Envelope Tracking lekiem na dłuższe działanie smartfonu na jednym ładowaniu baterii

Jednym z największych problemów obecnie używanych urządzeń mobilnych jest ich krótki czas działania na akumulatorze. Znaczna większość smartfonów i tabletów ma problem z wytrzymaniem chociażby jednego całego dnia pracy bez ładowania. Producenci sprzętu i twórcy podzespołów mobilnych jednak starają się walczyć z tym problemem na różne sposoby. Robi to również Qualcomm, który największe możliwości oszczędności energii widzi w telefonicznym modemie.

Przed opisaniem sposobów na ograniczenie poboru energii smartfonów i tabletów warto zwrócić szczególną uwagę na to, który podzespół w nich stosowany ma największy wpływ na ilość pobieranej energii. Niestety nie da się tego w klarowny sposób. Wszystko zależy od tego, czy chodzi nam o podzespół pobierający najwięcej energii w danym momencie, czy wykorzystujący jej najwięcej w całym cyklu użytkowania smartfona.

W pierwszym przypadku podzespołem zużywającym najwięcej prądu będzie oczywiście ekran. Nowe wyświetlacze stosowane w smartfonach mają miliony pikseli i są bardzo jasne, przez co używając telefonu lub tabletu przez kilka godzin, na przykład przeglądając strony internetowe, można całkowicie wydrenować jego akumulator. Zauważył to Intel, który w tabletach z procesorami Bay Trail użył technologii Display Power Saving, która analizuje obraz i zmniejsza podświetlenie tylko w miejscach, gdzie obraz jest ciemny. Dzięki temu jakość obrazu w żaden sposób nie cierpi, a energia jest oszczędzana. Jest to jednak tylko kropla w morzu potrzeb producentów smartfonów i tabletów.

Wbrew pozorom urządzenia mobilne to sprzęty, których ekran włączamy stosunkowo rzadko. Przez znaczną ilość czasu urządzenie mobilne ma wyłączony wyświetlacz. Na przykład wtedy, gdy działa w trybie czuwania lub służy nam jako odtwarzacz muzyki. Dlatego podzespołem ogólnie zużywającym najwięcej energii jest zupełnie inna część, a mianowicie radio. W końcu sprzęt mobilny powinien być cały czas podłączony do sieci – musi nasłuchiwać, czy nikt do nas nie dzwoni, czy nikt do nas nie pisze, czy otrzymaliśmy e-maile lub powiadomienia na portalach społecznościowych.

Oczywiście pobór energii radia znacznie zwiększa się wraz z wzrostem potencjalnej prędkości poboru danych. I tak łączność 2G jest najbardziej energooszczędna, 3G powoduje zwiększenie ilości konsumowanej energii, a LTE czyni to w znacznie większym stopniu. Dlatego w przypadku nowych, obsługujących LTE smartfonów, apetyt radia na energię stał się naprawdę sporym problemem. Według badań Nokia Siemens Networks ilość pobieranej energii przez smartfon obsługujący łączność LTE może być nawet o 20% większy niż w przypadku urządzeń korzystających jedynie z 3G. Przez to potrafi dochodzić do tak absurdalnych sytuacji, jak szybsze zużywanie energii niż dostarczanie jej przez ładowarkę. Problem ten znają posiadacze Samsunga Galaxy Nexus. Używając nawigacji korzystającej z łączności LTE mogli go rozładować nawet, jeśli był podłączony do prądu.

Powodem tego jest przede wszystkim fakt, że sprzedawane dzisiaj sprzęty obsługujące LTE nie wysyłają/odbierają jednego sygnału raz na jakiś czas, tylko korzystają z wielu równoległych transmisji danych. Transmisje te zachodzą na dwóch pasmach, więc sprzedawane dziś urządzenia mobilne potrzebują dwóch wymagających dużej ilości energii anten. W przyszłości będzie tylko gorzej. Przewiduje się, że za kilka lat urządzenia mobilne będą musiały być wyposażone w jeszcze większą liczbę anten, co ponownie zwiększy pobór energii.

Dodatkowo, jak już wspominałem, nawet jeśli ekran smartfonu lub tabletu jest wyłączony, to urządzenie cały czas działa. Cały czas skanuje fale radiowe, by podłączyć się do poszczególnych sieci. Im więcej sieci, tym więcej skanów urządzenie musi wykonać. Jako, że operatorzy komórkowi wysyłają swój sygnał używając wielu typów sieci, działających na pasmach o różnych częstotliwościach, urządzenia muszą przełączać się między sieciami dosyć często, co jest kolejnym problemem i powoduje zwiększenie ilości pobieranej energii.

