Ubicomp -- tulevaisuudenkuvako?

Johdanto

"Ubiquitous computing" -termillä tarkoitetaan keskuskoneiden ja henkilökohtaisten tietokoneiden jälkeen nousevaa tietojenkäsittelyn "aaltoa". Tietokoneet siirtyvät osaksi arkiteknologiaa, kaikkialla läsnä olevaksi palveluksi. Kyse on siis eräänlaisesta virtuaalitodellisuuden käänteisilmiöstä: siinä missä virtuaalitodellisuus pakottaa ihmiset tietokoneen sisäiseen maailmaan, ubicomp integroi monipuolisesti pieniä tietokoneita reaalimaailmaan.

Voitaisiinko siis "ubiquitous computing" suomentaa vaikkapa termillä "ympäristöpalvelut"?

Ympäristöpalveluja käsittelevät klassikot 1960- ja 1980-luvuilta visioivat käyttäjän ja tietokoneen vuorovaikutuksesta ja ihmisen toiminnan tehostamisesta tietotekniikan avulla. Samat teemat ovat edelleen voimissaan, vain teknologiset edellytykset ovat merkittävästi kehittyneet.

Ympäristöpalvelujen tyypillisenä piirteenä voisi pitää kunakin aikana edistyksellisten käyttöliittymätekniikoiden, tiedonvälitystekiikoiden ja tekoälykkäiden tiedonkäsittelytekniikoiden yhdistämistä. Nykyajalle leimallisiksi piirteiksi nousevat esimerkiksi

• suurten tietomassojen seulominen,
• nopea tiedon keräys maailmanlaajuisesta verkosta
• viihdesukupolven vaatima multimediaesitys
• langaton tiedonsiirto
• paikkasidonnaiset palvelut.

Ympäristöpalvelujen kirjo on suunnaton. On kahvimukeja, jotka käynnistävät kahvinkeittimen yhteisäänestyksellä jäähtyessään liian vajaina kokouksen aikana. On tietokoneavusteisen yhteistyön (CSCW) välineitä, joilla eri puolilla maailmaa olevat työtoverit voivat työskennellä yhdessä vaikkapa yhteisten konepiirustusten parissa. On äänikuvia tuottavia järjestelmiä, esimerkiksi sokeiden avuksi tai automaattista hahmontunnistusta ajatellen. On koko huoneen kattavia videoseiniä etäneuvotteluja varten. On suihkulähteitä, joiden käynnistyminen ja vesipatsaan muoto kertovat kenelle kahvihuoneessa istujista on saapunut sähköpostia. On ilmavirrassa värähteleviä muoviliuskoja, joiden antama ääni kuvaa verkkoliikenteen taajuutta. On palvelunumeroita, joihin soittamalla kuulee, missä on, mitä mielenkiintoista paikkaan liittyy ja voi pyytää ohjeita siitä mihin ja miten seuraavaksi mennä. On, on, on ...

Ympäristöpalveluja tukevista teknologioista kiinnostavia ovat mm.

• ääniperustaiset syöttö- ja tulostusmenetelmät, mikseivät myös ns. multimodaalimentelmät (käytetään useita ilmaisumuotoja yhdessä, vaikkapa ääntä ja viittomia tai kasvojen ilmeitä);
• radiopohjainen tiedonsiirto;
• multimedian esittäminen ja siirtäminen;
• sopivat ohjelmointiparadigmat, jotka yleensä ovat tekoäly- tai agenttipohjaisia ratkaisuja;
• soveliaat laitteet: pienet, mukana kulkevat langattomat laitteet, joiden virrankulutus on minimoitu ja tilanteen mukaan optimoitavissa;
• globaaliin verkkoon yhdistyminen, palveluiden integraatio.

Näiden valitsemieni teemojen ympäriltä olen poiminut seuraavaan joukon otsikoita ja kirjallisuusviitteitä.

Aiheet ja kirjallisuus

Historiallisia tulevaisuudenvisiota

Mitkä ovat keskeisimmät tavoitteet? Millaisella arkkitehtuurilla niihin pyrittiin (pyritään)? Millaisia laitteita ja sovelluksia arkkitehtuuri edellyttää? Mitä oli käytettävissä artikkeleita kirjoitettaessa? Entä nyt?

