Consumo de Energia em Smartphones

3.5.5 4G/LTE

A 4G é quarta geração da telefonia móvel e se inicia com a tecnologia LTE. Esta tecnologia foi apresentada pela 3GPP. Porém, para a ITU, o LTE não possui todas as exigências técnicas necessárias para ser considerada um padrão 4G (INFOWESTER, 2014). Dependendo da combinação de recursos implementados na rede e do dispositivo móvel utilizado pelo usuário, a tecnologia pode chegar a taxas de 300 Mbps para download e 75 Mbps para upload. Estas são velocidades teóricas que dificilmente são alcançadas em sua totalidade, pois existe uma série de fatores que determinam as taxas que uma rede LTE pode atingir, como por exemplo a quantidade de antenas em uso ao mesmo tempo.

A frequência do canal também é considerada um fator importante para que seja alcançada altas velocidades, estas frequências podem ser de 1,4 MHz, 3,5 MHz, 15 MHz ou 20 MHz. Em teoria, quanto maior a frequência disponível, maior é a taxa de transferência de dados (INFOWESTER, 2014).

Embora o LTE se apresente como um padrão bastante avançado, já existe uma versão melhorada, o Long Term Evolution-Advanced - LTE-A, esta versão melhorada é totalmente compatível com os requisitos da ITU para ser considerado uma tecnologia 4G. Segundo SEIDEL (2008), os pré-requisitos da tecnologia LTE são mostrados abaixo:

 Taxa de pico – Downlink: 1 Gbps, Uplink: 500 Mbps;

 Largura de banda maior que 70MHz para downlink e 40 MHz para uplink;

 Taxa de transferência média para o usuário três vezes maior do que no LTE;

 Capacidade três vezes maior do que no LTE, refletida como a eficiência do espectro;

 Capacidade de pico – Downlink: 30 bps/Hz, Uplink: 15 bps/Hz;

 Flexibilidade do espectro: suporte à agregação espectral e largura de banda escalável;

 Mobilidade igual à do padrão LTE;

 Cobertura otimizada;

 Compatibilidade com redes anteriores.

3.6 Consumo de Energia em Smartphones

Geralmente na parte superior do dispositivo móvel é mostrado um pequeno ícone que lê um valor percentual correspondente à fração da carga de energia da bateria e diz se a bateria está cheia, esta fração é conhecido como State of Charge - SoC.

Os modernos medidores de combustível (Fuel Gauge) eletrônicos foram primeiramente comercializados pela Benchmarq na década de 1990, inicialmente para PCs portáteis, a empresa

3.6. CONSUMO DE ENERGIA EM SMARTPHONES 44

foi depois adquirida pela Texas Instruments. Várias outras empresas de semicondutores oferecem produtos semelhantes, uma das mais recentes é a Qualcomm, que integra o medidor de combustível diretamente em seu chip de gerenciamento de energia para dispositivos móveis.

O princípio básico utilizado para medir o SoC é bastante antigo. Segundo conhecimentos científicos, o potencial químico é uma função direta do SoC. Em uma bateria recarregável, o potencial químico corresponde à tensão medida nos terminais da bateria. Um qualificador importante levado em questão é o equilíbrio, uma bateria precisa ficar em repouso por determinado período de tempo para atingir o equilíbrio, antes de se fazer a medição de tensão, esta tensão é uma medida direta do SoC, que em smartphones e tablets geralmente é representado por um ícone que simboliza uma bateria e fica localizado na parte superior da tela do dispositivo (QNOVO, 2014).

Os dispositivos móveis atuais já possuem pré-instalado um pequeno dispositivo utilizado para medir a carga da bateria, chamado de medidor de combustível da bateria (Fuel Gauge). Uma bateria recarregável é feita com um composto químico, geralmente de lithium-ion, para as baterias deste tipo foi desenvolvido um método de medição que pode ser aplicado a todas as outras baterias feitas do mesmo composto químico, tornando-se um método universal muito útil, desta forma exclui-se a necessidade de inventar um novo Fuel Gauge para cada dispositivo móvel (QNOVO, 2014).

