Modelo de integración de tecnologías para la provisión de servicios móviles basados en localización y contexto

Resumen

A las siguientes generaciones de servicios móviles se les presupone un alto grado de adaptación a la identidad, objetivos, situación física y tecnológica de sus usuarios. Este paradigma de diseño de servicios, que aprovecha el conocimiento del “contexto” de las entidades inmersas en el entorno, y que se considera derivado y habilitador del concepto de computación ubicua, presenta aún numerosos retos tecnológicos, sociales y de negocio para su puesta en operación y posterior generalización de uso. Esta Tesis profundiza en algunos (pocos) de estos (muchos) aspectos. El argumento principal que vertebra todo el trabajo es la gestión cooperativa de las tecnologías - actuales y futuras- de comunicaciones y de sensorización, para la adquisición y razonamiento de parámetros contextuales (especialmente, para la gestión del cálculo de la posición). La creciente penetración de las redes inalámbricas (cada vez con más capacidades de autoconfiguración y mantenimiento) y la miniaturización de los sensores y su integración en el entorno y en los dispositivos de usuario, sugiere que la gestión coordinada de todos los elementos tecnológicos puede mejorar la completitud, fiabilidad, continuidad y disponibilidad de la información contextual, desde el punto de vista de la aplicación que la consume o necesita. Esta Tesis introduce el problema de la gestión cooperativa del contexto a partir de un ejercicio de análisis de evolución de la oferta de servicios móviles en el período 2003- 2008 (Capítulo 2). Gracias a una actividad sistemática de vigilancia tecnológica en tecnologías y servicios móviles, durante los últimos cinco años se ha recogido información mensual de sobre los nuevos servicios móviles, hasta conformar una base de datos que contiene más de setecientas aplicaciones. Los datos se han procesado, primeramente, con el objetivo averiguar cómo es y cómo ha evolucionado la oferta de servicios móviles en los últimos años y, en lo que más directamente concierne a esta Tesis, para estudiar hasta qué punto se incorporan características atribuidas a los servicios contextuales en el diseño de las aplicaciones. En particular, se ha prestado una atención especial a los servicios basados en localización (LBS), que habitualmente combinan el uso de la información de posición con preferencias o pertenencia a grupos. Para ellos, se ha elaborado una taxonomía que permite su evaluación en términos de características funcionales, tecnología y aspectos de negocio. Posteriormente, se ha utilizado una definición “funcional” del concepto de “adaptación al contexto” para analizar el nivel de uso de parámetros contextuales en cada uno de los servicios recogidos en la Tesis. De este análisis se constata un aumento general de las características de personalización (manejo de identidad, perfil, preferencias o pertenencia a grupos) en los servicios móviles, y la aún incipiente combinación de otros parámetros de contexto (posición o información ambiental, conocimiento y gestión recursos cercanos, información de actividad/estado del usuario, etc.). Entre los servicios que presentan un mayor grado de adaptación al contexto, están algunas redes sociales móviles, que coordinan el uso de identidad, preferencias, estado lógico y posición para encontrar amigos o compartir información. Incluso si es evidente que los servicios móviles cada vez presentan más posibilidades de personalización, el mercado aún está lejos de ofrecer servicios “completamente” basados en contexto. Entre los muchos factores que condicionan el desarrollo comercial de este tipo de servicios (modelos de negocio y de coste complejos, o aspectos relacionados con la privacidad, por ejemplo), los tecnológicos y de diseño determinan sin duda el ritmo de generación de los servicios, sus funcionalidades y la consecución de una experiencia de usuario positiva (en términos de calidad de servicio). En este punto, parece que existe una ausencia de metodologías consistentes dirigidas a apoyar el proceso de diseño de los sistemas o aplicaciones contextuales. En vista de esta situación, una de las contribuciones principales de esta Tesis es un marco de análisis funcional que sirva de ayuda durante el proceso de diseño del sistema. El marco de análisis se materializa en una propuesta de arquitectura de fusión de tecnologías multicapa (Capítulo 4), concebida para combinar los datos procedente de diferentes fuentes de contexto para proporcionar a las aplicaciones información suficiente, que optimice el uso de recursos e infiera las decisiones correctas que proporcionen una determinada calidad de servicio. La arquitectura propuesta adapta y amplía la tradicional del Joint Directors of Laboratories (JDL), añadiendo conceptos y funciones específicas para los servicios contextuales. Su objetivo es definir cómo instanciar correctamente una “imagen de contexto” suficiente, una composición lógica de características (posición, temperatura, actividad, etc.) que ofrecen una visión simplificada de la realidad del usuario, de acuerdo a las necesidades de información que la aplicación contextual define. Esta aproximación a la gestión del contexto se fundamenta, además, en varias ideas: - “El contexto como un concepto granular, dinámico y jerárquico”. La recogida e inferencia de la información de contexto es un proceso costoso. Evidentemente, no todas las aplicaciones (o incluso la misma aplicación durante diferentes estados de operación) necesitan la misma información ni el mismo nivel de “precisión” en cada uno de los estimadores que compondrán la “imagen de contexto”. Asumiremos, pues, que el modelado de la información de contexto deberá realizarse de manera jerárquica, relacionando las características que componen la “imagen de contexto” de menor a mayor nivel de abstracción y considerando la precisión con la que debe obtenerse