I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   6 ,   No .   6 Dec em b er   201 6 ,   p p .   29 2 0 ~ 29 30   I SS N:  2 0 88 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 6i 6 . 1 1 9 1 6          2920       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   Cha ra cter i z ing  M u lti - ra dio  Ene rg y  Cons u m p tion in   Cellula r/Wi - Fi  S m a rtp ho ne s       Z u ha ib ud din   B hu t t o J un - H y uk   P a r k Wo ny o ng   Yo o n   De p a rtme n o f   El e c tro n ics   E n g in e e rin g ,   Do n g - A   Un iv e rsit y ,   Bu sa n ,   S o u th   K o re a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Mar   27 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   A u g   1 8 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   Sep   1 ,   2 0 1 6     Ce ll u lar  n e tw o rk e v o lv e d   to   m e e t   th e   e v e r   in c re a sin g   tra ff ic   d e m a n d   b y   w a y   o f   o ff lo a d in g   m o b il e   traff ic  to   W i - F n e tw o rk   e le m e n ts.   E x p lo i ti n g   m u lt i - ra d io   i n terf a c e s   on  a   s m a rtp h o n e   h a re c e n tl y   b e e n   e x a m in e d   w it h   re g a rd to   h e tero g e n e o u b a n d w id th   a g g re g a ti o n   a n d   ra d i o   sw it c h in g .   Ho w e v e r,   h o w   s m a rtp h o n e   c o n su m e s   its   e n e rg y   in   d riv in g   c e ll u lar  a n d   W i - F m u lt i - ra d io   in terf a c e s ,   is  n o w e ll   u n d e rsto o d .   In   th is  p a p e r ,   w e   re v e a l ed   th e   e n e rg y   c o n su m p ti o n   b e h a v io o f   3 G   c e ll u lar  a n d   W i - F m u lt i - ra d i o   o p e ra ti o n o f   s m a rtp h o n e .   W e   m o d if ied   s m a r tp h o n e ’s   f ir m w a re   to   e n a b le  m u lt i - ra d i o s   o p e ra ti o n sim u lt a n e o u s ly   a n d   we   p e r f o rm ed   e x ten siv e   m e a su r e m e n ts  o m u lt i - ra d io   e n e rg y   c o n su m p ti o n   in   re a c o m m e rc ial  n e t w o rk .   F ro m   th e   m e a su re d   d a ta  se t,   we   e sta b li sh ed   a   re a li stic  m u lt i - ra d io   e n e rg y   c o n su m p ti o n   m o d e l   a n d   it   g a v e   9 8 %   sta b il i ty   f r o m   th e   d e riv e d   c o e ff icie n ts.   K ey w o r d :   C ell u lar   n et w o r ks   M u lti - r ad io   P o w er   c o n s u m p tio n   T h r o u g h p u t   T r af f ic  o f f lo ad i n g     Co p y rig h ©   2 0 1 6   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   W o n y o n g   Yo o n ,     Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics E n g in ee r i n g ,     Do n g - U n i v er s it y ,   Had an   2 - Do n g ,   Sa h a - Gu ,   B u s an ,   6 0 4 - 714,   So u th   Ko r ea   E m ail:  wy y o o n @ d a u . ac . k r       1.   I NT RO D UCT I O N   T h er h as  b ee n   d r a m atic  i n cr ea s i n   u t ilizatio n   o f   w ir e less   co m m u n icatio n   tech n o lo g y   s u c h   a s   L T E ,   3 G,   an d   W i - Fi.  S m ar tp h o n d ev ices  h av e m er g ed   w it h   r ad io   tech n o lo g ie s   w h ic h   h as  r es u lted   in   th e   g ig a n tic  esca latio n   i n   u s er s   o f   3 an d   W i - Fi  d ata  n et w o r k s   [ 1 - 2 ] .   S m ar tp h o n d ev ice s   w o r k   u n d er   m a n y   co n s tr ain ts   o f   s ta n d ar d izatio n   b o d ies,  th e y   r e g u lar ize   th e   r ad io   r eso u r ce s .   T h s ta n d ar d izatio n   b o d y ,   3 GP P ,   is   r esp o n s ib le  to   m a k s ta n d ar d s   f o r   3 w ir ele s s   co m m u n i ca tio n   tech n o lo g y ,   it  estab li s h es  d if f er en r ad io   r eso u r c s tates  ( R R C )   f o r   3 m o b ile  n et w o r k   [ 3 ] .   T h r ad io   s tates  f o r   3 n et w o r k   o p er ates  o n   th co n f i g u r atio n   o f   i n ac ti v it y   ti m er ,   in   th r es u lt  o f   i n ac ti v it y   ti m er ,   d ata  o p er atio n   ca n   s av en er g y   an d   r ed u ce   s ig n ali n g   o v er h ea d .   T h s et  o f   p r o to co ls   f o r   3 n et w o r k   h as  b ee n   d ef in ed   alr ea d y   to   p r o d u ce   lo n g - last in g   b atter y   li f o n   d i f f er e n r ad io   s tates.  Desp ite  o f   th d ef i n ed   p r o to co ls   f o r   3 n et w o r k ,   e n e r g y   w as tag d u r i n g   tr an s itio n   s w i tch in g   b et w ee n   lo w   a n d   h i g h   p o w er   co n s u m p tio n   s ta te s   p er   d ata  o p er atio n ,   r e m ai n   an     is s u [ 4 - 5 ] .   I n   co n tr ast  to   3 tech n o lo g y ,   W i - Fi  is   w ell - ac ce p ted   w ir eless   co m m u n ica tio n   tech n o lo g y   f o r   s m ar t - d ev ice s   [ 6 ] .   Wi - Fi  r ad io   tech n o lo g y     p r o v i d es  h ig h   d ata  r ate  to   en d - u s er s   an d   h elp s   n et w o r k   o p er ato r s   to   o f f lo ad   m o b ile  tr a f f ic  w i th   h ig h   ac c u r ac y   [ 7 ] .   I E E E   8 0 2 . 1 1   d ef in ed   n et w o r k   s tate s   f o r   W i - F th at  ca n   also   b e   co n f i g u r ed   at  s o m e   ex te n t   lev el.   W i - Fi  a ls o   h as  i n ac ti v it y   t i m er   t h at  co n s u m e s   m o r e n er g y   w h ich   ca n n o b ig n o r ed   [ 8 ] .   A   k ee n   i n ter est  h as  b ee n   s h o w n   b y   m a n y   r ese ar ch er s   an d   i n d u s tr ial  g r o u p s   f o r   o p ti m izatio n   o f   en er g y   u t ilizatio n .   I n   liter atu r e ,   s ev er al  i m p lica tio n s   h a v b ee n   p r o p o s ed   to   o v er co m t h is   is s u e.     I n   liter atu r e,   r esear c h   w o r k   m ai n l y   f o cu s es  o n   en er g y   c o n s u m p tio n   o f   i n d iv id u al   h ar d w ar e   co m p o n e n t s   o r   ap p licatio n s   b ased   p er f o r m a n ce s   [ 9 ] .   I n   ad d itio n   to   th is ,   s o m r esear ch   h a s   also   b ee n   d o n to   ca lcu late  t h e n er g y   co n s u m p t io n   o f   in d i v id u al   r ad io   tech n o lo g ies.  T h b an d w id t h   a g g r e g a tio n   s c h e m es  w er e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C h a r a cteriz in g   Mu lti - r a d io   E n erg C o n s u mp tio n   in   C ellu la r / W i - F i S ma r tp h o n es ( Zu h a ib u d d in   B h u tto )   2921   s u g g e s ted   i n   [ 10 ]   to   en h a n ce   l iv s tr ea m i n g   o f   v id eo   u s i n g   m u ltip le  c h an n el s .   F u r th er m o r e,   A   s o f t w ar e - b ased   ap p r o ac h   w a s   u s ed   in   [ 11 ]   to   a ctiv ate  m u ltip le  n et w o r k   in ter f ac ac tiv atio n   o n   th s m ar tp h o n e.   On   th o t h er   h an d ,   s o   f ar ,   to   th b est  o f   o u r   k n o w le d g n o   w o r k   h as  b ee n   i n v e s ti g ated   in   th en er g y   co n s u m p tio n   is s u f o r   m u lti - r ad io   in   th s m ar tp h o n e.   T h er ef o r e,   w p r o p o s an   en er g y   co n s u m p tio n   m o d el   w h ic h   ca lc u late s   e n er g y   co n s u m p tio n   f o r   m u l ti - r ad io s   e n a b led   s m ar tp h o n t h at  s i m u lta n eo u s l y   tr ig g er s   3 a n d   W i - Fi  r ad io s .   