• J.C.R. Licklider. Man-Computer Symbiosis. IRE Transactions of Human Factors in Electronics, Volume HFE-1, pp. 4-11, March 1960
• Mark Weiser. The Computer for the 21st Century, Scientific American, September 1991, pp. 94-104.
• Brad A. Myers. "A Brief History of Human Computer Interaction Technology." ACM interactions. Vol. 5, no. 2, March, 1998. pp. 44-54.
• M. Weiser, R. Gold, and J. S. Brown: The origins of ubiquitous computing research at PARC in the late 1980s. IBM System Journal. Vol. 38, No. 4, 1999 - Pervasive Computing.
• Kiinnostuneille: Virtuaalitodellisuuden keksintöjen vuosiluettelo

Käyttäjän ja koneen vuorovaikutus - puhesyöttö

Kirjan luku antaa perusmenetelmät, joita voi värittää joko viiteluettelosta löytyvillä esimerkeillä tai mieluummin tuoreemmilla esimerkeillä.

• Cole, R. A., Mariani, J., Uszkoreit, H., Zaenen, A., Zue, V., (editors), Survey of the State of the Art in Human Language Technology (1995), Chapter 1: Spoken Language Input

Käyttäjän ja koneen vuorovaikutus - puhetulostus

Kirjan luku antaa perusmenetelmät, joita voi värittää joko viiteluettelosta löytyvillä esimerkeillä tai mieluummin tuoreemmilla esimerkeillä.

• Cole, R. A., Mariani, J., Uszkoreit, H., Zaenen, A., Zue, V., (editors), Survey of the State of the Art in Human Language Technology (1995),
• Chapter 5: Spoken Output Technologies

Käyttäjän ja koneen vuorovaikutus - multimodaaliliittymät

Kirjan luku antaa perusmenetelmät, joita voi värittää joko viiteluettelosta löytyvillä esimerkeillä tai mieluummin tuoreemmilla esimerkeillä.

• Cole, R. A., Mariani, J., Uszkoreit, H., Zaenen, A., Zue, V., (editors), Survey of the State of the Art in Human Language Technology (1995), Chapter 9: Multimodality

Aktiivinen tiedon seuranta PDA-laitteilla

Oma aihe, omat lähteet. Rajaus ja lähteet käytävä sopimassa mahdollisimman pian!

Paikka- ja kontekstisidonnaiset palvelut

Millaisia sovellusesimerkkejä? Millainen on tyypillinen sovellusarkkitehtuuri?

• HP:Appliance Computing Environment - Architecture Overview
• B. Schilit, N. Adams, R. Want, Context-Aware Computing Applications, Proceedings of the IEEE Workshop on Mobile Computing Systems and Applications, Santa Cruz, CA, December 1994.
• Dey, A.K., Salber, D., Abowd, G.D., Futakawa, M. (1999). The Conference Assistant: Combining context-awareness with wearable computing. 3rd International Symposium on Wearable Computers, San Francisco, California, 18-19 October, 1999, pp. 21-28.

Yksityisyys ja ympäristöpalvelut

Mitä henkilökohtainen verkko (wearable computing) tarkoittaa sovellusten kannalta? Minkälaisia sovelluksia sen ympärille voi rakentaa? Miten henkilökohtaiset palvelut liittyvät julkisempiin? Millaisia ongelmia voi syntyä, erityisesti yksityisyyden säilyttämisessä?

(Sovellusesimerkkejä löytyy esimerkiksi ensinmainitun artikkelin toisen sivun viimeisen kappaleen perusteella.)

• B. J. Rhodes, Nelson Minar and Josh Weaver: Computing Meets Ubiquitous Computing - Reaping the best of both worlds. The Proceedings of The Third International Symposium on Wearable Computers (ISWC '99), San Francisco, CA, October 18-19 1999, pp. 141-149.
• Bellotti, V. & Sellen, A. Designing for privacy in ubiquitous computing environments in G. de Michelis, C. Simone & K. Schmidt (eds.), Proceedings of ECSCW?93, (Milano, Italy, Sept 1993), Kluwer (Academic Press), 77-92.
• Adams, A. & Sasse, A., Taming the Wolf in Sheep's Clothing: Privacy in multimedia communications. Proceedings of ACM Multimedia'99.

