بخشی از مقاله
بهبود طول عمر سيستم هاي نهفته بي درنگ به کمک زمان بندي آگاه از وضعيت باتري
چکيده: بسياري از سيستم هاي نهفته و دستگاه هاي متحرک براي تأمين انرژي مورد نياز خود از باتري استفاده مي کنند و بنابراين طول عمر اين دستگاه ها به طول عمر باتري وابسته است . بر اين اساس ، جهت افزايش ميزان بهره وري از اين گونه سيستم ها، کاهش مصرف انرژي و مديريت نحوه استفاده از باتري اهميت زيادي دارند. با توجه به خصوصيات و رفتار غير خطي باتري ، بيشينه کردن طول عمر باتري که به الگوي تخليه آن نيز وابسته است از مسايل سخت محسوب مي گردد. اين مقاله جهت افزايش طول عمر سيستم و بيشينه کردن بهره وري از باتري ، به ارائه يک الگوريتم زمان بندي آگاه از وضعيت باتري براي وظايف دوره اي در سيستم هاي بي درنگ مبتني بر باتري مي پردازد. در الگوريتم پيشنهادي يک روش ابتکاري حريصانه براي تغيير پوياي ولتاژ با توجه به خصوصيات باتري و توان مصرفي وظايف ارائه مي گردد. الگوريتم ارائه شده با دو روش ارزيابي مي شود، در روش اول از تابع هزينه مبتني بر شارژ مصرفي باتري استفاده مي شود و در روش دوم از يک شبيه ساز سطح پايين باتري هاي ليتيوم - يون به نام Dualfoil بهره برداري خواهد شد. نتايج نشان مي دهد که الگوريتم پیشنهادی منجر به افزایش طول عمر سیستم بین 19.6 - 4.3 درصد در شرایط مختلف ( از نظر بار کاری سیستم و محدوده توان مصرفی وظایف ) شده است .
کليد واژه: سيستم هاي نهفته بي درنگ ، تغيير پوياي ولتاژ، زمان بندي آگاه از وضعيت باتري ، مصرف توان .
١- مقدمه
امروزه باتري نقش بسزايي در تأمين انرژي بسياري از سيستم هاي نهفته بي درنگ ايفا مي کند. درصد قابل توجهي از اين دستگاه ها قابليت شارژ مجدد باتري را ندارند و به دليل نوع و محل به کارگيري ، جايگزين کردن باتري نيز در آنها امکان پذير نيست و بنابراين طول عمر اين دستگاه ها وابسته به طول عمر باتري است .
در اکثر فناوري ه١)يپاييمربتورطبيباه يد،باتآرني ،باتارگري ودلتياگژرباتقاردير باه ز تحأدميمن ورادنرژنياي سيستم (ولتاژ قطع مورد نياز سيستم نيست و آن سيستم ديگر نمي تواند به کار خود ادامه دهد. در اين حالت لزوما انرژي ذخيره شده در باتري تمام نشده است ، بلکه بارتاريي برخآاولري ده کشرددهناسولت تا،ژ حماولرد آننظرکه کاافيي ن نبياتسرت ي بورادير اسصيطستلامحي مکي گووليتيام قطع آن کمتر باشد قابل استفاده خواهد بود. بر اين اساس ، کاهش مصرف انرژي و مديريت نحوه استفاده از باتري جهت افزايش ميزان بهره وري آن و بيشينه کردن طول عمر باتري بسيار حائز اهميت است . به دليل رفتار غير خطي باتري در روند تخليه يا دشارژ٢، بيشينه کردن طول عمر آن مسأله اي سخت و چالش برانگيز است . همچنين به علت وابستگي ميزان انرژي استخراج شده از باتري به الگوي جريان دشارژ آن ، مي توان با کنترل سطح جريان و الگوي دشارژ طول عمر باتري را افزايش داد. در اين مقاله به ارائه يک روش مبتني بر تغيير الگوي جريان دشارژ در طول اجراي وظايف روي پردازنده اي با قابليت تغيير پوياي ولتاژ ٣(DVS) مي پردازيم که هدف آن بيشينه کردن بهره وري باتري است .