T h is   m o d el  co m p u tes  en er g y   co n s u m p tio n   in   r ea w o r ld   ce llu l ar   tr ac in clu d in g     f o r m - f ac to r   in v e s ti g atio n .   W f o cu s   o n   th p ac k e p r o ce s s in g   a n d   in ac ti v it y   t i m er   f o r   3 R R C   s tates  a n d   o th er   d if f er en t   s ta tes  o f   W i - Fi   r ad io   d u r in g   s ta te  tr a n s itio n s   o f   b o th   tec h n o lo g ies   i n   p ar all el.   Ou r   m o d el  g iv e s   f i n e - g r ai n ed   en er g y   co n s u m p tio n   o f   ea c h   r ad io   m o d e m   alo n g   w it h   p o w er   co n s u m p tio n   o f   ap p licatio n   p r o ce s s o r   ( A P ) .   Ou r   w o r k   ex a m i n es  m u lt i - r ad io   en er g y   co n s u m p tio n   s ta tes  f o r   th s m ar tp h o n e.   T h is   i m p a r ts   n o v elt y   to   o u r   r esear ch   w h ich   h as  n o t b ee n   d is cu s s ed   y e t b y   an y   o t h er   r esear ch   g r o u p .   I n   th is   p ap er ,   w p r o p o s e   w o r k lo ad - b ased   m u lt i - r ad io   en e r g y   co n s u m p tio n   m o d el  th a in co r p o r ates  b o th   s m ar tp h o n A P s   e n er g y   co n s u m p tio n   an d   ea c h   m o d em   p ar ( 3 an d   W i - Fi) s   e n er g y   co n s u m p tio n .   T h p r o p o s ed   m o d el  is   k i n d   o f   s i m p le  li n ea r   m o d el  an d   ea s y   to   ap p l y   in   t h r ea en v i r o n m e n b ec au s it   co n s id er s   to tal  w o r k lo ad   in   an   o b s er v atio n   p er io d   r ath er   th an   i n d i v id u al  p ac k e ts   b eh av io r   ( v ar y in g     in ter - p ac k et  ti m a n d   n o n - u n i f o r m   p ac k e s ize) .   W e x p er im en co m p r e h en s iv e   s et  o f   test   ca s e s   i n   r ea l   co m m er cial  n et w o r k   b y   c h an g in g   w o r k lo ad ,   co n tr o lled   b y   v ar iab le  p ac k et  tr an s m is s io n / r ec ep tio n   ( UL /D L )   r ate.   T h en ,   w s et  u p   m u lti - r ad io   en er g y   co n s u m p tio n   m o d el  th at   f its   w el w it h   th m ea s u r ed   r esu lts .   T h r em a in i n g   p ar o f   th is   p a p er   is   o r g an ized   a s   f o llo w s :   T h b ac k g r o u n d   an d   r elate d   w o r k   o f   b o t h   r ad io s   ar d is cu s s ed   i n   Sectio n   2 .   A   d etailed   m ea s u r e m e n t   m et h o d o lo g y   f o r   t h m u lt i - r ad io   s m ar tp h o n i s   p r o v id ed   in   Sect io n   3 .   Sectio n   4   p r esen ts   th m u lti - r ad io   p o w er   m o d el.   I n   Sec tio n   5 ,   t h f i n d in g s   o f   p r o p o s ed   en er g y   m o d el  ar illu s tr ated .   F in all y ,   th co n c lu s io n   o f   t h i s   w o r k   i s   s u m m ar ized   in   Sectio n   6 .       2.   B ACK G RO UND  AN RE L AT E WO RK   2 . 1 .   B a ck g ro un d ( 3 G   a nd   W i - F i)   T h 3 G P P   d ef in ed   p r o to co ls   f o r   UM T n et w o r k   a n d   R R C   liab le  to   m a k s k ill f u u s e   o f   li m ited   r eso u r ce s   f o r   t h m o b ile   d ev ic e.   T h R R C   a llo ca tes  a   p r o to co o f   s tate  m ac h i n to   ea c h   m o b ile  p h o n w h ic h   is   co n n ec ted   to   n et w o r k   an d   co n tain s   th r ee   tr an s itio n al  s tat es  ( DC H,   F A C H,   a n d   I DL E ) .   E ac h   s tate  o p er ates  u n d er   th d if f er e n co n f ig u r at io n   o f   in ac ti v it y   ti m er   co n s u m i n g   d i f f er e n r ad io   r eso u r ce s   an d   p o w er .   I n   th I DL E   s tate,   t h m o b ile  d ev ice   co n s u m es  t h least   a m o u n t   o f   en er g y   a n d   d o es  n o es tab lis h   an y   co n n ec tio n   to   r ad io   n et w o r k   co n tr o ller   ( R N C ) .   DC H   s ta te  i s   w ell   k n o w n   f o r   th e   d ed icate d   ch a n n el t h e   m o s t   cr ed ib le  s tate   f o r   an y   u s er   b ec au s it  f o r m u lates  R R C   co n n ec t io n   o f   th m o b ile  d ev ice  to   n et w o r k   a n d   u s es   h i g h   tr an s m is s io n   r ate.   Du r i n g   F AC s tate,   t h c o n n ec tio n   o f   s m ar tp h o n e   is   estab lis h ed   w i th   th n et w o r k ,   b u a   u s er   ca n   o n l y   tr an s f er   lo w - s p ee d   d ata.   F A C H   h a s   t h lo n g est  i n ac ti v it y   ti m er ,   a n d   it   co n s u m es   m o r e n er g y   ev en   w h e n   th e   s m ar tp h o n e   d o es  n o t   ca r r y   o u a n y   d ata  o p er atio n .   T h d ev ice  s w itc h es   to   h i g h er   s tate   w h e n   p r o m o tio n   o cc u r s ,   a n d   to   lo w   p o w er   co n s u m i n g   s tate  i n   ca s o f   d e m o tio n .   Fo r   o f f lo ad in g   d ata  tr af f ic,   m an y   o p er ato r s   p r ef er   W i - Fi  o v er   3 [ 1 2 - 1 3 ]   b ec au s W i - F o p er ates   u n d er   t w o   r ad io   s tates ,   i.e .   C ONNE C T E an d   I D L E .   T h e   W i - F i,  i n   C ONNE C T E s ta te,   co n s u m es   m o r en er g y   w h ile  p er f o r m i n g   d a ta  o p er atio n .   Ho w e v er ,   th i s   c o n s u m p tio n   o f   en er g y   i s   1 0 x   less   th a n   t h en er g y   co n s u m ed   b y   t h 3 G.   I n   I DL E   s tate,   W i - Fi co n s u m e s   v er y   litt le  a m o u n t o f   en er g y .     2 . 2 .   Rela t ed  Wo rk   P r ev io u s   w o r k s   w h ic h   h av alr ea d y   b ee n   d o n b y   d i f f er e n r esear ch   g r o u p s   d escr ib ed   in ac ti v it y   ti m er ,   w h ich   g a v an   o v er v ie w   o f   R R C   s tate  m ac h i n ca u s in g   in e f f icie n o v er h ea d   d u t o   s tate  p r o m o tio n s .     I n   [ 1 4 ] ,   a p p licatio n   r eso u r ce   o p ti m izer   ( AR O)   ex p o s ed   t h cr o s s   la y er   in ter ac tio n   o f   R R C   s tate  b et w ee n   la y er   2   an d   la y er   3   o f   n et w o r k   p r o to co s tack .   A   d ee p   lo o k   o f   R R C   s tates  r esp o n s b y   n e t w o r k   o p er ato r s   s p ec if i c   p ar am eter s   th at  a f f ec p o w e r   co n s u m p tio n   o f   ap p licatio n   p er f o r m a n ce s   as  d is c u s s e d   in   [ 8 ] ,   [ 1 5 ] .   B y   co n s id er in g   t h r es u lt s   o f   p r e v io u s   r esear ch   th a u t h o r s   i n   [ 5 ] ,     an   en er g y   co n s u m p tio n   m o d el  T ailE n d er   in ter esti n g l y   f o cu s ed   o n   co n s u m p tio n   o f   tai e n er g y   b y   co m p ar i n g   3 G   an d   W i - Fi,   an d   i n tr o d u ce d ,   p r o to co l   w h ic h   p r esen ted   th r ed u c tio n   o f   en er g y   co n s u m p ti o n   d u r in g   m o d er n   m o b ile   ap p licatio n s .   An   ex p er i m e n tatio n   s tu d y   f o r   p er - f r a m en er g y   co n s u m p tio n   o f   W i - F 8 0 2 . 1 1   co m p o n en t s   is   co n d u cted   in   [ 1 5 ] w h ic h   d escr ib es  d etailed   s t u d y   o f   p r o to co l/i m p le m e n tati o n   f o r   b o th   r ad io .   T h au t h o r s   in   [ 6 ]    d is co v er ed   lig h s leep   m o d o f   W i - Fi   w i th   i n ter - ar r iv al   p ac k et  t i m e   a n d   i n ac tiv it y   ti m er   t h at  a f f ec t s   U L   a n d   D L   d ata   o p er atio n s .   