사용자중심의상황정보활용서비스를위한상황정보관리모델및아키텍처 서신석 1, O, 강준명 2, 한윤선 3, 홍원기 3 1 포항공과대학교컴퓨터공학과 2 Dept. of Electrical and Computer Engineering, University of Toronto 3 포항공과대학교정보전자융합공학부 1 sesise@postech.ac.kr, 2 joonmyung.kang@utoronto.ca, 3 {seon054, jwkhong}@postech.ac.kr 요 약 특정사용자와관련이있는다양한형태의상황정보를제공할수있는기기들및센서들이증가하고있다. 이러한상황정보는현재스마트폰, 태블릿, 스마트홈, 스마트카, 스마트빌딩, Social Networking Services (SNSs) 와같이매우다양한영역에서개별적으로생성되고있다. 다수의영역에서생성되는상황정보들은사용자를중심으로보았을때상호연관되어서로영향을미치거나새로운상황정보를추론하는데사용될수있다. 사용자를중심으로상황정보를관리하고활용하면새롭고유용한상황정보활용서비스가가능해진다. 그러나, 최신의상황정보관리와관련된연구들은대부분하나의영역에존재하는상황정보에대해서만이루어지고있다. 본논문은사용자중심의상황정보관리를위하여상황정보를나타낼수있는정보모델및아키텍처를제안한다. 1. 서론 네트워킹, 센서및휴대단말기술들의발전에따라사용자와관련이있는상황정보 (context) 를생성할수있는장비및장치들이증가하고있다. 이러한장비혹은장치들은스마트폰, 태블릿, 노트북, 스마트홈, 각종센서들및 Social Networking Services (SNSs) 등과같은특정영역내에포함되어있다 ( 그림 1). 또한특정사용자와사회적으로관련이있는다른사용자들의상황정보도매우유용한정보를제공한다. 이러한상황정보는다양한상황정보활용서비스들을위하여사용될수있다. 상황정보활용서비스의대표적인예로는생물학적센서들을활용한건강상태점검 [1] 과이종의이동네트워킹서비스환경에서개인화된핸드오버결정 [2] 등이있다. 상황정보의관리수준은다음과같은세단계로구분될수있다. 영역수준 : 상황정보를특정한한영역에서만수집하고활용한다. 사용자수준 : 특정사용자와관련이있는다양한영역들에서상황정보를수집하고종합적으로관리한다. 사회적수준 : 사용자수준의관리뿐만아니라사용자가사회적으로관계를맺고있는다른사용자의상황정보까지고려한다. Tablet Laptop Smartphone Smarthome Wearable uhealth Social Networking Services Smartcar Other Users Smartbuilding 그림 1. 사용자주변의다양한상황정보영역 현재대부분의상황정보관리를위한연구들은하나의영역만을고려하는영역수준에머물러있다 [3-5]. 하지만다양한상황정보영역들이특정사용자와관련이있다는것을고려하면, 사용자수준이상의상황정보관리가필요하다는것을알수있다. 사용자수준의상황정보관리는사용자주변의다양한영역들에서생성되는상황정보를종합적으로수집하여추론하는기능을제공하여야한다. 더욱이, 사회적수준의상황정보관리는사용자와관련하여매우가치있고중요한상황정보를제공해주기때 * " 본연구는지식경제부및정보통신산업진흥원의대학 IT 연구센터지원사업 (NIPA-2012-H0301-12-3002) 과한국연구재단을통해교육과학기술부의세계수준의연구중심대학육성사업 (WCU) 으로부터지원받아수행되었습니다 (R31-2010-000-10100-0)." 65
문에상황정보관리연구의최종적목표가되어야한다 [4]. 사용자혹은사회적수준의상황정보관리를통하여보다유용하고새로운서비스의제공이가능해진다. 예를들어, 다음과같이스마트폰, u-health 센서들및가족들의상황정보를종합적으로활용하는 u-health 서비스를생각해볼수있다. 이서비스에서스마트폰은응급상황에서메시지를보내고사용자의정확한위치정보를제공하는기능을한다. U-Health 센서들은사용자의건강상태정보를제공하며, 가족들의상황정보는사용자와의거리정보를제공한다. 만약사용자에게건강상의위급한문제를 u-health 센서가발견하면, 이와관련된건강상태정보와사용자의정확한위치정보가가까이있는가족에게스마트폰의메시지전송기능을통하여전달될수있다. 이렇게다양한영역의상황정보를동시에활용하는서비스는영역수준의상황정보관리만으로는불가능하며, 사용자혹은사회적수준의상황정보관리를필요로한다. 본논문에서는사용자및사회적수준의상황정보관리를위하여, 다양한영역에서매우다른형태로발생하는상황정보를종합적으로표현할수있는유연하고확장가능한기술중립적인정보모델과다수의상황정보개체들의복잡한상호관계를이해및관리할수있는계층적인상황정보관리아키텍처를제안한다. 2. 관련연구 컴퓨터를이용하여자동화된방식으로상황정보를표현하고저장하기위해서는상황정보모델이필수적이다. 따라서상황정보를모델링하기위해많은연구가진행되어왔다. Henricksen [6] 은객체기반의상황정보모델을제안했다. Strang [7] 은상황정보를보다정형적인형태로표현하기위하여온톨로지기반의상황정보모델을제안했다. 