使用功率閾值對移動通信終端進行智能功率管理的方法和裝置與流程

本發明涉及移動通信終端中的功率管理。

背景技術：
移動終端正快速地從具有照相機的簡單的電話演化為配有強大的處理器、大容量的存儲器、高分辨率的照相機、多個傳感器和較大專用觸控顯示器的強大的、多功能的設備。同時，移動終端具有較小的形態因子，這給電池的大小和形狀增加了限制。即使當前的移動終端具有強大的電池，它們的同時運行各種應用（包括諸如在線游戲、流視頻和音頻的實時應用）的能力，給移動終端無需再充電即可保持可操作的時間量施加了相當的限制。過去，移動電話的性能用在電池再次充電之間的“通話時間”和“待機”時間來測量，其中第一個測量指示移動電話用于執行呼叫時電池可為移動電話提供功率的整個時間，而后者涉及電池可保持電池可操作的整個時間。目前引入了附加的性能參數以考慮每個應用（例如，“互聯網使用時間”，“視頻重放時間”和“音頻重放時間”）在功率消耗中的差別。然而，如果同時使用多個應用，電池功率可能會快速消耗，這使得難以預測移動終端用完功率會有多快。如果電池功率低，用戶會通過避免或僅簡短地使用特定的應用以嘗試減小功率消耗。然而，對于許多應用，用戶可能難以估計和控制移動終端的功率消耗，并且一些應用和服務會在后臺操作，這使得它們甚至對用戶是不可見的。在不知道電池中剩余的實際功率的情況下啟動應用，會造成移動終端在沒有剩余太多功率的情況下啟動耗電量大的應用，從而快速用完剩余的功率，并使終端不可操作，直到它被再次充電為止。移動終端利用高度集成的、低功率的芯片組。芯片組中（特別是在處理器中）的功率消耗，主要由供電電壓V、時鐘頻率f、門主動切換部分α和泄露電流Il確定。處理器的整個功率消耗P是動態功率項和靜態功率損失項的總和，并且通常模型為P=αCV2f+VIl，其中C表示邏輯門的電容負荷。在移動終端中使用的處理器典型地具有非常低的靜態功率損耗。當元件不使用時能夠關閉內部模塊，可獲得大的節能。可將處理器設計為支持動態頻率縮放，這為動態功率項提供了線性縮小。如果供電電壓是動態可調的，可獲得二次縮小。將其稱為動態電壓縮放（DVS），這是用于功率優化的最早方法中的一個。以計算速度作為交換，較低的供電電壓典型地減小了最大可實現的時鐘頻率，從而可同時減小電壓和時鐘頻率以實現顯著的節能。移動終端利用各種節能策略以限制功率消耗，例如休眠模式和定時器，其中如果顯示器在特定的時間段內是非活動的，則將顯示器切換為低強度模式。一些移動終端會提供允許應用調整用于低強度顯示的定時器的接口。移動終端典型地使用電池電量狀態指示符和接收質量指示符以給用戶提供剩余電量和無線連接質量的信息，并且它們典型地結合各種休眠模式，其中當在特定的、預先配置的周期中部分系統是不活動的，則將部分系統關閉。諸如膝上型計算機和筆記本計算機的較大的移動終端典型地具有當功率低時警告用戶的功率管理功能。功率管理功能會采取步驟以節省數據，從而可實現正常的系統關機。功率管理功能還會關閉一些功能以在休眠模式中節省功率。功率管理功能典型地由操作系統提供。膝上型計算機操作系統典型的是具有兩個附加功能的膝上型計算機操作系統：無線連通性連通性和用戶控制的節能特征。移動操作系統，特別是那些在多任務智能電話中所使用的，通常是從典型地出現在膝上型計算機的操作系統中得到。操作系統使用任務調度以便將處理器（或多個處理器）的利用最大化。在該上下文中，我們定義任務為由操作系統進行調度以執行的最小單元。過程是在執行時實現指定工作的程序的實例。過程可包括能夠以任何串行和/或并行的順序執行的一個或多個任務。在一些操作系統中，將任務實現為線程或輕量進程。在多任務操作系統中，給任務分配用于調度的優先級。一些任務可以是先占的，以容納具有更高優先級的任務。在多任務操作系統中任務調度的目標是使處理器（或多個處理器）的利用最大化。為了實現不同的性能標準，在操作系統中已實施了多種調度算法。除了處理器利用，其它重要的標準包括公平、吞吐量、周轉時間、等待時間和響應時間。在由電池供電的功率消耗是關鍵性的設備和計算機中，將功率消耗視為進一步優化標準是有益的。已經提出了用于移動終端的用于減小應用的能量使用的功率感知算法。然而，仍存在對于實際的功率需求和遞送所需功率的實際能力的更多感知的需求。