Paraneeko todellisuus?

Sovellus- ja teknologianäkökulmaa. Käytettävääkö? Mitä vastaavia sovelluksia muilla?

• Augmented Reality Through Wearable Computing, by Thad Starner, Steve Mann, Bradley Rhodes, Jeffrey Levine, Jennifer Healey, Dana Kirsch, Rosalind W. Picard, and Alex Pentland.

Yhteistyöympäristöt

Eräs ympäristöpalvelujen kehittämisen perusajatuksista oli tukea ja tehostaa ihmisen toimintaa. Kommunikointi ja yhteistyö on eräs keskeinen alue - siispä yhteistyömahdollisuuksien lisääminen on olennainen sovellusalue. Sovelluksen ja käyttäjän näkökulma.

• W. Mark. Turning pervasive computing into mediated spaces. IBM Systems Journal, 38(4), 1999.
• Cooltown

Henkilökohtainen verkko ja liittyminen ympäristöön

Mitä henkilökohtainen verkko tarkoittaa? Millaista kommunikointitekniikkaa tarvitaan? Mitkä ovat ongelmat? Millaisia ratkaisuja niihin ehdotetaan? Teknologiaesimerkkinä tarkempaan tarkasteluun Bluetooth.

• Bluetooth
• T. G. Zimmerman: Wireless networked digital devices: A new paradigm for computing and communication. IBM System Journal. Vol. 38, No. 4, 1999 - Pervasive Computing.
• T. G. Zimmerman, Personal Area Networks: Near-field intrabody communication. IBM System Journal. Vol. 35, No. 3&4, 1996 - MIT Media Lab.
• N. Sawhney and C. Schmandt, Speaking and Listening on the Run: Design for Wearable Audio Computing. Proceedings of ISWC'98, International Symposium on Wearable Computing, 19-20 October 1998 in Pittsburgh, Pennsylvania.

WAP

Monet realistiset käyttöliittymät perustuvat langattomaan tiedonsiirtoon ja www-sivukkoihin. Mikä WAP on, miten sitä käytetään ja mitä sillä saadaan aikaan? Jokin keveästi otettu sovellusesimerkki värittänee esitystä?

• WAP White Paper
• WAP Forum
• WAP-seminaari
• HP:Appliance Computing Environment - Architecture Overview, Scenarios.

Virrankulutus mobiililaitteissa

Mikä mobiililaitteissa virtaa kuluttaa? Mitkä asiat ovat "pahasta", missä voidaan säästää? Millaisia lähtökohdiltaan erilaisia tapoja artikkeleista löytyy pakollisen virrankulutuksen säätämiseen? Miten säätäminen käytännössä tapahtuu?

• Lorch, J.R.,: A complete picture of the energy consumption of a portable computer, Masters thesis, Computer Science, University of California at Berkeley, 1995
• John M. Rulnick and Nicholas Bambos: Mobile power management for wireless communication networks. Wireless Networks Volume 3 , Issue 1 (1997).
• Kravets R., Krishnan, P., Application-Driven Power Management for Mobile Communication. The Fourth Annual ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking (MOBICOM'98). To appear in ACM/URSI/Baltzer Wireless Networks (WINET) special issue of Best Papers from MobiCom'98.
• Advanced configuration and power interface specification. Revision 2.0, July 27, 2000 Luvut 1-3.
• Lisävinkkinä: Tekstin John Scourias: Overview of the Global System for Mobile Communications. University of Waterloo, 1997. luvut 4.8. ja 5.1. mainitsevat miten GSM valvoo sähkönkulutusta.

Sensorit, PDA-laitteet, ...

Laitekatsaus. Lähteinä kannattanee käyttää suurten tutkimuskeskuksien medialaboratorioiden ja laitevalmistajien sivuja.

