Tecnologias, Desafios e Oportunidades 1

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1 Capítulo 5 Comunicação Sem Fio e Computação Móvel: Tecnologias, Desafios e Oportunidades 1 Antonio A.F. Loureiro, Djamel F.H. Sadok, Geraldo R. Mateus, José Marcos S. Nogueira, Judith Kelner Abstract Mobile computing is a computing paradigm that provides users with permanent access to both fixed and mobile networks independent of their physical position. It is the capacity of accessing information anytime and anywhere. This paradigm is also referred as ubiquitous computing or nomadic computing. In North America, Europe and Japan, wireless communication technologies and mobile computing have been largely employed in different scenarios. Thus, a question that naturally arises is whether Brazil will be able to compete in a market that grows very fast and is being dominated by countries that already have and use those technologies. An important observation to answer the question is that to use those technologies users need interesting services and applications that are developed by tools, in most cases, not available yet, or under development. Furthermore, the design and development of software tools and platforms do not rely on a physical wireless infrastructure. Thus, at least in that market segment we can surely compete with other international players. We have the conditions to develop software for wireless communications and mobile computing. Following the main theme proposed for the Congress of the Brazilian Computing Society, Science, Technology, and Inovation: Shortcuts to the Future, this minicourse aims at presenting and discussing the current and future wireless and mobile technologies, and opportunities to develop software, services, and applications in those areas. 1 Este trabalho foi financiado parcialmente pelo CNPq.

2 Resumo Computação móvel é um paradigma computacional que tem como objetivo prover ao usuário acesso permanente a uma rede fixa ou móvel independente de sua posição física. É a capacidade de acessar informações em qualquer lugar e a qualquer momento. Este paradigma também recebe o nome de computação ubíqüa ou computação nômade. Na América do Norte, Europa e Japão, as tecnologias de comunicação sem fio e computação móvel têm sido largamente utilizadas nos mais diversos cenários. Dado esse contexto, uma questão que surge naturalmente é se o Brasil vai ter oportunidade de competir num mercado que cresce rapidamente e tende a ser dominado pelos países que possuem e usam a tecnologia de computação móvel, principalmente a de infra-estrutura de comunicação sem fio, como redes celulares 3G e outras, e de dispositivos portáteis. Uma observação chave para responder a esta pergunta de forma apropriada é a seguinte: para usar todas essas tecnologias é necessário que os potenciais usuários tenham serviços e aplicações interessantes. Por outro lado, serviços e aplicações são desenvolvidas por ferramentas que, na maior parte dos casos, não existem ou estão sendo projetadas atualmente. Mais ainda, para desenvolver essas ferramentas e outras soluções de software não é necessário ter em larga escala as tecnologias de comunicação sem fio. Logo, a resposta à questão acima, pelo menos nesse segmento, é sim. Com certeza temos as condições para nos capacitarmos e criarmos as condições para o desenvolvimento científico e tecnológico do País no segmento de software para computação móvel. Dentro do tema deste ano do Congresso da SBC, Ciência, Tecnologia e Inovação: Atalhos para o Futuro, este minicurso pretende apresentar as principais tecnologias de comunicação sem fio e computação móvel que estão em uso atualmente ou virão a ser usadas nos próximos anos e possíveis oportunidades de desenvolvimento tecnológico na área Introdução O que é o paradigma de computação móvel? Dispositivos computacionais móveis não são simples organizadores pessoais. Com o desenvolvimento tecnológico de fabricação de circuitos integrados que ocorreu, principalmente, durante a última década, tem sido possível a fabricação de dispositivos computacionais que possuem um novo paradigma: o paradigma da mobilidade. Esse paradigma está mudando a forma como trabalhamos, comunicamos, divertimos, estudamos e fazemos outras atividades quando estamos em movimento ou não desejamos ficar presos a uma infra-estrutura fixa de comunicação de dados. Computação móvel está se tornando uma área madura e parece destinada a se tornar o paradigma computacional dominante no futuro. Dispositivos móveis, também chamados genericamente de handhelds, estão aparecendo de diversas formas. Por exemplo, PDAs (Personal Digital Assistants), telefones celulares e vários outros tipos de dispositivos. Além disso, dispositivos móveis estão sendo fabricados com outras facilidades, funcionalidades e interfaces como GPS (Global Positioning System), tocadores de áudio e câmeras fotográficas digitais, jogos eletrônicos e placas de comunicação sem fio multiprotocolos, que facilitarão a comunicação entre diferentes tipos de dispositivos e infra-

3 estruturas de comunicação. O mercado desses dispositivos está crescendo e sendo usado em aplicações que envolvem negócios, indústria, escolas, hospitais, laser, etc. O paradigma de computação móvel é uma evolução natural quando analisamos os outros paradigmas que foram e são usados até hoje, como pode ser visto na figura 1. Na década de 1960, o paradigma que prevaleceu foi o de processamento em lote (batch), onde o usuário preparava, submetia e recebia seu job sem ter nenhum contato com o ambiente computacional. Na década de 1970 surge o sistema computacional multitarefa e o teleprocessamento. O usuário passa a ter acesso ao computador através de terminais remotos. É a época do surgimento do CPD Centro de Processamento de Dados, que ainda é utilizado até hoje. No início da década de 1980 começa a ser difundido em larga escala o computador pessoal, que passa a ser o paradigma dominante daí em diante, principalmente com o desenvolvimento do hardware associado a esse tipo de computador. Na década de 1990, os computadores pessoais passam a ser utilizados em larga escala em todas as atividades humanas, com a característica de estarem conectados a alguma rede, principalmente a Internet, que passa a ser a infraestrutura de rede de ambrangência global mais utilizada pelas pessoas. Figura 1: Evolução dos paradigmas computacionais [Tesler, 1991] Computação móvel é um novo paradigma computacional que tem como objetivo prover ao usuário acesso permanente a uma rede fixa ou móvel independente de sua posição física. É a capacidade de acessar informações, aplicações e serviços a qualquer lugar e a qualquer momento, como as mostradas na figura 2. Este paradigma também recebe o nome de computação ubíqua ou computação nômade. Existem três elementos que caracterizam e compõem a computação móvel: o tipo e capacidade de processamento do dispositivo portátil, a mobilidade do usuário e da unidade móvel, e a comunicação com outro elemento computacional através de um canal de comunicação sem fio. Uma diferença importante entre o paradigma de computação móvel e os anteriores, como mostrado na figura 1 e discutidos acima, é a interação entre esse paradigma