技術實現要素：
在所描述的實施方式中，對在移動終端中使用的任務調度算法進行修改，以考慮應用的實際功率消耗。這是通過使用諸如電池中剩余的功率、完成指定任務所需要的功率量、任務的關鍵性和終端位置的附加標準來進行。從這樣的修改可得到的一些優點，包括：使移動終端能夠確定是否能夠保證利用剩余的電池功率運行以完成由用戶啟動的應用，或者由設備發起的服務；保證移動終端可按擴展的時間段提供重要的功能，例如認證、銀行業務、緊急警告、緊急呼叫、和特定的基于位置的服務，從而用戶可依靠移動終端在需要時執行這些關鍵的應用；當功率級別很低時，使網絡或應用服務器能夠幫助減小移動終端中的能量消耗；以及提供移動終端的操作系統控制和管理終端的能量消耗的部件，從而提供更好的用戶體驗，特別是當執行關鍵應用和服務時；因此，在一個實施方式中，將移動通信終端配置為支持多個應用，其中通過執行一個或多個任務來執行每個應用。響應于來自應用的調度請求，移動終端中的操作系統獲得在至少一個任務的所要求的運行時間（run-time）的電源條件的指示。操作系統獲得由任務在所要求的運行時間的功率使用速率的預測，并從預測的功率使用速率，獲得完成任務所需要的能量總量的估計。操作系統對任務進行調度判定。調度判定包括從兩個或多個可替換的任務配置的組進行選擇。根據將運行時間電源條件與預測的任務的使用能量速率相關聯的標準以及完成任務所需要的全部能量的估計來進行選擇。在另一實施方式中，移動通信終端包括電池，與電池條件相關的信息源，被配置為響應于來自應用的調度任務的請求，從電池信息源獲得電池條件的指示的模塊，關于由與一個或多個應用相關聯的任務的功率使用速率的信息源，被配置為從能量使用信息源獲得在任務的要求運行時間處任務的能量使用速率的預測并且進一步被配置為估計完成任務所需要的能量總量的模塊，以及配置為從用于任務的兩個或多個可替換的配置的組進行選擇的任務調度模塊。根據將運行時間電池條件與任務的預測的能量使用速率以及與完成任務需要的全部能量的估計進行關聯的標準，進行對任務配置的選擇。在一些實施方式中，操作系統至少在任務是非關鍵的時獲得由任務在請求的運行時間處的能量使用速率的預測，但是如果任務是關鍵的，基于預測速率的調度判定的特征不會被激活。也就是，操作系統為任務進行調度判定。如果任務是非關鍵的，調度判定包括將運行時間電源條件與任務的預測的能量使用速率相關聯的標準。然而，如果任務是關鍵的，不應用這樣的標準。在另一實施方式中，響應于來自應用的調度請求，操作系統獲得電池在至少一個任務的要求的運行時間處剩余的可用的放電容量的指示，獲得任務是否是關鍵的的指示，以及進行或獲得任務的調度判定。進行調度判定包括從任務的兩個或多個可替換的配置進行選擇，其中所述任務包括導致任務不被允許的至少一個配置，和導致任務被執行的至少一個配置。執行選擇步驟，從而對于剩余有用的放電容量在指定范圍內的指示，如果將任務被指示為關鍵的，可獲得導致執行任務的配置，否則不可獲得。附圖說明圖1是示例性無線通信系統的示意圖，其中在示例性無線通信系統中實現示例性功率感知管理方案的實施方式。圖2是示出示例性的基于終端的功率管理器的詳細架構的示意性框圖。圖3是假定的電池的電池容量相對于時間的圖，其描述了在移動終端中使用的典型電池的放電模式的通常形狀。具體地，該圖描述了當幾種應用啟動和終止時典型的放電行為。圖4是根據示例性功率感知管理方案的實施方式的在移動終端中功率系統的功能框圖。圖5是根據示例性功率感知管理方案的實施方式的應用簡檔和其環境的功能框圖。