Urządzenia LTE pobierają też duże ilości prądu z powodu… zbyt małego zasięgu nowego rodzaju sieci. Obszary, w których działa bardzo szybki mobilny Internet to zazwyczaj duże miasta, jednak nawet w nich znajdują się liczne dziury. Gdy znajdziemy się w takiej dziurze, telefon zgubi sygnał LTE i będzie go dramatycznie szukać intensywnie skanując sieć, tym samym pobierając więcej energii. Jeśli będziemy w takie dziury wpadać stosunkowo często, szybszy drenaż akumulatora będzie widoczny gołym okiem.

Ostatnim z ważnych powodów szybszego zużycia energii przez nowy rodzaj łączności jest po prostu to, że sygnał LTE jest bardzo skomplikowany. Inżynierowie pracują cały czas nad tym, jak zmieścić w fali radiowej więcej informacji, jednak potrzebują do tego naprawdę skomplikowanych rozwiązań, na przykład jednoczesną transmisję wielu strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych. Im bardziej skomplikowany sposób zapisania informacji w fali radiowej, tym potrzebna jest większa moc obliczeniowa urządzenia odbierającego i przetwarzającego ją. W konsekwencji, im szybsza oraz pojemna staje się sieć, tym więcej energii będą zużywać urządzenia mobilne przetwarzając otrzymywane i wysyłane sygnały.

Technologia Qualcomm Envelope Tracking jest obecnie stosowana tylko w dwóch dostępnych na rynku urządzeniach mobilnych, czyli Samsungu Galaxy Note 3 oraz Google Nexus 5. Mimo to niebawem może stać się światowym standardem, gdyż prezentuje się naprawdę obiecująco. Do tej pory urządzenia wykorzystujące łączność dowolnego rodzaju pobierały o wiele więcej energii niż faktycznie potrzebowały.

Zależnie od warunków zużywały one różne ilości energii, jednak na wszelki wypadek dostarczano do nich więcej prądu niż było to faktycznie konieczne. Wszystko po to, by ilość ta zawsze była wystarczająca. Zauważył to Qualcomm, który stworzył układ QFE1100. W czasie rzeczywistym sprawdza on, ile energii aktualnie potrzebuje radio i dostosowuje do tego ilość dostarczanej energii. Brzmi to całkiem prosto, jednak w gruncie rzeczy jest to bardzo skomplikowane rozwiązanie.

Qualcomm chwali się, że zastosowanie go może ograniczyć o 20% zużycie energii przez podzespoły odpowiedzialne za odbieranie, wysyłanie i przetwarzanie sygnałów radiowychoraz wydzielanie ciepła przez telefon o 30%. W ogólnym rozrachunku spadek całego zużycia energii przez telefon lub tablet może się zmniejszyć o jedną czwartą. Jest to znaczna poprawa, którą na pewno zauważy użytkownik. Qualcomm chwali się również, że zastosowanie jego rozwiązania może wpłynąć nie tylko na zmniejszenie ilości pobieranej energii i wydzielanego ciepła, ale też poprawić jakość sygnału oraz mieć wpływ na budowę telefonu.

Jest tak, gdyż chip RF360, którego częścią jest QFE1100, obsługuje wszystkie dostępne na świecie pasma LTE. Oznacza to, że telefon w niego wyposażony będzie mógł ukazać się w jednej wersji i bezproblemowo działać na całym świecie. Obsługuje on 40 używanych na całej planecie częstotliwości zawierających się w przedziale od 600 do 2700 MHz. Warto jednak pamiętać o tym, że RF360 to architektura modularna i jeśli istnieje taka potrzeba, nie trzeba w urządzeniu implementować całego układu, a tylko jego poszczególne części. LG i Google nie zdecydowało się wykorzystać obsługi wszystkich częstotliwości. Tłumaczy to, czemu telefon ten pojawił się w dwóch wersjach – amerykańskiej i europejskiej.