4 Figura 2: Visão de aplicações em computação móvel e as diversas áreas da Ciência da Computação e, mesmo do conhecimento humano. A computação móvel não é um paradigma que trata exclusivamente de questões ligadas às áreas de sistemas distribuídos e redes de computadores. Na verdade, é um paradigma que trata de todas as áreas da Ciência da Computação. Por exemplo, o projeto de circuitos integrados deve ser feito considerando o consumo de energia; sistemas operacionais devem possuir outras funções de gerenciamento específicas para dispositivos móveis como capacidade limitada de memória e processamento; linguagens de programação e compiladores devem ser projetados em função das características desse ambiente; bancos de dados devem considerar novos mecanismos de integridade e sincronização de dados; engenharia de software deve propor novos princípios de desenvolvimento para a área como projeto de interface homem-máquina; e em outras áreas existem questões similares. Além disso, outras áreas, como Psicologia e Sociologia, têm um papel importante em Computação Móvel por definir novas formas de uso da tecnologia de processamento e comunicação de dados. Dentre as diversas infra-estruturas de comunicação sem fio existentes, as mais utilizadas são a comunicação celular de segunda geração chamada de 2G (baseada nos padrões TDMA, CDMA e GSM), a geração 2,5 que é uma solução intermediária baseada em comunicação de pacotes, a 3G, que nos próximos anos promete velocidades na faixa de Mbps, redes locais sem fio baseadas no padrão IEEE , redes pessoais baseadas no padrão Bluetooth e IEEE e , redes de sensores sem fio, e RFID (Radio Frequency Identification) [RFID]. Nos chamados países do primeiro mundo, as tecnologias de comunicação sem fio e computação móvel têm sido largamente utilizadas nos mais diversos cenários. Dado esse contexto, uma questão que surge naturalmente é se o Brasil vai ter oportunidade de competir num mercado que cresce rapidamente e tende a ser dominado pelos países que possuem e usam a tecnologia de computação móvel, principalmente a de infra-estrutura de comunicação sem fio, como redes locais, pessoais, e celulares 3G, e têm acesso a dispositivos portáteis por causa de razões financeiras e capacidade de dominiar essa tecnologia.

5 Uma observação chave para responder a esta pergunta de forma apropriada é a seguinte: para usar todas essas tecnologias é necessário que os potenciais usuários tenham serviços e aplicações interessantes, que no ano de 2005 deve chegar a um bilhão de assinantes (figura 3). Ou seja, as pessoas não tendem a usar uma tecnologia simplesmente porque está na moda. Um dos exemplos mais recentes nessa área é o padrão WAP. No final da década de 90 havia uma expectativa muito grande na utilização desse padrão, o que acabou não se concretizando, dentre outros fatores, exatamente pela falta de serviços interessantes. Figura 3: Estimativa de assinantes de serviços de comunicação sem fio Além disso, existe atualmente toda uma conjectura favorável à utilização e crescimento da computação móvel. O volume de tráfego de dados na Internet tem tido um crescimento exponencial e já passou o volume de tráfego de voz em redes de telefonia. A demanda tem sido atendida com o aumento da largura de banda da Internet e a diminuição dos custos para acessar essa infra-estrutura. Também tem havido um processo de deregulamentação global, aumentando a competição e o oferecimento de novos serviços. Finalmente, órgãos, fóruns e entidades de padronização tem desenvolvido novos padrões. Esses aspectos são mostrados na figura 4 e servem como fatores que facilitam a utilização do paradigma móvel. Por outro lado, serviços e aplicações são desenvolvidas por ferramentas que, na maior parte dos casos, não existem ou estão sendo projetadas atualmente. Mais ainda, para desenvolver essas ferramentas e outras soluções de software não é necessário ter em larga escala as tecnologias de comunicação sem fio. Logo, a resposta à questão acima, pelo menos nesse segmento, é sim. Com certeza temos as condições para nos capacitarmos e criarmos as condições para o desenvolvimento científico e tecnológico do País no segmento de software para computação móvel. Dentro do tema deste ano do Congresso da Sociedade Brasileira de Computação, Ciência, Tecnologia e Inovação: Atalhos para o Futuro, cada um dos seus aspectos Ciência, Tecnologia e Inovação tem um papel fundamental em criar novas oportunida-

6 Figura 4: Fatores que facilitam a utilização do paradigma móvel des em ciência e tecnologia, e pesquisa e desenvolvimento. Assim, este minicurso pretende apresentar as principais tecnologias de comunicação sem fio e computação móvel que estão em uso atualmente ou virão a ser usadas nos próximos anos e possíveis oportunidades de desenvolvimento tecnológico na área Tecnologia da informação Serviços e aplicações Recentemente, foi publicado um comentário na Info Online [Carvalho, 2003] de um artigo intitulado IT Doesn t Matter escrito por Nicholas G. Carr, publicado na Harvard Business Review [Carr, 2003], uma das mais conceituadas revistas de negócios. O texto da Info Online aparece a seguir. A Harvard Business Review publicou este mês um dos textos mais provocadores já escritos sobre tecnologia da informação. Dá para sentir o espírito da coisa pelo título: TI não importa mais. O autor do ensaio, Nicholas Carr, é um dos editores da HBR. Sua tese: TI se tornou uma commodity como eletricidade ou qualquer outra utility. Como seu uso se generalizou, deixou de ter importância estratégica. Vai até se tornar um tédio. Não é a primeira vez que a HBR provoca indignação na turma de TI. No ano passado, ela já mexeu com o brio de muita gente ao perguntar, no título de outro texto: Está na hora de demitir o CIO? O subtema do artigo também era a diminuição da importância da tecnologia da informação. Na visão de Carr, TI se tornou um fator de produção como outro qualquer, um desses custos obrigatórios que já não garantem vantagem competitiva a ninguém. Com a tecnologia se tornando cada vez mais barata e mais largamente utilizada, quem consegue se distingüir dos competidores com ela? Para Carr, façanhas tecnológicas que dão vantagem competitiva, como a da American Airlines com o sistema de reservas Sabre, da Federal Express, com o acompanhamento online das encomendas, e da Mobil Oil, com seu sistema de pagamento au-

