«Μελέτη συστημάτων εντοπισμού θέσης και ανάπτυξη εφαρμογής για εύρεση υψηλότερης ισχύος GSM σήματος σε εσωτερικούς χώρους για android smartphones»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Διπλωματική εργασία «Μελέτη συστημάτων εντοπισμού θέσης και ανάπτυξη εφαρμογής για εύρεση υψηλότερης ισχύος GSM σήματος σε εσωτερικούς χώρους για android smartphones» Στυλιανός Ν. Καρανικολός Επιβλέπων: Γεώργιος Κ. Καραγιαννίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής ΑΠΘ Θεσσαλονίκη, Ιούνιος

2 2

3 Ευχαριστίες Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί μια πρώτη ερευνητική εμπειρία για εμένα. Έγινε μια αρκετά φιλόδοξη προσπάθεια προγραμματισμού σε android, ξεκινώντας από σχεδόν μηδενική προγραμματιστική βάση. Ωστόσο, το δυσκολότερο εγχείρημα, τόσο στην παρούσα εργασία όσο και σε μελλοντικές προσπάθειες, είναι να συνδυαστούν η γνώση για τα συστήματα εντοπισμού θέσης, η τεχνολογία των smartphones αλλά και ο προγραμματισμός, προκειμένου να υλοποιηθεί κάτι καινοτόμο και κυρίως πρακτικό για το χρήστη. Προς αυτήν την κατεύθυνση με στήριξαν κάποιοι άνθρωποι, τους οποίους οφείλω να ευχαριστήσω. Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον φίλο και συμφοιτητή Γιάννη Παπαστεργίου για την βοήθειά του σε ζητήματα προγραμματισμού. Επίσης, ένα ευχαριστώ οφείλω και στον κ. Βασίλειο Καπινά, υποψήφιο διδάκτορα και μέλος της ερευνητικής ομάδας του κ. Καραγιαννίδη, για τους προβληματισμούς και τις ιδέες που μοιραστήκαμε πάνω στο συγκεκριμένο θέμα, τα οποία με βοήθησαν σημαντικά στην ανάπτυξη της εφαρμογής. Τέλος, πάνω απ όλα ευχαριστώ τον κ. Γεώργιο Καραγιαννίδη, αναπληρωτή καθηγητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας, ο οποίος μου έδωσε την ευκαιρία και τις κατευθύνσεις να ασχοληθώ με ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα πρόβλημα, του οποίου η επίλυση αποτελεί πρόκληση για τον κλάδο των Τηλεπικοινωνιών. Κυρίως όμως, τον ευχαριστώ για την ψυχολογική και ηθική υποστήριξη σε αυτήν την προσπάθεια καθώς και στην συνολική πορεία μου προς την ολοκλήρωση των προπτυχιακών σπουδών. 3

4 4

5 Περιεχόμενα Ευχαριστίες... 3 Περιεχόμενα Εισαγωγή Τεχνικές εντοπισμού θέσης Εισαγωγή Γενικές έννοιες Κατάταξη συστημάτων εντοπισμού θέσης Περιοχή εγκατάστασης (area of deployment) Φυσικό επίπεδο (physical layer) Παράμετρος μέτρησης (measurement parameter) Πίνακας αναζήτησης θέσης (location lookup table) Τεχνική εκτίμησης (estimation technique) Οντότητα εντοπισμού (localizing entity) Ζητήματα ασφαλείας (security consideration) Επιλογή ενός συστήματος localization Το λειτουργικό σύστημα Android Ιστορική αναδρομή Ορισμός και δομή του Android Ιστορικό εκδόσεων Το Android Market Κακόβουλο λογισμικό και ασφάλεια Προστασία προσωπικών δεδομένων Προγραμματίζοντας το Android Ανάλυση βασικών στοιχείων αρχιτεκτονικής Παρουσίαση της Java

6 4.3 Eclipse και ADT XML code editors και αρχεία Περιγραφή του App Inventor Παρουσίαση Δυνατότητες και περιορισμοί Η εφαρμογή Indoor Better Signal Γενικά Τεχνική εντοπισμού Παρουσίαση της εφαρμογής Οδηγίες χρήσης Εκτέλεση και έλεγχος του κώδικα Συμπεράσματα Μελλοντική εργασία Βιβλιογραφία

7 1. Εισαγωγή Με μια πρώτη ανάγνωση, η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελεί συρραφή τριών ετερόκλητων (φαινομενικά) θεμάτων: Οι τεχνικές εντοπισμού της φυσικής θέσης Το λειτουργικό σύστημα Android και οι δυνατότητές του Ο προγραμματισμός των smarpthones Ο τελικός στόχος του εν λόγω εγχειρήματος είναι η ανάπτυξη μιας εφαρμογής, η οποία θα βοηθάει τους χρήστες κινητών τηλεφώνων Android να βρίσκουν σημεία ενός εσωτερικού χώρου, στα οποία πραγματοποιείται καλύτερη λήψη, έτσι ώστε να απολαμβάνουν ποιοτικότερη επικοινωνία. Ωστόσο, πέραν αυτού, στο θεωρητικό κομμάτι της εργασίας αναλύονται έννοιες που αφορούν τα προαναφερθέντα θέματα, οι οποίες αποτελούν πάντοτε τις βάσεις σε προσπάθειες τέτοιου τύπου. Οι τεχνικές εντοπισμού της φυσικής θέσης ενός χρήστη έχουν εξελιχθεί σημαντικά με το πέρασμα του χρόνου. Στην εξέλιξη αυτή συνέβαλε η ταυτόχρονη άνοδος των τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών και η εισαγωγή στη σύγχρονη καθημερινότητα ασύρματων φορητών συσκευών, όπως είναι τα κινητά τηλέφωνα, τα smartphones, τα PDAs, κ.α. Παράλληλα, πάντοτε υπήρχε η απαίτηση για αύξηση της ακρίβειας μιας τεχνικής, με αποτέλεσμα σήμερα ο εντοπισμός θέσης με απόκλιση ενός μέτρου ή και λιγότερο να είναι μέρος της καθημερινότητας στις αναπτυγμένες τεχνολογικά κοινωνίες. Από την άλλη πλευρά, η δυναμικότατη είσοδος του Android στο εμπόριο, η αποδοχή του από το αγοραστικό κοινό και το γεγονός ότι είναι open source μπορούν εύκολα να παρασύρουν οποιονδήποτε επίδοξο προγραμματιστή να αναπτύξει εφαρμογές και προϊόντα που θα είναι καινοτόμα και κυρίως πρακτικά για το χρήστη. Η παρούσα εργασία οργανώνεται ως εξής: 7

8 Το κεφάλαιο 2 αφορά τις τεχνικές εντοπισμού θέσης. Γίνεται μια ανάλυση των μεθόδων στις οποίες βασίζεται ο εντοπισμός της θέσης καθώς και μια απόπειρα κατηγοριοποίησης αυτών με βάση ορισμένα κριτήρια. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται μια ολοκληρωμένη παρουσίαση του λειτουργικού συστήματος Android. Συγκεκριμένα, καταγράφεται η εξέλιξή του σε μικρό χρονικό διάστημα, όπως αυτή αποτυπώνεται από τις διάφορες εκδόσεις του και αναφέρονται ορισμένα ζητήματα περί ασφάλειας και προστασίας προσωπικών δεδομένων. Συνεχίζοντας, το κεφάλαιο 4 αποτελεί μια συνοπτική ανάλυση ορισμένων βασικών προγραμματιστικών εννοιών, των οποίων η κατανόηση δίνει τη δυνατότητα σε κάθε επίδοξο προγραμματιστή να δημιουργήσει τη δική του εφαρμογή στο Android. Επίσης γίνεται αναφορά στη γλώσσα Java και τα διάφορα περιβάλλοντα ανάπτυξης των εφαρμογών. Το τελευταίο κεφάλαιο (κεφ. 5) είναι στην ουσία η παρουσίαση της εφαρμογής που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Αναλύεται η λογική στην οποία στηρίζεται καθώς και ο πολύ συγκεκριμένος τρόπος χρήσης της. 8

9 2. Τεχνικές εντοπισμού θέσης 2.1 Εισαγωγή Γενικές έννοιες Οι σημερινές ασύρματες εφαρμογές υπηρεσίες, όπως η κυψελοειδής τηλεφωνία, η τηλεοπτικές μεταδόσεις, κ.α., αποτελούν μεγάλο κομμάτι της καθημερινότητας πολλών ανθρώπων. Οι ασύρματες επικοινωνίες έχουν αναπτυχθεί με ραγδαίο τρόπο από τον καιρό της πρώτης κυκλοφορίας τους και αυτό οφείλεται κυρίως στην ευκολία με την οποία μπορεί να «στηθεί» ένα ασύρματο δίκτυο και στον χαμηλού κόστους εξοπλισμό του (εν συγκρίσει με ενσύρματα δίκτυα). Επιπλέον, η αξιοπιστία των ασύρματων επικοινωνιών έχει βελτιωθεί σημαντικά, κάτι που μαρτυρά και το γεγονός ότι στρατιωτικές εφαρμογές ή υπηρεσίες όπως είναι η ενδοεπικοινωνία της αστυνομίας στηρίζονται αποκλειστικά σε αυτές. Η αξιοπιστία, πέρα από τις δημόσιες υπηρεσίες ασφαλείας, φαίνεται και στην καθημερινότητα απλών πολιτών, οι οποίοι έχουν τα κινητά τους τηλέφωνα σαν πρωτεύον μέσο επικοινωνίας. Όπως γίνεται σαφές από τα προηγούμενα, οι ασύρματες επικοινωνίες δεν είναι πολυτέλεια αλλά αναγκαιότητα. Σχεδόν όλα τα ασύρματα δίκτυα, υποστηρίζουν την κινητικότητα των χρηστών, γεγονός που τους επιτρέπει να περιδιαβαίνουν σε μια αρκετά ευρεία περιοχή, η οποία καλείται περιοχή κάλυψης (coverage region). Η περιοχή κάλυψης στην ουσία αποτελεί μια φυσική περιοχή, σε οποιοδήποτε σημείο της οποίας μπορεί ο χρήστης να έχει πρόσβαση στο ασύρματο δίκτυο. Η ελευθερία επικοινωνίας των χρηστών ευρισκόμενοι σε οποιοδήποτε σημείο της περιοχής κάλυψης σε συνδυασμό με την δυνατότητα κίνησης σε περιοχές κάλυψης γειτονικών σταθμών βάσης (base stations) καθιστούν εφικτή την επικοινωνία χωρίς όρια. Ωστόσο, αυτό έχει το μειονέκτημα του να δυσχεραίνεται ο προσδιορισμός της φυσικής θέσης του χρήστη. Η πληροφορία σχετικά με την φυσική θέση του χρήστη ενός ασύρματου δικτύου είναι πολύ σημαντική σε ορισμένες περιπτώσεις. Για παράδειγμα, κατά τη χρήση της υπηρεσίας του E911 (enhanced 911) στην Αμερική, θα πρέπει με την 9

10 κλήση του αριθμού 911 να ανακαλείται η θέση του χρήστη. Η διαδικασία εκτίμησης της φυσικής θέσης μιας ασύρματης συσκευής ονομάζεται localization (εντοπισμός θέσης). Σύμφωνα με την εικόνα 2.1, η ασύρματη συσκευή, της οποίας τη θέση πρέπει να εκτιμηθεί, ονομάζεται κόμβος εντοπισμού (localization node LN), ενώ το τμήμα του δικτύου, του οποίου η θέση είναι γνωστή, ονομάζεται σταθμός βάσης εντοπισμού (localization base station LBS). Σε ένα WLAN για παράδειγμα, LNs είναι συσκευές όπως laptops και PDAs, ενώ LBSs είναι τα access points. Αντιστοίχως, σε ένα δίκτυο αισθητήρων, οι κόμβοι των οποίων η θέση πρέπει να προσδιοριστεί είναι οι LN, ενώ οι κόμβοι-άγκυρες (anchor nodes) αποτελούν τους LBSs. Τέλος, συνήθως ένας LN είναι μια απλή συσκευή χαμηλού κόστους ενώ ένας LBS είναι συγκριτικά ακριβότερος και με πολλούς πόρους. Εικόνα 2.1 Σύστημα localization Ο εντοπισμός της θέσης συνήθως βασίζεται στην μέτρηση μια εξαρτημένης παραμέτρου σε μια ασύρματη σύνδεση μεταξύ LN και πολλών LBSs. Η παράμετρος μπορεί να μετρηθεί και στον LN αλλά και στους LBSs. Περισσότερα για το θέμα αυτό, αναλύονται στη συνέχεια. Πρακτικά, στους περισσότερους ασύρματους σχηματισμούς η μετρούμενη τιμή μιας παραμέτρου μεταβάλλεται συναρτήσει του χρόνου, ενώ η σχέση της με την απόσταση συνήθως δεν είναι καλά ορισμένη. Το γεγονός αυτό, δυσκολεύει κατά πολύ τη διαδικασία του localization. Η χρονική μεταβολή οφείλεται σε 10

11 παράγοντες όπως είναι η αλλαγή του φυσικού περιβάλλοντος (αέρας, θερμοκρασία, κίνηση ανθρώπων) ή οι διαλείψεις του καναλιού (fading). Η ακρίβεια στον εντοπισμό της θέσης είναι δύσκολο να επιτευχθεί, αν και είναι πολύ σημαντική σε ορισμένες περιπτώσεις. Γενικά, οι επιλογές σε ότι αφορά την τεχνολογία του φυσικού επιπέδου, τις μετρούμενες παραμέτρους, την τεχνική εκτίμησης, κ.α., επηρεάζουν την ακρίβεια και το κόστος ενός συστήματος localization. Κατά συνέπεια, εξαιτίας αυτών των παραγόντων αλλά και άλλων προκλήσεων που προκύπτουν, το localization παραμένει για την ερευνητική κοινότητα ένα δύσκολο ζήτημα. 2.2 Κατάταξη συστημάτων εντοπισμού θέσης Σύμφωνα με την εικόνα 2.2, για την ευκολότερη μελέτη των συστημάτων εντοπισμού θέσης έχει δημιουργηθεί ένα σύνολο κατηγοριών και υποκατηγοριών, οι οποίες βασίζονται σε διαφορετικές μετρούμενες παραμέτρους και συμβάλουν στην ασφαλή κατάταξη των τεχνικών και συστημάτων localization. Εικόνα 2.2 Κατηγοριοποίηση τεχνικών εντοπισμού θέσης 11

12 2.2.1 Περιοχή εγκατάστασης (area of deployment) Ανάλογα με την μέγεθος της περιοχής εγκατάστασης ενός ασύρματου δικτύου, παρουσιάζονται διαφορές στην τοπολογία του, στους διαθέσιμους πόρους καθώς και στον αριθμό των χρηστών. Κατά συνέπεια, έχουν αναπτυχθεί τρεις υποκατηγορίες κατάταξης των συστημάτων εντοπισμού θέσης (εικόνα 2.3), με κριτήριο την περιοχή εγκατάστασης του ασύρματου δικτύου: Wide Area Localization (WAL) Local Area Localization (LAL) Ad Hoc Localization (AHL) Εικόνα 2.3 Κατάταξη με βάση την περιοχή εγκατάστασης WAL Το WA localization αναπτύσσεται σε εξωτερικό περιβάλλον (outdoor) και χαρακτηρίζεται από τους ακριβούς LBSs μεγάλης εμβέλειας, αλλά και από την έλλειψη περιορισμών σε ότι αφορά την ισχύ αυτών. Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα της εν λόγω κατηγορίας είναι τα συστήματα εντοπισμού των κυψελοειδών δικτύων (cellular networks). Το πιο διαδεδομένο σύστημα είναι το GPS (Global Positioning System), το οποίο παρέχει ακρίβεια 6 12 μέτρων κατά μέσο όρο. 12

13 Ωστόσο, στα κυψελοειδή δίκτυα ενυπάρχει υποδομή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για localization, η οποία εφαρμόζει την τεχνική καταγραφής του χρόνου άφιξης του σήματος από το κινητό στους σταθμούς βάσης (Time of Arrival). Η θέση του κινητού εκτιμάται χρησιμοποιώντας τις καταγραφές τουλάχιστον τριών σταθμών βάσης. Σ αυτήν την περίπτωση, ως LBSs λειτουργούν οι σταθμοί βάσης και ως LNs τα κινητά τηλέφωνα. Πολλαπλά συστήματα localization εκμεταλλεύονται την υπάρχουσα υποδομή των WAL δικτύων με σκοπό να αυξήσουν την ακρίβεια. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το υποβοηθούμενο GPS (assisted GPS - AGPS), στο οποίο αποστέλλονται από τους σταθμούς βάσης τα λεγόμενα σήματα διόρθωσης (correction signals) για να βοηθήσουν τη λειτουργία localization του GPS. Τέλος, αρκετές περιοχές εγκατάστασης αποτελούνται, όπως είναι φυσικό, και από κλειστούς χώρους, στους οποίους δεν υπάρχει απευθείας επαφή LBS και LN, με αποτέλεσμα τη σημαντική μείωση της ακρίβειας του localization. Η πρόκληση σε αυτές τις περιπτώσεις αφορά τη διατήρηση της ακρίβειας σε παρόμοια επίπεδα με την ακρίβεια των ανοιχτών χώρων. LAL Η δεύτερη κατηγορία αφορά εξολοκλήρου localization σε εγκαταστάσεις δικτύων κλειστών χώρων, όπως σε μια εταιρεία και χαρακτηρίζεται από φθηνούς LBSs και μικρότερη περιοχή κάλυψης, συγκρινόμενη με τα δίκτυα της προηγούμενης κατηγορίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα δικτύου όπου εφαρμόζεται το LAL είναι το γνωστό WLAN. Στα δίκτυα WLANs τα access points λειτουργούν ως LBSs, ενώ συσκευές όπως laptops, PDAs αποτελούν τους LNs. Όπως είναι λογικό, επειδή οι εγκαταστάσεις είναι σε κλειστούς χώρους, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί το GPS. Το localization επιτυγχάνεται βασιζόμενο σε παραμέτρους που μεταβάλλονται συναρτήσει της απόστασης, όπως είναι η λαμβανόμενη ισχύς του σήματος. Κυριότερη πρόκληση αυτού του τύπου localization αποτελεί η αντιμετώπιση των προβλημάτων που προέρχονται από την πολυδιόδευση του σήματος (multipath). AHL 13

