Dlaczego GPS w telefonie iPhone zużywa tak dużo energii?

Wciąż czytam w artykułach, że GPS na iPhonie lub dowolnym innym telefonie komórkowym zużywa dużo energii, ale nigdy nie słyszałem wyjaśnienia, dlaczego.

Dlaczego to? Telefon nie musi transmitować, tak jak w przypadku 3G lub WiFi.

Czy faktyczny odbiór i wzmocnienie sygnału wymaga dużej mocy?

Czy jest wykorzystywany przez procesor? Trudno mi uwierzyć, że obliczenia niezbędne do przetworzenia sygnału GPS obciążałyby nowoczesny procesor.

Skąd więc bierze się odpływ energii?

Aby uzyskać półprecyzyjną pozycję GPS, potrzebujesz co najmniej trzech satelitów (ale zwykle cztery lub więcej jest wymaganych, aby uzyskać przyzwoity stopień precyzji), aby triangulować swoją pozycję. Im więcej masz, tym większa dokładność.

Odbiornik GPS musi zasilać swoją antenę i stale przetwarzać sygnał wysyłany przez każdego satelitę. Pamiętaj, że satelity ciągle przesyłają wiadomości. (50 bitów / s, o ile pamiętam)

Satelity emitują wiadomości określające ich dokładną lokalizację, trajektorię, prędkość, czas wysłania każdej wiadomości oraz przybliżoną lokalizację wszystkich pozostałych satelitów w konstelacji.

Porównując te informacje z czasem odebrania sygnału, można określić odległość od satelity do odbiornika. Gdy masz trzy lub więcej satelitów, możesz triangulować swoją lokalizację w trzech wymiarach w stosunku do pozycji satelitów.

IPhone (i inne telefony) używają A-GPS, który został zaprojektowany (aby w to uwierzyć lub nie) między innymi, aby poprawić działanie GPS w obszarach słabego odbioru (miasta?) I zmniejszyć ilość informacji, których potrzebuje odbiornik satelity, oszczędzając w ten sposób energię baterii z anteny.

Części sygnału GPS o lokalizacji, prędkości i trajektorii orbitalnej zwykle zanikają pierwsze, gdy mają niski odbiór, tam właśnie mieści się A-GPS, przekazując te informacje dla każdego satelity w tej części świata do telefonu, z centralnej bazy danych przez sieć komórkową. Teraz telefon musi po prostu wyszukać krótkie sygnały taktowania z każdego satelity, które są łatwiejsze do odbioru niż inne części transmisji.

Po obliczeniu wszystkich tych informacji do obliczenia pozycji rzeczywistego odbiornika wykorzystywany jest algorytm (o ile mi wiadomo).

Dodajmy do tego fakt, że wiadomości GPS są kodowane i że satelity nadają je z prędkością około 50 bitów na sekundę. I że każdy komunikat jest tak naprawdę podzbiorem ramek z czasem, pozycją, korekcją błędów itp.

Jest więcej czynników, ale w celu uproszczenia procesor GPS musi stale korzystać z radia (już wymagającego dużej mocy), aby przechwycić sygnał (który może być słaby!) Przez zwykle cztery lub więcej (czasem nawet do 20! ) satelity, które stale wysyłają pakiety, muszą je odkodować i przetworzyć, wykonać obliczenia w celu analizy wyników, aw niektórych przypadkach narysować mapę lub nakarmić aplikację informacjami.

Jak widać, brzmi to łatwo, ale nie jest. Z tyłu jest dużo przetwarzania procesora (plus moc anteny!)

Zużycie energii przez GPS zazwyczaj wynika z charakteru operacji w czasie rzeczywistym. Zasilanie anteny, nasłuchiwanie i przetwarzanie informacji zużywa energię, a nie tylko rezerwową antenę radiową (telefon) czekającą na połączenie. Ponadto A-GPS korzysta również z radia telefonu i (jeśli są dostępne) sieci Wi-Fi, aby określić jego lokalizację (i zużywać mniej informacji GPS), co oznacza, że ​​zużywa się więcej energii w tym samym czasie.

Strona GPS w Wikipedii zawiera wiele szczegółowych informacji, jeśli chcesz poznać szczegóły i / lub zagłębić się w więcej maniaków GPS, w tym matematyki i korekcji błędów.

Chociaż odpowiedź Martina zawiera mnóstwo świetnych informacji, dodam odpowiedź, która różni się w kilku kluczowych punktach, ponieważ nie czuję się swobodnie, edytując jego artykuł, aby go znacznie zmienić.