Fu r t h er m o r e,   i n   [ 1 6 ]   th co n s tr u ctio n   o f   a u to m at ed   p o w er   m o d el  tec h n iq u i s   i n tr o d u ce d   in to   t h e   s en s o r   o f     b u il t - in   b atter y   o f   s m ar tp h o n e   t h at  e x p licitl y   co n t r o ls   th e   p o w er   m a n a g e m e n t   a n d   ac ti v it y   s tates   o f   in d iv id u al  co m p o n e n ts   o f   s m ar tp h o n e.   T o   ex ten d   th b atte r y   li f t h au t h o r s   in   [ 1 7 ]   p r o p o s ed   s ch e m to   eli m i n ate  tail  to   d i s cr etio n ar y   lev el   an d   it  w a s   co n c lu d ed   t o   s av 1 7 %   o f   r ad io   r eso u r ce s   an d   r ed u ce d   tail   ti m er   u p - to   6 0 %.  A   s t u d y   w as   co n d u cted   in   [ 9 ]   an d   t h a u th o r   co n f ir m ed   t h at  6 5 to   7 5 %   o f   en er g y   i s   s p e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   29 2 0     29 30   2922   d u r in g   th ir d - p ar t y   m o d u le s   b y   b ac k g r o u n d   p r o ce s s es.  Fu r t h er m o r e,   s ch ed u li n g   alg o r it h m   w a s   p r esen ted     in   [ 1 8 ] ,   s u b s ta n tia tes  f o r   An d r o id   k er n el  to   i m p r o v p o w er   ef f icie n c y .   v er y   p o p u lar   p o w er   m o d el  w as   test i f ied   in   [ 1 ]   to   an al y ze   p o w er   co n s u m p tio n   f o r   n et w o r k   a n d   th r o u g h p u t b a s ed   r ad io   tech n o lo g ies i n cl u d in g ;   3 G,   L T E ,   an d   W i - Fi  an d   g a v d etailed   s tu d y   f o r   all  r ad io s   in d iv id u all y .   T h au th o r s   i n   [ 1 0 ] ,   en ab led   th e   m u lti - r ad io   ap p r o ac h   in   th o p er atin g   s y s te m   ( OS)   o f   s m ar tp h o n e,   d ea ls   w it h   t h li n k   ag g r eg atio n   ap p r o ac h   th at  u s es  b o th   L T E   an d   W i - Fi  r ad io s ,   r esu ltin g   i n   h i g h   a cc u r ac y   i n   p ac k et  s tr ea m in g   d u r in g   v id eo .   I n   ex ten s io n   to   s a m ap p r o ac h   PIM [ 11 ] ,   p r o p o s ed   m u lti - r ad io   p o w er   m o d el  b ased   o n   i n ter - p ac k et  ti m a n d   p ac k et  le n g t h .   T h e y   s ep ar ated   an   A P s   p o w er   co n s u m p tio n   f r o m   th a t o f   ea ch   r ad io   ( L T E   o r   W i - Fi).   Ho w e v er ,   it  is   co m p le x   to   tr ac ea ch   p ac k et ' s   i n ter v al  an d   le n g t h   i n d i v id u all y ,   an d   al s o ,   th d er iv ed   m o d el  co ef f icie n t s   ar d if f er en f o r   all  p o s s ib le  r an g e s   o f   p ac k et  le n g th .   Af o r e m e n tio n ed   w o r k s   co n s id er ed   en er g y   co n s u m p t io n   o f   s m ar tp h o n d ev ices  b y   h ar d w ar e   co m p o n e n t s ,   ap p licatio n   b asi s ,   n e t w o r k   la ten c y ,   i n ter f ac es   o f   d i f f er en t   r ad io   co m p o n e n ts ,   s w itch in g   b a s ed   alg o r ith m s   f o r   v ar io u s   r ad io   s t ates,  an d   i n d iv id u al  r ad io   en er g y   u t ilizatio n .   T h p r ev io u s   r esear ch   r es u lted   t h e   p o w er   m o d els  w h ic h   w o r k   o n   in d iv id u al  f ac to r s   o r   p r o d u cin g   v er y   co m p le x   m o d els  t h at  c an n o b ap p lied   i n   th r ea w o r ld   n e t w o r k .   T h is   m o ti v ates  u s   t o   d ev elo p   n e w   p o w er   m o d el  t h at  ca n   m ea s u r t h e n er g y   co n s u m p tio n   o f   r ad io   c o m p o n en ts   o f   s m ar tp h o n d ev ice  w h e n   d ev ice  is   o p er atin g   w it h   m u ltip le  r ad io s   in   p ar allel.     T h er ef o r e,   in   th i s   wo r k ,   b y   e n ab lin g   s m ar tp h o n e   d ev ice  to   w o r k   o n   b o t h   r ad io s   ( 3 an d   Wi - Fi)  i n   p ar allel,   w p r esen n e w   p o w er   m o d el.   T h is   n e w   p o w er   m o d el  p er f o r m s   f i n e - g r ai n ed   en er g y   co n s u m p tio n   o f   3 an d   W i - Fi  r ad io s   f o r   r ea l - w o r ld   n et w o r k   tr ac th at  ca n   co m p u te  li n k   ca p ac it y   o f   3 an d   W i - Fi  w i th   ze r o   p ac k et  lo s s .       3.   M E ASURE M E NT   M E T H O DO L O G Y   3 . 1 .   M e a s ure m e nt  Set up   T h ex p er im e n tal  s etu p   co m p r is es o f   t h r ee   co m p o n e n ts .     3 . 1 . 1 .   M ulti - r a dio   S m a rt ph o ne   T h ch an g es  ar ap p lied   to   Sa m s u n g   Gala x y   Ne x u s   s m ar tp h o n e s   f ir m w ar f o r   en ab li n g   3 G   a n d   W i - Fi  r ad io   to   w o r k   s i m u lta n eo u s l y .   T h s m ar tp h o n e   u s ed   d u r in g   t h e   e x p er i m e n tatio n ,   h as  an   An d r o id   OS T h d ef au lt   s et tin g s   o f   an   An d r o id   A P I   C o n n ec tivity   Ma n a g er ,   d o   n o allo w   to   ac tiv a te   b o th   r ad io s   at  th e   s a m e   ti m e.   W m o d i f ied   Mo b ile   Da ta   S ta te   Tr a ck er ,   C o n n ec tivity   Ma n a g er   a n d   C o n ec tivity   S ervice   A P I s   an d   th e   tea r d o w n   fu n ctio n   to   en ab le  b o th   r ad io s .   W also   a d d ed   r o u tin g   tab le  b y   u s i n g   ip r o u te .   A f ter   th e s e   ch an g es   th e   k er n el  o f   s m ar t p h o n OS   ca n   s i m u lta n eo u s l y   p r o ce s s   p ac k e ts   U L / D L   b o th   r ad io   in ter f ac es   co n cu r r en tl y .     3 . 1 . 2 .   P o w er   M o nito ring   T o o l   T h Mo n s o o n   p o w er   m o n ito r   is   ch o s e n ,   w h ich   i s   w id el y   u s e d   an d   p r o v ed   to   b e   h ig h l y   e f f icie n t a n d   ac cu r ate  to o l   to   m ea s u r th p o w er   co n s u m p tio n   o f   d ev ic [ 1 ],   [ 6 ],   [ 1 6 ],   [ 1 8 - 1 9 ] I n   o u r   s etu p ,   b atter y   is   is o lated   f r o m   t h s m ar tp h o n an d   d ir ec tl y   co n n ec ted   to   th co m p u ter   in   o r d er   to   m ea s u r d r ain ag o f   p o w er   co n s u m p tio n   ac cu r atel y .     3 . 1 . 3 .   E x peri m e nta l Ser v er   T h ex p er i m en ta s er v er   i s   s o f t w ar e - b ased   co m p o n e n wh ich   m ai n l y   p r o v id es  d u al  f u n ctio n s ,   it  r ea d s   all  th p o w er   m a tr ices  an d   p r o v id th f ile  th at  co n t ain s   co llected   d ata  f r o m   d ev i ce .   C o m p iled   tr ac e   g iv co m p lete  r es u lt s   o f   p o w e r   in   w h ich   d ev ice  co m p o n e n t s   ar in clu d ed   i.e . ,   C P U,   d is p la y   o f   th s cr ee n ,   3 G,   Wi - Fi r ad io s ,   a n d   o th er   co m p o n en t s .   T o   m ea s u r e   ac cu r ate  p o w er   co n s u m p tio n   o f   3 an d   W i - Fi r ad io s ,   w e   g o   th r o ug h   f o llo w i n g .   a.   T h s m ar tp h o n e   s cr ee n   ON,   b ac k g r o u n d   ap p s   OFF,  an d   s e n s o r s   OFF .   b.   Use d   b ac k - to - b ac k   U s er   Data g r a m   P r o t o co l ( UDP )   p ac k ets .   c.   E n s u r e   lo w e s t U DP   p ac k et  lo s s .   