圖6是示例性功率感知任務監控的流程圖。圖7是執行功率感知任務調度的示例性架構的功能框圖。圖8A是描述基于任務的功率閾值調度或準許（admission）判定（decision）的高級流圖。圖8B是修改為包括與功率相關的數據字段的示例性過程控制塊的格式圖。圖9A和圖9B是在所描述的實施方式中，描述圖7的功率感知任務調度子系統700中的功能操作。更具體的：圖9A涉及圖7的準許模塊710的操作，和圖9B涉及圖7的功率感知調度模塊760的操作。具體實施方式一些移動終端結合具有節能特性的已知硬件元件，例如，將關鍵信息提供給硬件和移動終端的操作系統（OS）的“智能”電池，具有可調節亮度的顯示器，具有節能特性的無線收發器。這些元件典型地由移動終端的OS控制，并且這些元件中的一些對于用戶或用戶應用是可獲得的。基于OS的功率管理架構的基本目標是執行有效使用能量的策略，延長電池的有效使用期限，并延長在再充電之間的設備使用時間。用于有效的移動終端功率管理的一個最重要的要求是感知電池的實際狀態。典型地，給移動終端配有一套可再充電的電池。現有機制促使系統和功率管理芯片及系統其它部分之間的通信。例如，在智能電池系統（SBS）標準中規定的智能總線接口的優勢會導致將其接受作為精確測量穩態電池參數的標準。智能電池監測系統包括智能電池、系統管理總線接口、和智能充電器。術語“智能電池”涉及使用例如所有的電池模型收集、計算和預測電池參數、并通過軟件控制將計算的參數提供給主系統的微芯片電路。智能電池具有內置接口以通過SMBus與充電器和主系統進行通信。SMBus是用于在智能電池、主系統和智能充電器之間交換信息的二線式通信接口規范。智能充電器與智能電池進行通信以獲取電池的當前充電狀態，以便在充電時間上進行更精確的控制。智能電池典型地提供描述電池狀態（特別是充電狀態（SoC）和健康狀態（SoH）參數）的幾個參數。SoC是測量為其整個容量百分比的電池當前充電級別。SoH是相對于相同類型的新電池，測量電池提供指定的輸出功率的能力。通過對SMBus接口功能的呼叫，主系統可獲得電池的模型、類型、SoC、SoH、溫度和其它使用統計，例如充電/放電周期的數量、電池的壽命、功率用完的時間、和充電的時間。通過SMBus獲得的數據可用于開發主系統中的功率管理應用。需要說明的是，SMBus接口是可在該上下文中使用的各種可能的接口中的一個。移動操作系統中的功率管理包括OS側元件，以及可選擇的用戶側附加應用。內核側的功率管理實現典型地使用接口以讀取或測量電池充電狀態和其它電池相關的參數，并且它們典型地使用內置功能以控制對各硬件子系統元件的供電。除了控制處理器（或多個處理器），操作系統控制各種硬件子系統的功率，例如液晶顯示器（LCD）、鍵盤、磁盤驅動器、存儲器模塊、通信模塊、傳感器、照相機、音頻設備等。為了監測電池狀態，操作系統可執行電池模型和放電簡檔，并且其可利用SMBus接口以讀取電池參數。內置的OS側功率管理功能典型地提供句柄，通過該句柄在電池狀態變化時通知設備驅動器和應用。除了電池狀態通知，設備驅動器可設置定時器以確定何時切換到各種功率保護模式（例如，關閉、空閑、休眠、低功率或活動模式）。在用戶側，可部署高級的附加應用以通過由其它用戶面對的應用和通過硬件子系統元件使用的功率為用戶提供控制。盡管由一些這樣的附加應用提供的控制是完全人工的，但其它應用提供基于簡檔的調度，其中在該調度下，在用戶定義的簡檔中指定的偶然性發生時，可打開或關閉應用。通過以對功率消耗敏感的方式定義應用簡檔，用戶可通過功率消耗間接提供一些終端控制。可將這里描述的原則組成我們稱為智能功率管理的方法。智能功率管理是將功率監測和任務調度活動至少集成到移動終端中的功率感知任務管理方案。在一些實現中，其可以是還將功率監測和任務調度活動集成到網絡節點中的綜合的、網絡方案。這樣的方案可替換現有的功率管理方案，或者可替換的，其可實現為在移動操作系統中擴展功率管理的補充方案。