Vermittlung kontextbasierter Sichten in mobilen, ubiquitären Systemen

Abstract

Der stetige technologische Fortschritt der vergangenen Jahre brachte eine Reihe von Technologien hervor, die heute als Wegbereiter für Mark Weisers Vision des Ubiquitous Computing gelten. Hierzu gehören insbesondere die Sensornetze (engl. Wireless Sensor Networks), Möglichkeiten zur Identifikation von Objekten mittels Radiowellen (engl. Radio Frequency Identification) sowie Entwicklungen im Bereich der mobilen Datenverarbeitung und Kommunikation. Auf Basis dieser Technologien entstand eine Vielzahl von Geräten, die nicht nur über die Kapazitäten verfügen, größere Mengen an Informationen zu verarbeiten, sondern darüber hinaus auch die Fähigkeit besitzen, zu kommunizieren und neue Daten, insbesondere Kontextdaten, zu erheben.

Eine wesentliche Implikation dieses Entwicklungstrends ist der Umstand, dass die Menge an Daten, die erhoben, verarbeitet und kommuniziert werden, in Zukunft weiter ansteigen wird. Auch ist anzunehmen, dass die Daten verschiedenster Quellen miteinander verknüpft und in Beziehung gesetzt werden, um umfassende Einblicke in Vorgänge der physischen, logischen und sozialen Umwelt zu erhalten. Anwendungen, die derlei Daten verwenden, ordnet man der Klasse der kontextbasierten Anwendungen zu. Diese Klasse zeichnet sich dadurch aus, dass Kontextdaten die Basis für eine adäquate Präsentation von Informationen oder eine Verhaltensadaption der Anwendung selbst darstellen. Grundlage hierfür ist eine detaillierte und vor allem auf bestimmte Aspekte der Umwelt fokussierte Sicht.

Zur Realisierung einer solchen kontextbasierten Sicht bedarf es der Vermittlung von Kontextdaten zwischen Produzenten (z.B. Sensoren) und Konsumenten (z.B. Menschen oder Anwendungen), was neben der reinen Datenerhebung und -übertragung vor allem auch die Datenverarbeitung und -abfrage umfasst. Insbesondere im Rahmen mobiler, ubiquitärer Systeme birgt dies eine ganze Reihe von Herausforderungen: Hierzu gehören nicht nur der Umgang mit der Heterogenität der Daten, der Hard- und Software sowie der vorherrschenden Kommunikationstechnologien, sondern auch die potentielle Mobilität der Produzenten und Konsumenten. Sie haben i.d.R. eingeschränkte Verarbeitungsressourcen und unterschiedliche Anforderungen an den Zugriff und die Verarbeitung von Kontextdaten und sollen letztendlich höherwertige Informationen aus umfangreichen, global verteilten Datenströmen in nahezu Echtzeit ableiten können, was gänzlich neue Anforderungen an die Klasse der kontextbasierten Anwendungen und damit zusammenhängend an die Kontextdatenvermittlung stellt.

Der zentrale Forschungsaspekt dieser Dissertation beschäftigt sich daher mit der Untersuchung und Erarbeitung von Konzepten zur Vermittlung kontextbasierter Sichten zwischen Konsumenten und Produzenten in mobilen, ubiquitären Systemen, welche den Entwurf und die Entwicklung kontextbasierter Anwendungen unterstützen sollen. Als Ergebnis wurden (nicht-) funktionale Anforderungen an einen Vermittlungsprozess erhoben, im Rahmen dessen Kontextdaten nach Maßgabe der Produzenten und Konsumenten in eine für sie geeignete Repräsentation überführt werden können. Unter Berücksichtigung solcher Anforderungen wurden wesentliche Prozessaufgaben identifiziert und die Architektur eines Vermittlers entworfen, welcher alle notwendigen Verarbeitungsschritte durch Ausführung klientenspezifischer Orchestrierungsanweisungen abwickelt. Durch Berücksichtigung etablierter Standards der Sensor Web Enablement-Initiative des Open Geospatial Consortiums sowie der Auto-ID-Standards von EPCglobal bzw. GS1 ist ein Vermittler zudem in der Lage, mit existierenden Diensten aus den Bereichen des Sensor Webs sowie des Internet der Dinge zu interoperieren und höherwertige Aufgaben, wie z.B. das Erstellen kontextbasierter Sichten, für die (mobilen) Klienten, zu übernehmen. Um die prinzipielle Umsetzbarkeit des Vermittlungskonzepts aufzuzeigen, wurde zudem eine exemplarische, prototypische Implementierung entwickelt, welche mittels einer Vielzahl autonomer, aktiver Komponenten den kompletten Vermittlungsprozess unter den Prämissen möglichst hoher Flexibilität, Erweiterbarkeit, Skalierbarkeit, Robustheit etc. realisiert.