14 Τα ad hoc/sensor networks εντάσσονται στην κατηγορία AH localization και είναι δίκτυα περιορισμένης ισχύος. Επιπλέον, χαρακτηρίζονται από υπολογισμούς μικρής πολυπλοκότητας και εν γένει χαμηλά κόστη. Στα sensor networks οι θέσεις των κόμβων αισθητήρων καθορίζονται με βάση τους κόμβους αναφοράς, γνωστοί ως anchor nodes. Οι anchor nodes μπορεί να είναι κινούμενοι αλλά και στατικοί. Τέλος, οι κόμβοι αισθητήρες αντιστοιχίζονται με τους LNs, ενώ οι anchor nodes με τους LBSs Φυσικό επίπεδο (physical layer) Η ασύρματη τεχνολογία που χρησιμοποιείται επηρεάζει και αυτή τις επιδόσεις του localization. Το φυσικό επίπεδο του συστήματος εντοπισμού θέσης ορίζεται από την τεχνολογία στην οποία βασίζεται και συνεπώς σχετίζεται άμεσα με τη συχνότητα λειτουργίας, το εύρος ζώνης, την τεχνική διαμόρφωσης, το επίπεδο της ισχύος μετάδοσης, τις τεχνικές διαφορισμού της κεραίας, κ.α. Ομοίως, το φάσμα συχνοτήτων, στο οποίο στηρίζεται το σύστημα localization, επηρεάζει άμεσα τις επιδόσεις του. Κατά συνέπεια, διάφορες τεχνικές localization βασίζονται σε διαφορετικά φάσματα, όπως είναι αυτό των υπερύθρων (infrared IR), των υπέρηχων (ultrasound US) και των ραδιοσυχνοτήτων (radio frequency RF). Να σημειωθεί ότι οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούν το ίδιο φάσμα, ενδέχεται να έχουν διαφορετικές προδιαγραφές φυσικού επιπέδου και ως εκ τούτου διαφορετικές επιδόσεις στο localization. Οι τεχνολογίες Bluetooth και , για παράδειγμα, λειτουργούν στην ISM μπάντα, ωστόσο έχουν διαφορετική ισχύ μετάδοσης και χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές διαμόρφωσης. Επίσης, η επίδοση του Bluetooth είναι ελαφρώς καλύτερη εν συγκρίσει με αυτή του , εξαιτίας της χαμηλότερης ισχύος μετάδοσης του πρώτου που οδηγεί σε περιορισμό του εύρους μετάδοσής του. Μεταξύ των παραμέτρων του φυσικού επιπέδου, η συχνότητα λειτουργίας παίζει πρωταρχικό ρόλο στον καθορισμό των χαρακτηριστικών του localization. Αν ανατρέξουμε στην γνωστή σχέση που συνδέει τα μεγέθη της συχνότητας και της περιόδου ( f 1 ), θα διαπιστώσουμε πως σε υψηλές συχνότητες (μικρή T 14

15 περίοδος) υπάρχει δυνατότητα υψηλής χρονικής ανάλυσης και κατά συνέπεια η μέθοδος καταγραφής του χρόνου άφιξης του σήματος (Time of Arrival), για παράδειγμα, προτιμάται για την ικανοποιητική της ακρίβεια. Στη συνέχεια αναλύεται η σχέση των τριών προαναφερθέντων φασμάτων με την επίτευξη του localization. INFRARED (IR) Το Active Badge, ένα από τα πρώτα συστήματα localization, χρησιμοποιεί το φάσμα των υπερύθρων. Σε αυτήν την περίπτωση, ως LN χρησιμοποιείται ένα IR σήμα το οποίο αποστέλλει με περιοδικό τρόπο ένα μοναδικό αναγνωριστικό στοιχείο (ID). Κάθε χώρος έχει το δικό του IR δέκτη, ο οποίος αναμεταδίδει το λαμβανόμενο ID σε έναν κεντρικό server. Ο server με τη σειρά του αντιστοιχίζει την τοποθεσία των LNs με τον ανταποκρινόμενο χώρο, καταρτίζοντας έτσι χάρτες με τη θέση του κάθε IR δέκτη. Το σημαντικό μειονέκτημα αυτών των συστημάτων είναι ότι έχουν χαμηλή ακρίβεια λόγω του ότι επηρεάζονται από το φως του ήλιου. Επίσης, δεν παρέχουν τη δυνατότητα επέκτασης της χρήσης τους σε μεγάλες περιοχές και ως εκ τούτου, σπάνια χρησιμοποιούνται στην πράξη για εντοπισμό θέσης. ULTRASOUND (US) Τα σήματα υπερήχων μπορούν να διαδοθούν διαμέσου τοίχων και ο χρόνος άφιξης τους μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια, με τη χρήση υπαρχουσών φθηνών συσκευών. Στο σύστημα Cricket, ο LN χρησιμοποιεί το χρόνο άφιξης των US σημάτων από διάφορους LBSs για να εκτιμήσει τη θέση του. Επειδή τα RF σήματα διαδίδονται ταχύτερα, οι LBSs τα χρησιμοποιούν για να υποδείξουν την έναρξη της US μετάδοσης στο Cricket. Ο LN μετράει τη χρονική διαφορά μεταξύ των λήψεων του RF και του US σήματος από έναν LBS. Αυτή η διαφορά αποτελεί το time of arrival. Κατά συνέπεια, ο LN γνωρίζοντας τους διαφόρους χρόνους άφιξης και τη θέση των αντιστοίχων LBSs (οι οποίες αποστέλλονται με τα αρχικά RF σήματα), μπορεί να εκτιμήσει τη θέση του. RADIO FREQUENCIES (RF) 15

16 Οι ραδιοσυχνότητες χρησιμοποιούνται από την πλειοψηφία των δικτύων τηλεπικοινωνιών. Το localization που βασίζεται στην RF τεχνολογία έχει χαμηλότερο κόστος σε σχέση με τα προαναφερθέντα, μιας και τα συστήματα εντοπισμού αυτής της κατηγορίας αποτελούνται από φθηνότερο εξοπλισμό. Σε αυτήν την περίπτωση εντοπισμού, γίνεται χρήση της ισχύος του λαμβανόμενους σήματος (received signal strength SS) ή του χρόνου άφιξης του σήματος. Στη δεύτερη περίπτωση απαιτείται χρονική ανάλυση υψηλής ακριβείας (τάξης ns), γεγονός που αυξάνει το κόστος του υλικού. Από την άλλη πλευρά, να σημειωθεί ότι όσο υψηλότερες είναι οι συχνότητες που χρησιμοποιούνται, τόσο δημιουργούνται προβλήματα πολυδιόδευσης από τις επιφάνειες που λειτουργούν ως ανακλαστήρες του σήματος σε ένα χώρο. Ως εκ τούτου, οι τεχνικές time of arrival ενδείκνυνται για RF localization σε μεγάλες περιοχές. Επιπλέον, για την UWB ζώνη συχνοτήτων (3 10 GHz) υπάρχει ρολόι ακρίβειας νανοδευτερολέπτων, το οποίο είναι αρκετά οικονομικό ενώ ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται σε αυστηρό συγχρονισμό μεταξύ τους. Έτσι, υπάρχει δυνατότητα εγγενούς υπολογισμού του time of arrival Παράμετρος μέτρησης (measurement parameter) Η θέση μιας ασύρματης συσκευής (LN) μπορεί να εκτιμηθεί μετρώντας και καταγράφοντας τις μεταβολές μιας παραμέτρου, η οποία εξαρτάται από τη θέση του LN και την απόσταση του από τους διάφορους LBSs. Στις προηγούμενες ενότητες του παρόντος κεφαλαίου έχουν ήδη αναφερθεί κάποιες από τις εν λόγω παραμέτρους (time of arrival, signal strength), ωστόσο στη συνέχεια θα γίνει μια πληρέστερη περιγραφή τους. Στην εικόνα 2.4 παρουσιάζονται εποπτικά οι παράμετροι που θα παρουσιαστούν στην παρούσα ενότητα. Επίσης, οι παράμετροι καθώς και τα συστήματα εντοπισμού θέσης που χρησιμοποιούν καθεμία απ αυτές παρουσιάζονται στον πίνακα

17 Εικόνα 2.4 Παράμετροι μέτρησης Παράμετρος μέτρησης Σύστημα localization Laitinen et al. (2001) Bahl and Padmanabhan (2000) Gwon et al. (2004) Signal Strength (SS) Time of Arrival (ToA) Connectivity (Cnn) Krishnan et al. (2004) Tao et al. (2003) Castro et al. (2001) Youssef and Agrawala (2005) Madigan et al. (2005) Moeglein and Krasner (1998) Najar et al. (2004) Priyantha et al. (2000) Ward et al. (1997) Capkun et al. (2001) Savvides et al. (2001) Dutta and Berbrieter (2003) Anjum et al. (2005) Pandey et al. (2005) 17

18 Want et al. (1992) Nagpal et al. (2003) He et al. (2003) Lazos and Poovendran (2004) Angle of Arrival (AoA) Sakagam et al. (1992) Swales et al. (1999) Πίνακας 2.1 Συστήματα εντοπισμού θέσης ανά παράμετρο μέτρησης Γενικά, να σημειωθεί πως οι παράμετροι SS, ToA και Cnn εξαρτώνται από την απόσταση, ενώ η AoA εξαρτάται από τον κλίση. SIGNAL STRENGTH (SS) Όπως είναι γνωστό, η ισχύς ενός σήματος είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης πομπού δέκτη, υψωμένη σε μια δύναμη ( SS, n 2 στον d ελεύθερο χώρο). Η μέτρηση της SS γίνεται με τον έλεγχο των λαμβανόμενων σημάτων από μια ασύρματη διεπαφή συνδεδεμένη σε ένα τερματικό όπως laptop ή PDA. Η παράμετρος αυτή προτιμάται σε περιπτώσεις localization χαμηλού κόστους, όπως είναι το LAL. Στα LAL συστήματα, όπως είναι το Nibble, ο LN μετράει τη SS σε διαφορετικές θέσεις με ανταπόκριση από πολλαπλούς LBSs προκειμένου να κατασκευάσει τον πίνακα αναζήτησης θέσης (location lookup table LLT, θα αναλυθεί περαιτέρω στη συνέχεια). Κατά την επόμενη επίσκεψη του LN σε μια συγκεκριμένη θέση, οι τρέχουσες τιμές της SS που καταγράφονται συγκρίνονται με τις προηγούμενες καταγραφές του LLT, προκειμένου να εκτιμηθεί η θέση του. Ολοκληρώνοντας, η δυναμική του εξωτερικού περιβάλλοντος σε συνδυασμό με τις (συνήθως) χαμηλές τιμές της λαμβανόμενης ισχύος δεν επιτρέπουν τη χρήση της παραμέτρου για WAL ή AHL. Ωστόσο, το σημαντικά αξιόπιστο και ακριβές σύστημα που λέγεται GPS μπορεί να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα στο WAL. 1 n TIME OF ARRIVAL (TOA) 18

19 Ο χρόνος που απαιτείται για τα σήματα να μεταδοθούν από τον πομπό στο δέκτη δίνεται από την απλή σχέση: Όπου: d: η απόσταση πομπού δέκτη d ToA (2.1) v v: η ταχύτητα διάδοσης του σήματος Στις υψηλές συχνότητες, η ταχύτητα v προσεγγίζει την ταχύτητα του φωτός ( 8 c 3 10 m s ), με αποτέλεσμα να απαιτείται ρολόι υψηλής ακρίβειας προκειμένου να μετρηθεί ο ToA. Ενδεικτικά, να αναφερθεί ότι ένα ρολόι με ανάλυσης 1 s περιορίζει την ακρίβεια της απόστασης κατά 300 m στις RF μεταδόσεις και 343 m στις US. Στο GPS, επί παραδείγματι, ο LN βρίσκεται σε αυστηρό συγχρονισμό με τους δορυφόρους (LBSs) ενώ εκπέμπεται και η ακριβής θέση του κάθε δορυφόρου. Έτσι, ο GPS δέκτης (LN) χρησιμοποιεί την τεχνική του ToA προκειμένου να υπολογίσει την απόσταση LN LBS και εν συνεχεία την ακριβή θέση του με τη βοήθεια της μεθόδου multilateration (τεχνική βασισμένη στον τριγωνισμό, η οποία θα αναλυθεί περαιτέρω στη συνέχεια). Να τονιστεί ότι η παράμετρος ToA είναι αρκετά συμπαγής ακόμη και σε περιβάλλον όπου συμβαίνουν πολυδιοδεύσεις, διότι εκτιμά τον χρόνο λαμβάνοντας υπόψη το συντομότερο «μονοπάτι» λήψης που συνήθως είναι το απευθείας. CONNECTIVITY (CNN) Η συνδεσιμότητα (connectivity) δείχνει αν ο LN βρίσκεται εντός του εύρους μετάδοσης του LBS. Υπό μορφή συνάρτησης, θα μπορούσε να δοθεί ως εξής: Cnn (2.2) Id d max Όπου: 19

20 I x : μια συνάρτηση-δείκτης που παίρνει τιμές 0, 1 ανάλογα με το αν η συνθήκη x είναι ψευδής ή αληθής αντίστοιχα. d max : το μέγιστο εύρος μετάδοσης Η θέση του LN μπορεί να εκτιμηθεί βάσει τη συνδεσιμότητας του με τους LBSs, βρίσκοντας την περιοχή όπου υπάρχει επικάλυψη των ευρών μετάδοσης των LBSs. Η μέθοδος αυτή έχει ελάχιστα υπολογιστικά κόστη, αλλά εξάγει αποτελέσματα χαμηλής ακρίβειας συγκρινόμενη με τα άλλα συστήματα. Ενδείκνυται για ad hoc/sensor networks καθώς και για περιπτώσεις ασφαλούς localization όπως περιγράφεται στο σύστημα TRaVarSeL (Transmission Range Variation based Secure Localization, Anjum et al. 2005). Στην περίπτωση του εν λόγω συστήματος, η συνδεσιμότητα LN LBSs επαληθεύεται με τη χρήση τυχαίων αριθμών, που καλούνται nonces. Ένας LBS αποστέλλει διαφορετικούς nonces σε κάθε επίπεδο ισχύος. Ο κάθε LN είναι ικανός να λάβει μόνο τους αριθμούς, στους οποίους αντιστοιχίζονται τα επίπεδα ισχύος της συνδεσιμότητας LN LBS που συμβαίνει κάθε φορά. Έτσι, ο LN συλλέγει τους nonces από τους διάφορους LBSs και τους στέλνει σε έναν κεντρικό server, ο οποίος μπορεί να εκτιμήσει τη θέση του LN βασισμένος στο σετ των nonces που έλαβε. ANGLE OF ARRIVAL (AOA) Τα πρόσφατα επιτεύγματα στην τεχνολογία των κατευθυντικών κεραιών επιτρέπουν ικανοποιητική ανάλυση της γωνίας άφιξης (angle of arrival) του σήματος σε μια δεδομένη μετάδοση. Κατά συνέπεια, η θέση μιας ασύρματης συσκευής μπορεί να εκτιμηθεί βάσει των μετρήσεων AoA από διαφορετικούς LBSs. Ωστόσο, οι μετρήσεις AoA επηρεάζονται σημαντικά από το φαινόμενο της πολυδιόδευσης, κατά συνέπεια, εφόσον για την εκτίμηση της AoA λαμβάνεται υπόψη μόνο το μονοπάτι του σήματος που δίνει την υψηλότερη λαμβανόμενη ισχύ στο δέκτη, είναι σχεδόν σίγουρο ότι θα γίνει λανθασμένη εκτίμηση. Συνέπεια όλων αυτών είναι η μέθοδος μέτρησης της παραμέτρου AoA να λειτουργεί καλύτερα σε ανοιχτά περιβάλλοντα και όχι σε κλειστούς χώρους ή αστικές περιοχές. Επίσης, η εν λόγω παράμετρος ενδείκνυται για συστήματα 20