d.   R ep ea t 2 5   r u n s   f o r   ea ch   test   ca s to   g et  av er a g v al u es.   e.   C o n tr o w o r k lo ad   b y   v ar y in g   p ac k et  UL /D L   r ate.     3 . 2 .   B a s eline  P o w er   Co ns u m ptio n o f   M ulti - ra dio   S m a rt ph o n e   Ou r   f o cu s   i s   o n   e n er g y   co n s u m p tio n   o f   w ir ele s s   r ad io s ,   t h er ef o r i n   o u r   e x p er i m e n tal   s et u p ,   w e   s u b tr ac t a ll b aseli n en er g y   v a lu es   f r o m   t h r ad io   en er g y   co n s u m p tio n   p ar t.   T ab le   1   s h o w s   t h b aselin r esu lt s   o f   d if f er en s tates  o f   s m ar tp h o n a n d   en er g y   e x p en d itu r e,   as   d is cu s s ed   in   s ec tio n   3 . 1 ,   w t o o k   ex p er i m e n tatio n s   a n d   s u m m ar ize  r esu lt s,   ea c h   r es u lt  i s   th a v er a g o f   2 5   v alu e s   w h ich   g i v es a   clea r   g l i m p s o f   ac c u r ate  v al u es .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C h a r a cteriz in g   Mu lti - r a d io   E n erg C o n s u mp tio n   in   C ellu la r / W i - F i S ma r tp h o n es ( Zu h a ib u d d in   B h u tto )   2923   T h d is p la y   a n d   o th er   h ar d w ar co m p o n en t s   o f   t h m u lti - r ad io   s m ar tp h o n e   co n s u m m u ch   m o r e   en er g y   b u t i n   o u r   e x p er i m e n ta l setu p ,   w e   o n l y   f o cu s   o n   e n er g y   co n s u m p t io n   o f   3 r ad io ,   W i - Fi r ad io ,   an d   th e   en er g y   co n s u m ed   b y   th AP .   B y   lo o k i n g   i n to   it,  w m ea s u r ed   th en er g y   co n s u m p tio n   o f   in d i v id u a l   co m p o n e n t s   an d   s u m m ar ized   r esu lt s   in   T ab le  1 .       T ab le  1 .   B aselin P o w er   Me as u r e m e n ts   S martp h o n e   S t a t e s   T i me   ( se c )   P o w e r   (m W)   En e r g y   ( mJ)   S c r e e n   O F F   R a d i o   O f f   10   1 7 1   1 7 1   S c r e e n   O N   R a d i o   O f f   10   7 3 4   7 3 4   S c r e e n   O N   3 G   O N     10   7 5 1   7 5 1   S c r e e n   O N   W i - F i   O N     10   7 6 2   7 6 2   S c r e e n   O N   3 G   O n   W i - F i   O N     10   7 7 4   7 7 4   S c r e e n   O N   A p p   O N     10   8 2 7   8 2 7   S c r e e n   O N   A p p   O n   3 G   O N     10   8 3 3   8 3 3   S c r e e n   O N   A p p   O n   W i - F i   O N     10   8 3 1   8 3 1   S c r e e n   O N   A p p   O n   3 G   O N   W i - F i   O N     10   8 4 7   8 4 7       W f ir s d eter m in th b ase lin p o w er   co n s u m p tio n   w h e n   s m ar tp h o n i s   in   s tate   w it h   t h s cr ee n   o n ,   r ad io   o f f ,   an d   m ea s u r e m en A p p   o n .   T h av er ag e   b aselin p o w er   o b tain ed   f r o m   m ea s u r e m e n is   8 2 7 m W .   T o   o b tain   p o w er   an d   en er g y   i n d u ce d   s o lel y   b y   p ac k et  U L /D L ,   w w i ll  ex tr ac t   th is   b ase lin p o w e f r o m   r a w   m ea s u r e m e n t v a lu e s   u s i n g   Mo n s o o n   m o n ito r .     3 . 3 .   Usi ng   P a c k et   Arr iv a l R a t a s   a   Co ntr o l P a ra m et er   Data   p ac k et  co n tr ib u tes   lo t   to   p o w er   co n s u m p tio n T C P   p ac k et  co n s u m e s   m u c h   m o r en er g y   d u r in g   i n itial  m e s s a g e x ch a n g to   es tab lis h   co n n ec tio n   to   an y   p o in t,  b u UDP   p ac k et  d o es  n o p er f o r m   t h is   ch ec k   a s   it  o n l y   s e n d s   o r   r ec eiv t h p ac k et  w it h o u m ess a g ex c h an g e.   W u s U DP   p ac k et  in   o u r   ex p er i m e n tal  s et u p .   Alth o u g h ,   w o b s er v th p ac k e lo s s   as   w ell  b ec au s if   p ac k e lo s s   o cc u r s   it  ca u s es  lo s s   o f   en er g y   an d   it  d o es  n o g iv p o w er   co n s u m p tio n   ef f icie n tl y .   W s en b ac k   to   b ac k   UDP   p ac k ets  an d   c o n tr o l   p ac k et  g e n er atio n   r ate  f r o m   t h s er v er   an d   p er f o r m ed   o u r   ex p er i m e n tatio n   to   g e h ig h   t h r o u g h p u w it h   ze r o   lo s s   o f   p ac k et  t h at  m ak e s   o u r   p o w er   m o d el  m o r r o b u s t f o r   b o th   r ad io s   d u r in g   t h d ata  o p er atio n .       4.   M O DE L I N G   M UL T I - RADI O   E NE R G CO N SUM P T I O N   W d iv id ed   o u r   m o d el  i n to   t w o   b asic   s u b - m o d els.  T h f ir s m o d el  d e s cr ib es  R R C   s ta te s   o f   3 a n d   Wi - Fi  C ONNE C T E an d   I D L E   s tate.   T h s ec o n d   m o d el  ex a m in e s   e n er g y   co n s u m p tio n   o f   s m ar tp h o n e   o f   f o u r   ca s e s ; 3 G UL - W iF i UL ,   3 G DL - W iFi DL ,   3 G UL - W iFi DL ,   a n d   3 G DL - W iFi UL .   Fi g u r 1   s h o w s   o u r   s etu p   a n d   p atter n   o f   s ep ar atio n   o f   e n er g y   co n s u m p tio n   b et w ee n   3 an d   W i - Fi  r ad io s   alo n g   w it h   e n er g y   co n s u m p tio n   b y   t h e   AP   d u r in g   p r o ce s s in g   o f   p ac k et s   w i th   d if f er en r ates.  T ab le  1   s h o w s   p o w er   co n s u m p tio n   f o r   ea ch   r ad io   in d iv id u al l y   a n d   s e p ar atel y   w h e n   t h e y   d o   n o p er f o r m   p ac k e t   p r o ce s s in g   a n d   also   w h e n   b o th   r ad io s   ar en ab led   w it h o u t p r o ce s s in g   o f   p ac k e ts ,   as s h o w n   in   Fi g u r 1 .       A p p l i c a t i o n   P r o c e s s o r W i F i   M o d e m 3 G   M o d e m D a t a   P a c k e t s   ( U L / D L ) A n d r o i d   A p p l i c a t i o n   p a c k e t   P r o c e s s i n g 3 G ( U L / D L ) W i - F i ( U L / D L ) D L U L D L U L M u l t i - R a d i o   M o b i l e     Fig u r 1 .   E x p er i m en tal  S et u p   o f   A P   an d   M o d e m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   29 2 0     29 30   2924   P ac k ets  ar g en er ated   f r o m   t h d ev e lo p ed   An d r o id   ap p licatio n   a n d   t h e   ap p licatio n   is   d ev elo p ed   w it h i n   2 . 5 li n es  o f   co d b y   w h ic h   w ca n   co n tr o p ac k et  g en er atio n ,   p ac k et  in ter - ar r iv al  ti m e,   p ac k et   s en d i n g   d ir ec tio n   a n d   ca lcu l atio n   o f   m u l ti - r ad io   th r o u g h p u t .   An d r o id   ap p licatio n   s en d   p ac k ets  in   b o th   d ir ec tio n s   r eg ar d in g   f o u r   test   ca s w h ic h   w ill  b d is cu s s ed   in   Sectio n   4 . 2 .   E n er g y   co n s u m p tio n   is   s u b - d iv id ed   in to   m o d e m   a n d   A P   s ep ar ately ,   f o r   th at  ( 1 )   g i v es   t h m a th e m atica l e x p r ess io n .       4 . 1 .   I nco rpo ra t ing   Ra dio   Sta te   T ab le  3   d escr ib es  r ad io   s tates  o f   b o th   r ad io   tech n o lo g ie s .   3 p o s s ess e s   d if f er e n R R C   s tate s   ac co r d in g   to   3 GPP   s tan d ar d s   an d   W i - Fi  h a v i n g   its   d if f er en t   s tates  ac co r d in g   to   I E E E . 8 0 2 . 1 1   s tan d ar d s .   