제안된온톨로지상황정보모델은 aspect, scale, context 의세가지핵심요소로구성되었다. 그러나, 이러한상황정보모델링방법들은기술종속적이며, 다양한영역에서서로다른형태로생성되는모든상황정보를표현할수있을만큼일반적이고유연하지못하다. Sinderen [8] 은 Unified Modeling Language (UML) 클래스다이어그램을이용하여상호운용이가능한일반적인상황정보모델을제안했다. 실제로상황정보를관리하는요소들은이일반적인상황정보모델을구체화시켜사용하게된다. Dobslaw [9] 는 Sinderen 이제안한것보다유연하고정교한상황정보모델을제안했다. 제안된모델은크게 Sensed Context, Internet of Things, Context Meta Data 로나뉘어진다. 하지만, 이러한모델링방법들은상황정보의품질및보안과같은상황정보와관련된중요한개념들을간과하고있다. 본논문에서는기존연구들이제대로다루지않았던상황정보와관련된여러개념들을포함하는기술중립적이고유연한상황정 DomainHasContextSources Domain ContextQuality ContextMetaDataHasContextQuality ContextMetaData ContextHasContextMetaData ContextMetaDataHasContextSource ContextSource ContextProductionDetails ContextProducedBy PolicyGovernsContextProduction Context ContextSelectsPolicies PolicyRule DomainHasContextConsumers ContextValueMetaData ContextValueHasContextValueMetaData ContextHasContextValue ContextConsumerHasContexts Relevance ContextConsumptionDetails PolicyGovernsContextConsumption ObtainedTime ContextValueHasObtainedTime ContextValue ContextConsumer 그림 2. 상황정보및관련개념을위한모델 보모델을제안한다. 포괄적이고효율적인상황정보관리아키텍처는상황정보와관련된다양한형태의개체들사이에발생하는복잡한상호작용을이해하는데필수적이다. Chen [10] 은중개인 (broker) 중심의상황정보관리아키텍처를제안했다. 이연구에서중개인은에이전트를대신하여공유된상황정보모델을유지하고관리한다. Hofer [11] 는모바일단말들을위해 Adaptor, Management, Application 계층으로구성된상황정보관리아키텍처를제안했다. Korpipaa [12] 는 Resource server, Context recognition service, Change detection service, Security 로구성된상황정보관리프레임워크를제안했다. 위의네가지구성요소들은 Context manager 에의해중앙집중형식으로관리된다. Riva [13] 는스마트폰의상황정보를관리하기위한시스템플랫폼과응용프로그램프로토타입을개발했다. 제안된플랫폼은 Registration and Profiling, Context Management, Proactive and Reactive Service Provisioning, Context Matching, Security and Trust 의핵심기능들로구성된다. 이상의상황정보관리아키텍처를제안한기존연구들은대부분사용자를중심으로다양한영역에걸쳐분산되어있는상황정보를획득하고다루는부분에대한과정이부족하다. 본논문에서는사용자중심으로상황정보를관리할수있는새로운관리아키텍처를제안한다. 3. 상황정보표현정보모델 다양한영역에서서로다른형태로생성되는상황정보를효율적으로나타낼수있는상황정보모델은사용자중심의상황정보관리를위해서필수적이다. 이번장에서는사용자주변에서다양한형태로생성되는상황정보를표현할수있는기술중립적인정보모델을제안한다. 그림 2 는본논문에서제안하는상황정보모델을나타낸다. Context 는 ContextSource 에의해생성되고 ContextConsumer 들에의해서소비된다. ContextSource 는다양한종류의센서들및사용자혹은관리자가직접입력하는정보에해당한다. 66