21 εντοπισμού χαμηλού κόστους, για τα οποία δεν απαιτείται υψηλή ακρίβεια. Τέλος, οι σταθμοί βάσης των κυψελοειδών τηλεφώνων, στους οποίους οι κατευθυντικές κεραίες είναι ήδη σε χρήση, μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις μετρήσεις AoA χωρίς να χρειάζεται να επιβαρυνθούν με επιπλέον οικονομικά κόστη εξοπλισμών Πίνακας αναζήτησης θέσης (location lookup table) Πρακτικά, στις περισσότερες περιπτώσεις η μεταβολή μιας φυσικής παραμέτρου (π.χ. η ισχύς σήματος συναρτήσει της απόστασης) δεν είναι σαφώς προσδιορισμένη. Έτσι, είναι σκόπιμο να χαρτογραφούνται οι μετρούμενες τιμές των παραμέτρων στις διάφορες θέσεις μιας εγκατάστασης, πριν εκτελεστεί η διαδικασία του localization. Η προκύπτουσα χαρτογράφηση μπορεί να αποθηκευτεί στον πίνακα αναζήτησης θέσης (location lookup table - LLT). Ο LLT μπορεί επίσης να περιέχει στατιστικά μεγέθη (μέση τιμή, τυπική απόκλιση) των παραμέτρων σε διάφορες θέσεις, με την κάθε θέση να αντιστοιχεί σε μια γραμμή του πίνακα. LLT ΒΑΣΕΙ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ (MEASUREMENT BASED) Ο LLT μπορεί να κατασκευαστεί και να ανανεωθεί με διάφορους τρόπους. Ο συνηθέστερος βασίζεται στις μετρήσεις των παραμέτρων σε διαφορετικές θέσεις μιας εγκατάστασης. Οι τιμές των παραμέτρων σε θέσεις που δεν πάρθηκαν μετρήσεις, ανατίθενται με τη μέθοδο της παρεμβολής (interpolation). Αν και αποτελεί μια χρονοβόρα και κουραστική διαδικασία, πολλά συστήματα εντοπισμού βασίζονται σε αυτήν. Επίσης, εξαιτίας της συνεχούς μεταβολής παραμέτρων όπως η SS, απαιτείται ανανέωση του πίνακα αρκετά συχνά, κάτι που οδηγεί σε αύξηση του κόστους εγκατάστασης αλλά και συντήρησης του συστήματος. Ενδεικτικά, στο σύστημα Haeberlen et al. (2004), ο χρόνος που απαιτήθηκε για την ανάπτυξη του LLT μιας περιοχής με εμβαδόν ft 2 ήταν 28 ώρες (512 κελιά 2.7 λεπτά ανά κελί)! Ωστόσο, με 1 λεπτό ανά κελί για τη συλλογή των δεδομένων μπορεί κανείς να οδηγηθεί σε ασφαλή αποτελέσματα, μειώνοντας το συνολικό χρόνο στο μισό που ωστόσο εξακολουθεί να είναι σημαντικά μεγάλος. LLT ΒΑΣΕΙ «ΠΡΑΚΤΟΡΩΝ» (AGENT BASED) 21

22 Ορισμένα συστήματα localization (LEASE, DAIR, κ.α.), προκειμένου να ανανεώνουν τον LLT συχνά και με χαμηλό κόστος, χρησιμοποιούν «πράκτορες» αποφεύγοντας έτσι τις εκτεταμένες χειρωνακτικές μετρήσεις. Οι «πράκτορες» τοποθετούνται σε διάφορες θέσεις μιας εγκατάστασης και ο LLT διαμορφώνεται αποκλειστικά από τις καταγραφές τους. Το ρόλο των «πρακτόρων» μπορούν να επιτελέσουν είτε χαμηλού κόστους συσκευές, είτε έμπιστοι χρήστες του δικτύου ή υπολογιστές με ασύρματη υποδομή. Τέτοιου είδους συστήματα έχουν υψηλό κόστος εγκατάστασης αλλά χαμηλό κόστος συντήρησης (ειδικά σε εταιρικά δίκτυα). LLT ΒΑΣΕΙ ΕΜΠΕΙΡΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ (MODEL BASED) Ο LLT μπορεί επίσης να κατασκευαστεί από λίγες ή μη πραγματικές μετρήσεις μιας παραμέτρου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα εμπειρικό μοντέλο προσδιορισμού της μεταβολής μιας παραμέτρου συναρτήσει της απόστασης, για να εκτιμηθούν οι τιμές της σε οποιαδήποτε θέση (Priyantha et al., Ward et al., Bahl and Padmanabhan, κ.α.). Τα μοντέλα που εκτιμούν τις απώλειες ενός καναλιού, επί παραδείγματι, χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της παραμέτρου SS σε WLAN εγκαταστάσεις εσωτερικού χώρου. Στο σύστημα των Bahl and Padmanabhan, θεωρείται ο συντελεστής εξασθένισης του σήματος κατά την διέλευση από τοίχο (Wall Attenuation Factor - WAF) και η λαμβανόμενη ισχύς του σήματος εκτιμάται ως εξής: d wwaf, w C Pd Pd0 10 nlog10 d0 C WAF, w C (2.3) Όπου: 0 P d : η λαμβανόμενη ισχύς για μετάδοση σε μια απόσταση αναφοράς d 0 n: ο εκθέτης απωλειών καναλιού (n=2 για τον ελεύθερο χώρο) w: ο αριθμός των τοίχων που μεσολαβούν μεταξύ πομπού και δέκτη 22

23 C: το κατώφλι που τίθεται στο συγκεκριμένο μοντέλο για τον αριθμό των τοίχων w Ο συντελεστής εξασθένισης WAF εκτιμάται εμπειρικά έπειτα από μερικές μετρήσεις στον υπό εξέταση χώρο. Επίσης, υπάρχουν περιπτώσεις στις οποίες χρησιμοποιούνται agents προκειμένου να γίνει ανανέωση των παραμέτρων του μοντέλου. Τα συστήματα που χρησιμοποιούν αυτήν την μέθοδο για τη γένεση του LLT είναι φθηνότερα συγκρινόμενα με τις προηγούμενες μεθόδους, αλλά και λιγότερο ακριβή. Τέλος, η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για AHL εντοπισμό έχοντας σα βάση απλά μοντέλα με προκαθορισμένες παραμέτρους, όπως επίσης και σε WAL εξαιτίας του γεγονότος ότι είναι αρκετά αποτελεσματική σε μεγάλους χώρους Τεχνική εκτίμησης (estimation technique) Υπάρχουν δυο βασικές τεχνικές εκτίμησης, οι οποίες αναλύονται ακολούθως: Η ντετερμινιστική αιτιοκρατική και η πιθανολογική. ΝΤΕΤΕΡΜΙΝΙΣΤΙΚΗ ΕΚΤΙΜΗΣΗ (DETERMINISTIC) Στην ντετερμινιστική εκτίμηση χρησιμοποιούνται στατιστικές παράμετροι, όπως είναι η μέση τιμή, προκειμένου να εξαχθεί ασφαλές αποτέλεσμα. Η πιο γνωστή τεχνική είναι το multilateration, το οποίο βασίζεται στη μέθοδο του τριγωνισμού (εικόνα 2.5). Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, για localization δύο διαστάσεων απαιτείται η απόσταση του LN από τρεις τουλάχιστον LBSs, ενώ στις τρεις διαστάσεις απαιτείται η απόσταση από τουλάχιστον τέσσερις LBSs. Έτσι, το πρόβλημα εντοπισμού υποβαθμίζεται σε πρόβλημα γεωμετρίας. 23

24 Εικόνα 2.5 Multilateration Σύμφωνα με την εικόνα 2.5, θεωρώντας εκπομπή κυκλικής εμβέλειας, η θέση του LN θα είναι στον κοινό τόπο που ορίζεται από τους επιμέρους κύκλους ακτίνας d i (i=1, 2, 3, 4). Το γεγονός ότι πρόκειται για έναν ευρύ τόπο και όχι για μεμονωμένο σημείο, οφείλεται στο ότι στην πράξη πάντοτε συμβαίνουν λάθη στις μετρήσεις και τις αποστάσεις. Προκειμένου να είναι όσο το δυνατόν πιο μικρός ο εν λόγω τόπος, χρησιμοποιούνται επιπλέον μέθοδοι εκτίμησης, όπως είναι η K-nearest Neighbors (Gwon et al., 2004). Όταν χρησιμοποιούνται τρεις LBSs, η τεχνική καλείται trilateration. Επίσης, όταν χρησιμοποιούνται μετρήσεις γωνιών και όχι αποστάσεων (παράμετρος AoA) από τρεις LBSs για τον προσδιορισμό της θέσης, η τεχνική λέγεται triangulation. Στην περίπτωση που είναι διαθέσιμος LLT, μπορεί να υπάρξει εκτίμηση βάσει της μεθόδου των ελαχίστων τετραγώνων (Least Square Estimation LSE). Η μετρούμενη στατιστική παράμετρος αντιπροσωπεύεται από ένα διάνυσμα MP ως εξής: MP MP1, MP2,..., MPn (2.4) Όπου: MP j : η μετρούμενη παράμετρος του j ού LBS 24

25 Το διάνυσμα παραμέτρων που μετράται κάθε φορά συγκρίνεται με παρόμοια διανύσματα που προκύπτουν από άλλες θέσεις που υπάρχουν στον LLT. Οι LLT παράμετροι για την i ή θέση, αντιπροσωπεύονται ως εξής: LP MP, MP,..., MP (2.5) i 1, i 2, i n, i Όπου: i: μεταβάλλεται στο διάστημα [1, m], με m τον αριθμό των θέσεων (δηλαδή των γραμμών του LLT). Επίσης θεωρείται ότι ο αριθμός των LBS ανά θέση είναι n. Όταν η διαδικασία της LSE εκτίμησης ολοκληρωθεί, η εκτιμώμενη θέση εισέρχεται σαν k ό στοιχείο στον LLT σύμφωνα με την ακόλουθη σχέση. jn min 2 LPk MPj LPj, i (2.6) arg i j1 Τέλος, η μέθοδος LSE χρησιμοποιείται κατά κόρον σε τεχνικές βασισμένες στην μέτρησης της SS παραμέτρου σε συστήματα LAL. ΠΙΘΑΝΟΛΟΓΙΚΗ ΕΚΤΙΜΗΣΗ (PROBABILISTIC) Η θέση ενός LN μπορεί να εκτιμηθεί βάσει της κατανομής των παραμέτρων σε διαφορετικές θέσεις. Σε αυτές τις περιπτώσεις, συνήθως χρησιμοποιούνται τεχνικές εκτίμησης όπως αυτές του Bayes. Η συνάρτηση κατανομής πιθανότητας (probability distribution function PDF) της παραμέτρου SS σε καθεμία από αυτές τις θέσεις μπορεί να επιλεγεί ως μια μη παραμετρική κατανομή βασισμένη στο ιστόγραμμα ή μπορεί να προσεγγιστεί από μια κανονική κατανομή. Σε αυτήν την περίπτωση, η LP i του LLT αντιπροσωπεύει την pdf των τιμών μιας παραμέτρου (π.χ. SS) στην i ή θέση από διαφορετικούς LBSs. Έτσι, κάθε φορά μετράται η κατανομή μιας παραμέτρου (MP) και θεωρώντας ότι οι θέσεις είναι ισοπίθανες, η ζητούμενη θέση LP k μπορεί να εκτιμηθεί βάσει του κριτηρίου μεγίστης πθανοφάνειας (maximum likelihood test): LP min / k P MP LPi (2.7) arg i 25

26 Η πιθανολογική εκτίμηση χρησιμοποιείται σε πολλά συστήματα localization, όπως αυτά των Castro et al., Ladd et al., Madigan et al., Youssef and Agrawala. Η διαφορά στη SS μεταξύ διαφόρων LBS χρησιμοποιείται για να παρέχει μια συμπαγή εκτίμηση θέσης ενάντια στους κακόβουλους χρήστες που αλλάζουν το επίπεδο της ισχύος μετάδοσης. Η μέθοδος πιθανολογικής εκτίμησης χρησιμοποιεί και στατιστική ανώτερης τάξης στις παραμέτρους του localization, γεγονός που την θωρακίζει έναντι των λανθασμένων τιμών που πάντοτε προκύπτουν κατά τις μετρήσεις. Πολλές φορές, μεταξύ δύο διαφορετικών περιοχών που έχουν παρόμοιες κατανομές παραμέτρων συμβαίνει το φαινόμενο του aliasing, κατά το οποίο δυσχεραίνεται η διάκριση των περιοχών. Σε αυτήν την περίπτωση, η λανθασμένη θέση μπορεί να επιλεγεί εξαιτίας της αδυναμίας διάκρισης των τιμών που έχουν οι παράμετροι στις αντίστοιχες καταχωρήσεις του LLT. Οι πιθανολογικές τεχνικές εκτίμησης χρησιμοποιούνται επίσης σαν ένα στάδιο μετα-επεξεργασίας, προκειμένου να βελτιωθεί η εκτίμηση και να αποφευχθεί το aliasing. Η κίνηση των χρηστών μπορεί να μοντελοποιηθεί βάσει του μοντέλου του Markov, κατά συνέπεια οι εκτιμήσεις προηγούμενων θέσεων επηρεάζουν την τρέχουσα πιθανότητα να βρεθεί ο χρήστης σε μια δεδομένη θέση. Η χρήση τέτοιων μοντέλων βελτιώνουν την ακρίβεια του localization αποφεύγοντας οποιαδήποτε ξαφνική αλλαγή στην εκτίμηση της τρέχουσας θέσης, που μπορεί να προκληθεί εξαιτίας του aliasing ή άλλων σφαλμάτων Οντότητα εντοπισμού (localizing entity) Η διαδικασία εκτίμησης της θέσης μπορεί να διενεργηθεί από την τερματική συσκευή (LN) ή από το δίκτυο, το οποίο αποτελείται από διάφορους LBSs. ΤΕΡΜΑΤΙΚΟ (CLIENT) Για localization βασισμένο στο τερματικό, ο LN προσδιορίζει από μόνος του την θέση του, ελέγχοντας σήματα από διαφορετικούς LBSs. Σε αυτήν την περίπτωση, ο κάθε LBS λειτουργεί σαν συσκευή-φάρος που στέλνει χρονικά 26

27 σφραγισμένα πακέτα με την θέση του. Ο LN μετράει την παράμετρο localization (π.χ. SS) για τα μηνύματα που στέλνονται από διαφορετικούς LBSs. Στη συνέχεια, προσδιορίζει τη θέση του, χρησιμοποιώντας τις εν λόγω μετρήσεις και τη γνώση που έχει σχετικά με τη θέση των LBSs. Το σύστημα αυτό είναι αρκετά ελκυστικό σε περιπτώσεις που η ιδιωτικότητα του χρήστη αποτελεί σημαντικό παράγοντα και το δίκτυο δεν έχει καμία γνώση σχετικά με τη θέση των χρηστών. ΔΙΚΤΥΟ (NETWORK) Στο network-based localization, το δίκτυο προσδιορίζει τη θέση του LN μετρώντας τις παραμέτρους των σημάτων από έναν LN σε διάφορους LBSs. Ο χρόνος άφιξης του σήματος ενός LN, επί παραδείγματι, μετράται σε διαφορετικούς LBSs και η θέση του προσδιορίζεται βάσει αυτών των μετρήσεων καθώς και της θέσης των LBSs, η οποία είναι γνωστή στο δίκτυο. Παρόμοια με το client-based localization, τέτοιου τύπου συστήματα είναι σημαντικά σε περιπτώσεις που η ιδιωτικότητα των χρηστών αποτελεί σημαντικό παράγοντα. Αμφότερα τα συστήματα που περιγράφηκαν στην παρούσα ενότητα μπορούν να μοιράζονται πληροφορίες σχετικά με την εκτιμώμενη θέση. Ιδιαίτερα σε περιπτώσεις όπου οι περιορισμοί περί ιδιωτικότητας είναι πιο ελαστικοί, οι δύο τύποι localization συνεργάζονται προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια (Chen, Djuknic and Richton, Moeglein and Krasner, Krishnan et al.) Ζητήματα ασφαλείας (security consideration) Η εν λόγω ενότητα δεν αποτελεί στην ουσία κατηγορία localization, ωστόσο τα διάφορα ζητήματα που θα αναφερθούν επηρεάζουν άμεσα την ακρίβεια και την αξιοπιστία του αποτελέσματος. Κατά συνέπεια, κρίθηκε σκόπιμο να ενταχθεί στο τέλος του κεφαλαίου της κατηγοριοποίησης των συστημάτων εντοπισμού θέσης. ΑΝΟΙΧΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (OPEN) Πολλά συστήματα localization, που έχουν ήδη αναφερθεί, μπορούν να θεωρηθούν ως «ανοιχτά» στον τομέα της ασφάλειας, κάτι που σημαίνει ότι οι συσκευές μπορούν εύκολα να αναφέρουν ψευδή στοιχεία για τη θέση τους. Ένας 27