W s u m m ar ized   all  p o s s ib le  s tate s ,   in ac t iv it y   t i m er s   an d   e x p r ess io n s   f o r   m ea s u r i n g   e n er g y   f o r   b o th   r ad io s .   B y   lo o k in g   at  th p r ev io u s   d is c u s s io n   w d ev elo p ed   m at h e m atica p o w er   m o d el  f o r   en er g y .   T h en er g y   co n s u m p tio n   d u r i n g   r ad io   s tat tr an s i tio n   h as   also   b ee n   in c l u d ed   as s h o w n   i n   Fi g u r 2   to   t h to tal  e n er g y .   T h r esu lti n g   m o d el  is   o b tain ed   as  in   ( 1 ) .   W u s th n o tatio n s   s u m m ar ized   in   T ab le  2 .       T ab le  2 .   No tatio n s   f o r   Mu lti - r ad io   E n er g y   C o n s u m p t io n   Mo d el   S y mb o l   D e scri p t i o n   a n d   U n i t   E   T o t a l   e n e r g y   d u r i n g   m u l t i - r a d i o   o p e r a t i o n   ( mJ)   ac t i v e E   En e r g y   i n   a c t i v e   st a t e   d u r i n g   m u l t i - r a d i o   o p e r a t i o n   ul   C o e f f i c i e n t   f o r   t h e   A P s p r o c e ssi n g   U L   d a t a   ( mJ/ M b i t s)     dl   C o e f f i c i e n t   f o r   t h e   A P s p r o c e ssi n g   D L   d a t a   ( mJ/ M b i t s)   ul   C o e f f i c i e n t   f o r   t h e   3 G   mo d e m’ s p r o c e ssi n g   U L   d a t a   ( mJ/ M b i t s)   dl   C o e f f i c i e n t   f o r   t h e   3 G   mo d e m’ s p r o c e ssi n g   D L   d a t a   ( mJ/ M b i t s)   ul   C o e f f i c i e n t   f o r   t h e   W i - F i   mo d e m’ s p r o c e ssi n g   U L   d a t a   ( mJ / M b i t s)     dl   C o e f f i c i e n t   f o r   t h e   W i - F i   mo d e m’ s p r o c e ssi n g   D L   d a t a   ( mJ / M b i t s)     C o e f f i c i e n t   f o r   p o w e r   c o n su m p t i o n   i n   a c t i v e   st a t e   ( mW / s)   ul g r , 3   D a t a   r a t e   i n   3 G   U L   a i r   ( M b p s)   dl g r , 3   D a t a   r a t e   i n   3 G   D L   a i r   ( M b p s)   ul w i f i r ,   D a t a   r a t e   i n   W i - F i   U L   a i r   ( M b p s)   dl w i f i r ,   D a t a   r a t e   i n   W i - F i   D L   a i r   ( M b p s)   t   T i me   p e r i o d   i n   a c t i v e   st a t e   ( se c )   p r o m o g t , 3   T i me   p e r i o d   i n   3 G   p r o mo t i o n   st a t e   ( se c )   p r o m o g , 3   P o w e r   c o n su mp t i o n   i n   3 G   p r o mo t i o n   st a t e   ( mW )   1 , 3 t a i l g t   T i me   p e r i o d   i n   3 G   t a i l 1   st a t e   ( se c )       1 , 3 t a i l g   P o w e r   c o n su mp t i o n   i n   3 G   p r o mo t i o n   st a t e   ( mW )   2 , 3 t a i l g t   T i me   p e r i o d   i n   3 G   t a i l 2   st a t e   ( se c )   2 , 3 t a i l g   P o w e r   c o n su mp t i o n   i n   3 G   p r o mo t i o n   st a t e   ( mW )   p r o m o w i f i t ,   T i me   p e r i o d   i n   W i - F i   p r o mo t i o n   st a t e   ( se c )   p r o m o w i f i ,   P o w e r   c o n su mp t i o n   i n   W i - F i   p r o mo t i o n   st a t e   ( mW )   t a i l w i f i t .   T i me   p e r i o d   i n   W i - F i   t a i l   st a t e   ( se c )   t a i l w i f i ,   P o w e r   c o n su mp t i o n   i n   W i - F i   t a i l   st a t e   ( mW )       E q u atio n   ( 1 )   is   t h m at h e m a t ical  ex p r ess io n   f o r   en er g y   co n s u m p t io n   o f   m u lt i - r ad io   p o w er   m o d el  th at  d escr ib es  a ll  p o s s ib le  n et w o r k   s tate s   a n d   co m p o n e n ts   t h at  co n s u m e n er g y   d u r in g   d a ta  p ac k et  p r o ce s s i n g   o f   3 an d   W i - Fi  s i m u l tan eo u s l y .   E is   th to tal  en er g y   co n s u m p tio n   f o r   m u l ti - r ad io   d u r i n g   d ata  o p er atio n   an d   all  o th er   n et w o r k   s tates o f   3 an d   W i - Fi,  n ex s ec tio n   d escr i b es f o u r   test   ca s es  u s i n g   m u lti - r ad io   s m ar tp h o n e.   A   r ad io   in ter f ac u n d er g o e s   d if f er en r ad io   s tates  d u r i n g   b u r s o f   U L /D L .   Fo r   ex a m p le ,   Fig u r 2 a   illu s tr ates  3 r ad io s   p o w er   tr ac in   w h ic h   p r o m o tio n   s tate,   ac tiv U L /D L   s tate,   tail  1   an d   tail  2   s tates  ca n   b id en ti f ied .   Fi g u r 2 b   I llu s tr at e s   W i - Fi  r ad io s   p o w er   tr ac i n   w h ic h   p r o m o tio n   p h ase,   ac t iv UL / D L   s tate   an d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C h a r a cteriz in g   Mu lti - r a d io   E n erg C o n s u mp tio n   in   C ellu la r / W i - F i S ma r tp h o n es ( Zu h a ib u d d in   B h u tto )   2925   tail  s tate  ca n   b o b s er v ed .   T h er ef o r e,   w w i ll  s ep ar ate  th e s p r o m o tio n a an d   tail  s tate s   f r o m   ac ti v U L /D L   s tate  an d   i n co r p o r ate  th eir   co m p o n en ts   i n to   to tal  en er g y   co n s u m p t io n .     3 , 3 , , , 3 , 1 3 , 1 3 , 2 3 , 2 , .   ( 1 ) .        g p r o m o g p r o m o w i f i p r o m o w i f i p r o m o a c t i v e g t a i l g t a i l g t a i l g t a i l w i f i t a i l w i f i t a i l E t t E t t t   3 , 3 , , , 3 , 1 3 , 1 3 , 2 3 , 2 , .   ( 1 ) .        g p r o m o g p r o m o w i f i p r o m o w i f i p r o m o a c t i v e g t a i l g t a i l g t a i l g t a i l w i f i t a i l w i f i t a i l E t t E t t t   ( 1 )     T h ex p er im e n tat io n   s et u p   s t ar ts   w h e n   th m u lti - r ad io   s m ar tp h o n is   i n   I DL E   m o d i n   w h ic h   i t   co n s u m e s   n e g li g ib le  a m o u n o f   e n er g y .   T o   ass ig n   R R C   s tate  w f ir s s e n UDP   p ac k et  th e n   d ev ice   s w itc h es to   th C ONNE C T E s tate,   w h er it  w ill o v er co m s ig n ali n g   o v er h ea d   o f   r e m a in i n g   d ata  o p er atio n .   T o   ca lcu late  p r o m o tio n al  e n e r g y ,   w ca lc u lated   p r o m o tio n al  ti m e,   3, g p r o m o t an d   av er a g p o w er   co n s u m ed   d u r i n g   3 p r o m o ti o n ,   3, g p r o m o A d d itio n all y ,   to   ca lcu lat en er g y   co n s u m ed   d u r in g   ta ils   af ter   d ata  o p er atio n   w d iv id ed   tai ti m er s   as,  1 , 3 t a i l g t an d   2 , 3 t a i l g t ,   th p o w er   co n s u m ed   d u r i n g   b o th   tail s   ar e,   1 , 3 t a i l g ,   an d   2 , 3 t a i l g ,   p ar am eter s .   Fi g u r 2   ( a )   d ep icts   tr an s itio n al  s tates o f   3 G.           Fig u r 2 R ad io   State  T r an s itio n   o f   3 r ad io   ( 2 a )   an d   W i - Fi  R ad io   ( 2 b )       I n   co n tr ast  to   3 G,   Fig u r 2   ( b )   s h o w s   tr a n s itio n al  s tate s   o f   W i - Fi.  I co n tai n s   o n l y   t w o   s tate s ,   C ONNE C T E an d   S L E E P .   T h in ac ti v it y   ti m er   is   r esp o n s ib le  f o r   d e m o ti n g   r ad io   s t ate  to   lo w   en er g y   co n s u m p tio n   s ta te  w h en   n o   d a ta  o p er atio n   o cc u r s   d u r in g   t h e   I DL E   p er io d   an d   t h e n   g o es  t o   SL E E P   m o d e.   T o   ca lcu late  en er g y   co n s u m p tio n   d u r in g   tr an s itio n a s tates,  in   o u r   p o w er   m o d el,   w s et  d if f er en p ar am eter s   as   s u m m ar ized   in   T ab le  3   u s in g   ( 1 ) .       