ContextSource 는특정 Domain ( 영역 ) 에위치하게되며이 Domain 은다수의 ContextSource 를가질수있다. 예를들어, 스마트폰이라는 Domain 은가속도센서, WiFi 네트워크인터페이스, 디지털나침반, GPS 등의 ContextSource 를갖는다. ContextConsumer 는상황정보활용서비스를제공하거나추론을통하여새로운상황정보를생성하는개체를의미한다. Relevance 는 ContextConsumer 와 Context 사이의관련성을정량적으로나타낸다. 즉, Relevance 는 Context 의 ContextConsumer 에대한중요도, 영향도, 유용성, 우선순위, 시간적및지역적근접도, 적용가능성등이종합적으로고려되어계산된값이다. 예를들어, 사용자홍길동과관련된 ContextConsumer 는홍길동과지역적으로가까이있고최신의정보를포함하는 Context 에보다높은 Relevance 를부여할것이다. ContextConsumer 도 ContextSource 와마찬가지로특정 Domain 에위치하며, Domain 은다수의 ContextConsumer 를포함할수있다. ContextMetaData 는상황정보의종류, 인증관련정보, 권한이있는 ContextConsumer 의목록등과같이연관된 Context 의주변정보를나타내며, ContextSource 와 ContextQuality 를별도의클래스로갖는다. ContextQuality 는상황정보로활용되는정보의품질을기술하는모든정보를의미한다 [14]. 이러한상황정보의품질을나타내는지표에는 precision, probability of correctness, trustworthiness, resolution, up-to-dateness 등이있다. ContextQuality 는 Relevance 와밀접한관련이있는데, 전자는 Context 자체의품질을나타내어다소정적인반면에, 후자는 Context 와 ContextConsumer 사이의동적인상호작용에의해영향을받고결정된다는차이가있다. ContextValue 는연관된 Context 의실제값을갖는다. 예를들어, 스마트폰의 GPS Context 는 (37.77, -122.41) 이라는위도와경도로구성된좌표형태의 ContextValue 를가질수있다. ContextValue 는단위, 표본추출주기, 설명등의정보를포함하는 ContextValueMetaData 를갖는다. ContextValue 는또한 ObtainedTime 을갖는다. ContextValueMetaData 와 ObtainedTime 을구분한이유는전자는 ContextValue 와관련된정적인정보를포함하여자주바뀌지않는반면, 후자는 ContextValue 가갱신될때마다같이바뀌어야하기때문이다. Context 는 ContextSource 로부터들어오는입력과 ContextConsumer 의요청에대한출력을통제하기위하여 PolicyRule 들을선택하게된다. PolicyRule 은 ContextProductionDetails 를통하여인증된 ContextSource 로부터공급되는상황정보만을취하도록입력을통제한다. 또한 PolicyRule 은 ContextConsumptionDetails 를통하여권한이있는 ContextConsumer 만이상황정보를획득할수있도록통제하는역할을한다. 상황정보는매우민감하고개인적인정보를포함할수있기때문에, 인증되지 User & Social Level Domain Level (Logical ) Sensor Level (Physical and Virtual ) for Alice for Smarthome Appliance State Motion Detector for SmartTV Channel Volume for Bob for Smartphone WiFi GPS 그림 3. 상황정보관리계층도 for Chalie for Calendar Time Schedule 않은갱신이나권한이없는요청에대해보호되어야한다. 이러한보안적인요소는기존의상황정보모델들이간과한중요한측면들중의하나이다. 4. 상황정보관리아키텍처 이번장에서는다양한영역에걸쳐분산되어있는상황정보를사용자중심으로관리하기위한아키텍처를제안한다. 우리는본논문에서제안하는아키텍처를 (User-centric Context manager for Ubiquitous and Distributed Environments) 로명명하였다. 그림 3 은사용자중심의상황정보관리를위해세계층으로구성된상황정보와관련된개체들의상호작용의예시를보이고있다. 최하단의센서수준 (Sensor Level) 에는 Motion detector, Volume, GPS, Schedule 등과같이다양한종류의물리 (Physical) 혹은가상 (Virtual) 센서들이위치한다. 물리센서는물리적인하드웨어를통하여상황정보를수집하고제공하는것으로상황정보수집에가장널리쓰인다. 가상센서는가상공간에존재하는소프트웨어응용프로그램혹은서비스를통하여상황정보를수집하고제공한다. 영역수준 (Domain Level) U- CoUDE 는해당영역에포함되어있는센서들로부터상황정보를수집하고종합한후새로운추상적인상황정보를추론하여제공한다. 영역수준 U- CoUDE 의추론기능은같은수준에위치한상황정보활용서비스혹은상위수준의사용자및사회수준 (User & Social Level) 에대하여논리 (Logical) 센서의역할을한다. 사용자및사회수준 는해당사용자와관련이있는다수의영역들에존재하는영역수준 들로부터상황정보를종합하고서로연관시켜보다높은수준의추상적인상황정보를추론하고제공하는역할을한다. 그림 3 에서는사용자 Bob 과관련된영역들로스마트홈, 스마트 TV, 스마트폰, 전자달력등이예시되어있다. 사용자 & 사회수준 는또한해당사용자와관련이있는다른사용자의 와상호작용을통하여사회적수준의상황정보를획득하고제공하기도한다. 그림 4 는그림 3 에표현된 들각각의 67