28 LN, για παράδειγμα, μπορεί να εκπέμψει σε διαφορετικά επίπεδα ισχύος με αποτέλεσμα να εισάγει λανθασμένες μετρήσεις της SS στους διάφορους LBSs. Πέραν αυτής της περίπτωσης όμως, είναι δυνατές και άλλες επιθέσεις στα συστήματα localization. Για παράδειγμα, μπορεί να επέλθει αναστάτωση από κακόβουλους χρήστες είτε χρησιμοποιώντας πλαστούς LBSs, είτε αναπαράγοντας μηνύματα των LBSs (για μια δεδομένη θέση) κάπου αλλού, είτε δημιουργώντας τη λεγόμενη «σκουληκότρυπα» (wormhole), δηλαδή αποκλειστική σύνδεση δεδομένων μεταξύ των επιθετικών-κακόβουλων χρηστών. ΑΣΦΑΛΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (SECURE) Είναι προφανές ότι, για να αναπτυχθούν εμπορικές υπηρεσίες βασισμένες στην θέση, θα πρέπει να αποφεύγονται όλες οι επιθέσεις και τα σφάλματα που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη ενότητα. Τα συστήματα ασφαλούς localization (Anjum et al., Tao et al., Lazos et al., Pandey et al., κ.α.) είναι ανθεκτικά σε όλα τα παραπάνω και κερδίζουν ολοένα και περισσότερο την προσοχή του κοινού. Επίσης, η ασφάλεια αποτελεί σημαντικό παράγοντα στα δίκτυα αισθητήρων, τα οποία χρησιμοποιούνται και για στρατιωτικούς σκοπούς. Ο ασφαλής εντοπισμός θέσης γίνεται με διάφορα μέσα, όπως είναι η κρυπτογράφηση αλλά και η χρήση nonces (τυχαίοι αριθμοί). Ωστόσο, συγκρινόμενα με τα ανοικτά συστήματα, απαιτούν περισσότερους πόρους από την άποψη του υπολογισμού, του εύρους ζώνης, της ενέργειας, κ.α. 2.3 Επιλογή ενός συστήματος localization Στην παρούσα ενότητα περιγράφονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή ενός συστήματος localization. Να τονιστεί πως οι απαιτήσεις που περιγράφονται διαφέρουν ανάλογα με την περίπτωση, ωστόσο αποτελούν τα γενικά χαρακτηριστικά που καθορίζουν την επιλογή σε εγκαταστάσεις εμπορικού, εταιρικού και στρατιωτικού σκοπού. ΚΟΣΤΟΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ 28

29 Αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους παράγοντες σε εμπορικούς αλλά και εταιρικούς σχηματισμούς. Το συνολικό κόστος αποτελείται από τα έξοδα της αρχικής εγκατάστασης μαζί με τα έξοδα συντήρησης. Επίσης, μπορεί να περιλαμβάνει τη δαπάνη για την ανάπτυξη του LBS, την αναβάθμιση της συσκευής του χρήστη και οτιδήποτε σχετίζεται με τον LLT (ανάπτυξη, κατάρτιση, συντήρηση). Για εγκαταστάσεις χαμηλού κόστους, πολλές φορές είναι επιθυμητό να επικαλύπτεται το σύστημα localization από το υπάρχον δίκτυο, ούτως ώστε να αποφεύγεται το κόστος της δημιουργίας ενός νέου. Τέλος, συστήματα που στοχεύουν στην επίτευξη του εν λόγω παράγοντα είναι το DAIR και το TRaVarSeL. ΑΚΡΙΒΕΙΑ Όπως ήδη έχει γίνει σαφές, η επίτευξη ικανοποιητικής ακρίβειας επηρεάζεται από πολλές παραμέτρους (επιλογές φυσικού επιπέδου, τεχνική εκτίμησης, κτλ.). Σε εγκαταστάσεις δικτύων στρατιωτικού σκοπού (π.χ. sensor networks) η σημασία της ακρίβειας γίνεται ακόμα μεγαλύτερη. Ωστόσο, σε εμπορικά δίκτυα, τα οποία χρησιμοποιούν συστήματα εντοπισμού προκειμένου να στείλουν διαφημίσεις σε γειτονικά καταστήματα, η απαιτούμενη ακρίβεια μπορεί να μην είναι τόσο υψηλή. Επ αυτού, το σύστημα των Krishnakumar και Krishnan (2005) έδειξε ότι η θέση ενός συστήματος εντοπισμού με βάση την παράμετρο SS κινείται σε μια ελλειπτική περιοχή, η οποία μειώνεται με την αύξηση της σταθεράς διάδοσης, την αύξηση του αριθμού των LBSs και την μείωση της απόστασης μεταξύ LN και LBS. Επίσης, το σύστημα των Youssef και Agrawala (2005) εστιάζει στη βελτίωση της ακρίβειας χρησιμοποιώντας μοντέλα αυτό-παλινδρόμησης (autoregressive models) προκειμένου να μειωθεί η διακύμανση της παραμέτρου SS. Ομοίως, στο A-GPS ο LN χρησιμοποιεί πρόσθετες διορθώσεις από τους κυψελοειδείς σταθμούς βάσεις προκειμένου να μειωθούν τα σφάλματα της παραμέτρου ToA και να βελτιωθούν οι εκτιμήσεις του GPS. ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΠΟΡΩΝ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑ 29

30 Οι απαιτήσεις πόρων των ασύρματων δικτύων ποικίλουν σημαντικά ανάλογα με τον τύπο του δικτύου όπου το σύστημα εντοπισμού αναπτύσσεται. Για τα δίκτυα αισθητήρων, επί παραδείγματι, υπάρχει ζήτηση για συστήματα χαμηλής πολυπλοκότητας και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας. Όπως είναι σαφές, οι πόροι που χρησιμοποιεί ένα σύστημα localization, επηρεάζουν ευθέως την απόδοσή του. Το SELFLOC (Gwon et al., 2004) συνδυάζει τα αποτελέσματα πολλαπλών συστημάτων εκτίμησης θέσης για να βελτιώσει την ακρίβειά του. Σε περίπτωση που υπάρχουν διαθέσιμα δίκτυα Bluetooth και και χρησιμοποιούνται αμφότερες οι τεχνολογίες, η βελτίωση της ακρίβειας μπορεί να αγγίξει μέχρι και 70%. Οι LBSs συνήθως έχουν περισσότερους πόρους σε σχέση με τους LNs. Ως εκ τούτου, η υπολογιστική πολυπλοκότητα μιας εργασίας εντοπισμού οφείλεται κυρίως στους LBSs. Τέλος, στις εμπορικές ασύρματες εγκαταστάσεις, οι διαθέσιμοι πόροι και η πολυπλοκότητα αυτών αποτελούν σημαντικά ζητήματα, μιας και η σωστή πρόβλεψή τους μειώνει το κόστος εγκατάστασης και καθιστά ικανό το σύστημα να «φιλοξενήσει» τις χαμηλού κόστους συσκευές των χρηστών. ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΣΤΟ ΥΠΑΡΧΟΝ ΔΙΚΤΥΟ Το δίκτυο που υπάρχει ήδη σε μια περιοχή, μπορεί να υποστεί κάποια επιβάρυνση κόστους λόγω ενός συστήματος localization που ίσως εγκατασταθεί στην ίδια περιοχή. Αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα σε συστήματα όπως το GPS, ωστόσο υπάρχουν περιπτώσεις συστημάτων τα οποία έχουν αναπτυχθεί πάνω από ήδη υπάρχον δίκτυο (Bahl and Padmanabhan, He et al., Venkatraman and Caffery) και δημιουργούν προβλήματα. Έτσι, η επιπρόσθετη καθυστέρηση που εισάγεται από τέτοια συστήματα αλλά η κίνηση και η επεξεργασία των δεδομένων στο localization, επιδρούν στην απόδοση του υπάρχοντος δικτύου (π.χ. διακοπή σύνδεσης των χρηστών, μείωση της κινητικότητάς τους, καθυστέρηση στην επικοινωνία, κ.α.). Ενδεικτικά, στο σύστημα του Anjum et al. τα μηνύματα που μεταδίδονται σχετικά με το localization, μειώνουν την απόδοση ενώ στα συστήματα των Faria and Cheriton καθυστερεί η συνδεσιμότητα του χρήστη. 30

31 Οι επιπτώσεις αυτές θα πρέπει πάντοτε να γίνονται κατανοητές πριν την επιλογή ενός συστήματος εντοπισμού. Για παράδειγμα, σε στρατιωτικές εφαρμογές ο παράγοντας της επίδρασης στο δίκτυο είναι πολύ σημαντικός εξαιτίας της κρισιμότητας τέτοιου είδους επικοινωνιών και της αναγκαιότητας για κινητικότητα χρηστών υψηλής ποιότητας. ΙΔΙΩΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΑΣΦΑΛΕΙΑ Ένας εισβολέας ή κακόβουλος χρήστης ενός συστήματος επιθυμεί πάντοτε να αποκτά πρόσβαση στους πόρους ενός δικτύου προκειμένου να διαταράξει ένα σύστημα ή να λάβει εμπιστευτικά στοιχεία. Επίσης, μπορεί να διαταράξει ένα localization σύστημα, μεταδίδοντας ψευδείς πληροφορίες σχετικά με τη θέση του και να αποκτήσει πρόσβαση σε υπηρεσίες που βασίζονται στον εντοπισμό θέσης. Το ασφαλές localization παρέχει ασφάλεια που αποτρέπει τους κακόβουλους χρήστες (οι οποίοι έχουν παραβιάσει το σύστημα ελέγχου ταυτότητας) να έχουν πρόσβαση σε δεδομένα. Το σύστημα των Faria και Cheriton (2004) περιγράφει localization για έλεγχο ταυτότητας, όπου στο χρήστη παρέχεται πρόσβαση σε δίκτυο μόνο μέσα σε μια προκαθορισμένη περιοχή. Όπως προαναφέρθηκε σε προηγούμενη ενότητα, η ιδιωτικότητα είναι ένα πολύ σημαντικό θέμα στον εντοπισμό της θέσης των χρηστών, ιδίως στην περίπτωση των WAL και LAL, μιας και πολλοί χρήστες δεν επιθυμούν να γνωστοποιείται η θέση τους σε άλλους χρήστες του δικτύου. Ωστόσο, η απαίτηση για ασφάλεια και ιδιωτικότητα συχνά οδηγεί σε αντικρουόμενα ζητήματα σχεδιασμού. Δεδομένου ότι το localization πραγματοποιείται με την μέτρηση παραμέτρων φυσικού επιπέδου (π.χ. της SS), η ιδιωτικότητα μπορεί να τεθεί σε κίνδυνο ακόμα και σε περιπτώσεις ασφαλών κρυπτογραφημένων δικτύων. Τέλος, σε στρατιωτικές εγκαταστάσεις τα συστήματα εντοπισμού αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας την τεχνική του spread spectrum, κατά την οποία ένα σήμα «διαχέεται» σε μεγαλύτερο εύρος ζώνης. Έτσι, τέτοια σήματα εμφανίζονται ως θόρυβος σε όλους τους δέκτες εκτός από τους επιδιωκόμενους παραλήπτες. ΤΥΠΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ 31

32 Ο τύπος του περιβάλλοντος επιδρά σε επιλογές που αφορούν το φυσικό επίπεδο, τη γένεση του LLT, την τεχνική εκτίμησης, κ.α. Κατά συνέπεια, επιδρά στην τελική επιλογή ενός συστήματος εντοπισμού. Το περιβάλλον μπορεί να είναι στατικό όπως στην περίπτωση του WLAN, αλλά και δυναμικό όπως ένα κινητό adhoc δίκτυο στρατιωτικού τάγματος. Στη συνέχεια, παρατίθεται ένας πίνακας που δείχνει τη σημασία του κάθε παράγοντα σε εμπορικές, εταιρικές και στρατιωτικές εγκαταστάσεις. Παράγοντας Εμπορικές εγκαταστάσεις Εταιρικές εγκαταστάσεις Στρατιωτικές εγκαταστάσεις Κόστος εγκατάστασης High Medium Low Ακρίβεια Low Medium High Απαιτήσεις πόρων και υπολογιστική High Medium Low πολυπλοκότητα Επίδραση στο υπάρχον δίκτυο Low Medium High Ασφάλεια Medium Medium High Ιδιωτικότητα High Medium Medium Τύπος περιβάλλοντος Low Low High Πίνακας 2.2 Παράγοντες επιλογής συστήματος εντοπισμού 32

33 3. Το λειτουργικό σύστημα Android 3.1 Ιστορική αναδρομή Ξεκινώντας την περιήγηση στον κόσμο του Android, θα ήταν καλό να αναφερθούν ορισμένα σημαντικά ιστορικά στοιχεία. Κάτι που δεν είναι ευρέως γνωστό, είναι το γεγονός ότι η Android Inc. στο ξεκίνημά της αποτελούσε μια ανεξάρτητη εταιρεία ανάπτυξης λογισμικού, η οποία ιδρύθηκε στο Palo Alto της California, USA από τους Andy Rubin, Rich Miner, Nick Sears και Chris White. Σύμφωνα με τα λόγια του Rubin, ο στόχος της εταιρείας ήταν να δημιουργήσει έξυπνες κινητές συσκευές, οι οποίες θα έχουν επίγνωση της θέσης του ιδιοκτήτη καθώς και των επιλογών του..!. Τον Αύγουστο του 2005, η Google Inc. εξαγόρασε την Android καθιστώντας την εξ ολοκλήρου θυγατρική της, με βασικά στελέχη της τους Rubin, Miner και White. Ήταν ένα αρκετά τολμηρό εγχείρημα, το οποίο αρκετά αργότερα ο αντιπρόεδρος του τμήματος ανάπτυξης της Google, David Lawee, αναγνώρισε ως την καλύτερη διαπραγμάτευση που έγινε ποτέ ( best deal ever!, 16 th annual Stanford Accel Symposium). Οι περισσότεροι τότε υπέθεσαν ότι η Google σχεδίαζε να βάλει στη αγορά το κινητό τηλέφωνο με αυτήν την κίνηση, μιας και την περίοδο της εξαγοράς η Android δεν ήταν ιδιαιτέρως γνωστή. Τον Σεπτέμβρη του 2007, το εβδομαδιαίο περιοδικό InformationWeek κάνοντας μια μελέτη γύρω από το θέμα, αναφέρει πως η Google είχε καταθέσει αρκετές εφαρμογές ευρεσιτεχνίας στον τομέα της κινητής τηλεφωνίας. Στις 5 Νοεμβρίου 2007 ανακοινώνεται η ίδρυση της Open Handset Alliance. Πρόκειται για μια κοινοπραξία 84 συνολικά εταιρειών με αντικείμενο το hardware, το software και τις τηλεπικοινωνίες (Broadcom Corporation, Google, HTC, Intel, LG, Marvell Technology Group, Motorola, Nvidia, Qualcomm, Samsung Electronics, Sprint Nextel, T-Mobile, Texas Instruments, κ.α.). Ο σκοπός της κοινοπραξίας είναι η ανάπτυξη ανοιχτών προτύπων για τις κινητές συσκευές. Την ίδια ημέρα, η Open 33

34 Handset Alliance παρουσίασε το πρώτο προϊόν της, το Android, μια πλατφόρμα κινητής συσκευής, η οποία βασίζεται στον πυρήνα του Linux (Linux kernel). Έτσι, η Google κυκλοφόρησε το μεγαλύτερο μέρος του κώδικα Android σύμφωνα με τα πρότυπα της άδειας χρήσης ελεύθερου λογισμικού Apache (Apache License). Το Android Open Source Project (AOSP), όπως λέγεται, είναι επιφορτισμένο με την διατήρηση αλλά και την περαιτέρω ανάπτυξη του Android. Ολοκληρώνοντας την ιστορική αναδρομή να προστεθεί πως στις 9 Δεκέμβρη 2008 στην OHA συμπεριλήφθηκαν 14 νέα μέλη (ARM Holdings, Atheros Communications, Asustek Computer Inc, Garmin Ltd, Huawei Technologies, PacketVideo, Softbank, Sony Ericsson, Toshiba Crop και Vodafone Group Plc). Εικόνα 3.1 Λογότυπο Android 3.2 Ορισμός και δομή του Android Το Android είναι ένα λειτουργικό σύστημα για φορητές και μη φορητές συσκευές όπως είναι τα smartphones, τα tablet computers, τα netbooks και το Google TV. Είναι ανοικτού κώδικα (open source), έχει ισότιμες εφαρμογές, επεκτείνει τις δυνατότητες των εφαρμογών και παρέχει γρήγορη, εύκολη και δωρεάν ανάπτυξη. Το Android SDK (Software Development Kit) παρέχει ελεύθερα και δωρεάν τα απαραίτητα εργαλεία και APIs για να αναπτυχθούν προγράμματα, χρησιμοποιώντας την γλώσσα προγραμματισμού Java. Η ανάπτυξη λογισμικού, που 34

35 γίνεται με την βοήθεια ενός plugin (Android Development Tools, ADT) της Google που εγκαθίσταται στον Eclipse, καθώς και ο emulator εκτελούνται τόσο στα Windows όσο και σε Linux. Περισσότερες λεπτομέρειες προγραμματιστικού περιεχομένου ωστόσο θα δοθούν στο επόμενο κεφάλαιο. Το Android έχει μια μεγάλη κοινότητα προγραμματιστών που αναπτύσσουν εφαρμογές, οι οποίες επεκτείνουν τη λειτουργικότητα των συσκευών. Όπως προαναφέρθηκε, οι προγραμματιστές γράφουν κατά κύριο λόγο σε μια προσαρμοσμένη έκδοση της Java. Σήμερα υπάρχουν πάνω από εφαρμογές διαθέσιμες για το Android, τις οποίες οι χρήστες μπορούν να προμηθευτούν από δικτυακούς τόπους τρίτων ή μέσω online καταστημάτων όπως το Android Market, το online app κατάστημα της Google. Εν κατακλείδι, η ευελιξία, η ευκολία και η ελευθερία πρόσβασης στον κώδικα του Android δικαιολογούν απόλυτα την εντυπωσιακή αύξηση της δημοτικότητας του. Στο ακόλουθο γράφημα, το οποίο δημοσιεύτηκε τον Οκτώβριο του 2011, αποτυπώνεται το μερίδιο αγοράς που καταλαμβάνει το κάθε λειτουργικό σύστημα κινητών συσκευών. Εικόνα 3.2 Μερίδιο αγοράς (Πηγή: Οκτώβριος 2011) 3.3 Ιστορικό εκδόσεων Το λειτουργικό Android ξεκίνησε με την απελευθέρωση της έκδοσης 1.0 το Σεπτέμβριο του Ωστόσο, στην αγορά κυκλοφορούν σε τακτά χρονικά διαστήματα ενημερώσεις, οι οποίες επεκτείνουν με εντυπωσιακό τρόπο την αρχική έκδοση. Η βασική λογική μιας ενημέρωσης ωστόσο παραμένει η διόρθωση των 35

