UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 1 Sistemas Ubicuos (Parte I) 1. Introducción

Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia SailaDepartamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 1

UPV - EHU

Sistemas Ubicuos(Parte I)

1. Introducción

Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores

Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea

Programa de Tercer Ciclo


UPV - EHU

la buena tecnología es indistinguible de la magia

Arthur C. Clark


UPV - EHU

Arquitecturas para sistemas ubicuos

1. Motivación y conceptos2. Características de los sistemas ubicuos3. Dispositivos ubicuos4. Interfaces de usuario5. Aplicaciones ubicuas e Inteligencia

Ambiental

UPV - EHU Motivación y conceptos


UPV - EHU

Evolución histórica:de las redes a los sistemas ubicuos

Tipo de sistema Componentes Soporte de red

1970

Sistemas en redMainframes,

minis Cableada, propietaria

1980Sistemas

distribuidosEstaciones de trabajo, PCs

Cableada, estándar

1990Sistemas móviles

PCs portátilesCableada o inalámbrica

2000Sistemas ubicuos

PDAs, teléfonos, tarjetas,

electrodomést., ...

Inalámbrica, infraestructura

común (red eléctrica)

1 computador : N personas

1 computador : 1 persona

N computadores

: 1 persona


UPV - EHU

Sistema distribuido

=

Sistema en red

+

Transparencia de nombresTransparencia en la ubicación

Alta disponibilidad y tolerancia a fallosConsistencia


UPV - EHU

Sistema móvil

=

Sistema distribuido

+

Direcciones de red dinámicas (Mobile IP)Funcionamiento en desconexiónGestión del consumo de energía

Gestión de la localización


UPV - EHU The most profound technologies are those that disappear

Mark WeiserThe Computer for the 21st Century

1991


UPV - EHU

La escritura ha necesitado miles de años para llegar a ser una tecnología ubicua.


UPV - EHUSuch a disappearence is a

fundamental consequence not of technology, but of human

psicology

Mark WeiserThe Computer for the 21st Century

1991


UPV - EHU

El entorno ubicuo

• Físico, no virtual – El territorio de trabajo del usuario

• Opuesto a la noción de realidad virtual– Un entorno virtual es un mapa, no un territorio


UPV - EHU

Componentes del entorno ubicuoDos aspectos fundamentales

(Weiser)

• Localización – El elemento (de cómputo) sabe dónde está

ubicado (es sensible al contexto)

• Escala– Un tamaño para cada tarea: tabs, pads, boards


UPV - EHU

El territorio del usuarioMetáfora del escritorio

El escritorio de un sistema windows:¿17’ para una buena metáfora del escritorio?

tabs

pads

boards

Agenda, calculadora, post-its, lápiz, teléfono...

Libro, cuaderno...

Panel mural, altavoces...


UPV - EHU

El territorio del usuarioMetáfora del escritorio (cont)

tabs

pads

boards

Pequeños, baratos y ubicuos. Algunos son privados y se transportan

No se transportan: se usan y se abandonan (como una hoja de papel)

Grandes, fijos y públicos


UPV - EHU

A device can be a portal into an application/data space,

not just a repository of custom software a user must manage.

An application is a means by which a user performs a task,

not software written to exploit a device's capabilities.

And a computing environment is an

information-enhanced physical space,

not a virtual environment that exists to store and run software.

G. Banavar et al,

Challenges: an application model for pervasive computing, 2000

√ Un sistema de ficheros

X Un disco duro (C:)

√ Google desktop

X Windows Explorer

√ ?

X El escritorio de mi PC


UPV - EHU

There is more information available at our fingertips during a walk in the woods than in any computer system, yet people find a walk among trees relaxing and computers

frustrating. Machines that fit the human environment instead of forcing humans to enter theirs will make using a computer as refreshing

as taking a walk in the woods.

M. WeiserThe Computer for the 21st Century, 1991

UPV - EHU Características de los sistemas ubicuos


UPV - EHU

Sistema ubicuo

=

Sistema móvil

+Integración física

Desaparición mentalSensibilidad al contextoIntegración sin costuras

Proactividad


UPV - EHU

Sistema ubicuo

=

Sistema móvil

+Smart spaces

InvisibilityLocalized ScalabilityUneven conditioning

Satyanarayanan, 2001


UPV - EHU

Integración física (Kindberg, 2002)

• Existen entornos con mobiliario inteligente, provisto de sensores y capacidad de proceso y comunicación.