我們的方案的一個優勢是其不需要限制為具有嚴格最終期限的實時應用。對于至少一些功率管理方案，這是一個明顯的限制，這是由于智能電話的任務不是循環的，它們也不是以周期間隔到達的。此外，由于多任務智能電話可作為主機容乃不同類型的應用，任務會具有不可預知的到達時間，并且對于一些應用，會難以預測會話會持續多長時間。例如，如果用戶通過互聯網玩視頻游戲或啟動直播視頻流，會話會被延長不可預知的時間周期。我們方案的另一優勢在于當用于優化計算資源時，不需要將其限制為使用電池功率作為唯一的約束。實際上，希望智能電話中的任務調度不僅考慮電池功率，而且還考慮其它約束，例如無線電資源（可利用的帶寬）和工作的關鍵程度。還需要說明的是，希望智能電話支持諸如緊急呼叫的生命關鍵的應用，以及諸如銀行交易的服務。因此，移動終端中的任務調度器會優選地考慮這些限制。在移動手持設備中，相比于其它硬件組件，無線電鏈路的硬件組件（無線調制解調器）典型地消耗更多的功率。為維持可靠鏈路而花費的功率總量進一步受到手持設備位置的影響。例如，相比于在小區塔直接附近的手持設備，遠離小區塔的手持設備必定典型地使用更多的傳輸功率。此外，在漫游區域中的手持設備會通過頻繁地搜索信號以嘗試建立鏈路，并且這會導致較快地泄露功率。因此，手持設備的位置會影響應用可能消耗的功率的量，并且因此影響這些任務的功率感知調度。從而，提供可考慮手持設備位置的調度算法是有益的。調度算法的另一有益的特點在于具有適于在不同種類的電源之間切換的能力。從而，可典型地假定正在使用諸如電池的可耗盡電源，或者正在使用諸如充電器或墻壁電源插座的不可耗盡電源。然而，實際上，移動終端經常在電池和充電器或墻壁電源插座之間切換。希望任務調度算法識別出在電源之間的切換，并且因此調整其調度策略。值得注意的是，在這一點上，諸如微型發電機和太陽能電池的新型能源的使用優選的以功率感知的方式進行管理，這是由于這樣的源例如會提供正好足夠的功率以進行關鍵呼叫。調度算法的另一有益的特點是免于典型的假設，即每個任務會消耗恒定的和預先知道的電流量。至少在一些情況下，由于任務的持續時間是不可預測的，因此預測任務會消耗的整體電流是不可行的。典型的移動操作系統會允許功率通過設備驅動器對各種硬件子系統進行選擇性控制。由于任務幾乎不會在所有的時間使用所有的硬件系統，因此在任務的整個執行過程中，如果在不同點上重新計算實際消耗的功率是有益的。因此，任務調度算法將通過在每個調度階段過程中重新計算功率消耗，來考慮功率消耗的變化。因此，示例性的功率感知管理方案使用移動終端中的功率感知任務管理器，其根據它們的功率需求來管理應用。在優選的實施方式中，這種示例性方案還增強功率后備，也就是，從非關鍵應用使用時扣留的放電容量的指定量，以確保關鍵服務的可適用性。基于網絡的和基于應用的功率管理可用于幫助減小移動終端中的功率消耗。相似的原則還可用于在剩余的放電容量低時推遲執行非關鍵系統任務。可以理解的是，在這一點上，操作系統可將特定的系統任務（也就是，其操作受限于處理器的任務）視為“關鍵的”。然而，除非我們特別聲明，“關鍵性”在下面的討論中涉及用戶應用，并不涉及系統任務。圖1是無線通信系統100的示意圖，其中在無線通信系統100中實施示例性功率感知管理方案的實施方式。在圖中，我們不僅在移動終端中、而且在其它網絡節點中，包括了功率感知元件。在移動終端外使用功率感知元件不應被視為我們發明的基本元素，盡管在本發明的一些實施方式中是有優勢的。我們在圖1中包括了這樣的元件，并不用于進行限制的目的，而僅是解釋我們方案的寬度和靈活性。如圖所示，移動終端110包括電池電源120，基于終端的電源管理器（TPM）130，以及收發器單元140。接入節點150包括基于網絡的功率管理器（NPM）160和收發器單元170。此外在網絡中，應用服務器180包括基于應用的功率管理器（APM）190。