36 σφαλμάτων προηγούμενων κυκλοφοριών. Τα ονόματα της κάθε έκδοσης προκύπτουν κατά αλφαβητική σειρά από ονόματα επιδορπίων(!). Στη συνέχεια παρατίθενται αναλυτικά όλες οι εκδόσεις και τα κυριότερα χαρακτηριστικά τους. ΈΚΔΟΣΗ 1.0 Η πρώτη έκδοση κυκλοφόρησε από την πρώτη Android συσκευή, το HTC Dream ή T-Mobile G1 (εικόνα 3.3) όπως αλλιώς λέγεται, στις 23 Σεπτεμβρίου Τα χαρακτηριστικά της περιλαμβάνουν: Το Android Market, μέσω το οποίου μπορεί να γίνει λήψη εφαρμογών και ενημερώσεων. Πρόγραμμα περιήγησης στο internet με πλήρη υποστήριξη HTML και XHTML σελίδων. Υποστήριξη κάμερας, χωρίς ωστόσο να υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής της ανάλυσης. Ύπαρξη και επεξεργασία φακέλων. Ηλεκτρονική αλληλογραφία με δυνατότητα πρόσβασης σε servers και υποστήριξη των πρωτοκόλλων POP3, IMAP4 και SMTP. Συγχρονισμός του Gmail μέσω της αντίστοιχης εφαρμογής. Συγχρονισμός των επαφών Google μέσω της εφαρμογής People. Συγχρονισμός του ημερολογίου Google μέσω της εφαρμογής Calendar. Η συνεργασία των Google εφαρμογών Google Maps, Latitude και Street View, παρέχουν την δυνατότητα να βρει ο χρήστης τοπικές επιχειρήσεις και να λάβει οδηγίες κατεύθυνσης με τη βοήθεια του GPS. Το Google Sync επιτρέπει την διαχείριση του συγχρονισμού των εφαρμογών Gmail, People και Calendar. Αναζήτηση Google για εφαρμογές τηλεφώνου, επαφές, ημερολόγιο, κτλ. Δυνατότητα άμεσων μηνυμάτων, μέσω του Google Talk. Αποστολή άμεσων μηνυμάτων, μηνυμάτων κειμένου και MMS. Το Media Player επιτρέπει τη διαχείριση, την εισαγωγή και την αναπαραγωγή πολυμέσων. Εμφάνιση ειδοποιήσεων (notifications) στη γραμμή κατάστασης (status bar). 36

37 Η υπηρεσία φωνητικής κλήσης επιτρέπει την πραγματοποίηση τηλεφωνημάτων χωρίς να προηγηθεί πληκτρολόγηση του ονόματος ή του αριθμού. Ο χρήστης μπορεί να ορίσει μια εικόνα φόντου ή μια φωτογραφία πίσω από την αρχική οθόνη Δυνατότητα αναπαραγωγής βίντεο YouTube. Οι κοινές εφαρμογές συμπεριλαμβάνουν ξυπνητήρι, αριθμομηχανή, dialer, gallery φωτογραφιών και ρυθμίσεις. Τέλος, υποστηρίζονται τεχνολογίες Wi-Fi και Bluetooth. Εικόνα 3.3 T-Mobile G1 ΈΚΔΟΣΗ 1.1 Στις 9 Φεβρουαρίου 2009 κυκλοφόρησε το Android 1.1 αποκλειστικά για το T-Mobile G1 και πάλι. Πρόκειται για μια ενημέρωση στην οποία επιλύθηκαν σφάλματα, έγιναν αλλαγές στο API και προστέθηκαν ζητήματα όπως: Λεπτομέρειες και σχόλια στους χάρτες με αποτέλεσμα, όταν ένας χρήστης κάνει μια αναζήτηση στο Maps και κάνει κλικ σε μια επιχείρηση, να μπορεί να βλέπει τις λεπτομέρειες της. Εμφάνιση και απόκρυψη του dialpad στο dialer. Αποθήκευση συνημμένων μηνυμάτων. 37

38 Προστέθηκε υποστήριξη marquee στο layout του συστήματος. ΈΚΔΟΣΗ 1.5 (CUPCAKE) Με βάση το Linux kernel , στις 30 Απριλίου 2009 κυκλοφόρησε επίσημα η έκδοση 1.5, η επονομαζόμενη και Cupcake. Σε αυτήν την προσπάθεια, υπήρξαν αρκετά νέα χαρακτηριστικά και ενημερώσεις UI (user interface). Υποστήριξη εικονικού πληκτρολογίου με δυνατότητα πρόβλεψης λεξικού χρήστη για προσαρμοσμένες λέξεις. Υποστήριξη widgets, δηλαδή μικροεφαρμογές οι οποίες μπορούν να ενσωματωθούν σε άλλες εφαρμογές (όπως στην αρχική οθόνη) και να λαμβάνουν περιοδικές ενημερώσεις. Εγγραφή βίντεο. Αναπαραγωγή βίντεο αρχείων με επεκτάσεις MPEG-4 και 3GP. Στην υπηρεσία Bluetooth προστέθηκε stereo υποστήριξη, βάσει των προφίλ A2DP και AVRCP. Στο περιηγητή internet (web browser) έγιναν προσθήκες που αφορούν την αντιγραφή και την επικόλληση. Στις επαφές εμφανίζεται η εικόνα του άλλου χρήστη. Σε ότι αφορά το dialer, υπάρχει συγκεκριμένη σφραγίδα ημερομηνίας και ώρας για τα γεγονότα στο αρχείο κλήσεων και δυνατότητα πρόσβασης σε μια επαφή μέσω του εν λόγω αρχείου. Εφέ κίνησης συνοδεύουν τις διάφορες μεταβάσεις στην οθόνη. Ανέβασμα (upload) βίντεο στο YouTube. Ανέβασμα φωτογραφιών στο Picasa. ΈΚΔΟΣΗ 1.6 (DONUT) Με βάση το Linux kernel , στις 15 Σεπτέμβρη 2009 κυκλοφόρησε η επόμενη νέα έκδοση, κατά την οποία: Η φωνητική αναζήτηση και το κείμενο αναζήτησης βελτιώνονται έτσι ώστε να περιλαμβάνονται οι σελιδοδείκτες, το ιστορικό, οι επαφές, το διαδίκτυο, κ.α. 38

39 Οι προγραμματιστές μπορούν να συμπεριλάβουν πλέον το προϊόν τους στα αποτελέσματα αναζήτησης. Υπηρεσία κειμένου σε ομιλία, κατά την οποία διατίθεται μια πολύγλωσση μηχανή σύνθεσης ομιλίας που επιτρέπει σε κάθε Android εφαρμογή να παράγει μια συμβολοσειρά κειμένου. Στο Android Market η αναζήτηση γίνεται πλέον ευκολότερα. Ενσωματώθηκαν ενημερώσεις για ταχύτερη πρόσβαση στην κάμερα. Στην gallery εικόνων επιτρέπεται πλέον στους χρήστες να επιλέξουν πολλές φωτογραφίες για ταυτόχρονη διαγραφή. Ενημέρωση του συστήματος για την υποστήριξη των τεχνολογιών CDMA, EVDO, 802.1x και VPNs. Υποστήριξη WVGA ανάλυση οθόνης. Βελτιώσεις στην ταχύτητα αναζήτησης καθώς και στις εφαρμογές φωτογραφικής μηχανής Διεύρυνση του Gesture framework και υποστήριξη του νέου εργαλείου ανάπτυξης GestureBuilder για face-to-face επικοινωνία. Δωρεάν δυνατότητα από την Google για turn-by-turn πλοήγηση, κατά την οποία το σύστημα ενημερώνει συνεχώς τον χρήστη σχετικά με την βέλτιστη διαδρομή προς τον προορισμό του. ΈΚΔΟΣΗ 2.0 (ECLAIR) Με βάση το Linux kernel και πάλι, στις 26 Οκτώβρη 2009 κυκλοφορεί η πρώτη έκδοση από την σειρά Eclair, κατά την οποία υπάρχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Διεύρυνση του συγχρονισμού λογαριασμού, κατά την οποία πολλαπλοί λογαριασμοί μπορούν να προστεθούν σε μια συσκευή για ηλεκτρονική αλληλογραφία και συγχρονισμό επαφών. Επέκταση στις υπηρεσίες ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, όπως είναι η υποστήριξη ανταλλαγών, κ.α. Τεχνολογία Bluetooth

40 Επιλογή μιας φωτογραφίας επαφής και δυνατότητα αποστολής , SMS και τηλεφωνικής κλήσης. Αναζήτηση όλων των αποθηκευμένων μηνυμάτων (SMS, MMS). Αυτόματη διαγραφή παλαιότερων μηνυμάτων μιας συνομιλίας, όταν ξεπερνούν ένα προκαθορισμένο όριο. Σε ότι αφορά την κάμερα, πλέον υπάρχει υποστήριξη flash, ψηφιακό zoom, λειτουργία σκηνής, ισορροπία λευκού, εφέ χρωμάτων, macro εστίαση. Βελτιωμένη ταχύτητα δακτυλογράφησης σε ότι αφορά το εικονικό πληκτρολόγιο, εξυπνότερο λεξικό που μαθαίνει από την χρήση των λέξεων και περιλαμβάνει τα ονόματα των επαφών. Στον web browser υπάρχει ανανεωμένο UI, μικρογραφίες σελιδοδεικτών, zoom με διπλό χτύπημα και υποστήριξη HTML5. Στο ημερολόγιο ενισχύθηκε η προβολή ατζέντας, ευκολότερη ενημέρωση της κατάστασης των υπολοίπων αλλά και εύκολη πρόσκληση σε νέα γεγονότα. Βελτιωμένη ταχύτητα υλικού συστήματος καθώς και καλύτερο UI. Υποστήριξη οθόνης μεγαλύτερου μεγέθους, υψηλότερης ανάλυσης και με καλύτερη αναλογία αντίθεσης. Βελτιωμένοι και πληρέστεροι χάρτες με το Google Maps Η κλάση MotionEvent παρουσιάζεται ενισχυμένη για multi-touch ενέργειες. Οι εικόνες φόντου και αρχικής οθόνης μπορούν πλέον να είναι κινουμένων σχεδίων. ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΑΙ 2.1 (ECLAIR) Στις 3 Δεκεμβρίου 2009 κυκλοφορεί η έκδοση 2.0.1, η οποία περιλαμβάνει μικρές αλλαγές στο API, διορθώσεις σφαλμάτων και αλλαγές στην συμπεριφορά του framework. Περίπου ένα μήνα αργότερα, στις 12 Ιανουαρίου 2010 κυκλοφορεί η 2.1 έκδοση για να εισάγει μερικές ακόμη αλλαγές στο API και κάποιες διορθώσεις σφαλμάτων και να ολοκληρώσει την σειρά εκδόσεων Eclair. ΈΚΔΟΣΗ 2.2 (FROYO) Βάσει του Linux kernel , στις 20 Μαΐου 2010 κυκλοφορεί μια ακόμη έκδοση με νέα ονομασία (Froyo). Οι αλλαγές που περιλαμβάνονται είναι: 40

41 Βελτιστοποίηση συστήματος σε ότι σχετίζεται με ταχύτητα, μνήμη και απόδοση. Πρόσθετες βελτιώσεις ταχύτητας στη JIT μεταγλώττιση. Ενσωμάτωση της μηχανής V8 JavaScript του Chrome στην εφαρμογή περιήγησης. Βελτιωμένη υποστήριξη Microsoft Exchange. Βελτιωμένη εκκίνηση εφαρμογών με έξυπνες συντομεύσεις στο τηλέφωνο. USB διασύνδεση με άλλες συσκευές και λειτουργία σαν Wi-Fi hotspot. Προσθήκη επιλογής για απενεργοποίηση πρόσβασης σε δεδομένα μέσω του δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Ενημέρωση Android Market και προσθήκη λειτουργιών αυτόματης ενημέρωσης. Γρήγορη εναλλαγή μεταξύ των πολλών γλωσσών πληκτρολογίου αλλά και των λεξικών τους. Φωνητική κλήση και κοινή χρήση επαφών μέσω Bluetooth. Υποστήριξη αριθμητικών και αλφαριθμητικών κωδικών πρόσβασης. Υποστήριξη πεδίων για ανέβασμα αρχείων στην εφαρμογή περιήγησης. Δυνατότητα εγκατάστασης εφαρμογών στην επεκτάσιμη μνήμη. Υποστήριξη Adobe Flash. Υποστήριξη οθονών ακόμα υψηλότερων DPIs. ΈΚΔΟΣΗ 2.3 (GINGERBREAD) Η εν λόγω έκδοση κυκλοφόρησε στις 6 Δεκεμβρίου 2010 με το Linux kernel Συνοπτικά, τα νέα χαρακτηριστικά αφορούν: Ενημερωμένη διεπαφή χρήστη μηχανής για απλότητα και ταχύτητα. Υποστήριξη πολύ μεγάλων μεγεθών οθόνης καθώς και αναλύσεων (WXGA και άνω) Υποστήριξη για VoIP τηλεφωνία. Αναφορικά με το εικονικό πληκτρολόγιο, υπάρχει εξέλιξη που εμπίπτει στην γρηγορότερη και εξυπνότερη εισαγωγή κειμένου, με βελτιωμένη ακρίβεια. 41

42 Βελτιστοποιημένη η λειτουργία της αντιγραφής επικόλλησης. Δυνατότητα επιλογής της επιθυμητής λέξης με απλό press-hold. Το άμεσο πεδίο επικοινωνίας (Near Field Communication, NFC) επιτρέπει στο χρήστη να διαβάσει μια NFC ετικέτα ενσωματωμένη σε μια αφίσα, σε ένα αυτοκόλλητο ή μια διαφήμιση. Νέα εφέ ήχου, όπως είναι η αντήχηση, η εξίσωση, κτλ. Ο νέος οδηγός λήψεων (Download Manager) παρέχει στους χρήστες εύκολη πρόσβαση σε οποιοδήποτε ληφθέν αρχείο. Πρόσβαση σε πολλαπλές κάμερες της συσκευής, συμπεριλαμβανομένης και αυτής που βρίσκεται στο μπροστινό μέρος του κινητού (εφόσον υπάρχει). Υποστήριξη αναπαραγωγής βίντεο για επεκτάσεις WebM/VP8 και AAC κωδικοποίηση ήχου. Βελτιωμένη διαχείριση ενέργειας με έναν πιο ενεργό ρόλο στη διαχείριση των εφαρμογών που κρατούν τη συσκευή σε έντονη λειτουργία για πάρα πολύ ώρα. Ενισχυμένη υποστήριξη για ανάπτυξη κώδικα. Μεταπήδηση του συστήματος αρχείων από YAFFS σε ext4 στις νεώτερες συσκευές. Βελτιώσεις σε ήχο και γραφικά που βοηθούν τους προγραμματιστές παιχνιδιών. Δυνατότητα συλλογής «απορριμμάτων» για αύξηση της απόδοσης. Υποστήριξη περισσότερων αισθητήρων (sensors), όπως είναι τα γυροσκόπια και τα βαρόμετρα. ΕΚΔΟΣΕΙΣ Η έκδοση επέφερε ορισμένες αλλαγές στο API σε σχέση με την αρχική πλατφόρμα 2.3. Η εισήγαγε στο Google Talk τη δυνατότητα συνομιλίας με φωνή ή βίντεο. Η επόμενη έκδοση, μεταξύ άλλων, βελτίωσε την απόδοση του δικτύου στο Nexus S 4G (εικόνα 3.4), διόρθωσε τα σφάλματα του Bluetooth στο Samsung Galaxy S και βελτίωσε την εφαρμογή για το Gmail. 42

43 Εικόνα 3.4 Samsung Nexus S ΈΚΔΟΣΗ 3.0 (HONEYCOMB) Στις 22 Φεβρουαρίου 2011, η πρώτη έκδοση από την σειρά Honeycomb κυκλοφόρησε για tablet computer με βάση το Linux kernel Η πρώτη συσκευή που χαρακτηρίζει αυτή την έκδοση είναι το tablet Motorola Xoom (εικόνα 3.5), το οποίο κυκλοφόρησε στις 24 Φεβρουαρίου Οι αλλαγές περιλαμβάνουν: Βελτιστοποιημένη υποστήριξη tablet τεχνολογίας με νέο εικονικό περιβάλλον και διεπαφή χρήστη υπό μορφή ολογράμματος. Γρήγορη πρόσβαση σε ανακοινώσεις και στην κατάσταση του τηλεφώνου με την βοήθεια μαλακών πλήκτρων στο κάτω μέρος της οθόνης. Πρόσβαση σε ρυθμίσεις, πλοήγηση, widgets ή άλλο περιεχόμενο από την κορυφή της οθόνης. Καρφίτσωμα πρόσφατων εφαρμογών στην γραμμή συστήματος, προκειμένου να υπάρχει η δυνατότητα πρόσβασης σε εν εξελίξει εργασίες, αλλά και γρήγορη μετάβαση από τη μία εφαρμογή στην άλλη. Επανασχεδιασμένο πληκτρολόγιο. Απλοποίηση των διαδικασιών αντιγραφής και επικόλλησης. Πολλαπλές καρτέλες αντικατέστησαν τα παράθυρα του προγράμματος περιήγησης και δυνατότητα για ανώνυμη περιήγηση. 43