Context-aware Applications DB Conflict Resolution Module Change Detection Module Translation Module Context Collection Module Physical Context Service Module Inference Module Virtual Logical 그림 4. 아키텍처 Security Module Security Policies Conflict Policies Resource Mgmt. Module 세부아키텍처를나타낸다. 그림과같이 는세가지종류의센서와상황정보활용응용프로그램혹은서비스사이에위치하며, Context Collection, Resource Management, Translation, Change Detection, Conflict Resolution, Inference, Context Service, Security 의 8 개모듈들로구성된다. Context Collection 모듈은다양한종류의센서들과직접적으로통신하여상황정보를수집하는역할을한다. 이모듈이사용할수있는통신기술에는 Ethernet, WiFi, 3G/4G, Power Line Communication (PLC), Bluetooth, Ultra WideBand (UWB), Zigbee 등매우다양하다. 이들기술중어떤것을선택할것인지는상황정보를제공하는센서의종류및상황정보의특성에따라달라진다. 이모듈은 Resource Management 모듈과협력하여새로운센서를발견하거나등록되어있는센서의가용성을점검하는역할도병행한다. Resource Management 모듈의목적은상황정보수집을위하여가용한센서의리스트를 Context Collection 모듈에제공하는것이다. 이를위하여, 이모듈은정해진규약을통해자동적으로새로운센서를발견하여추가되거나사용자혹은관리자의직접적인입력을통하여추가되는가용한센서들의리스트를유지한다. 또한, 리스트에존재하는센서들의가용성을주기적으로점검하여최신의상태로유지한다. Translation 모듈은다양한영역에서서로다른형태로생성되는상황정보를공통된형태로변환하여상위모듈들이표준화된동작을수행할수있도록한다. 는특정사용자와관련이있는다양한영역의상황정보를종합적으로다루어야하기때문에, 이모듈이필수적이다. 에서는그림 2 에나타난상황정보모델을활용해도출된공통된온톨로지모델을유지함으로써이러한기능을제공한다. 즉, Context Collection 모듈로부터전달 받은상이한형태의상황정보데이터들을표준화된형태의온톨로지모델로변환함으로써상호운용성을확보한다. Change Detection 모듈은데이터베이스 (DB) 에저장되어있는상황정보와새롭게전달된상황정보사이에의미있는차이가있을경우에만상위모듈을호출함으로써오버헤드를경감시키는역할을한다. 이러한역할은대부분의경우임계치 (threshold) 기반의방법만으로충분히수행될수있다. 이모듈은긴급한상황정보갱신시에는거치지않도록설정될수있다. 사용자와관련이있지만서로다른영역에서생성되고확보된상황정보들간에는충돌 (conflict) 이발생할수있다. 예를들어, 스마트홈에서확보된온도가 28 도인데, 현재스마트홈에위치한스마트폰으로부터확보된온도가 -5 도라면둘중에하나는잘못된상황정보를제공하여충돌이발생한것으로볼수있다. Conflict Resolution 모듈은이러한충돌을해결하는역할을한다. 는서로다른영역에서다양한종류의상황정보를획득하여활용하기때문에, 이러한역할을하는모듈이필수적이다. Conflict Resolution 모듈은상황정보가갱신되면우선 Translation 모듈에의해정규화된다양한상황정보들을종류별로구분한다. 같은종류의상황정보값들은서로비교되며, 그차이가임계치이상으로커지면충돌이발생한것으로간주된다. 발생한충돌은두가지방식중하나로해결될수있다. 첫번째방식은, 충돌이발생한상황정보중가장품질이좋은하나의값만취하는것이다. 두번째방식은, 충돌이발생한상황정보들을종합적으로활용하여새로운값을만들어내는것이다. 예를들어, 충돌이발생한상황정보들전체의평균을내어새로운값을만들어낼수있다. 이러한충돌의탐지및해결은모두 Conflict Policy 의통제를받는다. Inference 모듈은다른상황정보들을활용하여새로운추상상황정보를추론하는역할을한다. 상황정보를추론하는기법에는단순한분류 [12, 15] 를포함하여 Fuzzy logic [2, 12], 기계학습 (Machine learning) [12, 15], 온톨로지 [16] 기반의방법들이널리활용되고있다. 는다양한영역의상황정보를다루어야하기때문에특정추론기법을활용하는것으로한정하지않고, 모든형태의추론기법들을 plug-in 형태로활용할수있도록한다. Context Service 모듈은 DB 에저장되어있는상황정보를상황정보활용응용프로그램에제공하는역할을한다. 이모듈에가장적합한형태의기술은 Simple Object Access Protocol (SOAP) [17] 과같은웹서비스기반의방법들이다. Security 모듈은민감한상황정보를인증되지않은갱신및권한이없는요청으로부터보호하는역할을한다. 즉, 센서들로부터상황정보를획득할때인증과정을거쳐위 변조되지않은상황정보만을선별하여취하며, 권한이있는상황정보활용응용 68
