Desarrollar las tecnologías de información y comunicación (TIC) implica diseñar la siguiente generación de infraestructuras con capacidades de comunicación global y a gran escala, con capacidades masivas de cálculo y de almacenamiento para dar acceso transparente, eficaz y personalizado a servicios que faciliten diversas actividades realizadas en ambientes inteligentes: pasear en una ciudad sin perderse, alcanzar a tiempo una conexión de vuelo en un aeropuerto desconocido, teledirigir una casa, prevenir desastres naturales observando ríos y las condiciones meteorológicas, entre otras. La diferencia con la tecnología existente es que las nuevas infraestructuras y servicios deberán estar centradas en el usuario de manera que pueda personalizar fácilmente su propio ambiente. Este objetivo introduce un reto mayor para la investigación en TIC, ya que solicita herramientas que permitan a los usuarios lambda configurar sus propias soluciones con un mínimo de criterios de calidad de servicio (tolerancia a fallas, escalabilidad, adaptabilidad, auto administración).

Redes y telecomunicaciones

Las nuevas tecnologías en redes y telecomunicaciones deberán asegurar la conectividad en todo lugar y en todo momento de manera transparente. Además los dispositivos basados en sensores, las computadoras clásicas, PDAs, teléfonos inteligentes, nano-robots, formarán redes ad-hoc y colaborarán para observar el medio ambiente, recolectar datos significativos, procesarlos y difundirlos. La calidad de servicio y la transparencia en el acceso a redes heterogéneas serán un elemento clave para permitir una comunicación e interacción masiva de dispositivos conectados entre ellos o a través de diferentes tecnologías (GPS, wifi, 3G). Asegurar la fiabilidad en la comunicación a pesar de la movilidad de los dispositivos y de las diferentes capacidades físicas de las redes será uno de los grandes retos a resolver. El reto es llegar a tener conectividad como se tiene acceso a la electricidad, de manera transparente, sin tener que preocuparse por los nodos que se comunican para proveer el servicio y con suficiente calidad de servicio para mantener aparatos conectados a pesar de la movilidad y diferencias en requerimientos (e.g., ancho de banda, retardo).

Arquitectura de sistemas y middleware

La arquitectura de un sistema determina los componentes, las interfaces y las reglas de composición y de interacción entre componentes. Estas reglas dependen del área de aplicación y del tipo de dispositivos presentes en el sistema. La arquitectura de ambientes inteligentes deberá ser capaz de describir un sin número de componentes de propiedades y recursos muy heterogéneos, debe abstraer múltiples tecnologías y debe ser capaz de evolucionar para integrar nuevas tecnologías y nuevas áreas de aplicación. La especificación abstracta de espacios inteligentes debe ser mapeada a realizaciones específicas en base a stacks de tecnologías concretas. Tanto las especificaciones abstractas como las realizaciones concretas deben considerar tanto características funcionales asi como propiedades no funcionales. En este sentido, el middleware deberá permitir la integración de sistemas altamente heterogéneos a través de interfaces para interacción tanto en forma solicitud/respuesta como interacción proactiva basada en eventos. Los mecanismos de notificación de eventos capaces de filtrar y agregar eventos y datos de sensores, detectar eventos más abstractos y notificar a los interesados deben ser escalables y deben funcionar en tiempo real.

Un reto consiste en definir las abstracciones apropiadas para apoyar nuevas aplicaciones en areas muy diversas y sin mecanismos de control centralizados. Otro reto consiste en garantizar propiedades no funcionales, como disponibilidad, seguridad, o la capacidad de garantizar el comportamiento de tiempo real en sistemas heterogéneos que continuamente se reconfiguran. Estas características están íntimamente ligadas a las arquitecturas y al middleware pero actualmente no existen los mecanismos para predecir el comportamiento de sistemas ante la reconfiguración y heterogeneidad de los ambientes inteligentes.

Por otro lado, la capa de datos y de información es la base de las infraestructuras de cómputo ambiente cuyas necesidades han pasado de la simple consulta puntual a una base de datos, al acceso continuo en tiempo real de grandes masas de datos que están almacenados en servicios de almacenamiento y granjas de servidores o bien que son producidos de manera continua por dispositivos como sensores, cámaras, autos y teléfonos celulares. Las oportunidades de investigación y desarrollo para lograr la administración y el acceso a la información en este nuevo contexto incluyen diferentes áreas de TIC que van desde aspectos de comunicación y ruteo de (flujos) de datos, las nuevas arquitecturas como los clouds de servicios, los lenguajes de consulta y los algoritmos de proceso de datos y de optimización de procesos, y las interfaces flexibles que faciliten el acceso a los recursos de hardware y software.

Interacción Humano-Computadora

Uno de los aspectos fundamentales de la computación ambiental es permitir a los usuarios interactuar con el ambiente inteligente de manera natural. Para ello, es necesario tener avances en el reconocimiento del habla y de gestos, así como la manipulación directa de objetos físicos que tengan una representación en el mundo digital. De igual forma, la notificación de información relevante debe ser sutil e integrada al ambiente. Para ello es necesario desarrollar y evaluar pantallas ambientales que ofrezcan información de manera periférica, sin interrumpir la tarea del usuario. La evaluación de estos modos de interacción involucra también retos importantes, ya que a diferencia de las interfaces tradicionales, la interacción en computación ambiental no es la tarea principal del usuario y no se desarrolla en ambientes controlados, como es el caso de las aplicaciones de escritorio.

Reconocimiento de patrones

La proactividad de un ambiente inteligente depende en gran medida del uso de información contextual, tal como la identidad del usuario, su ubicación, su situación social, su estado de ánimo o la actividad que desarrolla. Estimar esta información contextual puede resultar extremadamente complejo, sobre todo si se requiere hacerlo en dispositivos de poca capacidad, como lo es el teléfono celular del usuario. Resolver este problema involucra retos relacionados con la integración de información de sensores que porta el usuario, con aquellos situados en el ambiente, así como el desarrollo de algoritmos de reconocimiento de patrones eficientes y efectivos. Modelos generados con información de contexto de muchos usuarios y por periodos extendidos de tiempo (rutas, frecuencia de interacción, velocidad de movimiento, etc.), permitirán identificar situaciones anómalas que requieran de la intervención proactiva de servicios. 

Seguridad y privacidad

La seguridad en ambientes inteligentes comprende por un lado la seguridad de una infraestructura crítica y la protección de la integridad de esta infraestructura y por otro lado la seguridad y confidencialidad de los datos y la información derivada de ellos. Los mecanismos clásicos de seguridad consisten en imponer controles rígidos y están anclados en componetes confiables que certifican la autenticidad de los participantes. Estos mecanismos no son efectivos en sistemas distribuídos y sin control centralizado. Ambientes inteligentes requieren de políticas de seguridad nuevas que sean capaces de integrar las características del contexto y adaptarse a cambios del mismo. La escasez de recursos de cómputo y energía en muchos de los dispositivos comunes en ambientes inteligentes requiere de nuevas soluciones de criptografía “light” para dispositivos de pocos recursos. La falta de controles rígidos por otra parte implica que soluciones basadas en la confianza entre participantes (trust) ganen importancia en ambientes inteligentes.