• Ejemplo: http://mediacup.teco.edu/


UPV - EHU

Interoperación espontánea (Kindberg, 2002)

• Los componentes del entorno interactúan cambiando de identidad y de funcionalidad según las circunstancias. Implica:– Discubrimiento e integración de servicios.– Movilidad de componentes entre entornos sin

necesidad de modificación.

• Ejemplo: http://iwork.stanford.edu


UPV - EHU

Integración sin costuras

• Los servicios pueden estar proporcionados por soportes heterogéneos, y el sistema puede commutar de uno a otro soporte dependiendo de su disponibilidad, QoS, coste, etc.

• El cambio de soporte debe hacerse de forma transparente a la aplicación y al usuario.

• Ejemplo:En una comunicación entre dispositivos móviles, el sistema podría decidir commutar de red de telefonía móvil a telefonía IP si en un momento dado detecta recursos para ello (conexión WiFi a proveedor de Internet).


UPV - EHU

Sensibilidad al entorno• El sistema percibe los parámetros del entorno:

– Localización y orientación– Parámetros físicos– Recursos disponibles en el entorno– Presencia de otras personas– Parámetros fisiológicos del usuario– Estado psicológico del usuario– Historial reciente– ...

• y se configura de acuerdo a ellos:– Volumen de los altavoces– Luminosidad de la estancia– Temperatura ambiente– Modo de interacción (multimodalidad)– ...

• Ejemplo:Es de noche, el usuario nunca hace ni recibe llamadas a esas horas...El teléfono móvil detecta que la batería está agotándose. Debería apagarse sin avisar acústicamente.

¿por qué esto no ocurre así ya mismo?


UPV - EHU

Proactividad

• El sistema se anticipa al usuario en su interacción con el entorno

• Proactividad vs transparencia– Proactividad escasa: se requiere interacción

explícita del usuario, como en los sistemas tradicionales.

– Proactividad excesiva o inadecuada: el usuario puede verse confundido por acciones que no espera.

UPV - EHU Dispositivos ubicuos


UPV - EHU

El hardware en la computación ubicua

• La tecnología hardware se difumina en el entorno. El procesamiento de la información se desplaza al fondo:– Centrado en el usuario: se concentra en la

tarea, no en la herramienta (desaparece la noción de ordenador como herramienta).

– Ordenadores invisibles especializados formando parte integrante del entorno humano.

• El ordenador pasa a ser un asistente ubicuo e invisible: computación sin computadores.


UPV - EHU

El hardware en la computación ubicua

• Claves:– Miniaturización– Bajo coste– Bajo consumo (los sistemas de alimentación son

la asignatura pendiente)– Conectividad inalámbrica

• Los dispositivos de interacción son aún necesarios


UPV - EHU

Miniaturización

• La Ley de Moore se sigue cumpliendo en lo que respecta a capacidad de integración.

Fuente:

wikipedia.org


UPV - EHU

Coste

• Además, los costes decaen – por el asentamiento

de la tecnología – por producción en

masa

Fuente: wikipedia.org


UPV - EHU

Nuevas tecnologías de almacenamiento

• Ejemplo: tarjetas de memoria:– La densidad de almacenamiento crece a un ritmo superior a la

de los discos magnéticos (más del doble por año).– Es previsible que para 2010 una tarjeta de 128 Gb cueste

menos de 100 €. Confluencia de los dispositivos de cómputo.

Fuente:

Sientific American


UPV - EHU

Conectividad inalámbrica• Tecnologías

– Redes de infrarrojos• IrDa

– Redes de radio-frecuencia• Bluetooth, Zigbee• WiFi (IEEE 802.11), WiMAX (IEEE 802.16)• GSM, GPRS, UMTS

– Métodos de identificación• RFID, NFC

• Ambito– Personal Area Networks– Local Area Networks– Metropolitan Area Networks– Wide Area Networks

PAN Bluetooth 10 m 0,5 – 2 Mbps

LAN WiFi 100 m 2 – 54 Mbps

MAN WiMAX 10 Km 1,5 – 20 Mbps

WAN UMTS Todo el mundo hasta 2 Mbps


UPV - EHU

Dispositivos

COPYRIGHT ® 2006 BODYMEDIA, INC.

• Sensores– Sensores de entorno– Dispositivos biométricos

• Dispositivos para la interacción– De entrada– De salida

LG.Philips LCD flexible color A4-size e-paper displayPhoto: Company


UPV - EHU

Dispositivos vestibles

• Miniaturización para disminuir:– el peso– la evidencia– el consumo

• Aceptabilidad– la monitorización debe

ser voluntariamente aceptada por el usuario


UPV - EHU

Interacción basada en el lenguaje hablado

• Traducción texto-a-voz– Síntesis de voz. Actualmente, calidad aceptable.