應用服務器180典型地可位于無線網絡外側，但會與其進行通信。NPM會與移動終端中的TPM一致地工作以支持網絡范圍內的功率感知調度活動。在指示移動終端內的低電池電量時，APM會接管一些通常在移動終端內執行的應用處理。例如，對于計算量非常大的應用來說，這樣的策略可能是非常有用的。在這樣的情況下，通過將計算負擔轉移到網絡實體來節省的功率會顯著地超過在移動終端和網絡實體之間進行通信時花費的額外能量。在下面會看到，移動終端中的示例性TPM模塊包括功率感知監測模塊，以估計實際的電源能力。還包括功率感知任務調度器，用于估計每個任務所需要的功率消耗，并且從而，通過對其進行調度、監測、掛起或停止來處理每個任務。示例性TPM模塊的詳細架構在圖2的示意性框圖中描述。諸如在圖2中描述的TPM模塊優選地是移動終端的操作系統的一部分。圖2中的TPM模塊（在圖中標記為功率感知任務管理系統），包括下列組件：電池功率監測器210，根據電池的當前健康狀態（SoH）和其充電級別計算電池205的提供執行指定任務需要的估計功率的能力。監測器210優選地是智能功率監測器，并且電池205優選的是智能電池（如圖所示）。應用簡檔220，包括每個應用或至少幾種應用的簡檔。應用簡檔中的數據例如可包括應用類型，其優先級別，其典型的執行時間，應用的使用歷史，以及應用的長期使用模式。優先級別例如可以是用戶指定的分類，如“關鍵的（critical）”或“非關鍵的（non-critical）”。其它優先級分類可根據應用的相對重要性定義兩個或多個不同級別的等級。將會看到的是，相比于“非關鍵的”任務和應用，當可利用的功率較低時，操作的選擇標準會傾向于“關鍵的”。相似地，應用簡檔會包括用戶配置的指示以優先（override）于至少一些功率感知的選擇標準。通信資源監測器230，監測通信鏈路狀態和相關的度量。功率感知任務監測器240，監測長期運行的應用。任務監測器240更新長期運行應用的功率使用的測量，并且其計算由功率感知任務調度器（在下面描述的）使用的各種閾值參數。任務監測器240還收集與應用和它們的使用模式相關的統計。功率感知任務調度器250調度任務。根據完成任務所需要的估計功率、任務簡檔、通信資源和其它所要求資源的可用性來調度每個任務。5個組件210-250例如會作為移動操作系統中的軟件模塊運行。功率感知任務監測器和功率感知任務調度器可實現為對現有任務調度模塊的增強，或者實現為附加的調度模塊。電池功率監測器可實現為利用例如從智能電池接收輸入并對其進行處理的智能電池API的附加軟件模塊。如果沒有智能電池，那么合適的電池模型可優選地實現為該模塊的一部分。通信資源監測器模塊可實現為軟件模塊，該模塊會需要與通信硬件交互以獲得諸如信號強度、信道質量和帶寬的輸入。該模塊可與GPS接收機或其它軟件模塊交互以獲得可用于確定無線網絡覆蓋區域的位置信息。應用簡檔模塊可實現為具有其自己的應用簡檔數據庫的軟件模塊。這里討論的各種軟件模塊可全部運行在例如形成移動終端的計算核心的中央數字處理器上，或者與中央處理器聯合操作的輔助處理器上。數字存儲設備可用于存儲上述軟件模塊需要的數據，如下面討論的。監測組件210-240可運行為一個或多個獨立的系統過程。同樣，它們可在后臺運行。它們會周期性地獲得相關參數，并將它們寫入可由調度器250訪問、并與在功率感知模塊的操作中使用的各個參數相關的存儲器位置中。下面詳細描述這5個組件210-250。電池功率監測器跟蹤移動終端的電池狀態，并幫助使電池壽命最大化。電池壽命最大化是移動手持設備的重要設計標準。也就是，電池在各個放電周期呈現非線性行為。非線性行為還可在整個電池生命周期中的存儲效率中觀察到。電池傾向于在每個后續的充電周期后遞送不太健壯的電量，這是由于不可逆的物理和化學變化。為了提供令人滿意的用戶體驗，希望移動操作系統在調度用戶應用和服務時考慮...