7 tomático, estão cada vez mais improváveis. Seriam exceções que comprovariam a regra da comoditização de TI. O principal risco em relação a TI, diz Carr, não é investir pouco, é gastar demais. Ele cita a Dell e a Wal-Mart como exemplo de empresas espertas em TI, que não fazem experiências com tecnologia de ponta, esperando que padrões e as melhores práticas se solidifiquem. Para fechar seus argumentos, Carr menciona uma pesquisa da consultoria Alinean que comparou os resultados financeiros com os gastos em TI de 7500 grandes empresas americanas. As 25 companhias que deram o maior retorno financeiro investiram 0,8% de seu faturamento em TI, contra 3,7% das outras empresas. Carr cutuca vários nomões da informática em seu texto. Como reforço à sua tese de comoditização de TI, afirma que IBM e Microsoft estão se posicionando como vendedores de utilities. Na hora de dar uma idéia de quanto as empresas poderiam economizar, sugere que se olhe na coluna dos lucros da Microsoft. E para fechar o tiroteio contra investimentos em TI, invoca Larry Ellison, o CEO da Oracle, dizendo que a maioria das companhias investe demais em TI e tem muito pouco em retorno. Não é a troco de nada, vê-se, que Carr está provocando polêmica. A repercussão vai se espelhar na coluna do lucro da HBR. Para ler o artigo de Carr na íntegra, gasta-se no mínimo 6 dólares para o download de um PDF. Para acessar o artigo, clique aqui. Para reclamar com o autor, mande um a ncarr@hbsp.harvard.edu. A posição assumida por Carr não deixa de ser polêmica mas o ponto importante a ser observado é que a Tecnologia da Informação é o meio e não o fim em si. O que os usuários de TI esperam são utilizar aplicações e serviços. Em particular, na área de computação móvel, a própria tecnologia ainda não é dominada, já que tem estado em freqüente evolução. Mais ainda, desenvolver aplicações e serviços para essa área impõe novos desafios, como discutio a seguir Desenvolvendo aplicações e serviços para ambientes móveis Normalmente quando uma empresa decide disponibilizar uma versão de uma aplicação para o ambiente de computação móvel é feita uma análise da versão/site disponível na rede fixa, que envolve, dentre outros aspectos, aquelas características adequadas para o novo ambiente e uma nova versão é gerada. É basicamente através deste método que aplicações como informações de vôos e bolsa de valores, correio eletrônico e agenda eletrônica são desenvolvidas. No entanto, esse método pode não atender as necessidades e/ou disponibilidades de um usuário móvel. Para executar alguma coisa em particular, o usuário, possivelmente, terá que executar mais de uma aplicação seqüencialmente, lembrando e/ou cortando/colando dados de uma aplicação para outra. Considere, a seguir, o exemplo de uma aplicação desenvolvida utilizando esse método. Leonardo combinou com Giselle de buscá-la no aeroporto. Giselle enviou uma mensagem eletrônica para Leonardo com informações sobre o seu vôo, que foram armazenadas na agenda eletrônica do Leonardo. O vôo está marcado para chegar às 17:21 da próxima quarta-feira e, normalmente, Leonardo gasta 45 minutos para ir de seu local de trabalho até o aeroporto. Leonardo marca o evento na sua agenda eletrônica para às

8 16:15 permitindo, assim, tempo para avaliar a situação antes de sair. Nesse dia, Leonardo não está no escritório e precisa de algumas informações: acesso a sua agenda eletrônica, informação do vôo e condições de tráfego. A seguir, está descrito o que ele deve fazer às 16:15: 1. Receber uma notificação de sua agenda eletrônica sobre essa entrada. 2. Guardar informações sobre companhia aérea, vôo e horário, que podem ser anotadas no PDA. 3. Acessar o servidor Web do aeroporto ou da companhia aérea para saber informações sobre o vôo. Este passo, provavelmente, irá exigir alguma navegação. 4. Navegar pela página de informção do vôo informando número do vôo, data, etc. 5. Verificar se o vôo está no horário ou não. 6. Se o vôo não estiver no horário, estimar quando os passos 1 a 5 serão repetidos. 7. Acessar o servidor Web de informação de tráfego. Este passo, provavelmente, irá exigir alguma navegação. 8. Determinar a hora em que ele terá que ir para o aeroporto. Todos os passos, exceto o 1, exigem atenção da pessoa que está usando o dispositivo móvel. Se a pessoa estivesse usando um computador de mesa, ela poderia invocar mais de uma aplicação simultaneamente, mudar de aplicação e até dar atenção a uma outra atividade que a interrompesse momentaneamente. Num handheld é pouco provável que a pessoa vá executar mais de uma aplicação simultaneamente e sua atenção deve ser maior para a tarefa sendo executada. Considere agora um projeto diferente dessa mesma aplicação, que usa uma abordagem baseada em tarefa. Suponha que exista um serviço agregador de conteúdo de informação de vôo usando essa abordagem. Neste caso, após Leonardo combinar com Giselle de buscá-la no aeroporto, ele contacta o serviço agregador e passa a informação sobre o vôo. A seguir, está descrito o que acontece: 1. O serviço monitora o status do vôo da Giselle. 2. Se o vôo está atrasado, Leonardo é notificado. 3. O serviço monitora a localização do Leonardo na cidade e o tempo esperado para chegar ao aeroporto baseado nas condições de tráfego daquele momento onde se encontra. 4. Leonardo recebe uma notificação de quando ele precisa ir para o aeroporto baseado nas informações do vôo e tráfego. A notificação pode ser feita enviando uma mensagem para o PDA ou através de SMS (Short Message Service). É claro qual solução é mais fácil para o usuário. Na primeira, Leonardo tem mais trabalho e na segunda, o serviço funciona como seu assistente. A primeira solução é uma minituarização de uma aplicação para o ambiente de computação móvel, feita a partir de uma versão/site disponível para a rede fixa. Esse princípio trata o ambiente móvel e a tecnologia associada como um subconjunto do ambiente tradicional. A razão para isso é que linguagens para ambientes móveis são, na maior parte das vezes, subconjuntos de suas equivalentes para ambientes fixos, e os recursos físicos dos dispositivos e ambientes móveis são mais limitados quando comparados com os similares infra-estruturados (telas menores, entrada de dados limitada, e largura de banda menor). É esse princípio de desenvolvimento que acaba levando a todos os passos da primeira solução. Ele falha em considerar os aspectos positivos do paradigma móvel:

9 O dispositivo móvel está sempre com o usuário e sempre ligado. Não é comum um computador desktop ficar com o usuário. Um laptop tende a ser ligado e conectado apenas quando o usuário está parado. Quando o usuário está executando uma aplicação num dispositivo móvel relacionada, por exemplo, com: Uma agenda eletrônica ou escalonamento de tarefas; Localização física do usuário e/ou do servidor; Perfil do usuário dado um contexto (compras, deslocamento, viagem, entretenimento, etc); é possível fazer algumas deduções a partir do contexto do usuário. Neste caso, o lado fixo da aplicação deve ter como foco principal enviar informações relacionadas com o contexto e com a atividade que está sendo executada. Contexto e atividade podem assumir diferentes aspectos como localização física do usuário, condições físicas de comunicação, características físicas do dispositivo portátil, e prioridade para acessar/ter um dado. Tecnologias de comunicação sem fio, como Bluetooth, são capazes de criar redes pessoais sem que o usuário perceba que isso está ocorrendo. Obviamente, o usuário de um dispositivo móvel com Bluetooth deve programar o seu dispositivo para que isso ocorra da forma desejada. Tecnologia push é possivelmente a forma de comunicação mais apropriada de se comunicar com o usuário, já que pode ser feita em janelas de tempo mais apropriadas tanto do ponto de vista da comunicação (quando o canal experimenta uma qualidade melhor) como da atenção do usuário (que pode estar voltada para outra atividade). Todos esses aspectos são normalmente ignorados quando aplicações minituarizadas são desenvolvidas Organização do texto O texto deste minicurso está organizado como segue. A seção 2 descreve a evolução das tecnologias de comunicação sem fio, tanto em ambientes internos quanto externos. A seção 3 apresenta uma visão geral de computação móvel em termos de dispositivos usados e tendência de uso desses dispositivos. A seção 4 discute o problema tecnológico e de infraestrutura, serviços já disponibilizados ou a serem disponibilizados e conhecimentos e formação para trabalhar na área. A seção 5 discute problemas práticos e oportunidades de trabalho existentes na área. Finalmente, a seção 6 apresenta as conclusões deste minicurso Tecnologias de comunicação sem fio Algumas das tecnologias de comunicação sem fio utilizadas atualmente estão descritos a seguir e mostradas na figura i-mode O i-mode foi criado pela operadora japonesa NTT DoCoMo [Interactive, 2000] e é basicamente um serviço de informação por pacotes. Com este sistema de informação em pacotes, diferentemente das redes telefônicas de comutação de circuitos, não é necessário

10 Figura 5: Tecnologias de comunicação sem fio que cada usuário receba a informação através de um só canal de rádio, o que significa que um grande número de pessoas pode ter acesso à informação simultaneamente. Além disso, o modelo em pacotes ajuda a reduzir os custos, já que as tarifas baseiam-se no volume de informação enviada e recebida. O i-mode se aproxima em muitos aspectos do WAP, a começar pela velocidade de transmissão, que é de 9,6 kbps, a mesma que se tem nas redes TDMA. Essa baixa taxa de transmissão faz com que o protocolo japonês esbarre na dificuldade de transportar imagens, assim como o WAP. São possíveis apenas ícones muito simples, parecidos com pequenas imagens do WAP em formato vbmp. Graças ao sistema de comutação de pacotes, os usuários da NTT DoCoMo têm conexão permanente com a Web. Isso explica por que a lenta velocidade de transmissão de dados de 9,6 kbps não afeta de forma tão direta o desempenho do i-mode, como acontece com o WAP. A outra vantagem que esse modelo de rede propicia são os pacotes de serviços extremamente econômicos. Diferentemente do que acontece no Brasil, onde as operadoras cobram pelo tempo de uso, no modelo utilizado pela operadora japonesa a cobrança é feita pela quantidade de dados transmitida. Inicialmente, o i-mode estabeleceu uma tecnologia baseada no HTML, o CHTML que permite que os provedores de conteúdo possam desenvolver aplicações sem a necessidade de novos métodos de programação e ter que utilizar conversores de HTML a WML. Com um acordo feito entre a empresa DoCoMo e o WAP Forum, os dois padrões passaram a usar o mesmo padrão de linguagem de marcação, baseado no padrão HTML versão 4.1. A figura 6(a) mostra um celular da DoCoMo executando o i-mode WAP O WAP é um método de distribuição de informação da Internet para o usuários, atráves de um dispositivo móvel que, atualmente, é padronizado pelo WAP Forum [WAP Forum]. O modelo de programação WAP é similar ao modelo de programação Web. Isto significa que ele provê vários benefícios para a comunidade desenvolvedora de aplicações, incluindo um modelo de programação familiar e a capacidade de reutilização das ferramentas atuais, como os servidores Web. Entretanto, otimizações e extensões foram feitas de maneira que a característica do mundo Web fosse ao encontro do ambiente sem fio. Sempre que possível, os padrões existentes foram plenamente adotados ou foram usados como ponto de partida para a tecnologia WAP.

