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Projektbeschreibung

Eine sehr detaillierte Beschreibung des Projektes bietet diese Habilitationsschrift:

    Jörg Roth:
A Decentralized Location Service Providing Semantic Locations
Informatik Bericht 323, Habilitationsschrift, Fernuniversität Hagen, Jan. 2005
PDF

Die folgenden Ausführungen geben einen Überblick.

Der Aufenthaltsort eines mobilen Benutzers stellt eine wichtige Information für Anwendungen aus den Bereichen Mobile Computing, Wearable Computing oder Ubiquitous Computing dar. Ist ein mobiles Endgerät in der Lage, die aktuelle Position des Benutzers zu bestimmen, kann diese Information von der Anwendung berücksichtigt werden – man spricht dabei allgemein von ortsbewussten oder ortsbezogenen Anwendungen. Eng verknüpft mit dem Begriff der ortsbewussten Anwendungen ist der Begriff der ortsbezogenen Dienste (engl. location-based services). Hierbei handelt es sich beispielsweise um Dienste, die Informationen über den aktuellen Standort übermitteln. Mittlerweile werden solche Dienste kommerziell eingesetzt und erlauben etwa, dass ein Reisender ein Hotel, eine Tankstelle oder eine Apotheke in der näheren Umgebung findet. Nicht zuletzt durch die Einführung von UMTS erwartet man auf dem kommerziellen Sektor einen Boom für ortsbezogene Anwendungen und Dienste.
Die Positionsbestimmung hat eine zentrale Bedeutung für ortsbewusste Anwendungen. Häufig wird bei der Entwicklung solcher Anwendungen eine genaue und einfache Positionsbestimmung, z.B. durch Satellitennavigation, vorausgesetzt. Die Satellitennavigation steht jedoch oft nicht zur Verfügung, beispielsweise innerhalb von Gebäuden. Als Alternative können zellulare Netze des Mobilfunks zur Positionsbestimmung eingesetzt werden. Hierbei ist die Positionsauflösung jedoch sehr ungenau. Eine Fülle weiterer Positionsbestimmungssysteme steht insbesondere in Gebäuden zur Verfügung.
Generell kann man feststellen, dass die verschiedenen Positionsbestimmungssysteme höchst unterschiedliche Eigenschaften bezüglich Abdeckung, Genauigkeit oder Art der zur Verfügung gestellten Positionsangaben haben. Kein Positionsbestimmungssystem berücksichtigt zurzeit alle Belange denkbarer ortsbewusster Anwendungen. Betrachtet man aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet ortsbewusster Anwendungen, z.B. auf dem Mobilfunksektor, kann man konkret folgende Probleme identifizieren:
  • Ein einzelnes System zur Positionsbestimmung ist häufig fest, ohne Möglichkeit der späteren Änderung, in die Anwendung integriert. Anwendungen können daher auf Änderungen auf dem Gebiet der Positionsbestimmung nur schwer reagieren. Günstiger wäre eine vollständige Trennung von Anwendung und Positionsbestimmung.
  • Die Positionsangaben durch die Positionierungssysteme sind in der Rohform für die Anwendung häufig ungeeignet. So ist eine Anwendung neben den reinen Koordinaten oft an Informationen über den aktuellen Standort interessiert. Häufig werden solche Informationen jedoch nicht zur Verfügung gestellt oder aufwändig durch die Anwendung selbst generiert.
  • Viele wiederkehrende Operationen mit Ortsbezug werden noch innerhalb der Anwendung kodiert. Hier wäre eine Plattform sinnvoll, die der Anwendung einen Satz von Standard-Operationen zur Verfügung stellt.
  • Dezentral vorliegende Informationen über Orte werden häufig noch zentral gespeichert, obwohl solche Lösungen schwer zu administrieren sind und schlecht skalieren.
Als Lösung für diese Probleme bietet sich eine dezentral organisierte Plattform an, die entsprechende Dienstleistungen zur Verfügung stellt.