44 Αναφορικά με την κάμερα, υπάρχει δυνατότητα γρήγορης πρόσβαση στην έκθεση, δυνατότητα εστίασης, flash, zoom, κάμερα στο μπροστινό μέρος της συσκευής, κ.α. Προβολή άλμπουμ και άλλων συλλογών σε πλήρη οθόνη, με εύκολη πρόσβαση σε μικρογραφίες άλλων φωτογραφιών. Το UI two-pane επιτρέπει στους χρήστες να οργανώνουν και να εντοπίζουν τις επαφές τους εύκολα. Επίσης, η εν λόγω τεχνολογία κάνει την προβολή και την οργάνωση των μηνυμάτων ηλεκτρονικού ταχυδρομείου περισσότερο αποτελεσματική. Υποστήριξη video chat χρησιμοποιώντας το Google Talk. Επιταχυνόμενο hardware. Υποστήριξη για επεξεργαστές πολλών πυρήνων. Εικόνα 3.5 Motorola XOOM ΈΚΔΟΣΗ 3.1 (HONEYCOMB) Το Android 3.1 κυκλοφόρησε στις 10 Μαΐου Οι αλλαγές που περιλαμβάνονται αφορούν: Βελτιώσεις στο UI. Συνδεσιμότητα αξεσουάρ μέσω USB. Διευρυμένη λίστα προσφάτων εφαρμογών. 44

45 Δυνατότητα αλλαγής μεγέθους των widgets στην αρχική οθόνη. Υποστήριξη για εξωτερικά πληκτρολόγια και ποντίκια. Υποστήριξη για χειριστήρια παιχνιδιών. Υποστήριξη για FLAC αναπαραγωγή ήχου. Η υψηλή απόδοση κλειδώματος του Wi-Fi διατηρεί τις Wi-Fi συνδέσεις σε υψηλό επίπεδο, όταν η οθόνη της συσκευής είναι απενεργοποιημένη. Υποστήριξη HTTP proxy για κάθε συνδεδεμένο Wi-Fi access point. ΈΚΔΟΣΗ 3.2 (HONEYCOMB) Στις 15 Ιουλίου 2011 κυκλοφόρησε η 3.2 έκδοση με μερικές ακόμη αλλαγές: Βελτιωμένη υποστήριξη υλικού, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων βελτιστοποιήσεων με σκοπό την κάλυψη ενός ευρύτερου φάσματος tablet συσκευών. Ευκολότερη πρόσβαση των εφαρμογών σε αρχεία που βρίσκονται στην κάρτα SD. Συμβατότητα στη λειτουργία της προβολής για εφαρμογές που δεν έχουν ακόμη βελτιστοποιηθεί ώστε να υποστηρίξουν την ανάλυση οθόνης των tablets. Νέες λειτουργίες υποστήριξης οθόνης που δίνουν στους προγραμματιστές περισσότερο έλεγχο σε διαφορετικές συσκευές Android. ΕΚΔΟΣΕΙΣ (HONEYCOMB) Η έκδοση κυκλοφόρησε στις 20 Σεπτεμβρίου 2011 περιλαμβάνοντας ορισμένες ακόμη τροποποιήσεις: Διορθώσεις σφαλμάτων ασφάλειας, σταθερότητας και βελτιώσεις στο Wi-Fi. Αναβάθμιση του Android Market με δυνατότητα αυτόματου update και ευκολότερα στην ανάγνωση κείμενα συνθηκών κατά την εγκατάσταση μιας εφαρμογής. Αναβάθμιση των Google Books. Βελτιώσεις στο στοιχείο Adobe Flash του browser. Βελτιώσεις στην πρόβλεψη λέξεων του κινέζικου αλφαβήτου. 45

46 ΈΚΔΟΣΗ 4.0 (ICE CREAM SANDWICH) Η πιο πρόσφατη έκδοση κυκλοφόρησε στις 19 Οκτωβρίου του 2011 και περιλαμβάνει: Εικονικά κουμπιά στο UI. Διαχωρισμός των widgets. Ευκολότερη δημιουργία φακέλων, με τη βοήθεια ενός απλού drag and drop. Προσαρμόσιμο launcher. Βελτιωμένος τηλεφωνητής. Λειτουργικότερη εφαρμογή ημερολογίου. Νέες δυνατότητες του Gmail, όπως δυνατότητα αναζήτησης εκτός σύνδεσης. Ευκολότερη εναλλαγή συνομιλιών στο Gmail. Βελτιωμένη διόρθωση λαθών στο πληκτρολόγιο. Δυνατότητα πρόσβασης σε εφαρμογές απευθείας από την οθόνη κλειδώματος. Βελτιωμένες λειτουργίες αντιγραφής επικόλλησης. Υποστήριξη face unlock, που επιτρέπει στους χρήστες να ξεκλειδώνουν τις συσκευές μέσω λογισμικού αναγνώρισης προσώπου. Υποστήριξη μέχρι και 16 καρτελών στον web browser. Αυτόματος συγχρονισμός του browser με τους σελιδοδείκτες του chrome. Υποστήριξη της μοντέρνας γραμματοσειράς Roboto. Ύπαρξη τομέα «Χρήσης Δεδομένων» στις ρυθμίσεις, που προειδοποιεί τους χρήστες όταν πλησιάζουν ένα συγκεκριμένο όριο χρήσης των δεδομένων και απενεργοποιεί τα δεδομένα όταν παρατηρείται υπέρβαση του εν λόγω ορίου. Δυνατότητα να τερματίζονται οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν δεδομένα στο background. Βελτιωμένη εφαρμογή κάμερας. Ενσωματωμένο πρόγραμμα επεξεργασίας φωτογραφιών. Νέο layout στη γκαλερί. Ανανεωμένη εφαρμογή People. 46

47 Επιτάχυνση hardware του UI. Δυνατότητα αλλαγής μεγέθους των widgets πλέον και στα κινητά τηλέφωνα (στις tablet συσκευές υπήρχε από τη έκδοση 3.1). Υποστήριξη τεχνολογίας Wi-Fi Direct, κατά την οποία επιτρέπεται σε ασύρματες συσκευές να επικοινωνούν μεταξύ τους χωρίς την ανάγκη για ασύρματα σημεία πρόσβασης. ΜΕΡΙΔΙΟ ΑΓΟΡΑΣ Ολοκληρώνουμε την ενότητα με ένα γράφημα που δείχνει το μερίδιο που καταλαμβάνει στην αγορά η κάθε έκδοση σύμφωνα με έκθεση που δημοσιεύτηκε τον Οκτώβρη του Εικόνα 3.6 Μερίδιο αγοράς εκδόσεων (Πηγή: Οκτώβριος 2011) 3.4 Το Android Market Το Android Market είναι ένα ηλεκτρονικό κατάστημα λογισμικού που αναπτύχθηκε από την Google και απευθύνεται σε συσκευές με Android λειτουργικό. Στις περισσότερες συσκευές υπάρχει προεγκατεστημένη η εφαρμογή Market, η οποία επιτρέπει στους χρήστες να περιηγηθούν και να κατεβάσουν εφαρμογές που δημοσιεύονται από τους προγραμματιστές. Η επίσημη ανακοίνωση έγινε στις 28 Αυγούστου 2008 από την Google, ενώ η διαθεσιμότητα προς τους χρήστες ξεκίνησε στις 22 Οκτώβρη του ιδίου έτους. Στη συνέχεια, παρατίθενται ορισμένοι πίνακες με κάποια σημαντικά στοιχεία γύρω από 47

48 τον όγκο των εφαρμογών που παρέχονται από το Market, αλλά και το ποσοστό των δωρεάν διαθέσιμων εφαρμογών στα γνωστότερα marketplaces. Ημερομηνία Εφαρμογές Μάρτιος Δεκέμβριος Αύγουστος Μάιος Ιούλιος Πίνακας 3.1 Αριθμός εφαρμογών App Store Ποσοστό δωρεάν εφαρμογών Android Marketplace 57% Apple App Store 28% Blackberry App World 26% Nokia Ovi Store 26% Windows Phone Marketplace 17% Πίνακας 3.2 Ποσοστό δωρεάν εφαρμογών Να σημειωθεί ότι μέχρι τον Ιούλιο του 2011, τα downloads στο Android Market είχαν ξεπεράσει τα Το Android Market φιλτράρει την λίστα των αιτήσεων για εφαρμογές με σκοπό να υπάρχει συμβατότητα με την συσκευή του χρήστη. Επιπλέον περιορισμοί εισάγονται στην περίπτωση που οι ίδιοι οι προγραμματιστές έχουν συνδέσει τις εφαρμογές τους με συγκεκριμένους φορείς ή χώρες για επαγγελματικούς λόγους. Από τον Μάιο του 2011, οι χρήστες σε 131 χώρες του κόσμου μπορούν να αγοράσουν τις εφαρμογές που καταβάλλονται στο Marketplace του Android. Ωστόσο, δεν υπάρχει καμία απαίτηση που να ορίζει ότι οι εφαρμογές Android πρέπει να αποκτούνται από το Market αποκλειστικά. Αντιθέτως, έχουν την δυνατότητα να κατεβάσουν εφαρμογές και από την ιστοσελίδα του δημιουργού. 48

49 Σε ότι αφορά την εφαρμογή του Android Market, να τονιστεί ότι δεν είναι open source. Μόνο Android συσκευές που συμμορφώνονται με τις απαιτήσεις συμβατότητας της Google μπορούν να έχουν πρόσβαση στον κλειστό κώδικα του Android Market app. Επίσης, στις ΗΠΑ είναι διαθέσιμη νέα μορφή του Market, η οποία δίνει εντυπωσιακές δυνατότητες στους χρήστες, όπως να αγοράσουν βιβλία και να νοικιάσουν ταινίες (κυκλοφόρησε στις 12 Ιουλίου 2011). Ολοκληρώνοντας, να αναφερθεί πως προγραμματιστές 29 χωρών μπορούν να πωλούν τις εφαρμογές τους στο Market. Από την τιμή της εφαρμογής, οι προγραμματιστές λαμβάνουν το 70%, ενώ το υπόλοιπο 30% κατανέμεται μεταξύ των μεσολαβητών πληρωμής. Η Google δεν παίρνει καθόλου μερίδιο. Τα έσοδα καταβάλλονται στου προγραμματιστές μέσω του Google Checkout ή του Google AdSense σε ορισμένες χώρες. 3.5 Κακόβουλο λογισμικό και ασφάλεια Τον Αύγουστο του 2010, ένα Trojan, γνωστό και ως Trojan-SMS, μολύνει μια σειρά από κινητές συσκευές, διότι οι περισσότεροι χρήστες το εγκατέστησαν θεωρώντας ότι ήταν μια ακίνδυνη εφαρμογή αναπαραγωγής πολυμέσων. Η ονομασία του Trojan προέκυψε από το γεγονός ότι μόλις η εφαρμογή εγκατασταθεί, στέλνει SMS χωρίς να το γνωρίζει ο χρήστης. Οι χρήστες ενημερώθηκαν προκειμένου να μην χρησιμοποιήσουν τον web browser της Google Android μέχρι να εκδοθεί ενημερωμένος κώδικας ασφαλείας. Πράγματι, το Android Security Team ανέπτυξε το επιδιορθωμένο Open Source Android στις 7 Φεβρουαρίου του Σαν συνέχεια αυτής της προσπάθειας, τον Μάρτη του 2011 η Google αφαίρεσε 58 κακόβουλες εφαρμογές (malware) από το Market. Ωστόσο οι εν λόγω εφαρμογές υπολογίζεται πως είχαν ήδη κατέβει σε περίπου συσκευές. Η επικινδυνότητά τους οφειλόταν στο γεγονός ότι περιείχαν Trojans σε πειρατικές εκδόσεις νόμιμων εφαρμογών. Αναλυτικότερα, το κακόβουλο λογισμικό (το επονομαζόμενο και DroidDream) εκμεταλλευόταν προγραμματιστικό σφάλμα που 49

50 υπήρχε στις εκδόσεις που ήταν παλαιότερες της Οι κατασκευαστές των συσκευών Android μαζί με άλλους φορείς που δούλεψαν από κοινού για την διάθεση του Android στην αγορά, άφησαν αρκετά κενά τα οποία εκμεταλλεύτηκε το DroidDream, με αποτέλεσμα να μείνουν οι χρήστες «ακάλυπτοι» στις επιθέσεις των malwares. Η Google, «καθάρισε» τις μολυσμένες εφαρμογές και δήλωσε ότι θα επιλυθούν τέτοιου είδους ζητήματα. Σαν επακόλουθο όλων αυτών, οι πολύ γνωστές εταιρείες ασφάλειας AVG Technologies και Symantec κυκλοφόρησαν antivirus λογισμικά για Android συσκευές. Τον Αύγουστο του 2011, το παρατηρητήριο εταιρειών ασφαλείας εκτίμησε ότι οι χρήστες Android που έχουν πληγεί από κακόβουλο λογισμικό το πρώτο εξάμηνο του έτους αγγίζουν το Η Qihoo 360, κινέζικη εταιρεία ασφάλειας στο διαδίκτυο, επισημαίνει σε έκθεσή της πως το λειτουργικό σύστημα Android έρχεται δεύτερο στη σχετική λίστα που δείχνει ποια μεγάλα λειτουργικά συστήματα βάλλονται από malwares στην Κίνα (πρώτο είναι το Symbian). Η εν λόγω έκθεση αποδίδει αυτήν την κατάσταση στο γεγονός ότι το Android έχει υψηλά επίπεδα δημοτικότητας και καταλήγει ότι κατά το πρώτο εξάμηνο του 2011 καταμετρήθηκαν 968 νέα Trojans που απειλούν το Android. Τέλος, τον Αύγουστο του 2011 η McAffe αναφέρει ότι το Android αποτελεί τον υπ αριθμόν ένα στόχο των malwares κατά το δεύτερο τρίμηνο του έτους. 3.6 Προστασία προσωπικών δεδομένων Πριν ολοκληρωθεί το παρόν κεφάλαιο, αξίζει να το τονιστούν κάποια ζητήματα που αφορούν την προστασία των προσωπικών δεδομένων. Τα Android smartphones έχουν τη δυνατότητα να αναφέρουν τη θέση του Wi-Fi access point με το οποίο συνδέονται. Έτσι, οι συνεχώς μετακινούμενοι χρήστες συνεισφέρουν στη δημιουργία τεράστιων βάσεων δεδομένων, οι οποίες περιέχουν φυσικούς χώρους όπου υπάρχουν εκατοντάδες access points. Οι εν λόγω βάσεις δεδομένων καταρτίζουν ηλεκτρονικούς χάρτες για τον εντοπισμό των smartphones, οι οποίοι 50

51 επιτρέπουν σε εφαρμογές αλλά και ολόκληρες εταιρείες (με πρώτη την Google!) να διανέμουν αγγελίες βασισμένες στην τοποθεσία. Το ζήτημα είναι πως η πλειοψηφία των χρηστών δεν έχουν την δυνατότητα να παρακολουθούν τον τρόπο με τον οποίο οι εν λόγω εφαρμογές αποκτούν πρόσβαση σε ευαίσθητα δεδομένα, όπως είναι π.χ. η θέση και το ID του hardware. Ακόμα και κατά την εγκατάσταση, οι έλεγχοι αδειών συχνά δεν υποδεικνύουν στο χρήστη το γεγονός ότι διάφορα δεδομένα ενδέχεται να χρησιμοποιηθούν ακόμα και με καταχρηστικό τρόπο. Προκειμένου να προσδιοριστεί το πώς οι πληροφορίες αυτές μπορούν να φιλτραριστούν, υπάρχει ανάγκη για λογισμικό παρακολούθησης των εφαρμογών από τρίτους, όπως είναι το TaintDroid, ένα project το οποίο βρίσκεται σε ερευνητικό στάδιο (Intel, Penn State University, Duke University). Ωστόσο, οι χρήστες μπορούν επίσης να ενημερωθούν για τη συμπεριφορά μιας εφαρμογής μέσω της σύμβασης άδειας που εμφανίζεται συνήθως κατά την εγκατάσταση, αλλά είναι γενικά αποδεκτό ότι η πλειοψηφία των χρηστών δεν διαβάζουν ή δεν κατανοούν το ψιλά γράμματα νομικού περιεχομένου στις συμφωνίες αδειών και συχνά προχωρά χωρίς να γνωρίζει. 51

52 52

53 4. Προγραμματίζοντας το Android 4.1 Ανάλυση βασικών στοιχείων αρχιτεκτονικής Το Android αποτελείται από πυρήνα βασισμένο στον πυρήνα του Linux (kernel based on the Linux kernel), με ενδιάμεσο λογισμικό (middleware), βιβλιοθήκες (libraries) και διασύνδεση εφαρμογών προγραμματισμού (Application Programming Interface, API) γραμμένα σε γλώσσα C και λογισμικό, το οποίο εκτελείται σε ένα πλαίσιο εφαρμογής (application framework) που περιλαμβάνει συμβατές βιβλιοθήκες της Java βασισμένες σε αρμονία Apache (Apache Harmony). Επιπλέον, το Android χρησιμοποιεί την εικονική μηχανή Dalvik (Dalvik virtual machine) με just-in-time μεταγλώττιση, προκειμένου να τρέξει τον κώδικα της Java. Στην συνέχεια θα αναλυθούν οι προγραμματιστικοί όροι που αναφέρθηκαν. Εικόνα 4.1 Αρχιτεκτονική συστήματος Android Στην πληροφορική ο όρος kernel αναφέρεται στο κύριο συστατικό των περισσότερων λειτουργικών συστημάτων. Αποτελεί μια γέφυρα μεταξύ των εφαρμογών και της πραγματικής επεξεργασίας δεδομένων που γίνεται σε επίπεδο 53