HIVE

Ubicomp-sovellusten ohjelmointi voi tapahtua vaikkapa agenttiperustaisessa hajautetussa järjestelmässä. Tätä pääsee vaikka kokeilemaan.

• Nelson Minar, Matthew Gray, Oliver Roup, Raffi Krikorian, and Pattie Maes: Hive: Distributed Agents for Networking Things. Proceedings of ASA/MA'99, the First International Symposium on Agent Systems and Applications and Third International Symposium on Mobile Agents. August 1999
• Lisävinkkinä: Martin, D., Cheyer, A. & Moran, D. (1999). The Open Agent Architecture: A framework for building distributed software systems. Applied Artificial Intelligence: An International Journal. Volume 13, Number 1-2. January-March 1999.

Integraatiotekniikkaa

Ad hoc -verkkoja voidaan muodostaa vaiikkapa Bluetooth-teknologian varassa. Verkonmuodostuksen keskeisenä kohtana on palvelujen löytäminen (service discovery, service lookup). Miten protokollapinon eri kerroksilla näitä toimintoja tuetaan? Miten turvallisuus, yksityisyys ja suojaus on otettava huomioon ad hoc -verkkoa muodostettaessa?

• Jim Waldo, The Jini Architechture for Network-Centric Computing. CACM 42,7 (July 1999), 76-82.
• ACE Interoperability
• Fredrik Andersson & Magnus Karlsson: Secure Jini Services in Bluetooth Ad Hoc networks. Master's Thesis, KTH 2000.

Multimediasiirto

Uudet Internet-protokollat ottavat huomioon reaaliaikaisen multimediaesityksen siirtoon liittyvät tarpeet - miten taataan että käyttäjän saama palvelun laatu on riittävän korkea ja pysyy tasaisena?

• Multimedia Over IP.
• QoS Forum: QoS Protocols & Architectures - A White Paper. July 1999.

Tiedon tiivistys ja siirto

Multimediasiirrossa keskeistä on siirrettävän datan tehokas pakkaaminen. Pakkausmenetelmissä olennaista on säilyttää sovelluksen kannalta olennaiset laatutekijät, muuten dataa saa hieman hukatakin. Nykyiset multimediaformaatit käyttävät monipuolisesti hyväksi erilaisia pakkausmenetelmiä. Esimerkkitapaukseksi sopii hyvin MP3.

• Karl-Heinz Brandenburg, MP3 and AAC Explained. The AES 17th International Conference, Florence, Italy, 1999 Sept. 2-5.
• MPEG home page
• Digital Audio Compression - reference material and tutorial

Adaptiiviset sovellukset

Ympäristöpalvelujen toteuttaminen vaatii usein tiedonsiirtoa heikkotehoisen tai teholtaan vaihtelevan siirtotien ylitse. Ryhmäkommunikaatio ja sovellukset voidaan rakentaa ottaen nämä tarpeet huomioon. Millä tavoilla ja missä järjestelmän osassa sopeutumista voi tapahtua? Miten käyttäjät sopeutuvat tällaiseen ryhmätoimintaan? Miten ja millä perusteilla siirrettävää datamäärää voidaan minimoida (tiivistystä lukuunottamatta)?

• Adrian Friday, Nigel Davies, Gordon Blair and Keith Cheverst, Developing Adaptive Applications: The MOST Experience. Journal of Integrated Computer-Aided Engineering, Volume 6, Number 2, 1999, pp143-157. Internal report number MPG-99-10.
• B. Zenel and D. Duchamp, Intelligent communication filtering for limited bandwidth environments. Proc. of the Fifth Workshop on Hot Topics in Operating Systems (HoTOS-V), May 1995.
• Davies, N., G.S. Blair, K. Cheverst, and A. Friday, "Experiences of Using RM-ODP to Build Advanced Mobile Applications", Distributed Systems Engineering Journal, Vol. 2 No. 3, Pages 142-151, 1995.
• Lisävinkkinä: Liljeberg, M., Helin, H., Kojo, M., Raatikainen, K., Enhanced Services for World-Wide Web in Mobile WAN Environment. University of Helsinki, Department of Computer Science, April 1996.

---

Lea.Kutvonen@cs.Helsinki.FI