UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 1 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 2 la buena tecnología es indistinguible de la magia Arthur C. Clark

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 3 Arquitecturas para sistemas ubicuos 1.Motivación y conceptos 2.Características de los sistemas ubicuos 3.Dispositivos ubicuos 4.Interfaces de usuario 5.Aplicaciones ubicuas e Inteligencia Ambiental

UPV - EHU Motivación y conceptos

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 5 Evolución histórica: de las redes a los sistemas ubicuos Tipo de sistemaComponentesSoporte de red 1970 Sistemas en red Mainframes, minis Cableada, propietaria 1980 Sistemas distribuidos Estaciones de trabajo, PCs Cableada, estándar 1990 Sistemas móviles PCs portátiles Cableada o inalámbrica 2000 Sistemas ubicuos PDAs, teléfonos, tarjetas, electrodomést.,... Inalámbrica, infraestructura común (red eléctrica) 1 computador : N personas 1 computador : 1 persona N computadores : 1 persona

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 6 Sistema distribuido = Sistema en red + Transparencia de nombres Transparencia en la ubicación Alta disponibilidad y tolerancia a fallos Consistencia

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 7 Sistema móvil = Sistema distribuido + Direcciones de red dinámicas (Mobile IP) Funcionamiento en desconexión Gestión del consumo de energía Gestión de la localización

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 8 The most profound technologies are those that disappear Mark Weiser The Computer for the 21st Century 1991

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 9 La escritura ha necesitado miles de años para llegar a ser una tecnología ubicua.

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 10 Such a disappearence is a fundamental consequence not of technology, but of human psicology Mark Weiser The Computer for the 21st Century 1991

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 11 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 12 Componentes del entorno ubicuo Dos 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 13 El territorio del usuario Metáfora 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 14 El territorio del usuario Metáfora 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 15 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 16 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. Weiser The Computer for the 21st Century, 1991

UPV - EHU Características de los sistemas ubicuos

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 18 Sistema ubicuo = Sistema móvil + Integración física Desaparición mental Sensibilidad al contexto Integración sin costuras Proactividad

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 19 Sistema ubicuo = Sistema móvil + Smart spaces Invisibility Localized Scalability Uneven conditioning Satyanarayanan, 2001

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 20 Integración física (Kindberg, 2002) Existen entornos con mobiliario inteligente, provisto de sensores y capacidad de proceso y comunicación. Ejemplo:

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 21 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:

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 22 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 23 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 24 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 26 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 27 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 28 Miniaturización La Ley de Moore se sigue cumpliendo en lo que respecta a capacidad de integración. Fuente: wikipedia.org

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 29 Coste Además, los costes decaen –por el asentamiento de la tecnología –por producción en masa Fuente: wikipedia.org

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 30 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 31 Conectividad inalámbrica Tecnologías –Redes de infrarrojos IrDa –Redes de radio-frecuencia Bluetooth, Zigbee WiFi (IEEE ), WiMAX (IEEE ) GSM, GPRS, UMTS –Métodos de identificación RFID, NFC Ambito –Personal Area Networks –Local Area Networks –Metropolitan Area Networks –Wide Area Networks PANBluetooth10 m0,5 – 2 Mbps LANWiFi100 m2 – 54 Mbps MANWiMAX10 Km1,5 – 20 Mbps WANUMTSTodo el mundohasta 2 Mbps

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 32 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 display Photo: Company

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 33 Dispositivos vestibles Miniaturización para disminuir: –el peso –la evidencia –el consumo Aceptabilidad –la monitorización debe ser voluntariamente aceptada por el usuario

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 34 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 36 Reconocimiento de voz ¿¿Recocimiento de arroz??

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 37 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 38 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 39 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 40 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)

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 41 Estereotipos Idioma Ciudad Inglésfrancéscastellano Nada Poco Regular Bastante Mucho Extranjero perdido Nacional Local Extranjero no perdido

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 42 Transiciones entre estereotipos Extranjero perdido Nacional Local  bajo Extranjero no perdido  alto  castellano  bajo  castellano  alto  bajo

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 43 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

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 44 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

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 45 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 46 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

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 47 Modelado de tarea. Ejemplo Selección del conjunto de tareas que el usuario pueden realizar Tabla de características de tareas por usuario y contexto Usuario XCasaOficinaCocheCalle Comunicación de voz Telefonía Fija Telefonía fija sobre IP GSM GSM (teléfono móvil) Comunicación multimedia (banda ancha) PC- Módem (ADSL o fibra) LANNo accesible WAP (PDA/teléfo no móvil) Comunicación de texto PDA- Módem (ADSL o fibra) ( LAN) No accesible GSM-SMS

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 48 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 ubicuas e inteligencia ambiental

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 50 Aplicaciones pre-ubicuas Integración física Interoperación espontánea 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 Web Progresiva integración de servicios web en dispositivos El ser humano está en el bucle

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 51 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 52 Ejemplos cercanos... Espacios inteligentes: PlanB (URJC) Aplicaciones móviles: SEBIK (Ikerlan) Entorno asistencial: AmIChair (UPV, Dep ATC) Redes de sensores

UPV - EHU Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 53 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 54 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 Konputagailuen Arkitektura eta Teknologia Saila Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores 55 Aspectos a estudiar en los sistemas ubicuos Interfaces Tecnologías de red y dispositivos Infraestructuras Entornos inteligentes Arquitecturas Aplicaciones Seguridad e integridad Aspectos éticos y sociales Herramientas y plataformas Metodologías Inteligencia Ambiental (AmI)