T ab le  3 .   3 an d   W i - Fi  Net w o r k   States   a n d   E n er g y   C o n s u m p tio n     R a d i o   S t a t e s   T i me   ( se c )   P o w e r   ( m W )   En e r g y   ( mJ)   3 G   p r o mo t i o n   1 . 4   4 0 3   5 6 4   3 G   t a i l   1   4 . 5 6   5 3 0   2 4 1 6   3 G   t a i l   2   2 . 7 1   2 1 0   5 6 9   Wi - F i   p r o mo t i o n   0 . 0 2   3 6 0   7 . 2   Wi - F i   t a i l   0 . 2 5 4   6 9 0   1 7 5       4 . 2 .   I nco rpo ra t ing   P a ck et   T ra ns m i s s io n/Rece ptio n Co m b ina t io ns   I n   s m ar tp h o n e,   U L   o f   a   p ac k et  i s   t w o   s tep s   p r o ce s s .   T h f ir s s tep   is   th e   A P s   h a n d li n g ,   i n clu d e s   th cr ea tio n   o f   s o c k et,   T C P /I P   s tack   p r o ce s s i n g ,   i n ter - p r o ce s s o r   co m m u n icatio n   w i th   m o d e m   p r o ce s s o r s .   T h s ec o n d   s tep   i s   a   m o d e m   p ar t,  in clu d es   b aseb an d   p r o ce s s o r ,   R ad io   Fre q u e n c y   I n teg r a ted   C h ip s et  ( R FIC),   R ch ai n   s u c h   as  p o w er   a m p lif ier ,   an d   an te n n a n d   s i m i lar l y   f o r   DL   o f   p ac k et.   W in co r p o r ate  th is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   29 2 0     29 30   2926   co n s id er atio n   in   o u r   p r o p o s ed   m u lti - r ad io   en er g y   co n s u m p tio n   m o d el  b y   s ep ar atin g   th e   A P s   e n er g y   co n s u m p tio n   an d   ea ch   m o d e m   p ar t’ s   en er g y   co n s u m p tio n .     4 . 2 . 1 .   3G UL   a nd   Wi - Fi UL   I n   th is   ca s e,   s m ar tp h o n p er f o r m   p r o ce s s in g   o f   d ata  p ac k ets  b y   u s in g   o n l y   U L   f r o m   b o th   r ad io s .   3 G   an d   W i - Fi  s tar U L   at  th e   s a m t i m e,   n o d to   n o d d ela y   i s   b ei n g   ca lc u lated   to   m a k s u r t h at  p ac k e tr an s m is s io n   is   s tar ted   at  th s a m t i m f r o m   b o t h   r ad io s .   T h r ea s o n   is ,   W i - Fi  d o es  n o t   tak lo n g   ti m f o r   p r o m o tio n   as  co m p ar to   3 n et w o r k ,   r esu lts   ar m e n tio n e d   in   T a b le  3 .   W e   u s ed   ( 2 )   t o   ca lcu late  th to ta l   en er g y   co n s u m p tio n   o f   3 G,   W i - Fi  m o d e m s .     3 , , 3 , , ( ) .               ( 2 ) a c t i v e u l g u l w i f i u l u l g u l u l w i f i u l E r r t r t r t t   ( 2 )     T h p ar am eter   f o r   3 an d   W i - Fi  ar p ac k et  tr an s m is s io n   a r ul g r , 3   an d   ul w i f i r ,   to   co n tr o th r ate  o f   p ac k ets r esp ec ti v el y ,   a n d   ul ul ,   an d   ul   ar co - ef f icie n t t h at  ar w el l - s u ited   in   to   o u r   p o w er   m o d el.     4 . 2 . 2 .   3 G DL   a nd   Wi - F iDL   I n   th i s   ca s e,   b o th   r ad io s   p er f o r m   D L   d ata  o p er atio n ,   as  t h n o d to   n o d d elay   f o r   b o th   r ad io s   is   alr ea d y   ca lcu lated .   T h er ef o r e,   p ac k et  r ec ep tio n   is   s tar ted   at   th e   s a m ti m e   f r o m   b o th   r ad io s   s i m u lta n eo u s l y .   T o   ca lcu late  to tal  en er g y   co n s u m ed   d u r i n g   d ata  p r o ce s s in g   a n d   o th er   n et w o r k   s tates,  w u s ed   ( 3 ) ,   g iv en   a s       3 , , 3 , , ( )             ( 3 ) a c t i v e d l g d l w i f i d l d l g d l d l w i f i d l E r r t r t r t t   ( 3 )     w h er dl dl ,   an d   dl ar th co ef f ic ien ts   th at   ar w ell  s u ited   to   o u r   m o d el,   dl g r , 3   an d   dl w i f i r ,   ar th e   p ar am eter s   f o r   co n tr o lli n g   D L   p ac k et  r ate.   Fro m   f i g u r e s   3   an d   4 ,   it   ca n   b o b s er v ed   t h at  th e   D L   o p er atio n   co n s u m le s s   e n er g y   as  co m p ar ed   to   UL .   T h is   d if f e r e n ce   in   en er g y   co n s u m p tio n   o cc u r s   b ec au s o f   d i f f er en t   h ar d w ar co m p o n e n t s .       4 . 2 . 3 .   3 G UL   a nd   Wi - F iDL   I n   th i s   ca s e,   s m ar tp h o n p er f o r m s   3 UL   a n d   W i - Fi  D L   p ac k et  p r o ce s s in g .   W u s ed   ( 4 )   to   co m p u te   to tal  en er g y   co n s u m p tio n   f o r   b o th   r ad io s   d u r in g   ac ti v s tate   o f   r ad io s .     3 , , 3 , , .             ( 4 ) a c t i v e u l g u l d l w i f i d l u l g u l d l w i f i d l E r t r t r t r t t   ( 4 )     W u s ul g r , 3   an d   dl w i f i r ,   p ar am eter s   to   co n tr o th d ata  p ac k et  f lo w   f o r   3 UL   a n d   W i - Fi  D L   r esp ec tiv el y ,   t h p ac k et s   ar g en er ated   an d   co n tr o lled   f r o m   o u r   d ev elo p ed   p r o g r am   a n d   ca lcu late  t h en er g y   co n s u m p tio n ,   ul dl ul ,   an d   dl   ar co e f f icien ts   t h at  b est  f it in   t h i s   ca s e.       4 . 2 . 4 .   3 G DL   a nd   Wi - F iUL   I n   th i s   ca s e,   3 p er f o r m s   D L   an d   W i - F p er f o r m s   U L   d ata  o p er atio n .   W u s ed   ( 5 )   to   ca lcu late  t h e   en er g y   co n s u m p tio n   o f   ac ti v e   n et w o r k   s tates,  d u r i n g   p ac k e p r o ce s s in g   in   A P ,   an d   b o th   r ad io s   to   s en d   an d   r ec eiv d ata  p ac k ets.     3 , , 3 , , .             ( 5 ) a c t i v e d l g d l u l w i f i u l d l g d l u l w i f i u l E r t r t r t r t t   ( 5 )     T h r ate  co n tr o llin g   p ar a m ete r s   f o r   3 DL   an d   W i - Fi  U L   a r dl g r , 3   an d   ul w i f i r ,   r esp ec tiv el y .   ul   an d   dl   ar th co ef f icie n ts   f o r   A P   en er g y   co n s u m p t io n ,   dl an d   ul   ar co ef f icie n t s   f o r   en er g y   co n s u m p tio n   o f   3 an d   W i - Fi r ad io s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C h a r a cteriz in g   Mu lti - r a d io   E n erg C o n s u mp tio n   in   C ellu la r / W i - F i S ma r tp h o n es ( Zu h a ib u d d in   B h u tto )   2927   5.   E VA L UA T I O N   5 . 1 .   F ind ing   M o del C o ef f icient s   Mu lti - r ad io   en er g y   co n s u m p ti o n   m o d el  c alcu late s   t h en er g y   co n s u m ed   i n   ea ch   co m p o n en o f   th e   d ev ice,   it   in v o l v es   d ata   p ac k e p r o ce s s in g   an d   n et w o r k   s ta t es.  I n   th e   p r o p o s ed   m o d el,   we  ca lcu la te   e n er g y   co n s u m p tio n   b y   v ar y i n g   p ac k et  r ate  a s   a   co n tr o lli n g   p ar a m eter   a n d   ex a m i n th e   b eh av io r   o f   n et w o r k   co m p o n e n t s   alo n g   w it h   e n er g y   co n s u m p tio n   p atter n .   W f o u n d   ea c h   co ef f icie n t   r ep r esen ted   i n   ( 1 )   b y   s u b - d iv id in g   in to   f o u r   ca s e s   as d is cu s s ed   in   p r ec ed i n g   s ec tio n .       T ab le  4 Dete r m i n ed   C o ef f icie n ts     C o e f f i c i e n t s   dl   dl   ul   dl   ul   dl     V a l u e   0 . 3 1 9   0 . 2 3 6   4 . 9 5 5   3 . 3 2 9   3 . 2 1 7   1 . 7 5 2   7 2 . 