11 A figura 6(b) mostra o modelo de comunicação entre um dispositivo WAP e a Internet. (a) i-mode (b) WAP Figura 6: O padrão i-mode proposto pela empresa DoCoMo do Japão e o padrão WAP proposto pelo WAP Forum Bluetooth Bluetooth é um padrão proposto pelo Bluetooth SIG (Special Interest Group) [Bluetooth Special Interest Group], que é um consórcio das maiores empresas de telecomunicações e computação do mundo. O padrão opera na faixa ISM (Industrial, Scientific, and Medical) de 2,4 GHz e tem como princípio propor uma tecnologia de baixo custo para conectividade sem fio. Inicialmente o padrão foi projetado como uma solução para substituição de cabos usados na comunicação de periféricos (figura 7(a)) por comunicação via rádio. No entanto, ele permite a conexão entre diferentes tipos de dispositivos possibilitando a formação de redes ad-hoc (figura 7(b)). A estrutura básica de comunicação no Bluetooth é chamada de piconet. A piconet tem a característica de ser uma rede onde um nodo central, definido como mestre, se comunica ativamente com os outros nodos chamados de escravos, formando uma topologia em estrela, com no máximo sete elementos. Piconets podem se conectar entre si formando scatternets (figura 7(b)). O pequeno alcance de comunicação dos dispositivos faz com que essas piconets possuam a característica de formarem pequenas redes pessoais, conhecidas como PAN Personal Area Network. Algumas das principais diferenças entre o Bluetooth e outros tipos de redes sem fio estão mostradas na figura 5 são: Redes formadas basicamente de dispositivos com baixa capacidade e pouca energia; As conexões entre dois dispositivos possuem diversos estados, com o objetivo de economizar energia e gerenciar a formação de outras piconets; Formação espontânea de piconets, possibilitando modificações constantes em sua topologia. Essas modificações não são apenas em função da mobilidade, como normalmente acontece nas redes sem fio;

12 As scatternets possuem pequenos diâmetros, sendo formadas por menos do que 10 piconets, pois o Bluetooth prevê que as PANs façam comunicação entre usuários e dispositivos; O estabelecimento da conexão entre dois nodos passa por um procedimento de identificação e sincronização que necessita de uma temporização para ocorrer efetivamente. Outro ponto é a maneira que o canal entre o mestre e o escravo é tratado. A comunicação de rádio do Bluetooth usa um esquema de salto de freqüência (frequency hopping) para permitir uma comunicação robusta em ambientes com muita interferência e uma comunicação mais segura e personalizada, com um número mínimo de colisões quando comparado com outros padrões. A especificação define dois sistemas de salto de freqüência, um que trabalha sobre 73 freqüências diferentes, e outro sobre 23. Durante a comunicação, é utilizado o TDD (Time Division Duplex), que possibilita o suporte a comunicação duplex. A seqüência do salto de freqüência é definida pelo identificador único do mestre na rede, um número gerado de forma similar ao especificado pelo IEEE802, e o TDD é controlado por um relógio que se encontra no mestre, o que faz com que todos os nodos que se comunicam com o mestre passem por um processo de identificação e sincronização. A especificação inclui os protocolos da interface aérea para permitir a comunicação entre dispositivos e os perfis de uso, que definem como dispositivos Bluetooth podem comunicar entre si em diferentes aplicações (figura 7(c)) RFID Uma etiqueta RFIP é formada por um microchip conectado a uma antena. Existem diferentes tipos de etiquetas para diferentes tipos de aplicações. No entanto, o ponto importante para tornar a tecnologia RFID largamente aplicável é o seu baixo custo. Cada etiqueta possui um identificador único (veja, por exemplo, a proposta do Auto-ID Center na seção 5.2) que é enviado via difusão através da antena. Etiquetas RFID podem ser ativas, passivas ou semi-passivas, e de leitura-escrita ou somente de leitura. Uma etiqueta RFID ativa tem uma bateria para alimentar o circuito do microchip e para enviar um sinal para uma estação de leitura. Uma etiqueta passiva não tem bateria e usa a energia das ondas eletromagnéticas enviadas pela estação de leitura para induzir uma corrente na antena da etiqueta que transmite o identificador. Etiquetas semi-passivas usam uma bateria para alimentar o circuito mas usam a energia eletromagnética para fazer a transmissão do identificador. Etiquetas de leitura-escrita podem gravar uma nova informação ou escrever sobre a existente enquanto uma etiqueta somente de leitura apenas transmite a informação gravada previamente. O raio de transmissão que um identificador alcança depende de fatores como potência do sinal transmitido IEEE O padrão de comunicação IEEE foi criado em 1999 para suportar a comunicação em Redes Locais Sem Fio, (WLANs Wireless Local Networks). A especificação define uma camada de acesso ao meio, camada MAC, e diferentes camadas físicas, tornando possível acessar o meio de três formas possíveis: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) e infra-vermelho. Muitas vezes o

13 (a) Motivação para o surgimento da tecnologia Bluetooth: substituição de cabos (b) Uso do padrão onde piconets e scatternets são formadas (c) Modelos de uso e comunicação com outros tipos de infra-estrutura e dispositivos Figura 7: Bluetooth padrão é chamado de Ethernet sem fio, por ser uma extensão natural do padrão Ethernet (IEEE 802.3), como mostrado na figura 8(a). No protocolo , a unidade de arquitetura é um BSS (Basic Service Set). Um BSS é definido como um grupo de estações comunicantes sob controle de uma função de coordenação (DCF Distributed Coordination Function), que é responsável por determinar quando um dispositivo pode enviar/receber dados. As estações podem se comunicar

14 (a) Exemplo de interconexão entre os padrões IEEE e IEEE (b) Uso do padrão IEEE a em ambientes externos Figura 8: Padrão IEEE para redes locais sem fio diretamente (ponto-a-ponto) ou com o suporte de uma infra-estrutura. Redes que se comunicam da primeira forma são conhecidas como redes ad-hoc, enquanto a segunda são chamadas de redes infra-estruturadas. Essas últimas utilizam estações-base para interconectar os dispositivos para prover suporte à mobilidade.