• Traducción voz-a-texto– Sólo con restricciones (de hablante, semánticas,

aprendizaje...).– El caso general (hablantes diversos con discurso continuo)

no está aún resuelto.– Problemas:

• Necesidad de comprender el contenido del mensaje y de información redundante.

• Dependencia del idioma.

UPV - EHU Interfaces de usuario


UPV - EHU

Reconocimiento de voz

¿¿Recocimiento de arroz??


UPV - EHU

Interfaz de usuario para computación ubicua

• Elementos básicos del sistema de interacción:– Dispositivos de entrada– Dispositivos de salida– Diálogo

• adaptado a la persona que realiza una tarea en un contexto (menús reducidos optimizado por frecuencia de uso, tareas automatizadas...)


UPV - EHU

Requisititos de las interfaces móviles

• Para procesadores móviles – Poco consumo– Capacidad de cálculo limitada

• Dispositivos de entrada/salida especiales– Que no interfieran en otras tareas– Que ocupen la vista, las manos y el oído lo menos

posible

• Interacción inteligente (adaptable)– Dependiente del usuario– Adecuada a la tarea– Consciente del contexto


UPV - EHU

Interfaces ubicuas adaptativas. Modelado de usuario

• Selección de parámetros relevantes y observables• Definición del conjunto de valores de los parámetros • Definición de un comportamiento adecuado para cada tipo

de usuario• Estereotipos de usuario

– Múltiples tipos de usuarios. Adaptación restringida– Conjunto de valores de los parámetros que caracterizan a un

determinado tipo de usuarios– Leyes de inclusión

• Razonamiento sobre los valores actuales de los parámetros observados en el usuario (Motor de inferencia)

• Asignación de un estereotipo• Detección y resolución de contradicciones• Adaptación a los cambios en los parámetros

• Adaptación de la interacción al usuario actual


UPV - EHU


Aplicación: sistema de información con interfaz hablada para conductores de vehículos alquilados

• Selección de parámetros relevantes y observables • Lengua materna• Conocimiento de la ciudad

• Definición del conjunto de valores de los parámetros • Lengua materna: Inglés, francés, castellano,...• Conocimiento de la ciudad: nada, poco, medio, alto, muy alto.

• Definición de un comportamiento adecuado para ese tipo de usuarios

• Lengua materna: Información en la lengua correspondiente• Conocimiento de la ciudad: Descripción de la ruta con mayor o

menor detalle• Estereotipos de usuario

– Conjunto de valores de los parámetros que caracterizan a un determinado tipo de usuarios

• Extranjero (inglés/francés, nada)• Nacional (castellano, nada/poco)• Local (castellano, alto/muy alto)


UPV - EHU

Estereotipos

IdiomaCiudad

Inglés francés castellano

Nada

Poco

Regular

Bastante

Mucho

Extranjero perdido Nacional

Local

Extranjero no perdido


UPV - EHU

Transiciones entre estereotipos

Extranjero perdido

Nacional

Local

bajo

Extranjero no perdido

alto

castellano bajo

castellano

alto bajo


UPV - EHU


• Razonamiento sobre lo valores actuales de los parámetros observados en el usuario (Motor de inferencia): dice: “help me”

• Lengua materna: Inglés• Conocimiento de la ciudad: ?. Inferencia: nada

– Asignación de un estereotipo: • Estereotipo: extranjero (inglés, nada)

– Detección y resolución de contradicciones• El usuario dice: “busco hotel” Inferencia: Lengua materna:

Castellano (contradice el estereotipo)

– Adaptación a los cambios en los parámetros• Nuevo estereotipo: nacional (castellano, nada)

• Adaptación de la interacción al usuario actual


UPV - EHU


Dos problemas importantes:• Adquisición de los valores iniciales de los

parámetros: – Fase previa a la interacción

• Cuestionario (molesto, poco fiable)

– Durante la interacción • Asignación estereotipo inicial• Detección (posibilidad de errores)

• Falsa adaptación– Parámetros mal interpretados (v.g.: idioma

francés para un inglés, conocimiento de la ciudad alto para un extranjero...)

– Recuperación de un estado válido


UPV - EHU

Interfaces ubicuas adaptativas. Modelado del contexto

• Selección de parámetros relevantes y observables• ¿Qué información de localización puedo conocer?

• Definición del conjunto de valores de los parámetros • ¿Qué valores puede tomar cada parámetro de localización?

• Definición de un comportamiento adecuado para cada contexto

• ¿Cómo se comporta el sistema para cada valor de cada parámetro de localización?