54 hardware. Κατά συνέπεια, οι ευθύνες του πυρήνα αφορούν τη διαχείριση των πόρων του συστήματος, δηλαδή την επικοινωνία του software με το hardware. Εικόνα 4.2 Kernel Ο Linux kernel, όπως υποδηλώνεται και από το όνομά του, χρησιμοποιείται από την οικογένεια λειτουργικών συστημάτων του Linux. Το Linux αποτελεί το πλέον εξέχον παράδειγμα λογισμικού ελεύθερου και ανοιχτού κώδικα. Μπορεί να εγκατασταθεί σε μια ευρεία γκάμα υπολογιστικών μηχανών, από κονσόλες βιντεοπαιχνιδιών μέχρι κινητά τηλέφωνα και υπερυπολογιστές. Ο πηγαίος κώδικας του μπορεί να χρησιμοποιηθεί ελεύθερα, να τροποποιηθεί και να αναδιανεμηθεί, τόσο για εμπορικούς όσο και για μη εμπορικούς σκοπούς, από οποιονδήποτε. Το middleware είναι λογισμικό που συνδέει στοιχεία software, ανθρώπους αλλά και εφαρμογές. Αποτελείται από ένα σύνολο υπηρεσιών που επιτρέπουν σε πολλαπλές διεργασίες που τρέχουν σε ένα ή περισσότερα μηχανήματα να αλληλεπιδράσουν. Ειδικότερα, επικάθεται «στην μέση» μεταξύ των εφαρμογών software που μπορεί να εκτελούνται σε διαφορετικά λειτουργικά συστήματα. Η εν λόγω τεχνολογία εξελίχθηκε προκειμένου να ενισχυθεί η διαλειτουργικότητα διαφορετικών μηχανών, με απώτερο σκοπό την υποστήριξη της μετάβασης σε συνεκτικά κατανεμημένες αρχιτεκτονικές, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την απλούστευση πολύπλοκα κατανεμημένων εφαρμογών. Το middleware περιλαμβάνει διακομιστές δικτύου (web servers), διακομιστές εφαρμογών 54

55 (application servers), οι οποίοι υποστηρίζουν την ανάπτυξη και διανομή των εφαρμογών. Εικόνα 4.3 Middleware Συνεχίζοντας την επεξήγηση των θεμελιωδών όρων, οι βιβλιοθήκες αποτελούν συλλογές πόρων που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη ενός λογισμικού. Περιέχουν κώδικα και δεδομένα που παρέχουν υπηρεσίες σε ανεξάρτητα προγράμματα. Ορισμένα εκτελέσιμα αρχεία αποτελούν ταυτόχρονα αυτόνομα προγράμματα αλλά και βιβλιοθήκες, ωστόσο οι περισσότερες βιβλιοθήκες δεν είναι εκτελέσιμες. Σχεδόν όλες οι γλώσσες έχουν μια πρότυπη βιβλιοθήκη, χωρίς αυτό να είναι αποτρεπτικό για τους προγραμματιστές να δημιουργήσουν τις δικές τους προσαρμοσμένες βιβλιοθήκες. Τα περισσότερα συστήματα software παρέχουν βιβλιοθήκες που υλοποιούν το μεγαλύτερο μέρος υπηρεσιών του συστήματος και ως εκ τούτου οι περισσότεροι κώδικες που χρησιμοποιούνται στις σύγχρονες εφαρμογές παρέχονται σε αυτές τις βιβλιοθήκες. Μια διασύνδεση εφαρμογών προγραμματισμού (το γνωστό API) είναι ένα σύνολο κανόνων και προδιαγραφών, τα οποία πρέπει να ακολουθηθούν από τα προγράμματα λογισμικού προκειμένου να επικοινωνούν μεταξύ τους. Χρησιμεύει ως μια διασύνδεση μεταξύ διαφόρων προγραμμάτων λογισμικού και διευκολύνει την αλληλεπίδρασή τους με τρόπο παρόμοιο, όπως συμβαίνει στην αλληλεπίδραση ανθρώπων και υπολογιστών. Ένα API μπορεί να δημιουργηθεί για εφαρμογές, 55

56 βιβλιοθήκες, λειτουργικά συστήματα και να περιλαμβάνει προδιαγραφές για ρουτίνες, δομές δεδομένων, κλάσεις αντικειμένων και πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία των τελικών προγραμμάτων που απευθύνονται στον χρήστη αλλά και των αρχικών προγραμμάτων υλοποίησης των API. Το Apache Harmony είναι από τα λίγες περιπτώσεις software ανοιχτού κώδικα της Java. Προέρχεται από την μη κερδοσκοπική εταιρία Apache Software Foundation (η οποία στηρίζει έργα λογισμικού όπως ο πολύ γνωστός Apache HTTP Server) και ο στόχος του είναι να υποστηρίξει μια ευρεία γκάμα διαφορετικών πλατφόρμων. Το κύριο κριτήριο για το κατά πόσο μια συγκεκριμένη πλατφόρμα υποστηρίζεται ή όχι, είναι η συμμετοχή των ατόμων σε running tests σε συνεχή βάση, η αναφορά κατάστασης της κατασκευής, ο εντοπισμός και η διόρθωση των σφαλμάτων, κ.α. Η εικονική μηχανή του λειτουργικού Google Android είναι η Dalvik. Οι Android εφαρμογές, πριν εκτελεσθούν, μετατρέπονται σε συμπαγή Dalvik εκτελέσιμα αρχεία (.dex), επέκταση η οποία είναι κατάλληλη για συστήματα με περιορισμένη μνήμη και ταχύτητα επεξεργαστή. Να σημειωθεί ότι η Dalvik είναι λογισμικό ανοιχτού κώδικα, όπως και όλα τα υπόλοιπα που σχετίζονται με το Android. Τέλος, σε ότι αφορά την just-in-time μεταγλώττιση (JIT compilation), αποτελεί μια μέθοδο για την βελτίωση του χρόνου εκτέλεσης των επιδόσεων των προγραμμάτων. Οι JIT μεταγλωττιστές (compilers) αντιπροσωπεύουν μια υβριδική προσέγγιση, βάσει της οποίας η μετάφραση και η διερμηνεία συμβαίνουν αδιάκοπα, ενώ ο μεταφρασμένος κώδικας αποθηκεύεται συνεχώς προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η υποβάθμιση των επιδόσεων. Σε σχέση με την λογική του στατικά μεταγλωττισμένου κώδικα κατά τον χρόνο της ανάπτυξης, η JIT τεχνική προσφέρει και άλλα πλεονεκτήματα όπως είναι η ικανότητα να επιβάλλει εγγυήσεις ασφάλειας και διαχειρίζεται τύπους δεδομένων που δεσμεύτηκαν καθυστερημένα. 4.2 Παρουσίαση της Java 56

57 Όπως ήδη αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, η γλώσσα ανάπτυξης των εφαρμογών Android είναι η Java, κατά συνέπεια θα ήταν καλό να γίνει μια παρουσίαση της γλώσσας. Αναπτύχθηκε αρχικά από τον James Gosling στην εταιρεία Sun Microsystems και κυκλοφόρησε το Η γλώσσα αντλεί μεγάλο μέρος από την αντικειμενοστραφή C++, ωστόσο έχει απλούστερο μοντέλο σε ότι σχετίζεται με τα αντικείμενα αλλά και λιγότερες δυνατότητες στα χαμηλά επίπεδα αρχιτεκτονικής των υπολογιστών. Οι Java εφαρμογές μεταγλωττίζονται σε ένα class αρχείο, το οποίο μπορεί να τρέξει σε οποιαδήποτε Java Virtual Machine (JVM). Είναι αντικειμενοστραφής γλώσσα γενικής χρήσεως που έχει σχεδιαστεί με σκοπό να επιτρέπει στους προγραμματιστές να τρέχουν τις εφαρμογές τους οπουδήποτε ( write once, run anywhere! ). Η Java σήμερα είναι από τις πιο δημοφιλείς γλώσσες προγραμματισμού, ιδίως για εφαρμογές web τύπου client-server. Οι πρωταρχικοί στόχοι που τέθηκαν κατά τη δημιουργία της γλώσσας ήταν οι ακόλουθοι: Να είναι απλή, αντικειμενοστραφής και οικεία (simple, object-oriented and familiar). Να είναι ισχυρή και ασφαλής (robust and secure), ώστε να απαγορεύεται σε επίδοξους εισβολείς να γράφουν προγράμματα που μπορούν να χαλάσουν τα συστήματα των χρηστών. Να είναι ανεξάρτητη από την αρχιτεκτονική και φορητή (architectureneutral and portable), προκειμένου να εκτελείται σε διαφορετικές πλατφόρμες χωρίς τροποποίηση, όπως σε Windows ή σε Macintosh. Να εκτελείται υπό υψηλή απόδοση (high performance). Να είναι ερμηνεύσιμη, πολυνηματική, δυναμική (interpreted, multithreaded and dynamic). Ο όρος πολυνηματική δηλώνει ότι ένα απλό πρόγραμμα της Java μπορεί να κάνει πολλά τρίτα προγράμματα να τρέχουν ταυτόχρονα, χωρίς ωστόσο να αλληλοεπηρεάζονται. Όπως προαναφέρθηκε, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της γλώσσας είναι η δυνατότητα το ίδιο πρόγραμμα να εκτελείται σε διαφορετικές πλατφόρμες και 57

58 λειτουργικά συστήματα. Τα προγράμματα Java επιτυγχάνουν αυτή την ανεξαρτησία μέσω της χρήσης της JVM, η οποία στην ουσία είναι κάτι σαν ένας υπολογιστής μέσα στον υπολογιστή. Ως γνωστόν, ο πηγαίος κώδικας της Java μεταγλωττίζεται μέσω του μεταγλωττιστή. Έτσι, η εικονική μηχανή παίρνει τα μεταγλωττισμένα προγράμματα Java και μετατρέπει τις εντολές τους σε εντολές που μπορεί να χειριστεί ένα λειτουργικό σύστημα. Το ίδιο μεταγλωττισμένο πρόγραμμα, που υπάρχει σε μια μορφή που καλείται bytecode, μπορεί να εκτελεσθεί σε οποιαδήποτε άλλη πλατφόρμα και λειτουργικό σύστημα που διαθέτει JVM. Το bytecode ενός προγράμματος Java μπορεί να τρέξει σε Windows NT, Solaris, Macintosh. Η Java είναι επίσης ανεξάρτητη πλατφόρμας σε επίπεδο πηγαίου κώδικα. Τα προγράμματα της Java αποθηκεύονται σαν αρχεία κειμένου πριν να μεταγλωττιστούν και μπορούν να δημιουργηθούν σε οποιαδήποτε πλατφόρμα που υποστηρίζει την Java. Κατά συνέπεια, υπάρχει η δυνατότητα συγγραφής ενός προγράμματος της Java σε ένα Macintosh το οποίο μπορεί να μεταγλωττιστεί σε bytecode σε ένα μηχάνημα με Windows 95. Η δυνατότητα ένα αρχείο bytecode να εκτελείται σε διάφορες πλατφόρμες είναι αυτή που κάνει την Java να εργάζεται στο web, επειδή το ίδιο το web είναι ανεξάρτητο από πλατφόρμα. Όπως τα αρχεία HTML μπορούν να διαβαστούν σε οποιαδήποτε πλατφόρμα, ομοίως και οι μικροεφαρμογές της Java μπορούν να εκτελεστούν σε οποιαδήποτε πλατφόρμα που διαθέτει browser με δυνατότητες Java. Σε ότι αφορά το περιβάλλον και τα εργαλεία της Java, υπάρχουν πολλά πακέτα λογισμικού που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία προγραμμάτων σε Java. Ένα από τα πιο δημοφιλή πακέτα είναι το Java Development Kit (JDK) της Sun Microsystems, το οποίο χρησιμοποιεί την γραμμή εντολών (DOS prompt) στα συστήματα Windows 95/98/NT/2000. Όπως με τις περισσότερες γλώσσες προγραμματισμού, τα πηγαία αρχεία Java αποθηκεύονται σαν αρχεία καθαρού κειμένου. Κατά συνέπεια, μπορούν να δημιουργηθούν με οποιονδήποτε κειμενογράφο ή επεξεργαστή κειμένου που 58

59 μπορεί να αποθηκεύσει καθαρό κείμενο (ASCII ή DOS text). Σύμφωνα με τη διαδικασία, τα πηγαία αρχεία Java αποθηκεύονται με επέκταση.java. Στη συνέχεια, μεταγλωττίζονται σε bytecode με επέκταση ονόματος αρχείου.class. Τα αρχεία αυτά ονομάζονται κλάσεις, όρος ο οποίος στην Java είναι συνώνυμος με τον όρο πρόγραμμα. Ολοκληρώνοντας, τα πιο χρήσιμα εργαλεία της γλώσσας είναι επιγραμματικά τα εξής: Ο μεταγλωττιστής javac Ο διερμηνευτής java Ο εξεταστής appletviewer 4.3 Eclipse και ADT Ο Eclipse είναι ένα λογισμικό που αφορά την ανάπτυξη άλλου λογισμικού. Περιλαμβάνει ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον ανάπτυξης και ένα επεκτάσιμο σύστημα (plug-in). Είναι γραμμένο κυρίως σε Java και μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για την ανάπτυξη εφαρμογών Java, αλλά και άλλων γλωσσών μέσω διαφόρων plugins (Ada, C, C++, COBOL, Perl, PHP, Python, R, Ruby, Scala, Clojure, Groovy, Scheme). Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη πακέτων για το λογισμικό Mathematica. Σε ότι αφορά το Android, το plugin που χρησιμοποιείται ονομάζεται Android Developers Tools (ADT) και δίνει ένα ισχυρό, ενοποιημένο περιβάλλον στο οποίο οικοδομούνται οι Android εφαρμογές. Το ADT επεκτείνει τις δυνατότητες του Eclipse, προκειμένου να επιτρέπεται στους προγραμματιστές να ρυθμίζουν εύκολα νέα έργα Android, να δημιουργούν UIs, να προσθέτουν στοιχεία βασισμένα στο Android API, να διορθώνουν τα σφάλματα χρησιμοποιώντας τα εργαλεία του Android SDK και τέλος να εξάγουν (ενυπόγραφα ή ανυπόγραφα) τα apk αρχεία προκειμένου να διανείμουν την εφαρμογή τους. Κατά συνέπεια, τα δύο αυτά εργαλεία παρέχουν ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον στους δημιουργούς να αναπτύξουν νέες Android εφαρμογές. Ωστόσο, ορισμένες δυνατότητες μια εφαρμογής μπορούν οριστούν όχι μόνο μέσω της 59

60 προγραμματιστικής πλατφόρμας του Eclipse, αλλά και μέσω των XML code editors που παρέχει το ADT. 4.4 XML code editors και αρχεία Όπως λοιπόν προαναφέρθηκε, το ADT παρέχει προσαρμοσμένους συντάκτες XML, οι οποίοι βοηθούν στης δημιουργία και επεξεργασία του μενού, του layout, των πόρων, κτλ. Επιπλέον, προσφέρει δυνατότητες επεξεργασίας ορισμένων ειδικών τύπων αρχείων που δεν υποστηρίζονται από ειδικούς editors, όπως είναι drawables, animations, color files, κ.α. Το ADT παρέχει τους ακόλουθους προσαρμοσμένους editors: Graphical Layout Editor, με τον οποίο γίνεται η επεξεργασία και η σχεδίαση των αρχείων layout. Android Manifest Editor, όπου γίνεται η επεξεργασία του XML αρχείου AndroidManifest. Menu Editor, όπου γίνεται η επεξεργασία των στοιχείων μενού Resources Editor, όπου γίνεται η επεξεργασία των πόρων. XML Resources Editor, με τον οποίο γίνεται η επεξεργασία των XML πόρων. 4.5 Περιγραφή του App Inventor Παρουσίαση Για όσους φιλόδοξους επιθυμούν να δημιουργήσουν τη δική τους εφαρμογή, χωρίς ωστόσο να γνωρίζουν προγραμματισμό, η Google δημιούργησε τον App Inventor. Πρόκειται για online εφαρμογή, η οποία επιτρέπει σε οποιονδήποτε να δημιουργήσει λογισμικό για το λειτουργικό σύστημα Android. Ο λόγος που η Google ανέπτυξε αυτήν τη μέθοδο ήταν καθαρά εμπορικός, διότι οι ιθύνοντες σκέφτηκαν ότι όποιος φτιάχνει την δική του εφαρμογή, θα θέλει να χρησιμοποιεί το Android τηλέφωνό του συχνότερα ή ακόμα και να αλλάξει συσκευή 60