در سال هاي اخير طراحي سيستم هاي مبتني بر باتري يک مقوله مهم و جدي بوده است . کارهايي که تا کنون در اين زمينه انجام شده به چند دسته عمده تقسيم بندي مي شوند: ١) مدل کردن باتري و توصيف رفتار غير خطي آن [١]، ٢) مديريت توان و انرژي مصرفي باتري [٢] تا [٤] و ٣) زمان بندي وظايف در سيستم هاي مبتني بر باتري .
مهم ترين مدل هايي که تا کنون براي باتري ارائه شده اند عبارتند از:
الف ) مدل الکتروشيميايي [٥] تا [١٠]، ب) مدل مدارهاي الکتريکي [١١] تا [١٣]، ج) مدل هاي تحليلي (اين مدل ها شامل مدل KiBaM و مدل نفوذي (ريزشي ) هستند) [١٤] تا [١٨] و د) مدل هاي تصادفي [١٦] و [١٩] تا [٢٢].
تأثير دو خصوصيت غير خطي باتري ، اثر نرخ ظرفيت ٤ و اثر بازيابي (بهبود)٥، در طول عمر آن و سيستم هاي نهفته مبتني بر باتري در [٢٣] مورد بررسي قرار گرفته و مزايا و معايب اين دسته از باتري ها شرح داده شده است . در [١٤] نويسندگان يک مرور کلي روي مدل هاي متفاوت باتري انجام داده و مدل ها را از لحاظ مناسب بودن براي ترکيب با مدل بار کاري ٦ در جهت ايجاد يک مدل باتري بهتر و قوي تر ارزيابي کردند. در [٢٤] نويسندگان روي دو مدل تحليلي معروف به نام هاي KiBaM٧ و مدل نفوذي ٨ بررسي کاملي انجام داده و مناسب بودن اين مدل ها را با هدف ارزيابي کارايي آزمايش کردند.
در راستاي مديريت توان و انرژي مصرفي باتري ، تلاش هاي فراواني در زمينه استفاده از تکنيک تغيير پوياي ولتاژ به عنوان يک ابزار کاهش مصرف انرژي صورت گرفته است . در اغلب مطالعات انجام شده بر مبناي تغيير پوياي ولتاژ، باتري به عنوان يک منبع ايده آل انرژي است که مقدار معين انرژي را در يک ولتاژ خروجي ثابت ، ذخيره يا پخش مي کند. ليکن بر اساس تحقيقات انجام شده [١٥]، [٢٢]، [٢٥] و [٢٦]، اين امر هميشه صحيح نيست و طراحي بر مبناي اين مدل ساده و حداقل کردن ميانگين مصرف انرژي لزوما منجر به بهينه شدن طول عمر باتري نمي شود.
دسته ديگري از کارهايي که براي افزايش طول عمر باتري صورت گرفته ، ارائه تکنيک هاي زمان بندي وظايف با در نظر گرفتن اثر نرخ دشارژ و بازيابي است . در کارهاي اوليه اي که در زمينه زمان بندي آگاه از باتري صورت گرفت معمولا محققان الگوريتم هاي افزايش (کاهش ) ولتاژ را ارائه مي دادند که تابع هزينه به دست آمده از مدل باتري را بهينه کنند [٢٦] و [٢٧]. در زمينه سيستم هاي بي درنگ سخت ، در [٢٨] يک الگوريتم ايستاي مبتني بر توسعه الگوريتم ارائه شده در [٢٧] براي زمان بندي و در نظر گرفتن اثر بهبود، ارائه شده است .