15 As taxas de comunicação variam de acordo com a versão do padrão. No padrão IEEE básico, existem duas taxas de comunicação: 1 e 2 Mbps. Os padrões a e b alteraram a especificação para prover taxas de 5,5 e 11 Mbps (802.11b), chegando até 54 Mbps (802.11a). O a utiliza um esquema especial de multiplexação para atingir altas taxas de comunicação, o que torna impossível a comunicação entre dispositivos a e b. O padrão a permite que seja utilizado em ambientes externos (figura 8(b)). Recentemente, a Verizon [Verizon] disponibilizou 150 áreas (hot spots) a partir de telefones públicos em Manhattan (NY, EUA), que permite acesso gratuito para clientes da empresa. Atualmente, já é comum ter uma infra-estrutura baseada no padrão disponível para clientes em livrarias, cafeterias, e outros estabelecimentos comerciais Telefonia celular 3G e 4G Os sistemas móveis de terceira geração, chamados de sistemas IMT-2000, foram projetados para prover acesso a diferentes tipos de serviços de comunicação de dados, e também voz, dentre eles aplicações multimídia, acesso a Web e outras aplicações que precisam de uma largura de banda não encontrada normalmente em redes celulares 2G e 2,5G. Os sistemas de terceira geração são uma evolução dos sistemas celulares atuais (figura 9(a)). As principais características dos sistemas de terceira geração IMT-2000, são: Alto grau de padronização no projeto de dispositivos móveis; Compatibilidade entre os serviços oferecidos pelas redes fixas e os definidos de acordo com o padrão IMT-2000; Adoção de terminais de usuário leves e compactos, com capacidade de roaming mundial; Capacidade de tratar aplicações multimídia, e uma variedade de serviços; Utilização de comutação por pacote ao invés da comutação por circuito, utilizada tradicionalmente na telefonia fixa; Assimetria de tráfego, com maior volume de informações transmitidas no enlace rede fixa dispositivo móvel, uma vez que o acesso à Internet é um dos pontos fundamentais dos sistemas de terceira geração. No futuro, a tendência é que toda a infra-estrutura de comunicação sem fio seja baseada numa rede comutada por pacotes, baseada no protocolo IP (figura 9(b)) Visão geral de computação móvel A figura 10 mostra a evolução do uso de dispositivos computacionais desde o início da computação na década de 1940 e a tendência de utilização desses dispositivos nos próximos anos. O segmento de dispositivos portáteis tem tido um crescimento exponencial e dever ser o setor dominante no futuro O futuro da computação móvel Na edição de junho de 2000 da revista Time, Cerf descreve sua visão de como será a Internet daqui a 20 anos [Cerf, 2000]. A parte inicial desse artigo aparece na figura 11. Alguns dos destaques desse artigo são que a Internet se tornará ubíqüa; os acessos serão feitos através de enlaces de alta velocidade e de baixo consumo de energia;

16 (a) Evolução da telefonia celular para a terceira geração (b) Evolução para uma rede toda baseada no protocolo IP Figura 9: Evolução da telefonia celular (4G) diferentes dispositivos computacionais com diferentes funções terão Internet embutida e conversarão entre si; possivelmente teremos mais elementos computacionais online que

17 Figura 10: Evolução e tendência na utilização de dispositivos computacionais Figura 11: Como será a Internet daqui a 20 anos? pessoas; dispositivos programáveis serão tão baratos que virão embutidos em caixas e outros objetos. É interessante notar que atualmente já existem tecnologias de comunicação sem fio que oferecem todas essas características a um preço competitivo Formas de uso dos dispositivos móveis A figura 12 ilustra o problema do tipo de dispositivo móvel e suas formas de utilização. A primeira questão que surge é o que fazer com um dispositivo móvel, que tipo de funcionalidade terá e se será necessário ter mais de um tipo de dispositivo, conforme mostrado pela seqüência de imagens na figura 12(a). Tradicionalmente, temos usados dispositivos

18 móveis, como telefones celulares, nas nossas atividades diárias (figura 12(b)). No entanto, novas formas de utilização já estão aparecendo e deverão ser mais usadas no futuro (figura 12(c)) Dispositivos móveis Podemos dividir os dispositivos móveis para usuários em três grandes segmentos: laptops e palmtops, PDAs, e telefones celulares. Comumente, laptops e palmtops são usados como computadores desktops, conectados a uma rede fixa e utilizando energia de tomada. Por outro lado, PDAs e celulares tendem a ser usados em situações que envolvem mobilidade, efetivamente fazendo uso de uma infra-estrutura de comunicação sem fio e sem dependerem de energia de tomada (figuras 13(a) e (b), respectivamente). Também é comum encontrar dispositivos móveis projetados para aplicações específicas como a indústria (figura 13(c)). Atualmente, existe uma forte tendência em integrar PDAs e celulares. Assim, já é possível comprar PDAs com a função de celular e vice-versa (figura 13(d)). Com o surgimento de novas tecnologias de comunicação de dados, como a telefonia celular de terceira geração, novos dispositivos serão produzidos, como os mostrados na figura 13(e). É importante observar que a variação das interfaces de entrada e saída, capacidade de processamento e armazenamento, autonomia de funcionamento, e suporte a protocolos de comunicação sem fio é bem grande entre os diferentes tipos de dispositivos. No ambiente de computação móvel, o tamanho do dispositivo é um fator muito importante, já que as pessoas não desejam carregar dispositivos pesados, mas sim leves e de fácil utilização (figura 14). A tendência é que dispostivos móveis passem a ser usados mais freqüentemente, como outros objetos que normalmente carregamos e passem a ser incorporados ao nosso dia-a-dia, como pode ser visto na figura Suporte à mobilidade na rede fixa Do ponto de vista da rede fixa (Internet), o protocolo IP é o protocolo que cria a cola para integração de serviços e aplicações entre a rede fixa e a rede sem fio (figura 16). Mais ainda o protocolo IP Móvel cria as condições para dar suporte à mobilidade de dispositivos móveis dentro da rede fixa. O IPv6 móvel (Mobile IP) foi projetado para criar efetivamente uma Internet ubíqüa para a computação móvel. Dentre as características importantes do IPv6 móvel para a computação móvel estão o espaço de endereçamento de 128 bits, e a forma de ligação de dispositivos baseada no princípio plug-and-play, como mostrado na figura Desafios a serem vencidos Como se aplica o paradigma da computação móvel? Esta é uma pergunta que trata de diversos aspectos, alguns deles discutidos nesta seção. Outro caminho, não discutido aqui, é estudar e analisar o que tem sido feito, ou seja, avaliar os projetos e experiências existentes Critérios a considerar no projeto de aplicações Existem vários critérios que devem ser considerados ao se projetar uma aplicação para o ambiente de computação móvel. Alguns deles são discutidos a seguir.