Unter Einsatz eines solchen Vermittlers können somit Kontextdaten durch Konsumenten einerseits leichter aufgefunden und Daten verschiedenster Quellen miteinander verknüpft werden, und andererseits kann die Verarbeitungslogik und -last in die Infrastruktur verschoben werden, sodass ressourcenschwache Geräte am Rand des Systems entlastet werden.

Ongoing technological progress throughout the last years yielded a multitude of new technologies pioneering Mark Weiser\\\'s vision of Ubiquitous Computing. Among the most important are wireless sensor networks, object identification by means of radio waves (RFID) as well as new developments in the area of mobile data processing and communication. Based on these technologies an abundance of new devices have been developed which not only posses the capability to process substantial amounts of data, but also have the ability to communicate and to collect new data, most notably context data.

A major implication of this trend is that the amount of data processed and communicated will increase dramatically throughout the next years. Moreover, it is expected that data stemming from diverse sources are linked and related in order to get comprehensive insights into the incidents within the physical, logical and social environment. Applications using this data belong to the class of context-based applications. This class is characterized by the fact that context data is the foundation for adequate presentations of information or adaptations of the application\\\'s behaviour. For this purpose, a detailed view, specialized on certain aspects of the environment, is required.

In order to realize such a context-based view, context data must be mediated between producers (e.g. sensors) and consumers (e.g. users or applications) which includes, aside from the sole data collection and dissemination, aspects of data processing and retrieval. Particularly in mobile and ubiquitous systems, several challenges have to be met: In addition to the heterogeneity of data, hard- and software, as well as communication technologies, the potential mobility of producers and consumers has to be taken into account. Such mobile clients often posses limited processing capabilities, have diverse requirements regarding the retrieval and processing of context data, and are ultimately supposed to infer high-level information out of vast, globally distributed data streams in near real time. This yields to entirely new requirements regarding the class of context-based applications and the interrelated mediation of context data.

The central research aspect of this thesis is therefore focused on the analysis and development of concepts for the mediation of context-based views between producers and consumers in mobile and ubiquitous systems, in order to ease and support the design and development of context-based applications. As a result, fundamental (non-) functional requirements for a mediation process that transforms raw context data into individually tailored context-based views for producers and consumers have been analyzed. Based on this requirements catalog the main process tasks have been identified and the architecture of a mediator realizing all processing steps by execution of client-specific orchestration procedures has been developed. By considering existing standards of the Sensor Web Enablement initiative by the Open Geospatial Consortium as well as the Auto-ID standards by EPCglobal or GS1 respectively, such a mediator is also able to interoperate with existing services in the Sensor Web and the Internet of Things in order to fulfill higher-level tasks like the creation of context-based views for (mobile) clients. In order to demonstrate the feasibility of the mediation concept a prototypical example implementation has been developed, realizing the complete mediation process by means of a multitude of autonomous yet cooperating active components to gain a high degree of flexibility, extensibility, scalability, robustness, etc.

By using such a mediator, context data can be discovered by consumers more easily, data stemming from diverse sources can be linked and combined, the processing logic and load can be shifted into the infrastructure and resource-constraint devices at the system\\\'s edge can be unburdened.