اخيرا تلاش هاي زيادي براي استفاده از روش هاي ابتکاري که از مدل باتري به دست آمده ، براي زمان بندي پوياي وظايف دوره اي صورت گرفته است . مرجع [٢٩] يک الگوريتم زمان بندي پويا را ارائه مي دهد که تلاش مي کند تا حد امکان يک پروفايل جريان غير افزايشي محلي ١ براي گسترش طول عمر باتري را محفوظ نگه دارد. در [٣٠] با تصوير يک درک شهودي از اين که چگونه روش هاي کشف کننده مدل هاي باتري مي توانند عملا در گسترش طول عمر باتري مؤثر باشند، فهم بهتري نسبت به آگاهي از وضعيت باتري ارائه مي گردد. سپس يک فرم عمومي از مسأله زمان بندي آگاه از وضعيت باتري که براي زمان بندي وظايف دوره اي است در يک محيط تک پردازنده اي ارائه مي دهد. در [٢٥] ابتدا مسأله زمان بندي وظايف براي سيستم هاي تک پردازنده اي مبتني بر باتري با قابليت اعمال تغيير پوياي ولتاژ در قالب يک مسأله بهينه سازي غير خطي مطرح مي شود. سپس تابع هدف اين مسأله که در واقع کمينه کردن شارژ مصرفي بر اساس تابع هزينه ارائه شده در [١٥] براي يک گراف وظايف در زمان مشخص است مورد نظر قرار مي گيرد. براي يک مجموعه از وظايف دوره اي ، زمان با طول ابردوره و براي وظايف غير دوره اي زمان با بيشترين موعد برابر است . مرجع [٢٥] با اشاره به اين مطلب که مسأله بهينه سازي مربوط يک مسأله حل نشدني در زمان چندجمله اي بر حسب اندازه ورودي مسأله ٢(hard -NP ) است (حتي اگر وظايف اولويت ثابت داشته باشند) به ارائه يک روش ابتکاري حريصانه براي دست يابي به نتايجي نزديک به بهينه مي پردازد.
در بخش ٢ با ذکر چند سناريو، دلايل پرداختن به مسأله مطرح شده را بيان مي کنيم . مدل سيستم و طرح مسأله را در بخش ٣ شرح مي دهيم . در بخش ٤ به توضيح الگوريتم پيشنهادي با جزئيات کامل مي پردازيم . بخش ٥ نتايج به دست آمده از پياده سازي الگوريتم پيشنهادي طي آزمايش هاي متفاوت را در مقايسه با ساير الگوريتم ها نشان مي دهد و در بخش ٦ به نتيجه گيري نهايي مي پردازيم .
٢- پيش زمينه و انگيزه تحقيق
در اين بخش با شرح چند سناريو به ضرورت ارائه يک الگوريتم زمان بندي مبتني بر باتري در طراحي سيستم مي پردازيم . در سناريوي اول به اهميت تغيير پوياي ولتاژ و نحوه چيدمان وظايف و تأثير آنها بر طول عمر باتري پرداخته ايم (جداول ١ تا ٧ و شکل هاي ١ تا ٣). جدول ١ مشخصات دو وظيفه که مدت زمان اجرا و موعد نسبي يکسان اما جريان و توان مصرفي متفاوتي را دارند، نشان مي دهد. در جداول ٢ و ٣ با فرض اين که پردازنده داراي ٥ سطح ولتاژ است ، [٢.٢، ٢.٥، ٢.٧، ٣.٠، ٣.٣]، براي هر سطح ولتاژ مقدار جريان ، زمان اجرا و توان مصرفي نشان داده شده که ستون اول نام وظيفه و عدد مربوط به سطح ولتاژ، ستون دوم سطح ولتاژ (V) اجراي وظيفه بر حسب ولت ، ستون سوم جريان (I) وظيفه بر حسب آمپر، ستون چهارم زمان (T) مورد نياز براي اجراي وظيفه بر حسب دقيقه و ستون پنجم ميزان توان مصرفي (P) اجراي وظيفه بر حسب وات را نشان مي دهد. از آنجا که دوره هر دو وظيفه ١٧ دقيقه است ، در جدول ٤ چند پروفايل مختلف براي اجراي اين دو وظيفه در نظر گرفته شده به طوري که هيچ کدام موعد خود را از دست ندهند. مثلا پروفايل اول که B5A1 مي باشد، به اين صورت است که ابتدا وظيفه A با بالاترين ولتاژ، سطح اول (A1 ) و توان مصرفي ٠.١٨١٥ وات به مدت ٦ دقيقه و سپس وظيفه B با سطح پنجم ولتاژ (B5) و توان مصرفي ٠.٠١٧٩ وات به مدت ١٠.٢٤١ دقيقه اجرا مي شود.