프로그램에만상황정보를제공하여개인정보유출을방지한다. 이러한역할은 Security Policy 에의해조정되며, 이는우리가 3 장에서제안한상황정보모델의 PolicyRule 에상응한다 ( 그림 2). 5. 결론 사용자주변에그사용자와관련된상황정보를제공해줄수있는장비들이증가함에따라, 그들을종합적으로관리해줄수있는방법의필요성도증가하고있다. 하지만, 이제까지의상황정보관리와관련된연구들은하나의영역에서발생하는상황정보만을고려하고있어보다새롭고유용한상황정보활용서비스의제공을어렵게하고있다. 본논문에서는사용자중심의상황정보활용서비스를위하여다양한형태의상황정보를유연하고확장가능하게표현할수있는기술중립적인상황정보모델을제안하였다. 또한, 다수의상황정보개체들의복잡한상호관계를이해및관리할수있는계층적인상황정보관리아키텍처를제안했다. 향후연구로우리는제안된상황정보관리아키텍처의각모듈들을상세설계하고구현할것이다. 또한제안된상황정보모델및아키텍처를활용하여새롭고유용한상황정보활용서비스를개발하고제공할계획이다. 6. 참고문헌 [1] N. Roy, S. K. Das, and C. Julien, Resource-optimized quality-assured ambiguous context mediation framework in pervasive environments, IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 11, no. 2, pp. 218 229, Feb. 2012. [2] J.-M. Kang, J. Strassner, S. Seo, and J. W.-K. Hong, Autonomic personalized handover decisions for mobile services in heterogeneous wireless networks, Computer Networks, vol. 55, no. 7, pp. 1520 1532, May 2011. [3] M. Baldauf, S. Dustdar, and F. Rosenberg, A survey on context-aware systems, International Journal of Ad Hoc and Ubiquitous Computing, vol. 2, no. 4, pp. 263 277, 2007. [4] P. Lukowicz, A. S. Pentland, and A. Ferscha, From context awareness to socially aware computing, IEEE Pervasive Computing, vol. 11, no. 1, pp. 32 41, Jan. 2012. [5] Y.-B. Kang and Y. Pisan, A survey of major challenges and future directions for next generation pervasive computing, in Proc. 21 st International Symposium on Computer and Information Sciences (ISCIS 06), ser. LNCS, vol. 4263, Istanbul, Turkey, Nov. 1 3, 2006, pp. 775 764. [6] K. Henricksen, J. Indulska, and A. Rakotonirainy, Modeling context information in pervasive computing systems, in Proc. 1st International Conference on Pervasive Computing (Pervasive 02), ser. LNCS, vol. 2414, Zurich, Switzerland, Aug. 26 28, 2002, pp. 167 180. [7] T. Strang, C. Linnhoff-Popien, and K. Frank, CoOL: A context ontology language to enable contextual interoperability, in Proc. 4th IFIP International Conference on Distributed Applications and Interoperable Systems (DAIS 03), ser. LNCS, vol. 2893, Paris, France, Nov. 17 21, 2003, pp. 236 247. [8] M. J. van Sinderen, A. T. van