Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia SailaDepartamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 1
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Sistemas Ubicuos(Parte I)
1. Introducción
Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores
Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea
Programa de Tercer Ciclo
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la buena tecnología es indistinguible de la magia
Arthur C. Clark
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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
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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
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Sistema distribuido
=
Sistema en red
+
Transparencia de nombresTransparencia en la ubicación
Alta disponibilidad y tolerancia a fallosConsistencia
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Sistema móvil
=
Sistema distribuido
+
Direcciones de red dinámicas (Mobile IP)Funcionamiento en desconexiónGestión del consumo de energía
Gestión de la localización
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UPV - EHU The most profound technologies are those that disappear
Mark WeiserThe Computer for the 21st Century
1991
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La escritura ha necesitado miles de años para llegar a ser una tecnología ubicua.
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UPV - EHUSuch a disappearence is a
fundamental consequence not of technology, but of human
psicology
Mark WeiserThe Computer for the 21st Century
1991
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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
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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
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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...
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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
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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
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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
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Sistema ubicuo
=
Sistema móvil
+Integración física
Desaparición mentalSensibilidad al contextoIntegración sin costuras
Proactividad
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Sistema ubicuo
=
Sistema móvil
+Smart spaces
InvisibilityLocalized ScalabilityUneven conditioning
Satyanarayanan, 2001
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Integración física (Kindberg, 2002)
• Existen entornos con mobiliario inteligente, provisto de sensores y capacidad de proceso y comunicación.
• Ejemplo: http://mediacup.teco.edu/
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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
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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).
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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?
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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
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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.
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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
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Miniaturización
• La Ley de Moore se sigue cumpliendo en lo que respecta a capacidad de integración.
Fuente:
wikipedia.org
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Coste
• Además, los costes decaen – por el asentamiento
de la tecnología – por producción en
masa
Fuente: wikipedia.org
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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
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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
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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
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Dispositivos vestibles
• Miniaturización para disminuir:– el peso– la evidencia– el consumo
• Aceptabilidad– la monitorización debe
ser voluntariamente aceptada por el usuario
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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
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Reconocimiento de voz
¿¿Recocimiento de arroz??
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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...)
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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
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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
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Interfaces ubicuas adaptativas. Modelado de usuario
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)
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Estereotipos
IdiomaCiudad
Inglés francés castellano
Nada
Poco
Regular
Bastante
Mucho
Extranjero perdido Nacional
Local
Extranjero no perdido
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Transiciones entre estereotipos
Extranjero perdido
Nacional
Local
bajo
Extranjero no perdido
alto
castellano bajo
castellano
alto bajo
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Interfaces ubicuas adaptativas. Modelado de usuario
• 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
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Interfaces ubicuas adaptativas. Modelado de usuario
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
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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
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Interfaces ubicuas adaptativas. Modelado del contexto
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
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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
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Interfaces ubicuas adaptativas. Modelado del contexto
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
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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
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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
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Ejemplos cercanos...
• Espacios inteligentes: PlanB (URJC) http://lsub.org/who/nemo/
• Aplicaciones móviles: SEBIK (Ikerlan)• Entorno asistencial: AmIChair (UPV, Dep
ATC)• Redes de sensores
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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.
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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.
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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)