61 με σκοπό να αποκτήσει κάποια που θα υποστηρίζει το εν λόγω λειτουργικό σύστημα. Το γραφικό περιβάλλον (εικόνα 4.4) που χρησιμοποιεί είναι παρόμοιο με αυτό της γλώσσας προγραμματισμού Scratch και το UI της StarLogo TNG, καθώς επιτρέπει στους χρήστες να κάνουν drag and drop εικονικά αντικείμενα (π.χ. εικόνες, ήχοι, buttons, κτλ.) σε μια εικονική συσκευή που παρέχεται, να δημιουργήσουν το πρόγραμμά τους και να εξάγουν το apk αρχείο το οποίο μπορεί να εγκατασταθεί σε οποιαδήποτε Android συσκευή. Η επίσημη κυκλοφορία πραγματοποιήθηκε στις 15 Δεκεμβρίου Ο App Inventor είναι διαθέσιμος για χρήση από οποιονδήποτε έχει έναν τυπικό λογαριασμό Google. Εικόνα 4.4 Περιβάλλον του App Inventor Για τη δημιουργία του App Inventor, η Google βασίστηκε σε σημαντικές έρευνες στον τομέα της Εκπαιδευτικής Πληροφορικής καθώς και σε εργασίες που πραγματοποιήθηκαν στην Google πάνω σε online περιβάλλοντα ανάπτυξης. Ο blocks editor χρησιμοποιεί την βιβλιοθήκη Open Blocks Java library (διανέμεται από το MIT) για την δημιουργία μπλοκ εικονικών γλωσσών προγραμματισμού. Ο μεταγλωττιστής που μεταφράζει το μπλοκ των εικονικών γλωσσών χρησιμοποιεί το 61

62 γλωσσικό πλαίσιο Kawa και την διάλεκτο Kawa από την γλώσσα προγραμματισμού Scheme. Ολοκληρώνοντας, τον Αύγουστο του 2011, η Google ανακοίνωσε ότι πλέον ο App Inventor δεν είναι δικό της προϊόν και ότι ο κώδικας θα γίνει open source. Ανέφερε ότι πρόκειται να γίνει τμήμα του MIT Center for Mobile Learning, το οποίο βρίσκεται στο MIT Media Lab και διευθύνεται από τον δημιουργό του App Inventor Hal Abelson, μαζί με τους καθηγητές του MIT Eric Klopfer και Mitchel Resnick Δυνατότητες και περιορισμοί Με τον App Inventor δίνεται η δυνατότητα για να χτιστούν πολλές εφαρμογές, ωστόσο υπεισέρχονται και κάποιοι περιορισμοί. Οι κυριότερες δυνατότητες του εργαλείου περιλαμβάνουν: Πρόσβαση στις περισσότερες λειτουργίες του τηλεφώνου, όπως είναι οι τηλεφωνικές κλήσεις, SMS, αισθητήρες για την θέση, τον προσανατολισμό και την επιτάχυνση της βαρύτητας, κείμενο σε ομιλία, αναγνώριση ομιλίας, ήχος, βίντεο. Δυνατότητα επίκλησης άλλων εφαρμογών με τη βοήθεια του στοιχείου ActivityStarter. Προγραμματιστικός έλεγχος με την βοήθεια μιας απλής γλώσσας κειμένου. Υπάρχουν τα blocks εντολών if, ifelse, foreach και while καθώς και πλήρεις λίστες με μαθηματικά και λογικά blocks εντολών. Πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων τόσο στην συσκευή όσο και στο διαδίκτυο. Έτσι υπάρχει η δυνατότητα αποθήκευσης των δεδομένων αλλά και ανταλλαγής μεταξύ των συσκευών. Πρόσβαση σε web πηγές πληροφόρησης (Facebook, Amazon, κτλ.). Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν και ορισμένοι περιορισμοί που αναγκάζουν τους χρήστες να αναπτύξουν εφαρμογές μέχρι ενός ορισμένου σημείου: Το εργαλείο ανάπτυξης UI έχει εξελιχθεί αρκετά αλλά παραμένει περιορισμένων δυνατοτήτων και με αρκετά σφάλματα. Για παράδειγμα, δεν 62

63 υπάρχει δυνατότητα ανάπτυξης εφαρμογής πολλαπλών οθονών, ενώ η αλλαγή προσανατολισμού παρουσιάζει σημαντικές δυσλειτουργίες Περιορισμένη πρόσβαση στην συσκευή. Για παράδειγμα, δεν υπάρχει δυνατότητα αποθήκευσης ή ανάκτησης αρχείων από το σύστημα αρχείων, ενώ η πρόσβαση στις επαφές είναι περιορισμένη. Περιορισμένη πρόσβαση στο διαδίκτυο, διότι ο χρήστης μπορεί να έχει πρόσβαση σε συγκεκριμένα APIs που ακολουθούν συγκεκριμένο πρωτόκολλο (App-Inventor-compatible APIs). Τα blocks λειτουργιών δεν συνδέονται με συγκεκριμένα στοιχεία, κατά συνέπεια δεν υπάρχει κανένας τρόπος να κληθούν οι εν λόγω λειτουργίες με έναν γενικό τρόπο. Τα apk αρχεία που δημιουργούνται από τον App Inventor δεν έχουν την απαιτούμενη ρύθμιση παραμέτρων για να ενταχθούν άμεσα στο Android Market. Ωστόσο, έχουν βρεθεί κάποιες λύσεις για δημοσίευση τελευταία. 63

64 64

65 5. Η εφαρμογή Indoor Better Signal 5.1 Γενικά Η εφαρμογή Indoor Better Signal αναπτύχθηκε με σκοπό να διευκολύνει τους χρήστες κινητής τηλεφωνίας να εξασφαλίσουν ποιοτικότερη επικοινωνία, υποδεικνύοντάς τους σημεία ενός κλειστού χώρου στα οποία γίνεται καλύτερη λήψη. Προφανώς απευθύνεται σε λειτουργικό Android και αφορά δίκτυα GSM. Επίσης, έχει μικρές ενεργειακές απαιτήσεις κατά συνέπεια δεν κάνει αλόγιστη χρήση της μπαταρίας. Η εύρεση καλύτερου σήματος αποτελεί μείζον πρόβλημα για όλους τους χρήστες κινητής τηλεφωνίας και σίγουρα μια ενδεχόμενη επίλυσή ή βελτίωση του ζητήματος θα διευκολύνει την μεταξύ τους επικοινωνία. Σαφέστατα, υπάρχουν ορισμένοι κανόνες τους οποίους τηρούν συνειδητά οι χρήστες. Ενδεικτικά, όλοι γνωρίζουν πως συνδιαλέξεις δίπλα σε παράθυρα ή μπαλκονόπορτες συνήθως έχουν καλύτερη ποιότητα απ ότι σε κάποιο άλλο σημείο του κλειστού χώρου. Επίσης, είναι καλό η μπαταρία να είναι κατά το δυνατόν περισσότερο φορτισμένη, μιας και κλήσεις οι οποίες πραγματοποιούνται υπό ασθενή λήψη καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια με αποτέλεσμα να κλείνει απότομα το τηλέφωνο κατά τη συνδιάλεξη και να χάνεται η κλήση. Ωστόσο, όλα αυτά δεν λύνουν ουσιαστικά το πρόβλημα και δεν είναι σίγουρο ότι πάντοτε έχουν τα επιθυμητά αποτελέσματα. Από την άλλη πλευρά, η υπάρχουσα τεχνολογία στις κινητές συσκευές και κυρίως η στοχαστικότητα κίνησης των RF σημάτων κατά τη διάδοση δεν επιτρέπουν την ανάπτυξη μιας συμπαγούς επίλυσης του προβλήματος. Κατά συνέπεια, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω πραγματοποιήθηκε μια απόπειρα δημιουργίας ενός λογισμικού, το οποίο απλά θα εκμεταλλεύεται τις μετρήσεις που θα πραγματοποιεί το ίδιο σε προκαθορισμένα σημεία ενός κλειστού χώρου και θα στέλνει το χρηστή στο σημείο όπου πραγματοποιήθηκε η βέλτιστη μέτρηση. 65

66 5.2 Τεχνική εντοπισμού Λαμβάνοντας υπόψη όσα αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 2 σχετικά με τις τεχνικές και τα συστήματα εντοπισμού θέσης, προκύπτει το συμπέρασμα ότι η κάθε κατηγορία localization στην ουσία αποτελεί μόνο ένα κομμάτι ενός ολοκληρωμένου συστήματος εντοπισμού. Επομένως, σχεδόν πάντα απαιτείται συνδυασμός των επιμέρους κατηγοριών προκειμένου το αποτέλεσμα να είναι όσο το δυνατόν πιο πετυχημένο. Για παράδειγμα, κατά τη δημιουργία ενός LLT πάντα απαιτείται η γνώση για τις τιμές μιας παραμέτρου, οι οποίες ωστόσο μπορεί να εκτιμηθούν από ένα εμπειρικό ή πιθανολογικό μοντέλο, συνδυάζοντας έτσι τρεις κατηγορίες τεχνικών εντοπισμού. Κατά συνέπεια, είναι προφανές ότι και η εφαρμογή που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας αντλεί στοιχεία και συνδυάζει σχεδόν όλες τις κατηγορίες που αναφέρθηκαν. Ξεκινώντας με τα εισαγωγικά του localization, είναι προφανές ότι LN είναι το android κινητό κάθε χρήστη ενώ LBSs είναι οι κυψελοειδείς σταθμοί βάσης του GSM δικτύου. Κατά συνέπεια, δεν υπάρχει κάποιος επιπλέον εξοπλισμός που πρέπει να εγκατασταθεί στην περιοχή του δικτύου προκειμένου να εκτελεστεί η εφαρμογή και επομένως αναφορικά με το area of deployment δεν μπορεί η εφαρμογή ενταχθεί σε κάποια κατηγορία. Ωστόσο, έχουν αντληθεί κάποια στοιχεία από το LAL υπό την έννοια του ότι η εφαρμογή εκτελείται αποκλειστικά σε εσωτερικό χώρο. Συνεχίζοντας, η εφαρμογή λειτουργεί στο φάσμα των ραδιοσυχνοτήτων, σε ότι αφορά το φυσικό επίπεδο, ενώ η παράμετρος που καταγράφονται οι τιμές τις είναι στην ουσία η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος. Οι μετρήσεις της SS καθώς και η αντίστοιχη θέση καταγράφονται σε μια μορφή LLT, προκειμένου να τα επεξεργαστεί το πρόγραμμα και να δώσει το τελικό αποτέλεσμα. Ολοκληρώνοντας, η διαδικασία του localization διενεργείται αποκλειστικά από το τερματικό κάθε χρήστη, κατά συνέπεια πρόκειται για client-based localization. Οι παραπάνω παρατηρήσεις που αφορούν τις τεχνικές που χρησιμοποιεί η εφαρμογή, φαίνονται εποπτικά στην εικόνα

67 Εικόνα 5.1 Τεχνικές που χρησιμοποιεί η εφαρμογή 5.3 Παρουσίαση της εφαρμογής Η λογική της εφαρμογής λοιπόν έγκειται στην πραγματοποίηση μετρήσεων σε συγκεκριμένα σημεία ενός κλειστού χώρου και η επεξεργασία αυτών. Αυτό απαιτεί πρωτίστως συνεργασία χρήστη εφαρμογής (στη συνέχεια αναλύεται περαιτέρω η εν λόγω συνεργασία). Επίσης, εφόσον αλλάζει το φυσικό περιβάλλον που ταξιδεύουν τα RF σήματα, δηλαδή μεταβάλλονται οι συνθήκες του καναλιού διάδοσης, είναι επόμενο ότι οι μετρήσεις δεν έχουν καθολική ισχύ. Ειδικότερα, το ευμετάβλητο του καναλιού επιτρέπει στην εφαρμογή να βγάλει συμπεράσματα για ένα χώρο, τα οποία θα ισχύουν για κάποια λεπτά της ώρας, με αποτέλεσμα να πρέπει να πραγματοποιηθεί και πάλι η ίδια διαδικασία την επόμενη φορά που θα εισέλθει ο χρήστης στον ίδιο χώρο. Η εφαρμογή πραγματοποιεί μετρήσεις CINR. Το CINR είναι ο λόγος φέροντος προς το άθροισμα της παρεμβολής με το θόρυβο και στην ουσία αποτελεί μέτρηση της αποτελεσματικότητας του σήματος. Το φέρον είναι το επιθυμητό σήμα, η παρεμβολή είναι συνήθως συγκαναλική (co-channel interference) ενώ ο θόρυβος 67

68 είναι ο τυπικός λευκός προσθετικός Gaussian (AWGN). Προκειμένου να μπορέσει ο δέκτης να αποκωδικοποιήσει το σήμα, θα πρέπει η τιμή του CINR να είναι μέσα σε κάποια προκαθορισμένα όρια, τα οποία διαφέρουν ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται (CDMA, GSM, κτλ.). Τέλος, η μονάδα μέτρησης είναι τα db. Η συνεργασία χρήστη εφαρμογής που προαναφέρθηκε αφορά το γεγονός ότι ο χρήστης οφείλει να κάνει τις μετρήσεις με τη σειρά που του υπαγορεύουν οι εμφανιζόμενες οδηγίες κατά την έναρξη της εφαρμογής. Σε κάθε άλλη περίπτωση, δεν θα υπάρξουν σωστά αποτελέσματα και αυτό διότι υπάρχει μια σύμβαση της εφαρμογής να παίρνονται οι μετρήσεις με μια αυστηρά προκαθορισμένη σειρά. Εικόνα 5.2 Κάτοψη ενός κλειστού χώρου Εικόνα 5.3 Σημεία μετρήσεων 68

69 Όπως λοιπόν δείχνουν οι παραπάνω εικόνες, οι μετρήσεις πραγματοποιούνται στις 4 γωνίες και στο κέντρο του υπό εξέταση χώρου. Στην κάθε γωνία πραγματοποιούνται 3 σετ μετρήσεων ενώ στο κέντρο 4 σετ μετρήσεων (συνολικά 16 σετ μετρήσεων). Ο όρος «σετ» αφορά το γεγονός ότι, προκειμένου να είναι όσο το δυνατό πιο σωστό το αποτέλεσμα, η εφαρμογή παίρνει 3 μετρήσεις ανά κατεύθυνση και υπολογίζεται ο μέσος όρος τους. Επομένως ο συνολικός αριθμός των μετρήσεων είναι 48 (4 γωνίες x 3 κατευθύνσεις/γωνία x 3 μετρήσεις/κατεύθυνση + 4 κατευθύνσεις στο κέντρο x 3 μετρήσεις/κατεύθυνση). Στην εικόνα 5.2, τα βέλη μαρτυρούν πως οι μετρήσεις είναι κατευθυντικές. Στην επίτευξη της κατευθυντικότητα μιας μέτρησης έγκειται και το δεύτερο σημείο συνεργασίας χρήστη εφαρμογής. Συγκεκριμένα, ο χρήστης θα πρέπει να προτείνει το χέρι του κατά την κατεύθυνση που ορίζουν τα βέλη, προκειμένου να ορίζεται η διαφορετική κατεύθυνση κάθε φορά (εικόνα 5.3). Με αυτήν τη λογική, λόγω των 4 κατευθύνσεων των μετρήσεων του κέντρου, ο χώρος διαμερίζεται σε 4 επιμέρους περιοχές (εικόνα 5.4). Ομοίως, οι εν λόγω περιοχές χωρίζονται 3 υποπεριοχές η καθεμιά, με βάση τις 3 κατευθύνσεις της κάθε γωνίας. Συνοψίζοντας, έχοντας 4 βασικές περιοχές λόγω των 4 κατευθύνσεων του κέντρου και 12 υποπεριοχές λόγω των 12 κατευθύνσεων που ορίζονται συνολικά από τις 4 γωνίες, προκύπτει το συμπέρασμα ότι θα υπάρξουν 48 (4x12) διαφορετικές τελικές περιοχές όπου μπορεί να στείλει η εφαρμογή των χρήστη. Το τελικό αποτέλεσμα της εφαρμογής θα είναι όπως φαίνεται στην εικόνα 5.5. Τέλος, η φορά του βέλους (εικόνα 5.5) καθορίζεται από το ποια μέτρηση είναι μεγαλύτερη, του κέντρου ή των γωνιών. 69

70 Εικόνα 5.4 Ορισμός της κατευθυντικότητας Εικόνα 5.5 Επιμέρους περιοχές 70

71 Εικόνα 5.6 Τελική εικόνα εφαρμογής 5.4 Οδηγίες χρήσης Ο τρόπος χρήσης του λογισμικού Indoor Better Signal είναι πολύ απλός. Κατά την έναρξη της εφαρμογής παρουσιάζονται στο χρήστη γραπτές οδηγίες που συνοψίζουν τα όσα περιγράφηκαν στην ενότητα 5.2. Οι οδηγίες συνοδεύονται από εικόνες που απεικονίζουν βήμα προς βήμα την κάθε μέτρηση. Η διαδικασία αυτή της έναρξης διαρκεί περίπου 70 δευτερόλεπτα, οπότε ο χρήστης μπορεί να κατευθυνθεί στην γωνία όπου θα γίνουν οι πρώτες μετρήσεις και να προτάξει το χέρι του. Με την ολοκλήρωση του κάθε σετ μετρήσεων, η εφαρμογή ειδοποιεί το χρήστη με κατάλληλο μήνυμα να αλλάξει κατεύθυνση. Όταν τελειώσουν οι μετρήσεις όλων των διαθέσιμων κατευθύνσεων σε κάθε σημείο, η εφαρμογή σταματά προσωρινά και εμφανίζει μήνυμα το οποίο συμβουλεύει το χρήστη να αλλάξει σημείο και στη συνέχεια να πατήσει το εμφανιζόμενο κουμπί για να συνεχιστεί η διαδικασία των μετρήσεων. 71