Krótko mówiąc, procesor pobiera moc, a GPS nie pozwala procesorowi zasnąć. Co więcej, dzięki aktualizacjom lokalizacji w tle aplikacje mogą teraz przechodzić w stan niskiego zużycia energii, nawet gdy włączone jest geo-szermierka i zdalne nagrywanie, dzięki czemu aplikacja może się okresowo budzić, aby uzyskać dokładniejsze poprawki bez utrzymywania aktywności CPU + GPS przez wiele godzin. Uruchamianie poprawki GPS o wysokiej dokładności co 15–45 minut podczas wędrówek jest znacznie bardziej energooszczędne niż konieczność ciągłych aktualizacji lokalizacji, na co pozwalają obecnie zmiany systemu operacyjnego.

Tak, obwód anteny GPS wymaga dodatkowej mocy, aby wykonać obliczenia czasowe i wypluć lokalizację, ale ponieważ antena jest odbierana tylko i nie trzeba wzmacniać sygnału, ten pobór mocy jest bardziej błędem zaokrąglenia niż przyczyną wysokiej pobór energii. Przetwarzanie sygnału i skomplikowana matematyka do wypluwania lokalizacji, prawdopodobnych wektorów błędów i prędkości odbywa się w krzemowym układzie GPS, a nie w CPU telefonu.

Wszystkie przenośne urządzenia GPS muszą odbierać i przetwarzać sygnały anteny GPS - aby zużycie energii prawdopodobnie było podobne we wszystkich urządzeniach korzystających z nowoczesnych chipsetów GPS. Również energia dwóch baterii AA wynosi 4,2 Wh, co bardzo dobrze porównuje się do pojemności baterii iPhone'a 3 i 4. Tak więc duża różnica w czasach uruchamiania między powiedzmy, że Garmin i iPhone jest aplikacją, która wykorzystuje dane działa znacznie bardziej energochłonny procesor i ekran iPhone'a.

Posiadanie aplikacji na pierwszym planie stale przetwarzających dane GPS (lub w tle, ale śpiące znacznie mniej niż normalnie) sprawia, że ​​iPhone zużywa energię baterii znacznie szybciej niż jednozadaniowa jednostka GPS. (którego ekran i procesor zużywają znacznie mniej energii i śpią znacznie dłużej niż iPhone)

Źle zaprojektowana aplikacja na iPhone'a, która stale sprawdza i wysyła / odbiera dane w celu zgłoszenia lokalizacji lub reagowania na najnowsze nowe dane, zużywa więcej energii, niż można się spodziewać. Dobrze zaprojektowana aplikacja, która musi cały czas działać, podobnie rozładuje baterię większości iPhone'ów w ciągu 3 do 5 godzin.

Jeśli iPhone przesyła dane lub szuka słabych sygnałów komórkowych - obwód ten będzie na najwyższym poziomie zużycia. Wychodzenie poza zasięg komórki jest „podwójnym uderzeniem” modemu komórkowego przesyłającego z dużą mocą, aby rozmawiać z odległą wieżą lub szukać zasięgu w tym samym czasie, gdy dane o lokalizacji GPS uniemożliwiają tak częste spanie procesora. Możesz to zobaczyć, przechodząc do aplikacji ustawień i porównując czasy gotowości i użytkowania z aktywnym GPS i bez niego.

Chipy GPS pobierają około 50 mW przy pełnej mocy (patrz także tutaj , nowoczesne chipy mobilne pobierają jeszcze mniej ). Antena nie pobiera mocy, nie tak działają anteny (zakładam, że wzmocnienie i filtrowanie sygnału odbywa się wewnątrz układu GPS. Jeśli nie, zwiększyłoby to nieco pobór mocy). Tak więc w ciągu 1 godziny układ pobiera 50 mWh z akumulatora, jeśli jest na pełnej mocy. Bateria iPhone'a ma pojemność ~ 5000 mWh (~ 1400 mAh * 3,8 V), co oznacza, że ​​mógłby zasilać układ przez 100 godzin, gdyby to była jedyna rzecz, jaką zrobił. W rzeczywistości układ nie będzie działał w sposób ciągły z pełną mocą i wyłączy się, nawet jeśli GPS jest włączony, chyba że aplikacja aktywnie wymaga śledzenia GPS - w takim przypadku procesor i ekran powodują znacznie większy pobór mocy ( 0,5- 1,5 W.).

Niektóre rzeczywiste pomiary, wykonane przy włączonym śledzeniu GPS, użytej mapie offline (aplikacja Galileo), wszystkie inne radia wyłączone (tryb samolotowy) i włączone oszczędzanie energii.

1. iPhone SE, iOS 9 zużywa średnio 220 mW

2. iPhone 5s zużywa średnio 480 mW

dla odniesienia, pre-android, GPS z Trekbuddy

3. starsze Sonim zużywa średnio 700 mW

Potwierdza to powyższe stwierdzenie, że 50 mW (jedna czwarta) mocy jest wykorzystywana przez GPS, a reszta na wyświetlaczu i innych smartfonach w telefonie.

Zawsze możesz spalić więcej energii, ale nie dzieje się tak z powodu GPS, ale najprawdopodobniej przy ładowaniu map online ze słabym / marginalnym zasięgiem danych mobilnych.