طول زمان اجراي اين دو وظيفه جمعا ١٦.٢٤١ دقيقه مي شود. تا دقيقه ١٧ که موعد. دوره اين دو وظيفه است ، به اندازه ٠.٧٥٩ دقيقه پردازنده بيکار است و توان مصرفي در اين بازه صفر مي باشد. ٥ پروفايل ديگر نيز به همين ترتيب هستند و البته بايد توجه داشت که اين ٦ پروفايل بهترين حالت ها از بين ١٧ حالت ممکن هستند .
براي مقايسه اين پروفايل ها از شبيه ساز Dualfoil (توضيحات بيشتر در بخش ٣-٢ آمده ) استفاده شده است . فرض بر اين است که وظايف دوره اي هستند و طول دوره برابر موعد نسبي آنهاست . هر پروفايل را تا جايي که ولتاژ قطع به ٣.٢ ولت برسد تکرار و اجرا شده است . در جدول ٥ و شکل ١ نتايج به دست آمده از اجراي اين پروفايل ها در Dualfoil آمده است . براي هر پروفايل ، ميزان انرژي مصرفي کل ٢ بر حسب وات ساعت به کيلوگرم (W-h/kg)، ولتاژ کمينه ٣ بر حسب ولت (V)، زمان رسيدن به ولتاژ حداقل ٤ بر حسب دقيقه (min) و زمان شکست سيستم بر حسب دقيقه در جدول ٥ نشان داده شده است . همچنين شکل ١ نمايانگر نمودار تغييرات ولتاژ نسبت به زمان براي هر پروفايل است . همان گونه که مشاهده مي گردد مقدار انرژي مصرفي کل تا لحظه شکست سيستم ١ و زمان رسيدن به حداقل ولتاژ و زمان شکست در پروفايل B3 A4 بيشتر از بقيه پروفايل ها است . در واقع نتايج ، بيانگر افزايش طول عمر سيستم و ميزان انرژي مورد استفاده در پروفايل B3 A4 است . به اين ترتيب از انرژي بيشتري براي اجراي وظايف استفاده شده و بهره وري از باتري افزايش يافته است .
جدول ٦ به درک بهتر اين مسأله کمک مي کند. در اين جدول انرژي مصرفي در طول ٨ دوره بر اساس فرمول انرژي ، بدون در نظر گرفتن سربار انرژي براي هر پروفايل محاسبه شده است . همان طور که مشاهده مي گردد پروفايل B3 A4 کمترين ميزان انرژي مصرفي در مدت زمان ١٣٦ دقيقه نسبت به پروفايل هاي ديگر را داشته است . اين امر در نمودار شکل ١ نيز قابل مشاهده است .
شيب نمودارهاي مربوط به هر پروفايل مي تواند تا حدي تعيين کننده وضعيت هر پروفايل باشد. از اين آزمايش و آزمايش هاي مشابه مي توان اين استنباط را داشت که وقتي وظايف به صورت دوره اي هستند اگر براي يک ابردوره بهترين پروفايل ممکن را به دست آوريم ، آن گاه مي توان تضمين کرد که تکرار اين پروفايل منجر به بهترين بهره وري از باتري مي شود. البته بايد اين نکته را نيز در نظر داشت که نه تنها نحوه تغيير پوياي ولتاژ، بلکه نحوه چيدمان وظايف نيز در بهره وري از باتري يک عامل مؤثر است . شايان ذکر است که در اين آزمايش تمامي پروفايل ها به صورت غير افزايشي و با توجه به دستاوردهاي نويسندگان [١٥] مرتب شده اند.