0 8 9       T ab le  4   s h o w s   th e   v al u o f   c o ef f icie n t s   a n d   T ab le  5   s u m m ar izes  th e   m o d el - d r iv e n   co ef f icien t s   f o r   co n s u m p tio n   o f   e n er g y   d u r i n g   all  f o u r   test   ca s es.  T h s tab ili t y   o f   m o d el  is   p r o v ed   f r o m   t h v al u o f   R 2 ,   it  i s   th r eg r e s s io n   an a l y s is   co e f f i cien a n d     i f   t h v alu e   is   m o r th a n   8 0 ~9 0 th m o d el  s h o w s   th v alid it y   o f   d er iv ed   co ef f icie n t s   th at  s atis f y   th d r i v en   m o d el.   T h m o d e l - d r iv e n   co ef f icie n ts   ar s h o w i n g   h i g h   co n f id en ce   lev el  o b tain ed   b y   th lin ea r   r e g r ess io n   t h at  is   m o r t h an   9 8 in   ea c h   ca s ( R 2   =1   m ea n s   t h ap p r o x i m atio n   is   p er f ec tl y   f it).   T h u n it  f o r   ea ch   co ef f icien is   m J /Mb p s .   Su m m ar y   o f   s ta n d ar d   er r o r   esti m atio n   in   all  test   ca s e s   is   s h o w n   i n   th T ab le  5   f o r   r ed u n d a n t te s t c a s es .       T ab le  5 Valid atio n   o f   th M o d el  in   all  C as e s   f o r   A cti v Stat   R a d i o   S t a t e s   S t a n d a r d   e r r o r   e st i ma t i o n   R ( %)   3 G   ( %)   Wi - F i   ( %)   3G - UL   a n d   W i - Fi - UL   3 . 2   1   9 8 . 9   3G - DL   a n d   W i - Fi - DL   5 . 2   1 . 2   9 5 . 7   3G - UL   a n d   W i - Fi - DL   1 1 . 8   0 . 7   9 8 . 1   3G - DL   a n d   W i - Fi - UL   5 . 2   1 . 2   9 8 . 8       Fig u r 3   s h o w s   th e   m ea s u r ed   an d   ca lcu lated   en er g y   co n s u m p tio n   o f   3 G   U L   a n d   W i - Fi  U L   m o d e m   b y   v ar y i n g   th r ate  o f   3 an d   Wi - Fi  p ac k et  U L .   W ith   th e   m ax i m u m   p ac k et  r ate  o f   3 G,   w h a v ac h iev e th r o u g h p u t o f   1 . 1 6   Mb p s   an d   3 4 . 2   M b p s   o f   th r o u g h p u t   o f   W i - Fi   w i th o u an y   p ac k et  lo s s           Fig u r 3 C o m p ar is o n   o f   Me a s u r ed   Ver s u s   C alc u lated   R es u lt s   f o r   C ase  o f   3 a n d   W i - Fi  Up lin k       Fig u r 4   s h o w s   t h ca lc u late d   an d   m ea s u r ed   en er g y   co n s u m p ti o n   p atter n   o f   3 a n d   W i - Fi   b y   v ar y i n g   t h r ate   o f   p ac k et  DL   o f   b o th   r ad io s .   W it h   m a x i m u m   p ac k et  r ate,   w e   h av e   ac h ie v ed   th r o u g h p u o f   3 3   Mb p s   o f   W i - Fi  a n d   7 . 6   Mb p s   o f   3 G.   T h a m o u n o f   e n er g y   co n s u m p tio n   ca n   b a n al y ze d   f r o m   t h g r ap h ,   as   th p ac k et  r ate  in cr ea s e s   th en er g y   co n s u m p tio n   also   in cr ea s es .   A s   co m p ar ed   to   UL   ca s it  co n s u m ed   les s   en er g y   b ec au s m o d e m   p r o ce s s   DL   o p er atio n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  6 ,   No .   6 Dec em b er   2 0 1 6   :   29 2 0     29 30   2928       Fig u r 4 C o m p ar is o n   o f   Me a s u r ed   Ver s u s   C alc u lated   R es u lt s   f o r   C ase  o f   3 a n d   Wi - Fi  D o w n li n k       Fig u r 5   s h o w s   t h m ea s u r e d   an d   ca lc u lated   e n er g y   co n s u m p tio n   o f   3 G   U L   a n d   W i - Fi   DL   b y   v ar y i n g   th p ac k et  r ate  o f   3 an d   W i - Fi.  W it h   th m a x i m u m   p ac k et  r ate  o f   3 G,   w h av ac h iev ed   t h r o u g h p u t   o f   1 . 1 6   Mb p s   an d   f o r   W i - Fi d o w n li n k   3 3   Mb p s .           Fig u r 5 C o m p ar is o n   o f   Me a s u r ed   Ver s u s   C alc u lated   R es u lt s   f o r   ca s o f   3 U p lin k   an d   W i - Fi  D o w n li n k           Fig u r 6 .   C o m p ar is o n   o f   Me a s u r ed   Ver s u s   C alc u lated   R es u lt s   f o r   C ase  o f   3 D o w n li n k   a n d   W i - Fi  U p li n k       Fig u r 6   s h o w s   th e   ca lc u lated   an d   m e as u r ed   en er g y   co n s u m p tio n   o f   3 DL   an d   W i - F UL   m o d e m   b y   s en d i n g   b u r s o f   p ac k et  o n   b o th   r ad io s   in   b o th   d ir ec tio n s .   T h 3 g r ap h   ex p licitl y   s h o w s   t h at  d ata  r ate  co n s u m ed   th m a x i m u m   a m o u n o f   e n er g y   a s   co m p ar ed   to   o th er   ca s es.  T h is   is   b ec au s b o th   r ad io s   ar p er f o r m in g   m ax i m u m   r ate  o f   d ata  p r o ce s s in g   a n d   h en ce ,   g r ea ter   n u m b er   o f   p ac k e ts   ar i n v o l v ed .   T h er ef o r e,   th h i g h est   a m o u n t   o f   e n er g y   co n s u m p tio n   is   o b s er v ed   i n   t h is   ca s e.   W ith   t h m ax i m u m   p ac k et  r ate,   w h av ac h ie v ed   th r o u g h p u f o r   W i - Fi - UL   is   3 4 . 2 Mb p s   an d   3 DL   t h r o u g h p u o f   7 . 6 Mb p s .   I n   o u r   m et h o d o lo g y   n o   p ac k et  lo s s   i s   o b s er v ed ,   it  i s   t h er ef o r e   c o n tr o lled   to   m i n i m ize  t h e n er g y   co n s u m p tio n   o f   n et w o r k   co m p o n e n t s .   T o   an aly ze   th e   r es u lts ,   a ll  te s t   ca s es  ar d i s cu s s ed ,   a n d   th e   g r ap h s   ar p r ese n ted .   T h co ef f icien f o r   3 an d   W i - Fi  ar d er iv ed   f r o m   th s y s te m   m o d el  eq u atio n s .   T h in cr ea s i n   en er g y   c o n s u m p t io n   is   m o r Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C h a r a cteriz in g   Mu lti - r a d io   E n erg C o n s u mp tio n   in   C ellu la r / W i - F i S ma r tp h o n es ( Zu h a ib u d d in   B h u tto )   2929   lin ea r   as   co m p ar ed   to   en er g y   m ea s u r ed   b y   t h p o w er   m o n ito r ,   co n s u m p tio n   o f   e n er g y   d iv id ed   b y   e n er g y   co n s u m ed   b y   AP   an d   b o th   r ad io s .   T h s y s te m   m o d el  p r o v id es  th m o s f in e - g r ain ed   t r ac o f   th en er g y   co n s u m p tio n .       6.   CO NCLU SI O N     A   n e w   w o r k lo ad - b ased   e n er g y   co n s u m p tio n   m o d el  f o r   3 G/W i - Fi   m u lt i - r ad io   s m a r tp h o n is   p r esen ted .   I in co r p o r ates  th en er g y   co n s u m p tio n   o f   b o th   th A P   an d   ea ch   p ar o f   th m o d e m   w i th   h ig h   ac cu r ac y   a n d   ze r o   p ac k et  lo s s .   T h d em o n s tr atio n   o f   th p r o p o s ed   m o d el  f it s   w ell  a n d   g i v es  9 8 ac cu r ac y   w it h   m ea s u r e m e n r es u lt s   i n   r ea co m m er cial  n et w o r k .   T h p r o p o s ed   m o d el  is   d er iv ed   f r o m   a   p ar ticu lar   m u lti - r ad io   s m ar tp h o n e.   T h m et h o d o lo g y   a n d   m o d eli n g   a p p r o ac h   p r esen ted   in   th i s   p ap er   f o r   s m ar tp h o n e   ca n   b ap p lied   to   o th er   m u l ti - r ad io   s m ar t d ev ices a s   w e ll.       ACK NO WL E D G E M E NT S   T h is   w o r k   w a s   s u p p o r ted   b y   th Natio n al  R esear c h   Fo u n d at io n   o f   Ko r ea   ( NR F)  g r a n t f u n d ed   b y   th Ko r ea   g o v er n m en t ( Mi n i s tr y   o f   E d u ca tio n )   ( No .   