ドナルド（ELMAZI DONALD）

学位被授与者氏名

エルマジ

学位の名称

博士（工学）

学位番号

博（一）第５１号

学位授与年月日

平成３０年９月２１日

論文題目
論文題目
（英訳または和訳）
論文審査委員Application of Fuzzy Logic for Actor Node Selection in Wireless Sensor and Actor
Networks: Implementation and Performance Evaluation of Proposed Intelligent
Simulation Systems and a Testbed
無線センサ・アクタ・ネットワークにおけるアクタ・ノード選出のためのファジィ論理の応用：提案された知的シミュレーション・システムとテストベッドの実装と性能評価
論文審査委員会
委員主査 ：福岡工業大学大学院知能情報システム工学専攻教授
同審査委員：福岡工業大学大学院知能情報システム工学専攻教授
同審査委員：福岡工業大学大学院知能情報システム工学専攻准教授
同審査委員：福岡工業大学大学院物質生産システム工学専攻教授

ﾊﾞﾛﾘﾚｵﾅﾙﾄﾞ
前田洋
池田誠
江口啓

論文審査機関福岡工業大学大学院工学研究科

論文内容の要旨（和文）

無線センサ・アクタ・ネットワーク（Wireless Sensor and Actor Networks: WSAN）
は分散検知とタスクを実行するセンサとアクタから構成される。WSAN では、センサにより情報を収集してデータを処理し、集めた情報に基づいて最適なアクションが実行される。効率の良いセンシングと動作を決定するためにはノードの協調動作メカニズムが必要である。また、WSAN には、省エネルギー、ルーティング効率、センサ・アクタの調整およびアクタ・ノード選出など、多くの課題がある。この問題を解決するために多くのパラメータを考慮する必要であり、 NP (NonlinearProgramming)完全問題となり、解決手法としてはヒューリスティック及び知的アルゴリズムが有効である。
本研究では、WSAN におけるアクタ・ノード選出問題について焦点を当てている。
要求されるタスクを実行するために、新たなパラメータの検討および提案を行い、ファジィ論理(Fuzzy Logic: FL）に基づく異なるインテリジェント・システムを実装し、アクタ・ノードを選出する。提案システムは異なる環境に適応でき、その応用を可能とする。実装したシステムを評価するために、様々なシナリオで評価する。
評価結果から、提案システムが良好な性能を有することがわかった。実装されたシステムは、省エネルギーと輻輳状況を改善し、モバイル WSAN に使用することができる。また、提案システムとの比較では、多くのパラメータを使用するシステムでは複雑さは増加するが、アクタの選出性能も向上することを明らかにした。そして、テストベッドを実装し、実環境で実験を行った。実験結果は、実装されたテストベッドがアクタ・ノードの選出に良い判断ができることを示した。
本研究は、次のような特色と独創的な点を有しており、科学技術への貢献が期待できる。1）WSAN におけるアクタ・ノード選出のための新しいパラメータの提案、
2）WSAN における適切なアクタ・ノード選出を行うためのファジィ論理に基づくイ
ンテリジェント・システムの提案と実装、3）様々なシナリオで実装されたシステムの性能評価、4）実装されたインテリジェント・シミュレーション・システムの比較、
5）WSAN のためのテストベッドの実装と実シナリオの応用、6）本研究の結果から、今後の無線通信の技術の発展のための WSAN の応用についての見識を与える。
以下に論文の構成を示す。第1章では、研究背景と目的、論文構成を述べている。
第2章では、無線ネットワークの一般的な技術を紹介し、WSANの関連研究として、無線センサ・ネットワーク、モバイルアドホックネットワークおよび無線メッシュ・ネットワークについて述べる。第3章では、WSANのアーキテクチャ、課題およびアプリケーションについて紹介する。第4章では、ファジィ論理、ファジィ集合及びファジィ・メンバーシップ関数について説明する。第5章では、WSANにおけるアクタ・ノード選出のためのファジィ理論に基づいたシミュレーション・システムの設計と実装について述べる。第6章では、提案システムのシミュレーション結果を議論する。第7章では、テストベッドの実装と評価について説明する。第8章では、結論とこの分野における今後の課題の見識を与えて、論文をまとめる。
The Wireless Sensor and Actor Networks (WSANs) are composed of sensors and actors.