در ادامه با توجه به دوره اي بودن وظايف به جاي چيدمان غير افزايشي از ابتداي هر دوره ، يک دوره وظايف را به صورت غير افزايشي و دوره بعدي را به صورت افزايشي ، پشت سر هم قرار مي دهيم . در اين حالت شکل چيدمان وظايف به صورت کاهشي - افزايشي تدريجي در مي آيد.
شکل هاي ٢- الف و ٢- ب به ترتيب چيدمان غير افزايشي و کاهشي - افزايشي پروفايل B3 A4 را نشان مي دهند.
شکل ٣ و جدول ٧ نتايج حاصل از اجراي دو چيدمان کاهشي - افزايشي تدريجي و غير افزايشي را نشان مي دهند و برتري مدل کاهشي - افزايشي ٢ را نسبت به مدل غير افزايشي ٣ بيان مي کنند. اين مسأله در بسياري از آزمايش هاي ديگر نيز مشاهده شده و بنابراين نمي توان گفت که هميشه چيدمان غير افزايشي بهترين چيدمان است .
در اينجا با ذکر يک سناريوي ديگر، تأثير توان مصرفي روي عملکرد باتري مشخص مي شود. در اغلب کارهايي که مرتبط با زمان بندي آگاه از وضعيت باتري هستند، تمرکز روي کاهش هزينه طبق تابع هزينه ارائه شده در [١٥] است . در اين دسته از کارها علي رغم به کار بردن تکنيک تغيير پوياي ولتاژ و کاهش ولتاژ و جريان وظايف ، براي محاسبه هزينه از تابعي که فقط وابسته به جريان مصرفي است ، استفاده مي شود [٢٥] و [٢٦]. حال آن که بنا به گفته نويسندگان [١٥] اين تابع هزينه هنگامي که ولتاژ اجراي همه وظايف يکسان است کارايي دارد. البته در [١٥] نحوه استفاده از اين تابع ، زماني که وظايف با ولتاژهاي متفاوت اجرا مي شوند، مشخص شده است (براي توضيح تکميلي به بخش ٣-٢ مراجعه شود).
بديهي است که هنگام تغيير ولتاژ و به دنبال آن تغيير جريان ، توان مصرفي نيز تحت تأثير قرار مي گيرد.
سناريوي دوم به بيان اهميت توجه به تأثير توان مصرفي روي عملکرد و ميزان بهره وري باتري مي پردازد (جدول ٨ و شکل ٤). در اين سناريو دو وظيفه با انرژي مصرفي يکسان و توان متفاوت در نظر گرفته شده است . توان مصرفي وظيفه اول و دوم به ترتيب ٠.٢٤ و ٠.٠٢٤ وات ، زمان اجرا ١٠ و ١٠٠ دقيقه و دوره هر دو وظيفه ١١٠ دقيقه است . اين دو وظيفه را در دو پروفايل جداگانه تا لحظه شکست سيستم (زماني که ولتاژ باتري به کمتر از ٣.٠ ولت برسد) به صورت دوره اي اجرا مي کنيم . جدول ٨ نتايج حاصل از اجراي اين وظايف را تا لحظه شکست سيستم نشان مي دهد. همان گونه که در جدول ٨ مشاهده مي شود، زماني که توان مصرفي کمتر باشد حتي اگر انرژي مصرفي يکسان باشد، طول عمر سيستم بيشتر است . لازم به ذکر است که ميزان واقعي انرژي مصرفي همان specific energy به دست آمده از نتايج شبيه ساز Dualfoil است و انرژي مصرفي به صورت تئوري از حاصل ضرب جريان ، ولتاژ و زمان به دست مي آيد وظيفه با ٢٩ توان مصرفي کمتر، ٧% بهره وري باتري و ٣٠% طول عمر سيستم را افزايش مي دهد که هر دو مقادير قابل توجهي هستند. با نگاهي دقيق تر به نمودار شکل ٤ در مي يابيم که معمولا يک افت ولتاژ در ابتداي اجراي هر دوره از وظايف وجود دارد. افت ولتاژ هنگام اجراي وظيفه با توان مصرفي بالا بسيار زياد است و اين مسأله به وضوح ديده مي شود.