Nimbus – eine Plattform für ortsbewusste Anwendungen

Ein mobiler Anteil der Plattform wird auf dem mobilen Endgerät installiert und bindet beliebige Systeme zur Positionsbestimmung transparent an. Ein Netzwerkanteil von Nimbus nimmt eine Erweiterung der Positionsangaben vor. Hinter dem Netzwerkanteil verbirgt sich ein dezentraler, selbstorganisierender Verbund logisch gekoppelter Server. Erweiterte Positionsangaben werden schließlich für Datenbankanfragen, Anfragen zu Webdiensten, entfernte Prozedur- bzw. Methodenaufrufe oder Anfragen an Benutzerregister verwendet. Die Nimbus-Plattform erbringt folgende Dienstleistungen:
  • Es wird eine geeignete Auswahl unter den verfügbaren Positionsbestimmungssystemen getroffen. Liegen nur Positionsdaten mit lokalem Gültigkeitsbereich vor, werden diese zusätzlich in eine global gültige Repräsentation umgewandelt. Positionsdaten werden schließlich mit von der Anwendung vorgegebenen geodätischen Eigenschaften (z.B. in ebenen oder ellipsoidischen Koordinaten) zur Verfügung gestellt.
  • Es werden so genannte semantische Positionen bereitgestellt (Positionen mit Bedeutung für Mensch oder Anwendung, z.B. "Campus der Fernuniversität"). Neben einer Liste von semantischen Positionsnamen (nach einem vordefinierten Namensschema) werden auch Meta-Informationen über den Ort angeboten. So wird beispielsweise die aktuelle Position in Klassen wie "Wald", "Parkplatz" oder "Gebäude" eingeteilt. Neben Informationen über den Ort werden auch Informationen über die nähere Umgebung in einem von der Anwendung definierten Radius bereitgestellt. Hierdurch können Suchanfragen der Art "Welche Hotels liegen im Umkreis von 5 km?" bearbeitet werden.
  • Die Anwendung kann zusätzlich ortsbezogene Standard-Dienste wie Trigger-Dienste oder das Geocasting nutzen.
Die Architektur des Nimbus-Rahmenwerks ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Nimbus kann in die drei Schichten Basisschicht, Service-Schicht und Anwendungsschicht eingeteilt werden.

Nimbus Komponenten

Die Basisschicht umfasst die Anbindung an die Positionsbestimmung, die Dienst-Infrastruktur LSI und das Positionsmodell.

  • Durch die Anbindungskomponente durch die Virtuelle Positionsbestimmung können Positionsbestimmungssysteme später verändert und hinzugefügt werden, ohne dass die aufsetzenden Komponenten modifiziert werden müssen. Erreicht wird dies über Treiber, die wie in Betriebssystemen die verwendete Hardware abstrahieren.
  • Das Positionsmodell stellt einen Formalismus zur Instanziierung der Positionsdaten zur Verfügung, die später in der Plattform gespeichert werden. Grundobjekte sind dabei die Domänen, die im Wesentlichen aus der semantischen Positionsbezeichnung gemäß einem vorgegebenen Namensschema und der entsprechenden physikalischen Ausdehnung bestehen. Das Positionsmodell definiert losgelöst von der späteren Speicherung den Zusammenhang zwischen den einzelnen Domänen anhand der Beziehungen Assocation und Relation (siehe folgende Abbildung). Inhaltlich zusammenhängende Domänen werden zu Hierarchien zusammengefasst. Um zwischen verschiedenen Koordinatensystemen umzurechnen und notwendige Polygonoperationen effizient durchzuführen, steht eine Bibliothek mit Geometrie- und Geodäsie-Funktionen zur Verfügung.

    Nimbus Location Model

  • Die Dienstinfrastruktur LSI besteht aus einem selbstorganisierenden Verbund von so genannten Location Servern, die jeweils einen bestimmten Anteil der verfügbaren Positionsdaten verwalten. Die folgende Abbildung zeigt, wie das Positionsmodell und die Infrastruktur zusammenhängen. Die Infrastruktur speichert Domänen dezentral: ein Location Server ist immer für eine komplette Sub-Hierarchie verantwortlich bis zu den Domänen, die wiederum durch eigene Location Server repräsentiert werden. Die logischen Beziehungen zwischen Domänen werden dabei auf die entsprechenden Location Server übertragen. Neben den Location Servern stellt die Infrastruktur so genannte Mapping Server zur Verfügung, die jeweils einen physikalischen Bereich mit den dort eingesetzten Positionsbestimmungssystemen betreuen und insbesondere die Umrechnung von lokalen in globale Positionen vornehmen.

Location Server Infrastructure

Die Service-Schicht umfasst Service-Primitive, die durch die Anwendung direkt angesprochen werden können.

  • Die zwei Komponenten zur Positionsauflösung dienen der Erweiterung von Positionsinformationen. Es wird eine flächendeckende Versorgung von semantischen Positionen zur Verfügung gestellt, auch wenn diese durch die Positionsbestimmungssysteme selbst nicht ermittelt werden können. Zusätzlich werden Metadaten zu den Positionen bereitgestellt.
  • Die Komponente Geocast erlaubt, Netzwerknachrichten an eine Gruppe mobiler Benutzer zu versenden, die eine bestimmte Position einnehmen. So können beispielsweise mit einer einzelnen Operation Nachrichten an alle Personen auf dem Campus versendet werden.
  • Durch Trigger-Dienste kann die Anwendung informiert werden, wenn ein bestimmtes positionsrelevantes Ereignis eintritt. So kann beispielsweise die Anwendung informiert werden, wenn der mobile Benutzer den Campus verlässt oder betritt.
Die Anwendungsschicht schließlich enthält die ortsbewussten Anwendungen, die Endgeräteanbindung durch die Kommunikations-Middleware NKF (Network Kernel Framework) und die Komponente zur Web-Integration PinPoint. Letztere erlaubt, ortsbezogene Webdienste auf der Basis von Standard-Webkomponenten zu entwickeln.
Fragen der Sicherheit beziehen sich auf alle Schichten. Hier wurde vorerst die Frage nach authentischen Positionsdaten behandelt. Ohne Vorkehrungen könnte ein Angreifer eigene Location Server einrichten, die irreführende oder falsche Positionsinformationen verbreiten. Eine Sicherheitsinfrastruktur mit Zertifizierungsstellen verhindert dies, indem der mobile Benutzer zu jeder Dienstnutzung die Zertifikate der beteiligten Location Server abrufen kann.
Das System setzt auf den Komponenten Positionsbestimmung und Geodaten auf. Diese gehören formal nicht mehr zum Nimbus-Rahmenwerk, dennoch sind hierzu Eigenentwicklungen durchgeführt worden:
  • Es wurde ein Indoor-Positionsbestimmungssystem PalmSpot entwickelt.
  • Es wurde eine Simulationsumgebung für Positionsbestimmungssysteme entwickelt.
  • Es wurden Werkzeuge entwickelt, um Geodaten aufzubereiten.