19 (a) Tipos de dispositivos móveis (b) Formas convencionais de utilização dos dispositivos móveis (c) Novas formas de utilização dos dispositivos móveis Figura 12: Tipos e formas de uso de dispositivos móveis Nem todas as aplicações e serviços existentes ou que serão desenvolvidos são

20 (a) HP Jornada 928 WDA Pocket PC Phone Edition (b) Sendo Z100 Stinger (c) PDA Industrial da Casio: Tela de mm, Windows- Ce, CPU 150 MHz, 32 MB (RAM), 14 MB (ROM), RS232, IrDA, Bateria (15 hs) (d) PDA e celular combo da Handspring (e) Protótipos de celulares 3G da Nokia Figura 13: Dispositivos móveis apropriados para o ambiente de computação móvel. Assim, deve-se primeiro avaliar se é adequado desenvolver uma aplicação/serviço para esse ambiente. Isso pode ser feito a partir de pontos, como os descritos a seguir: Analisar os fluxos de dados e requerimentos de conectividade da aplicação específica. Uma aplicação pode precisar ser notificada imediatamente ou não sobre uma determinada condição e/ou dado. Identificar os requisitos do modelo de uso da aplicação. Por exemplo, deve-se

21 Figura 14: Tamanho do dispositivo Figura 15: O dispositivo móvel é um recurso que tende a ser usado como outros objetos (e.g., relógio e caneta) comuns que usamos no dia-a-dia verificar se é necessário que o dispositivo tenha uma conexão intermitente ou permanente com o servidor na rede fixa e tenha que sincronizar os dados de aplicações que envolvem bancos de dados ou que estejam on-line. Avaliar o tipo de infra-estrutura de comunicação sem fio necessária e/ou dis- Figura 16: Serviços, a serem disponibilizados em computação móvel, serão fortemente baseados em redes IP

22 Figura 17: IPv6 móvel que cria o suporte à mobilidade de dispositivos móveis na rede fixa ponível para a aplicação. Por exemplo, PAN, LAN, WAN, telefonia celular (2.5G, 3G), ou satélite. Cada uma dessas tecnologias tem requisitos diferentes de largura de banda, atraso, área de abrangência, etc. Definir a região de cobertura que a aplicação deve estar disponível. Essa área pode variar desde um escritório até diferentes regiões do planeta. Dependendo da região de cobertura, é bem provável que diferentes infra-estruturas de comunicação sem fio serão usadas. Identificar os requisitos de segurança que a aplicação deve ter. Alguns dos aspectos a considerar são autenticação e criptografia. Estimar o custo de desenvolvimento e manutenção da aplicação. Esse custo deve ser avaliado não somente para um momento mas para um horizonte maior. Identificar características dos dispositivos móveis necessários à execução da aplicação. Atualmente, existem diferentes dispositivos portáteis com diferentes características. Logo, deve-se identificar as características dos dispositivos que podem impactar o projeto e, mesmo, a viabilidade de desenvolver uma aplicação. Dentre as características estão, por exemplo, o tamanho, formas de entrada e saída de dados, interfaces de comunicação sem fio, sistemas operacionais disponíveis, e ferramentas de desenvolvimento de aplicações e serviços. Identificar o segmento de mercado da aplicação ou serviço. Ao desenvolver uma aplicação ou serviço para um ambiente móvel, não basta que o desenvolvimento seja bem feito e, no final, tenha-se um produto de qualidade se não houver um mercado de consumo. Ou seja, como qualquer outro produto, uma aplicação ou serviço para o ambiente de computação deve ter qualidade, mas, deve ser, principalmente, atraente para ser consumido. A seção seguinte descreve em mais detalhes o processo de desenvolvimento de aplicações móveis Processo de desenvolvimento de aplicações móveis Para desenvolver uma estratégia de mobilidade para uma empresa, é necessário avaliar os vários processos dentro do negócio e identificar aqueles que podem ser melhorados

23 e/ou aplicados com o paradigma de computação móvel. Os processos de um negócio são usualmente projetados considerando um conjunto de requisitos. Quando uma nova tecnologia com diferentes capacidades e requisitos é utilizada, os processos devem ser revistos do ponto de vista desse tecnologia. Se a tecnologia é simplesmente aplicada sem nenhuma consideração, o resultado final pode ser bastante ineficiente ou mesmo desastroso. Alguns pontos importantes que devem ser considerados em um negócio são, por exemplo: A forma como as informações, documentos, mensagens, etc. são trocadas entre os funcionários (papel, meio eletrônico); Qual é o processo para passar essas informações; Que/Onde/Como/Quando informação/aplicação é importante para os diferentes tipos de funcionários da empresa; Que novos processos devem ser criados com uma estratégia móvel? Alguns critérios devem ser definidos para avaliar a utilização da computação móvel num processo específico de negócio: A tecnologia irá fornecer novas capacidades/funcionalidades? Ou seja, a tecnologia irá permitir fazer atividades que não são possíveis sem ela? Quanto vale essa capacidade/funcionalidade? Existem outros retornos indiretos em se ter essas capacidades/funcionalidades? A tecnologia irá melhorar a produtividade? Ou seja, o que será melhorado com a mesma quantidade de recursos? Os ganhos previstos são maiores que os custos com treinamento, gerenciamento e uso do sistema? Como a curva de aprendizagem da tecnologia irá afetar a produtividade? A tecnologia irá melhorar a eficiência? Ou os novos passos introduzidos no processo do negócio irão diminuir a eficiência como um todo? A tecnologia irá melhorar a qualidade? Os erros irão diminuir ou aumentar devido às opções limitadas de entrada de dados dos dispositivos móveis? Os resultados do processo do negócio serão melhores? O uso da tecnologia irá afetar os custos? Quais os novos custos que serão criados? Mesmo se a tecnologia provê um aumento na receita, o seu uso deve ser considerado em função dos custos atuais. Todas essas questões devem ser colocadas não só em relação ao presente mas também ao futuro tomando como base meses e/ou anos a frente. Hoje, para uma dada empresa, pode ser que o uso do paradigma móvel não seja uma boa estratégia mas no futuro pode ser diferente. Também existe o caso que mesmo não sendo uma boa opção no momento, a empresa pode decidir investir na tecnologia como diferencial competitivo para o futuro. Naturalmente, todas essas decisões devem ser tomadas consultado as pessoas envolvidas e especialistas da área Usabilidade Dispositivos móveis são completamente diferentes de desktops. As pessoas não usam aplicações móveis para acessar a mesma informação ou executar as mesmas funções que elas fariam com um computador fixo. Isso se deve às restrições do hardware do dispositivo móvel (tela menor, entrada de dados limitada, energia limitada, mobilidade), características do ambiente de comunicação sem fio (largura de banda menor, taxa de bits