Halteren, M. Wegdam, H. B. Meeuwissen, and E. H. Eertink, Supporting context-aware mobile applications: An infrastructure approach, IEEE Communications Magazine, vol. 44, no. 9, pp. 96 104, Sep. 2006. [9] F. Dobslaw, A. Larsson, T. Kanter, and J. Walters, An object-oriented model in support of context-aware mobile applications, in Proc. 3 rd International ICST Conference on MOBILe Wireless MiddleWARE, Operating Systems, and Applications (Mobilware 10), ser. LNICST, vol. 48, Chicago, USA, Jun. 30 Jul. 2, 2010, pp. 205 220. [10] H. Chen, T. Finin, and A. Joshi, An ontology for context-aware pervasive computing environments, The Knowledge Engineering Review, vol. 18, no. 3, pp. 197 207, Sep. 2003. [11] T. Hofer, W. Schwinger, M. Pichler, G. Leonhartsberger, and J. Altmann, Contextawareness on mobile devices - the hydrogen approach, in Proc. 36th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS 03), Island of Hawaii, Hawaii, USA, Jan. 6 9, 2003, pp. 1 10. [12] P. Korpipaa, J. Mantyjarvi, J. Kela, H. Ker anen, and E.-J. Malm, Managing context information in mobile devices, IEEE Pervasive Computing, vol. 2, no. 3, pp. 42 51, 2003. [13] O. Riva and S. Toivonen, The DYNAMOS approach to support context-aware service provisioning in mobile environments, The Journal of Systems and Software, vol. 80, no. 12, pp. 1956 1972, Mar. 2007. [14] T. Buchholz, A. Kupper, and M. Schiffers, Quality of context: What it is and why we need it, in Proc. 10th International Workshop on the HP OpenView University Association (HPOVUA 03), Geneva, Switzerland, Jul. 2003, pp. 1 14. [15] A. C. Santos, L. Tarrataca, J. M. Cardoso, D. R. Ferreira, P. C. Diniz, and P. Chainho, Context inference for mobile applications in the UPCASE project, in Proc. 2nd International ICST Conference on MOBILe Wireless MiddleWARE, Operating Systems, and Applications (Mobilware 09), ser. LNICST, vol. 7, Berlin, Germany, Apr. 28 29, 2009, pp. 352 365. [16] J. Kim, H. Choi, H. Wang, N. Agoulmine, M. J. Deen, and J. W.-K. Hong, POSTECH s U-Health smart home for elderly monitoring and support, in Proc. 2nd International Workshop on Interdisciplinary Research on E-Health Services and Systems (IREHSS 10), Montreal, Canada, Jun. 14, 2010, pp. 1 6. [17] SOAP Version 1.2 Part 1: Messaging Framework (Second Edition), W3C Recommendation 27, Apr. 2007. 69