心——电池本身。目前，锂离子电池（LIB）是智能手机的主流选择，因其具有较高的能量密度和较低的自放电率。论文解释了锂离子电池的工作原理（充电和放电过程中锂离子的迁移），并比较了其相对于镍氢（Ni-MH）、镍镉（Ni-Cd）电池的优势。然而，锂离子电池的能量容量受限于其化学特性，且在过去一段时间内进展缓慢。制造商试图通过采用高能量密度电池、使用双电芯或L形单电芯设计来增加容量，但这些方法都受到手机物理尺寸的限制。因此，论文回顾了有潜力替代锂离子电池的新兴技术，如锂硫电池（LiSB）、锂空气电池（LiAB）、钠离子电池（NIB）和锌空气电池（ZAB），尽管它们目前仍面临可靠性和成本挑战。更重要的是，论文专门用一个部分讨论与锂离子电池相关的危害性问题，包括过热、短路、内部故障等可能导致的严重后果（如火灾或爆炸），并综述了旨在缓解这些风险的研究工作。这部分内容提醒读者，在追求高性能和长续航的同时，电池安全是不容忽视的底线。
论文的意义与价值在于其全面性和系统性。与以往大多数只聚焦于功耗某个单一侧面（如仅分析、或仅建模、或仅管理技术）的综述不同，本文首次将功耗分析、测量、管理与电池技术及安全隐患这四大主题整合在一个框架内进行深入探讨。它涵盖了从微观的硬件组件行为到宏观的用户习惯和生态系统影响的广泛议题。论文不仅梳理和归类了大量近期的实证研究，为后续研究者提供了清晰的文献地图和研究方向，而且通过对功耗来源的详尽分析，为设备制造商的设计优化、应用开发者的能效编码以及终端用户的合理使用提供了切实的指导。最后，对电池技术和安全问题的关注，将讨论延伸到了能源供给的源头和长期使用的可靠性，使整个综述更具深度和现实意义。这篇论文是对智能手机“能量困境”一次全面而深刻的检视，对于推动构建更节能、更可持续的移动计算环境具有重要的参考价值。