بديهي است که شکست سيستم اصولا در يکي از اين نقاط افت ولتاژ رخ دهد مگر اين که انرژي ذخيره شده در باتري ، قبل از رسيدن به اين نقاط ، تمام شود. از اين آزمايش و آزمايش هاي مشابه اين نتيجه به دست مي آيد که اگر در سيستم مجموعه اي از وظايف دوره اي اجرا شوند، عمدتا سيستم هنگام اجراي وظيفه با توان مصرفي بالاتر، دچار شکست مي شود زيرا افت ولتاژ در اين نقاط شديدتر بوده و در طول هر ابردوره ولتاژ کمينه مربوط به زمان اجراي اين وظايف است . اين مسأله از اهميت بسيار بالايي برخوردار است اما در بسياري از کارهاي قبلي ناديده گرفته شده است . در اغلب کارهاي پيشين عموما تمرکز روي مقدار ولتاژ در انتهاي دوره يا ابنترهداوريه پبروودفهاي ال س بت ه ددلرل صيوکري افت که ولمتامژکشن دايدت دچاسريسشتکم سقت بل شاوزد.رسيدن به در اينجا به يادآوري چند نکته اساسي در جهت افزايش بهره وري از باتري مي پردازيم . در زمان بندي هاي غير آگاه از وضعيت باتري براي افزايش طول عمر باتري و به دنبال آن افزايش طول عمر سيستم ، اغلب از روش هاي کمينه کردن انرژي مصرفي استفاده مي شود، حال آن که کمينه کردن انرژي متضمن بهره وري بهينه از باتري نيست و طول عمر سيستم بيشينه نمي شود [١٥]، [٢٢]، [٢٥] و [٢٦]. به همين دليل استفاده از روش هاي مبتني بر رفتار باتري بسيار ضروري است . در [٢٦] نويسندگان با اشاره به چند نکته اصلي در ارتباط با رفتار باتري در شرايط مختلف ، متذکر مي شوند که نحوه چيدمان وظايف در عملکرد باتري تأثير بسزايي دگاررفدت اامناد،آندهرا چصيودرمتاي ن کوه ظايسنف اريرويفقدط ومبراميشخيص ک امبري کونرده بياهتدرويرن ه چديردنماظن براي يک ابردوره ، ضامن بهترين بهره وري در طول کل زمان اجرا نيست .
در همه سناريوهاي فوق يک عامل مهم به صورت مشترک وجود دارد که تأثير زيادي بر عملکرد باتري و بهبود بهره وري آن دارد. اين عامل ميزان توان مصرفي وظايف است . بنابراين در اين مقاله تمرکز ما روي توان مصرفي وظايف است و به ارائه يک الگوريتم زمان بندي آگاه از وضعيت باتري مي پردازيم که در آن مقدار توان مصرفي وظايف نقشي اساسي در تصميم گيري ها براي اعمال تکنيک تغيير پوياي ولتاژ ايفا مي کند.
بر خلاف روش هاي ابتکاري پيشين [٢٥] و [٢٦] که عمدتا تمرکز آنها بر کمينه کردن هزينه طبق تابع هزينه ارائه شده در [١٥] و ميزان انرژي مصرفي است ، در اين روش تمرکز اصلي روي هم سطح سازي توان مصرفي است .
٣- مدل سيستم و تعريف مسأله
در اين بخش به توضيح مدل سيستم و تعريف مسأله مي پردازيم .
٣-١ مدل سيستم
سيستم شامل يک پردازنده با قابليت تغيير پوياي ولتاژ و يک باتري جهت تأمين انرژي مورد نياز پردازنده است . باتري توان مورد نياز پردازنده را از طريق يک مبدل DC -DC براي پردازنده فراهم مي کند (شکل ٥).
مبدل DC -DC يک ضريب سودمندي ١ دارد که معمولا عددي بين
٠.٨ تا ٠.٩ است . اگر به ترتيب جريان و ولتاژ پردازنده و Ibatt و Vbatt جريان و ولتاژ باتري باشند، ضريب سودمندي برابر است با