Figura 3.7: Voltagem de Cirguito Aberto. Fonte: Adaptado de (QNOVO, 2014).

A Figura 3.7 exibe um gráfico que mostra a tensão SoC para uma bateria de lithium-ion recarregável através de um ânodo de carbono e um cátodo-óxido de cobalto. Quando a bateria está totalmente carregada (mostrada por 100% no eixo horizontal), a sua tensão máxima é 4,35 volts. Como a energia vai sendo drenada da bateria, a sua tensão é reduzida de acordo com a relação conforme mostrada pela curva em vermelho (Figura 3.7). Esta relação é conhecida como

3.6. CONSUMO DE ENERGIA EM SMARTPHONES 45

open-circuit voltage(OCV). Importante observar que a capacidade (em unidades de mAh) não está descrita nesta relação.

Um sistema químico, do qual uma bateria é um excelente exemplo, não está em equilíbrio quando há corrente que flui através da bateria, por exemplo, quando a bateria já estiver fornecendo energia ao seu dispositivo móvel em operação. Nesse cenário, a tensão real nos terminais da bateria é um pouco menor que quando se faz a medição com a bateria em equilíbrio. Isso porque cada bateria tem uma pequena resistência interna. Assim, quando há fluxo de corrente, a tensão é menor, como é mostrado na Figura 3.7, com a curva tracejada azul. Pode-se corrigir para esta compensação da seguinte maneira: medir o valor da resistência interna, multiplicá-lo pela corrente medida e, em seguida, adicioná-lo ao terminal de tensão medido para obter uma estimativa do equilíbrio da tensão. Este é o modo como a maioria dos Fuel Gauges operam (QNOVO, 2014).

O método de correção utilizado para a compensação IR cria erros inerentes. Isso porque a resistência interna da bateria varia com a corrente, temperatura e idade, que são difíceis de corrigir ou caracterizar em tempo real. Este erro pode chegar a dez pontos percentuais ou até mais. Tal erro pode ser irrelevante quando a bateria está carregada, mas é bastante prejudicial para o usuário quando o dispositivo móvel estiver quase descarregado, pois pode causar uma falsa ilusão no percentual do Fuel Gauge, porque poderia estar sendo mostrado 10% da carga da bateria quando na realidade a bateria está em 0%. Isto mostra uma imprecisão no Fuel Gauge (QNOVO, 2014).

A técnica de medição OCV junto com o Fuel Gauge são complementados com outro instrumento chamado contador de Coulomb. Este é um nome fantasia para uma função eletrônica no chip medidor de combustível que mede a corrente com grande precisão, em seguida, multiplica- o com time stamp medido com precisão. O resultado é a carga medida na unidade de Coulomb. Em outras palavras, o contador de Coulomb está contando a carga que flui através dele. Esta função torna-se muito útil quando a bateria estiver efetivamente ligada a um dispositivo móvel. Se a bateria estiver em equilíbrio e for iniciada a medição da SoC, em seguida qualquer carga perdida ou adicionada quando a bateria não estiver em equilíbrio é medida utilizando o contador de Coulomb. A combinação desses dois métodos permite uma medição mais precisa do SoC, muitas vezes atingindo 1% (QNOVO, 2014).

Segundo a QNOVO (2014), quando os manuais que acompanham os dispositivos móveis pedem para descarregar a bateria completamente, e em seguida carregá-la de volta a 100% é por causa de seu Fuel Gauge, não tem nada a ver com a bateria de lithium-ion ou de qualquer indício de vício de memória, esse tipo de bateria não tem nenhum efeito de memória. O motivo do ciclo de carga e descarga é simplesmente deixar o medidor de combustível se calibrar automaticamente. Se a bateria for utilizada continuamente na faixa intermediária, ou seja, nunca chegar a 0% e raramente chegar a 100%, o indicador da bateria vai perder o controle do que é realmente 0% e o que é 100%. Nesses casos, as leituras se tornam falhas, deixando o Fuel Gauge confuso.