Oczywiście rozwiązanie oferowane przez Qualcomma jest wyjątkowo ciekawe oraz innowacyjne, jednak warto pamiętać, że nie jest usprawiedliwieniem do ograniczania kosztów produkcji smartfona poprzez stosowanie akumulatora o małej pojemności. Wyjątkowo podoba mi się zachowanie Samsunga, który w Galaxy Note 3 zastosował Qualcomm Envelope Tracker i akumulator o bardzo dużej pojemności wynoszącej aż 3200 mAh. Krótko mówiąc, zrobił wszystko, żeby jego phablet działał bez ładowania jak najdłużej. Technologia Qualcomma może mieć tu duży wpływ na czas pracy sprzętu, bo względem poprzedniej wersji phabletu pojemność akumulatora zwiększyła się tylko o 100 mAh, z 3100 na 3200.

Drugim urządzeniem, w którym zastosowano technologię Qualcomm Envelope Tracking jest Google Nexus 5 wyprodukowany przez LG. Według przecieków smartfon ten również miał być wyposażony w bardzo duży akumulator o pojemności 3000 mAh. Okazało się jednak zupełnie inaczej i ostatecznie zastosowano tu baterię 2300 mAh. Oznacza to, że może powtórzyć się tu sytuacja znana z zeszłego roku, gdy pojawił się Google Nexus 4. Sprzęt ten działał wprost cudownie, ale miał właśnie zbyt słaby akumulator, który potrafił rozładować się już po kilku godzinach pracy.

Większość obecnie sprzedawanych smartfonów nie ma możliwości wymiany znajdującego się w nich akumulatora. Nie zwracałem na to szczególnej uwagi, dopóki nie korzystałem z przedpremierowej wersji polskiego smartfona, który jest wyposażony w dwa wymienne akumulatory – jeden o pojemności 2000 mAh, drugi 4000 mAh. Oczywiście ten drugi cechuje się znacznie większymi wymiarami od pierwszego, w zestawie otrzymujemy więc też dwie różne obudowy. Zależnie od naszych aktualnych potrzeb możemy mieć cienki smartfon o standardowym czasie działania na jednym ładowaniu lub jego znacznie grubszą wersję, która na jednym ładowaniu może działać nawet 2-3 dni, co w dzisiejszych czasach jest zaskakująco wysokim wynikiem. Dodatkowo zawsze możemy naładować jeszcze mniejszy akumulator, dzięki czemu nasz sprzęt ogólnie będzie mógł działać nawet przez 3-4 dni.

Bardzo żałuję, że rozwiązanie takie jest stosowane niemal wyłącznie przez chińskich dostawców elektroniki użytkowej i bazujące na nich produkty lokalnych, w tym także polskich, marek. Podejrzewam, że gdyby podobną rzecz zastosował Samsung, LG lub inna rozpoznawalna na całym świecie marka, smartfon wyposażony w to rozwiązanie sprzedawałby się jak ciepłe bułeczki, przynajmniej wśród osób wykorzystujących go do pracy. Niestety twórcy urządzeń mobilnych doskonale zdają sobie sprawę z tego, że jednym z najczęściej psujących się elementów smartfonów jest właśnie akumulator i możliwość jego wymiany mogłaby doprowadzić do sytuacji, w której zamiast kupić nowy telefon decydują się oni w łatwy i tani sposób naprawić stary sprzęt.

Obie rzeczy są niezwykle ważne. Większe akumulatory pozwalają naszym sprzętom działać dłużej, ale obecnie tworzone sprzętu muszą być nie tylko wydajne, ale też ładne i cienkie, co powoduje, że użycie dużych ogniw jest bardzo problematyczne. Z tego powodu bardzo cieszą rozwiązania takie jak właśnie Envelope Tracking, które pozwalają na znaczne i zauważalne ograniczenie poboru energii naszego sprzętu. Osobiście mam nadzieję, że na rynku będzie pojawiać się jak najwięcej tego typu rozwiązań, większych akumulatorów oraz stosowania nowej generacji ładowarek, które mają korzystać z energii słonecznej lub ładować się przez sieć WiFi. Kto wie, może dzięki umiejętnemu połączeniu tych wszystkich rozwiązań niebawem dojdziemy do momentu, w którym urządzenia będą działać na jednym ładowaniu nawet tydzień lub dłużej – tak jak używane dekadę temu telefony, na przykład kultowa Nokia 3310.

Zdjęcia browsing on smartphone, battery Full collection of icons like that is in my portfolio pochodzą z serwisu Shutterstock

Wpis powstał we współpracy z partnerem merytorycznym Spider’s Web, firmą Qualcomm.