• Estereotipos de contexto– Conjunto de valores de los parámetros que caracterizan a un

determinado contexto• Leyes de inclusión

• Razonamiento sobre lo valores actuales de los parámetros observados en el usuario (Motor de inferencia)

• Asignación de un estereotipo• Detección y resolución de contradicciones• Adaptación a los cambios en los parámetros

• Adaptación de la interacción al contexto actual


UPV - EHU


Aplicación: sistema de gestión de comunicaciones personales ubicuas

• Selección de parámetros relevantes y observables• Lugar de acceso• Tipo de comunicación deseable

• Definición del conjunto de valores de los parámetros • Casa, oficina, coche, calle• Texto, voz, multimedia

• Definición de un comportamiento adecuado para cada contexto

• Tabla


UPV - EHU

Modelado de tarea. Ejemplo

• Selección del conjunto de tareas que el usuario pueden realizar • Tabla de características de tareas por usuario y contexto

Usuario X Casa Oficina Coche Calle

Comunicación de voz

TelefoníaFija

Telefoníafija

sobre IP

GSM GSM (teléfono móvil)

Comunicación multimedia

(banda ancha)

PC-Módem(ADSL o

fibra)

802.11 LAN No accesible

WAP (PDA/teléfono móvil)

Comunicación de texto

PDA-Módem(ADSL o

fibra)

E-mail(802.11

LAN)

No accesible

GSM-SMS


UPV - EHU


Aplicación: sistema de gestión de comunicaciones personales ubicuas

• Estereotipos de contexto– Conjunto de valores de los parámetros que caracterizan

a un determinado contexto• Combinaciones lugar/tipo de comunicación

• Razonamiento sobre lo valores actuales de los parámetros observados en el usuario (Motor de inferencia)

• Asignación de un estereotipo: – detección del lugar de acceso– Detección del modo de comunicación (v.g.: coche voz)

• Detección y resolución de contradicciones: (v.g.: voz en oficina)

• Adaptación a los cambios en los parámetros: tranferencia de la comunicación de un soporte a otro ¿uy de un modo a otro?

UPV - EHU Aplicaciones ubicuase inteligencia ambiental


UPV - EHU

Aplicaciones pre-ubicuas

Integración físicaInteroperación

espontánea

E-mail desde dispositivos

móviles

Los dispositivos actuales no están

integrados físicamente en un entorno

El servicio depende de un proveedor fijo

Dispositivos móviles en una red inalámbrica

Integración entre ellos; no con otros elementos

del entorno

Intervención manual para acceso a

recursos

Tazas inteligentes de

MediaCup√

Sólo hay interacción entre elementos de

ese entorno específico

WebProgresiva integración

de servicios web en dispositivos

El ser humano está en el bucle


UPV - EHU

Ambitos de aplicación

• Smart spaces (Aura, Gaia, PlanB)– Domótica– Educación– Entornos asistenciales inteligentes– Entornos industriales

• Redes de sensores• Recuerdos digitales (MyLifeBits)• Internet Distributed Computing• Escenarios ISTAG para AmI (año 2010)

– Maria: Road Warrior– Dimitrios: Digital Me– Carmen: Traffic, sustainability & commerce– Ambient for social learning


UPV - EHU

Ejemplos cercanos...

• Espacios inteligentes: PlanB (URJC) http://lsub.org/who/nemo/

• Aplicaciones móviles: SEBIK (Ikerlan)• Entorno asistencial: AmIChair (UPV, Dep

ATC)• Redes de sensores


UPV - EHU

Inteligencia Ambiental(AmI)

• Es una rama de la Inteligencia Artifical.• En un entorno ubicuo, el volumen y la

complejidad hacen que la información sea inmanejable por el usuario.

• El reto es representar el sentido común humano.

• AmI implica no sólo interacción, sino también percepción.

• El humano sale del bucle de la interacción.


UPV - EHU

Inteligencia Ambiental(AmI)

• Una definición:– Capacidad de un entorno para proporcionar

características tales como interacción espontánea, sensibilidad al contexto, proactividad, y otras que contribuyen a que las aplicaciones de entorno muestren un comportamiento inteligente.


UPV - EHU

Aspectos a estudiar en los sistemas ubicuos

Interfaces

Tecnologías de red y dispositivos

Infraestructuras

Entornos inteligentes

Arquitecturas

Aplicaciones

Seg

urid

ad e

inte

grid

ad

Asp

ecto

s ét

icos

y s

ocia

les

Her

ram

ient

as y

pla

tafo

rmas

Met

odol

ogía

s

Inteligencia Ambiental (AmI)

Documents

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 1 Sistemas Ubicuos (Parte I) 1. Introducción