24 errados maior), e pagamento pelos serviços. Logo, a habilidade, capacidade, e disponibilidade de um usuário acessar e processar informações são menores. Isto significa que um dos aspectos mais importantes no desenvolvimento de aplicações móveis é a usabilidade. No projeto de aplicações, principalmente para a Web, a navegação intuitiva e a identificação de conteúdo são considerações importantes. No caso de aplicações móveis são necessidades absolutas. Normalmente, usuários em ambientes fixos ficam mais concentrados enquanto ambientes móveis tendem a distrair mais as pessoas em função das outras atividades que ocorrem ali. Uma possível estratégia para avaliação de usabilidade é criar projetos de tela da interface a ser usada, considerando o objetivo do serviço, a audiência alvo, cenários de uso e restrições técnicas. Os diversos detalhes do projeto de cada tela devem ser estudados cuidadosamente, utilizando, principalmente, informações fornecidas pelos usuários. Três aspectos a considerar numa arquitetura de informação são: 1. Esquema de interação. Projeto de cada tela com o seu contéudo, como o usuário deve interagir, regras de navegação e fluxo de informação. 2. Mapa de serviço. Diagrama mostrando a estrutura do serviço proposto, mostrando a interação entre os diferentes tipos de serviços disponibilizados. 3. Guias de estilo. São usados para guiar os projetistas no desenvolvimento do serviço. Define regras para navegação, controles, mensagens de erros, atalhos, etc. Uma questão importante de usabilidade é a interface de usuário. Por exemplo, dispositivos WAP têm uma variedade de interfaces: a saída pode ser apresentada como texto, texto formatado ou gráfica. A entrada é feita através de telas sensíveis ao toque e/ou botões. O tamanho de um display varia significativamente. O aparelho MC218 da Ericsson tem um display de enquanto o modelo 7110 da Nokia é apenas 96 65, ou seja, uma proporção de 24:1, conforme pode ser visto na figura 18. Por outro lado, a tela de um desktop difere numa proporção de 6:1 ( comparado com ). Uma diferença tão grande entre os tamanhos de tela torna muito difícil o projeto de uma aplicação que (a) Ericsson MC218 (b) Nokia 7110 (c) Nokia 7110: descrição dos botões Figura 18: Diferenças entre telas de dispositivos WAP

25 Os mecanismos de entrada de dados providos por dispositivos WAP também são inconsistentes. Dispositivos PDAs oferecem interface point-and-click ou sensível ao toque enquanto telefones usam botões. Normalmente, a navegação com uma interface de botão é mais difícil que uma interface sensível ao toque. Por exemplo, telefones WAP permitem rolagem vertical da tela enquanto horizontal não. Além disso, entrada de texto é mais difícil e leva mais tempo Segurança O paradigma móvel, que oferece acesso a informação em qualquer lugar e a qualquer momento, traz um desafio mais sério para as pessoas e organizações que é o risco da segurança. Segundo previsões de 2002 do Gartner Group [Gartner], em 2007, mais de 200 milhões de dispositivos móveis serão usados por pessoas em atividades relacionadas com negócios. Possivelmente, nesse cenário haverá muitos problemas de segurança envolvendo dados armazenados em handhelds e transmitidos via comunicação sem fio. Os mecanismos de segurança em rede terão que ser revistos para evitar ou diminuir um uso incorreto acidental ou intencional do processo e informação no ambiente de computação móvel, já que esses tipos de problema tendem a causar uma desconfiança maior nas entidades envolvidas e tecnologias usadas Projeto considerando adaptação A computação móvel é caracterizada por um dispositivo portátil com capacidade de processamento, mobilidade e uma infra-estrutura de comunicação sem fio. Os dispositivos e a infra-estrutura podem variar bastante o que leva a ambientes de computação móvel com características bem distintas. Por sua vez, o padrão de mobilidade e de tráfego pode variar entre diferentes grupos de usuários. Além disso, aplicações projetadas para computação móvel devem considerar obrigatoriamente o tipo de ambiente e considerar ainda a energia como um recurso a ser otimizado. Assim, fica claro que é muito difícil definir a priori um comportamento para uma aplicação em um ambiente de computação móvel. Na verdade, um dos aspectos para o sucesso de uma aplicação em computação móvel é adaptação. O significado de adaptação. Adaptação significa dizer que uma aplicação ou algoritmo não tem agora uma única especificação de saída, mas possivelmente um conjunto válido de saídas ou resultados que são aceitáveis em função das condições existentes em um determinado momento do tempo. Esta é uma observação muito importante em computação móvel e, de fato, bem razoável. Por exemplo, se num dado instante só existe energia disponível na unidade móvel para mais t segundos, então não adianta executar um processamento que gaste mais que esse tempo, a menos que essa computação possa chegar a um resultado com uma precisão menor em menos de t segundos. Outro exemplo, suponha que num dado instante um usuário móvel esteja acessando as suas mensagens eletrônicas em um ambiente externo de baixa velocidade com uma alta taxa de erro. Neste cenário pode-se optar por mostrar apenas o remetente e o assunto de cada mensagem. Suponha ainda que o usuário continua a se mover e passa a acessar uma infra-estrutura interna de comunicação sem fio através de WLAN que possui uma taxa de comunicação acima de 1 Mbps e uma baixa taxa de erro. Neste caso agora, o usuário poderia passar a ver as mensagens integralmente.