2 0 1 5 R 1 D1 A 1 A 0 1 0 5 6 6 0 6 ) .       RE F E R E NC E S   [1 ]   J.  Hu a n g ,   e a l. ,   c lo se   e x a m in a ti o n   o f   p e rf o rm a n c e   a n d   p o w e c h a ra c teristics   o f   4 G   LT n e tw o rk s,   I n ter n a t io n a c o n fer e n c e   o n   M o b i le sy ste ms ,   a p p li c a ti o n s,  a n d   se rv ice s ,   T e n th   A n n u a ACM ,     p p .   2 2 5 - 38 ,   2 0 1 2 .   [2 ]   W .   Nin a d ,   e a l. ,   A   f irst  lo o k   a 8 0 2 . 1 1 n   p o w e c o n su m p ti o n   in   sm a rtp h o n e s ,”   I n ter n a ti o n a wo rk sh o p   o n   Pra c ti c a issu e a n d   a p p li c a ti o n in   n e x g e n e ra ti o n   wire les s n e two rk s ,   PINGEN  2 0 1 2 .   ACM ,   p p .   2 7 - 32 2 0 1 2   [3 ]   Q.  F e n g ,   e a l . ,   Ch a ra c teriz in g   ra d io   re so u rc e   a ll o c a ti o n   f o 3 G   n e tw o rk s,   in   I n ter n a ti o n a c o n fer e n c e   o n   In ter n e t   me a su re me n t,   2 0 1 0 .     S IGCO M   2 0 1 0 .   T e n t h   A n n u a   ACM ,   p p .   1 3 7 - 50 ,   2 0 1 0 .   [4 ]   S .   Ro se n ,   e a l. ,   Disc o v e rin g   f in e - g ra in e d   RRC  st a te  d y n a m ic a n d   p e rf o r m a n c e   i m p a c ts  in   c e ll u lar  n e tw o rk s,   in   I n ter n a t io n a c o n fer e n c e   o n   M o b il e   c o mp u ti n g   a n d   n e two rk in g ,   2 0 1 4 .   M o b iC o 2 0 1 4 .   T we n tyth   An n u a   ACM ,   p p .   177 - 88 2 0 1 4 .   [5 ]   N.  Ba las u b ra m a n ian ,   e a l. ,   En e rg y   c o n su m p ti o n   i n   m o b il e   p h o n e s:  a   m e a su re m e n stu d y   a n d   im p li c a ti o n f o r   n e tw o rk   a p p li c a ti o n s ,”   in   I nt e rn a ti o n a c o n fer e n c e   o n   I n ter n e me a su re me n t,   2 0 0 9 .     S IGCO M   2 0 0 9 .   Ni n t h   A n n u a l     ACM ,   p p .   2 8 0 - 93 ,   2 0 0 9 .   [6 ]   L.   Jia n ,   e a l. ,   P o w e r   G u id e A c c u ra te  W i - F p o w e e sti m a t o f o sm a rtp h o n e s,   i n   Asia   P a c if ic  Ne two rk   Op e ra ti o n s a n d   M a n a g e me n S y mp o siu m ,   2 0 1 4 .   A PNOM S   2 0 1 4 .   Ni n e tee n th   A n n u a IEE E ,   p p .   1 - 6 2 0 1 4 .   [7 ]   S .   Ic k in ,   e a l. ,   Ca tch in g   th e   d o w n lo a d   train E n e rg y - e ff icie n f il e   d o w n lo a d i n g   o n   sm a rtp h o n e s ,”   in   I n ter n a ti o n a l   T e letra ff ic Co n g re ss ,   2 0 1 4 .   I T 2 0 1 4 .   T we n ty S ixt h   A n n u a I EE E,   p p .   1 - 5 2 0 1 4 .   [8 ]   S .   L i,   e a l. ,   M o d e li n g   W iF Ac t iv e   P o w e r/E n e rg y   Co n su m p ti o n   i n   S m a rtp h o n e s ,   in   In ter n a ti o n a Co n fer e n c e   o n   Distrib u ted   Co mp u ti n g   S y ste ms ,   2 0 1 4 .   ICDCS   2 0 1 4 .   T h irty  Fo u rth   IEE E ,   p p .   4 1 - 51 2 0 1 4 .   [9 ]   A .   P a th a k ,   e a l. ,   W h e re   is  th e   e n e rg y   sp e n in sid e   m y   a p p ? f in e   g ra in e d   e n e rg y   a c c o u n ti n g   o n   sm a rtp h o n e w it h   Ep ro f ,   in   Eu ro p e a n   Co n fer e n c e   o n   C o mp u ter   S y ste ms ,   Eu ro S y s 2 0 1 2 .   S e v e n t h   A n n u a l   ACM ,   p p .   2 9 - 42 ,   2 0 1 2 .   [1 0 ]   B.   Ho a n g ,   e a l. ,   G re e n   Ba g En e rg y - E ff icie n Ba n d w id th   A g g r e g a ti o n   f o Re a l - T ime   S trea m in g   in   He tero g e n e o u M o b i le  W irele ss   N e t w o rk s,   in   Rea l - T ime   S y ste ms   S y mp o siu m,  2 0 1 3 .   R T S S   2 0 1 3 .   T h irty  Fo u rt h   An n u a IEE E ,   p p .   57 - 67 ,   2 0 1 3 .   [1 1 ]   K.  L e e ,   e a l. ,   P IM M P a c k e In terv a l - Ba se d   P o w e M o d e li n g   o f   M u lt ip le  Ne tw o rk   In terf a c e - A c ti v a ted   S m a rtp h o n e s,   in   I n ter n a ti o n a C o n fer e n c e   o n   Fu tu re   E n e rg y   S y ste ms ,   S ixth   An n u a l   ACM ,   p p .   1 1 1 - 1 2 0 ,   2 0 1 5   [1 2 ]   P.  L a th a   a n d   R.   V a sa n t h a ,   M DS - W LAN:  M a x i m a D a ta  S e c u rit y   in   WL A f o Re sistin g   p o t e n ti a T h re a ts ,   In ter n a t io n a J o u rn a o E lec trica a n d   C o mp u ter   En g in e e rin g v ol / issu e :   5 ( 4 ) p p .   8 5 9 - 8 6 8 ,   2 0 1 5 .   [1 3 ]   K.  A n sa l   an d   S h a n mu g a n an th am   T . ,   As y m m e tri c   Co p lan a F - strip   F e d   A n ten n a   f o D u al   Ba n d   W i re l e s s   A p p l i c ati o n s ,”   in   In ter n a t io n a l   J o u rn a l   o f   El e c trica a n d   Co m p u ter   En g i n e e rin g v ol /is s u e :   5 ( 1 ) ,   p p .   3 1 - 3 7 ,   2 0 1 5 .   [1 4 ]   Q.  F e n g ,   e a l. ,   P r o f il in g   re so u rc e   u sa g e   f o m o b il e   a p p l ica ti o n s:  a   c ro ss - lay e a p p ro a c h ,”   i n   In ter n a ti o n a l   c o n fer e n c e   o n   M o b il e   sy ste ms ,   a p p li c a ti o n s,   a n d   se rv ice s,  M o b iS y 2 0 1 1 .   N in t h   A n n u a l   ACM p p .   3 2 1 - 34 ,   2 0 1 1 .   [1 5 ]   A .   Ga rc ia - S a a v e d ra ,   e a l. ,   En e rg y   c o n su m p ti o n   a n a to m y   o f   8 0 2 . 1 1   d e v ice a n d   it i m p li c a ti o n   o n   m o d e li n g   a n d   d e sig n ,”   in   In ter n a ti o n a c o n fer e n c e   o n   Eme rg i n g   n e two rk in g   e x p e rime n ts  a n d   tec h n o l o g ies ,   2 0 1 2 .   Co NEX T   2 0 1 2 .   Ei g h t h   A n n u a ACM ,   p p .   1 6 9 - 80 ,   2 0 1 2 .   [1 6 ]   L .   Zh a n g ,   e a l. ,   A c c u ra te  On li n e   P o w e Esti m a ti o n   a n d   A u t o m a ti c   Ba tt e r y   Be h a v io Ba se d   P o w e M o d e l   G e n e r a ti o n   f o S m a rtp h o n e s ,”   in   In ter n a t io n a Co n fer e n c e   o n   Ha rd wa re /S o ft wa re   Co d e si g n   a n d   S y ste S y n th e sis,   2 0 1 0 .   COD E S + I S S S   2 0 1 0 .   An n u a IEE E ,   p p .   1 0 5 - 1 1 4 ,   2 0 1 0 .   [1 7 ]   Q.  F e n g ,   e a l. ,   T OP T a il   Op ti m iza ti o n   P ro t o c o F o r   Ce ll u lar   Ra d io   Re so u rc e   A ll o c a ti o n ,”   i n   In ter n a ti o n a l   Co n fer e n c e   o n   Ne two rk   Pro t o c o ls ,   2 0 1 0 .   ICNP  2 0 1 0 .   Ei g h tee n t h   A n n u a I EE E ,   p p .   2 8 5 - 94 ,   2 0 1 0   [1 8 ]   C.   Hs ieh ,   e a l . ,   T ra ff ic  e n g in e e rin g   f o p o w e e ff icie n s m a rtp h o n e   c o m m u n ica ti o n s,   in   I n ter n a t io n a S y mp o si u m   o W ire les s P e rs o n a M u l ti me d ia   Co mm u n ica ti o n s,  2 0 1 2 .   W PM 2 0 1 2 .   Fi f tee n th   An n u a IEE E ,   p p . 1 - 5 2 0 1 2 .   [1 9 ]   S .   De n g ,   e t   a l . ,   T ra ff ic - a wa re   tec h n iq u e to   re d u c e   3 G /L T w irele ss   e n e rg y   c o n su m p ti o n ,   i n   In ter n a ti o n a l   c o n fer e n c e   o n   Eme rg in g   n e tw o rk in g   e x p e rime n ts  a n d   tec h n o l o g ies ,   2 0 1 2 .   Co NEX T   2 0 1 2 .   Ei g h th   An n u a ACM ,   p p .   181 - 92 ,   2 0 1 2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.