Nimbus Papiere

Diese Auflistung enthält nur Papiere, die direkt mit Nimbus zusammenhängen. Eine komplette Liste aller Publikationen von Jörg Roth findet man hier.

            2006            


Jörg Roth:
Detecting Identifiable Areas in Mobile Environments
The 21st Annual ACM Symposium on Applied Computing, 23.-27. April 2006, Dijon, (Frankreich), ACM Press, 986-991

Jörg Roth:
The Distributed Location Resolution Problem and its Efficient Solution
IADIS International Conference Applied Computing 2006, San Sebastian (Spanien), 25.-28. Feb. 2006, 3-10
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            2005            


Jörg Roth:
The Role of Semantic Locations for Mobile Information Access
Mobiles Informationsmanagement und seine Anwendungen, 22. Sept. 2005, Bonn, Proceedings der 35. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik, Band 2, 538-542
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Jörg Roth:
Modelling Location Sensors
2. GI/ITG KuVS Fachgespräch "Ortsbezogene Anwendungen und Dienste", 16.-17. Juni 2005, Stuttgart, Informatik Bericht 324, Fernuniversität Hagen, Juni 2005, 33-36

Jörg Roth:
A Decentralized Location Service Providing Semantic Locations
Informatik Bericht 323, Habilitationsschrift, Fernuniversität Hagen, Jan. 2005
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            2004            


Thomas Hadig, Jörg Roth:
Accessing Location and Proximity Information in a Decentralized Environment
International Conference on E-Business und Telecommunication Networks (ICETE 2004), Setúbal (Portugal), 25.-28. Aug. 2004, Vol. 1, 88-95
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Jörg Roth:
Novel Architectures for Location-based Services
Annual Meeting for Information Technology & Computer Science, 7. Juli 2004, Stuttgart, 5-8
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Jörg Roth:
Eine dezentral organisierte Middleware zur Entwicklung ortsbezogener Dienste
1. GI/ITG KuVS Fachgespräch "Ortsbezogene Anwendungen und Dienste", 24.-25. Juni 2004, Hagen, Informatik Bericht 317, Fernuniversität Hagen, Juni 2004, 11-14

Thomas Hadig, Jörg Roth:
Proximity Services with the Nimbus Framework
IADIS International Conference Applied Computing 2004, Lissabon, Portugal, 23.-26. März 2004, IADIS Press, 437-444
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            2003            


Jörg Roth:
Flexible Positioning for Location-based Services
IADIS International Journal of WWW/Internet, Vol. I, Nr. 2, 18-32
(ausgewähltes und signifikant erweitertes Papier der e-Society 2003)
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Jörg Roth:
Accessing Location Data in Mobile Environments - the Nimbus Location Model
Mobile HCI 03 Workshop on Mobile and Ubiquitous Information Access, Udine, Italien, 8. Sept. 2003, LNCS 2954, Springer-Verlag, 256-270
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Jörg Roth:
Semantic Geocast Using a Self-Organizing Infrastructure
Innovative Internet Community Systems (I2CS), Leipzig, 19.-21. Juni 2003, Springer LNCS 2877, 216-228
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Jörg Roth:
Flexible Positioning for Location-based Services
IADIS International Conference e-Society, Lissabon, Portugal, 3.-6. Juni 2003, Vol. I, IADIS Press, 296-304
PDF

            2002            


Jörg Roth:
Context-aware Web Applications Using the PinPoint Infrastructure
IADIS International Conference WWW/Internet 2002, Lissabon, Portugal, 13.-15. Nov. 2002, IADIS Press, 3-10
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Jörg Roth:
A Communication Middleware for Mobile and Ad-hoc Scenarios
International Conference on Internet Computing (IC'02), 24.-27. Juni 2002, Las Vegas (USA), Vol. I, 77-84
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