la información en cada nivel. En tiempo de operación, esta aproximación permitirá minimizar el coste de construcción y posterior instanciación de la imagen de contexto en términos de recursos (de infraestructura y de terminal), capturando y procesando sólo la información necesaria. - “La calidad de contexto como un problema de reconocimiento de patrones”. El problema de decisión sobre el contexto se asimila aquí a uno de clasificación, en el que las aplicaciones o sistemas contextuales definen un conjunto de patrones (que pueden ser dinámicos y adaptables), representativos de situaciones o “contextos” de su interés. Dichos patrones se anidarán, considerando su granularidad, para facilitar el proceso de razonamiento posterior. La aplicación buscará obtener una determinada calidad de servicio de cara al usuario final, que dependerá de la probabilidad de recibir la estimación correcta de contexto (resultado del proceso de clasificación) y, en consecuencia, de actuar como el usuario necesita o espera. - “La calidad de servicio como calidad de contexto”. El objetivo final del proceso de fusión es proporcionar a la aplicación suficiente información para tomar una decisión correcta que garantice una determinada “calidad de servicio”. Asumiremos que dicha calidad de servicio es dependiente de la capacidad del sistema de conseguir una cierta “calidad de contexto”. Sobre estas premisas, las operaciones que se detallan en la arquitectura de fusión propuesta se agrupan en tres sistemas funcionales (desglosados en subsistemas): 1) El Sistema de Adquisición de Contexto, que engloba todos los procesos y actividades de sensorización y preprocesado de datos, extracción de características y fusión; 2) El Sistema de Instanciación de la Imagen de Contexto, que incluye las tareas de composición de la imagen, agrupación de características (features) y clasificación, además de funciones de predicción y seguimiento para soporte a la fusión; y 3) Razonamiento y Decisión, que considera las actividades de interacción con el entorno (descubrimiento y gestión de sensores, gestión de comunicaciones, etc.), con el usuario (decisión de la adecuación de la interacción, gestión de perfiles y preferencias, etc.) y con las aplicaciones, para garantizar la realimentación que garantice una cierta “calidad de contexto”. Posteriormente, la arquitectura de fusión se aplica para construir un modelo de fusión dirigido a gestionar la estimación de la posición (Capítulo 5), siempre proporcionando a la aplicación información correcta y suficiente para su operación con un coste mínimo en términos de consumo de recursos de red y de dispositivos móviles. El modelo de fusión propondrá una solución para las condiciones de contorno impuestas, que determinarán la combinación de tecnologías utilizadas y algoritmos. La propuesta pasará por gestionar y emplear cooperativamente, por ejemplo, a) tecnologías multicelulares (por ejemplo, WiFi y Bluetooth) complementaria, competitiva y cooperativamente, b) tecnologías microcelulares (como RFID HF) con otras multicelulares y c) tecnologías multimicrocelulares (motes ZigBee) con tecnologías multicelulares. El diseño de la arquitectura y del posterior modelo ha llevado a implementar una plataforma de servicios de adquisición de contexto (Capítulo 6), denominada CASanDRA (Framework for Managing Context Acquisition Services and Decision and Reasoning Algorithms), cuya misión es aislar el proceso de adquisición de contexto del de funcionamiento de las aplicaciones o sistemas contextuales que lo requieran. En CASanDRA se han integrado interfaces para diferentes sensores y tecnologías (de parámetros ambientales, biométricos y de movimiento), y se han implementado diversos algoritmos de fusión para posicionamiento (sobre WiFi, Bluetooth, RFID HF y ZigBee) siguiendo las directrices del modelo de fusión propuesto. La configuración, estabilidad y capacidad de integración de CASanDRA con diferentes plataformas de provisión de servicios contextuales, se ha probado con el diseño e implementación de propuestas concretas en dos entornos de aplicación (Capítulo 7): un prototipo desplegado en una feria de muestras y un sistema piloto de provisión de servicios asistenciales en el hogar, dirigidos a personas de edad avanzada. Ambas experiencias han servido para realimentar tanto la arquitectura y el modelo de fusión como el de la plataforma de adquisición, experimentar los problemas de diseño de los servicios contextuales y ahondar en el desarrollo de algunas ideas de aplicación. Los servicios móviles actuales aún están lejos de implementar los conceptos teóricos de adaptación al usuario y a su circunstancia y entorno sin requerir la continua intervención de éste. Esta Tesis propone encarar el problema del diseño de sistemas y aplicaciones basadas en contexto como uno de fusión de sensores, en el que es necesario definir cómo coordinar la adquisición de contexto a partir de fuentes heterogéneas. Siguiendo esta línea de trabajo, se ha propuesto un modelo de fusión funcional, que ha sido parcialmente demostrado con la implementación de CASanDRA. La aproximación de fusión en capas hace posible incluir el concepto de “calidad de contexto” como elemento regulador del proceso de adquisición, para garantizar que la aplicación satisface sus necesidades informativas, al mismo tiempo que se optimiza el consumo de recursos. Este aspecto es fundamental si se tiene en cuenta que, en un futuro, varias (quizás muchas) aplicaciones basadas en contexto con diferentes “misiones” y por ende, con diferentes necesidades informativas, podrán coexistir sobre la misma infraestructura, e interaccionar con el usuario a través del mismo dispositivo. El sistema de gestión subyacente deberá gestionar el proceso de adquisición para proporcionar a cada aplicación la información que necesita (ni más, ni menos), con el fin de optimizar su funcionamiento y, como consecuencia, la experiencia de usuario.