System support for spontaneous pervasive computing environments

Abstract

Mobile networked devices become more and more pervasive. By embedding such devices into everyday items, pervasive computing systems will emerge in the near future. Current approaches for such systems are based on the model of Smart Environments. In such environments, a preinstalled hardware infrastructure enhances a spatial area, e.g., a room or house, and enables it to coordinate multiple mobile devices present in the environment to cooperatively provide services to the users. However, such systems rely on the presence of such an expensive infrastructure and do not work in areas without it. This restricts the deployment of pervasive computing systems severely. Therefore, in this work we propose another model for pervasive computing systems, the so-called Smart Peer Group model. A Smart Peer Group consists of a number of interconnected mobile devices that discover each other dynamically and form a spontaneous composition of devices. Coordination is provided by the participating devices themselves and no external infrastructure is needed. This results in a highly flexible system that can be used at any time and anywhere. The development of such systems is a non trivial task, due to the high level of dynamism, the potentially high resource constraintness, and the unpredictable nature of Smart Peer Groups. In this dissertation, we present the Smart Peer Group model and analyze the specific characteristics of this system class. In addition, we propose a number of concepts and algorithms to develop Smart Peer Group-based Pervasive Computing systems. A communication middleware for Smart Peer Groups is presented, which offers means to cope with resource-poor specialized devices and shields application developers from fluctuating network connectivities. Furthermore, a service discovery system for such systems is developed, which allows unused devices to temporarily deactivate themselves in order to save energy without loosing the ability to discover new services or to be discovered by others. The presented concepts and algorithms are evaluated in different scenarios using an analytical and an experimental evaluation.

Mit der zunehmenden Verbreitung immer leistungsstärkerer und kompakterer mobiler Rechnersysteme durchdringen diese unsere alltägliche Umgebung immer mehr. Mittelfristig ist davon auszugehen, dass Anwender immer und überall von einer Vielzahl elektronischer Geräte umgeben sein werden, die mittels drahtloser Kommunikation miteinander kooperieren. Geräte können hierbei für den Anwender unsichtbar in Gegenstände des täglichen Bedarfs eingebettet oder in die Umgebung integriert sein. Ein solches System wird als ubiquitäres Rechnersystem bezeichnet. Bei der Entwicklung ubiquitärer Rechnersysteme wurde in der Vergangenheit stark auf sogenannte intelligente Umgebungen, d.h. elektronisch erweiterte Umgebungen, fokussiert. Hierbei wird in einem eingegrenzten räumlichen Gebiet, z.B. einem Zimmer oder einem Haus, eine geeignete Infrastruktur installiert, die es den im Gebiet vorhandenen Geräten erlaubt, miteinander zu kooperieren. Dieses Architekturmodell erfordert es, vor dem Betrieb des Systems eine geeignete Systeminfrastruktur in Form von Hardware und Software im antizipierten Betriebsumfeld zu installieren. Dies ist mit hohen Investitionskosten verbunden und schränkt die Verwendbarkeit ubiquitärer Systeme auf vorgegebene räumliche Gebiete ein. In dieser Arbeit wird ein alternatives Architekturmodell für ubiquitäre Rechnersysteme entwickelt, das keine externe Infrastruktur benötigt und auf dem Konzept der sogenannten spontanen Funktionsverbünde beruht. Nach einer Analyse der Herausforderungen, die bei der Entwicklung spontaner Funktionsverbünde auftreten, werden im weiteren Verlauf der Arbeit Verfahren, Konzepte und Algorithmen vorgestellt mit denen diese Herausforderungen überwunden werden können und eine effiziente und flexible Koordination der Geräte eines spontanen Funktionsverbundes ermöglicht wird. Hierzu wird zum einen ein Konzept entwickelt, mit dem eine Flexibilisierung der Gerätekommunikation ermöglicht wird, indem das Kommunikationsmodell einer Anwendung vom Synchronisationsmodell der verwendeten Interoperabilitätsprotokolle entkoppelt wird. Zudem wird eine strategiebasierte dynamische Auswahl der verwendeten Kommunikationsprotokolle vorgeschlagen, mittels derer eine fortlaufende Anpassung des Kommunikationssystems an Wechsel in der Ausführungsumgebung ermöglicht wird. Diese Konzepte werden in eine mikrokernbasierte Verteilungsinfrastruktur integriert, die für ressourcenbeschränkte Geräte entwickelt wurde. Im zweiten Teil der Arbeit werden Verfahren zur dynamischen Erkennung der aktuellen Anwendungsumgebung untersucht und ein Verfahren zur energieeffizienten Erkennung entfernter Dienste und Geräte auf Basis eines Gruppierungsalgorithmus vorgeschlagen.