Control algorithms for energy optimization in multimedia hand-held devices

Tang, Qiong (2017). Control algorithms for energy optimization in multimedia hand-held devices. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.46893.

Descripción

Título: Control algorithms for energy optimization in multimedia hand-held devices
Autor/es:
  • Tang, Qiong
Director/es:
  • Groba Gonzalez, Ángel Manuel
  • Juárez Martínez, Eduardo
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Departamento: Ingeniería Telemática y Electrónica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La industria de la microelectrónica ha impulsado las capacidades de los dispositivos móviles multimedia, pero la batería, que es la única fuente de energía de este tipo de dispositivos, está experimentando un desarrollo relativamente lento. Por lo tanto, la determinación de cómo optimizar el consumo de energía de los dispositivos móviles bajo un requisito de rendimiento predefinido se ha convertido en un problema crítico. Además, según un informe reciente, el consumo de vídeo para tablets y teléfonos inteligentes creció un 35% en el año 2014 y ha crecido un 170% desde 2013. En realidad, la reproducción de vídeo móvil ha experimentado un crecimiento significativo del 2084% de 2011 a 2015. Como ejemplos de las tareas que mayor consumo de energía implican, la codificación, decodificación y presentación de secuencias de vídeo se encuentran entre los principales temas de investigación sobre la gestión de la energía en los sistemas multimedia. Además, cada nuevo estándar de vídeo también tiende a aumentar la necesidad de energía de las tareas de vídeo con respecto a las normas anteriores. Esta tesis presenta una solución basada en algoritmos de control para la regulación del consumo de potencia bajo las limitaciones de capacidad de la batería de los dispositivos portátiles multimedia mientras se ejecuta una aplicación de decodificación de vídeo y se mantiene una calidad razonable de experiencia de usuario. Se propone un sistema general de control que incluye un subsistema de control de bucle cerrado en tiempo real y un gestor de control de potencia, y se ha implementado en el sistema operativo de una placa de desarrollo de bajo coste. En lugar de utilizar un sensor de consumo específico, se propone un estimador de potencia basado en eventos del sistema como señal de realimentación en el subsistema de bucle cerrado. El estimador de potencia obtiene periódicamente valores de cuenta de eventos significativos y calcula las estimaciones de consumo de potencia a través de modelos matemáticos. Este estimador de potencia se ha implementado en un kernel de Linux y se ha evaluado mientras se ejecuta una aplicación de decodificación de vídeo en una plataforma de desarrollo de sistemas empotrados. Posteriormente, antes de la implementación del sistema de control en tiempo real, se utilizan datos de estimación fuera de línea para obtener un modelo de sistema que permite la aplicación de métodos clásicos de teoría de control para analizar y diseñar diferentes controladores. Los resultados de la simulación muestran que los controladores integrales mantienen la estabilidad del sistema y logran un error medio en régimen permanente nulo con tiempos de establecimiento cortos, incluso en presencia de ruido de estimación o perturbaciones. A partir de estos resultados de simulación, los controladores han sido implementados en el sistema de desarrollo y los resultados reales coinciden con los resultados de simulación. El sistema de control es capaz de regular la potencia consumida y la tasa de descarga de la batería en presencia de fluctuaciones en la demanda de consumo de energía del descodificador, lo que presenta buenos resultados para garantizar una determinada duración de la batería. ABSTRACT The micro-electronics industry has been boosting the capabilities of multimedia mobile devices, but the battery, which is the only power source of most mobile devices, is experiencing relatively slow development. Therefore, determining how to optimize the energy consumption of mobile devices under a predefined performance requirement has become a critical issue. Besides, according to a recent report, tablet and smartphone video consumption grew 35% in the year 2014 and has grown 170% since 2013. Actually, mobile video playback has experienced a significant growth of 2084% from 2011 to 2015. As some of the most energy-consuming tasks, encoding, decoding and presentation of video sequences are among the main subjects of research on power management in multimedia systems. In addition, every new video standard also tends to increase the energy requirement of video tasks with respect to the previous standards. This dissertation presents a solution based on control algorithms for power regulation under the limited battery capacities of multimedia hand-held devices while executing a decoder application and maintaining a reasonable quality of user experience. A control system, which includes a real-time closed-loop control subsystem and a power-control governor, is proposed and it has been implemented in the operating system of a low-cost development board. Instead of using any specific power sensor, a power estimator based on monitored system events of multimedia mobile devices is proposed as the feedback signal in the closed-loop subsystem. The power estimator periodically obtains significant-events count values and calculates powerconsumption estimations through mathematical models. This power estimator has been implemented in a Linux kernel and evaluated while running a video decoder application on an embedded development platform. Afterwards, prior to the implementation of the real-time control system, off-line estimation data are used to get a system model, which enables the application of classic control-theory methods to analyze and design different controllers. The simulation results show that integral controllers keep the system stability and achieve null average steady-state error with short settling times, even in the presence of estimation noise or disturbance. From these promising simulation results, the controllers have been implemented in the development board and the real results match simulation results. The control system is able to regulate the power consumption and the battery discharge rate in the presence of fluctuations in the decoder power-consumption demand, which presents good results to guarantee a certain battery lifetime.

Proyectos asociados

TipoCódigoAcrónimoResponsableTítulo
Universidad Politécnica de MadridSin especificarSin especificarSin especificarGrupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico (GDEM), con una beca del China Scholarship Council.

Más información

ID de Registro: 46893
Identificador DC: http://oa.upm.es/46893/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:46893
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.46893
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 21 Jun 2017 06:36
Ultima Modificación: 20 Dic 2017 23:30
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