論文内容の要旨

（英文）論文審査結果The sensors gather information about the physical events, while actors perform appropriate
actions based on the sensed data from sensors. In order to provide effective sensing andacting, a coordination mechanism is necessary among sensors and actors. Also, there aremany issues for WSANs such as energy saving, routing efficiency, sensor-actor coordination
and actor node selection to carry out a job. However to deal with these problems should beconsidered many parameters, which make the problem NP-Hard. Thus, the heuristic andintelligent algorithms are good solutions.
In this research work, we focus on actor node selection problem in WSANs. We consider
and propose new parameters and implement different intelligent systems based on Fuzzy
Logic (FL) to select the actor nodes in order to perform the required tasks. The proposedsystems can be used in different environments and applications. We carried out many
simulations and found that the performance of implemented systems is good. The
implemented systems improves the energy saving and congestion situation and they can beused for mobile WSANs. We also compared the complexity of different fuzzy-based systems
and found that when we use many parameters the complexity is increased, but theperformance also is increased. We implemented a testbed and performed experiments in realenvironment. The experimental results show that the implemented testbed makes a gooddecision for actor node selection.
This thesis contributes in the research field as following: 1) Proposal of new parameters foractor node selection in WSANs. 2) Proposal and implementation of intelligent systems basedon FL for making appropriate actor node selection in WSANs. 3) Performance evaluation of
implemented systems for different scenarios. 4) Comparison of implemented intelligent
simulated systems. 5) Implementation of a testbed for WSANs and its application in a real
scenario. 6) Give insights about future developments and application of WSANs as animportant technology for wireless communications.
The thesis has 8 Chapters. Chapter 1 presents the background, motivation and thesis
structure. Chapter 2 introduces general aspects of wireless networks and describes WirelessSensor Networks (WSNs), Mobile Ad-hoc Networks (MANETs) and Wireless Mesh
Networks (WMNs) as related work. In Chapter 3, we introduce the architecture, challenges
and applications of WSANs. In Chapter 4, we present FL, Fuzzy sets and Fuzzy
memberships functions. In Chapter 5, we present our proposed fuzzy-based simulation
systems for actor node selection in WSANs. In Chapter 6 are shown the performance
evaluation results of proposed simulation systems. In Chapter 7, we show testbed
implementation and evaluation. In Chapter 8, we conclude this thesis and give the futurework.
博士後期課程知能情報システム工学専攻３年の「エルマジ ドナルド」氏が提出した学位論文を審査し、また最終試験を行ったのでその結果について報告する。
（学位論文審査の結果）： 無線センサ・アクタ・ネットワーク（Wireless Sensorand Actor Networks: WSAN）は分散検知とタスクを実行するセンサとアクタから構成される。WSAN では、センサにより情報を収集してデータを処理し、集めた情報に基づいて最適なアクションが実行される。効率の良いセンシングと動作を決定するためにはノードの協調動作メカニズムが必要である。また、WSAN には、省エネルギー、ルーティング効率、センサ・アクタの調整およびアクタ・ノード選出など、多くの課題がある。この問題を解決するために多くのパラメータを考慮する必要があるため、NP (Nonlinear Programming)完全問題となり、解決手法としてはヒューリスティック及び知的アルゴリズムが有効である。本論文では、WSAN におけるアクタ・ノード選出問題について焦点を当てている。要求されるタスクを実行するために、新たなパラメータの検討および提案を行い、ファジィ論理（Fuzzy Logic: FL）に基づく異なるインテリジェント・システムを実装することでアクタ・ノードを選出する。提案システムは異なる環境に適応でき、その応用を可能とする。実装したシステムを評価するために、様々なシナリオで評価している。評価結果から、提案システムが良好な性能を有することが示された。実装されたシステムは、省エネルギーと輻輳状況を改善し、モバイル WSAN に使用することができる。また、提案システムとの比較では、多くのパラメータを使用するシステムでは複雑さは増加するが、アクタの選出性能も向上することを明らかにした。そして、テストベッドを実装し、実環境で実験を行っている。実験結果は、実装されたテストベッドがアクタ・ノードの選出において良い判断ができることが示された。このように本研究の内容は、他の研究者によって報告されていない結果を含み，学位論文としての十分な価値があると認められる。
本論文は次の特色と独創性を有しており高く評価できる。1）WSAN におけるアクタ・ノード選出のための新しいパラメータを提案した。2）WSAN における適切なアクタ・ノード選出を行うためのファジィ論理に基づくインテリジェント・システムを提案と実装した。3）様々なシナリオで実装されたシステムの性能評価を行った。4）実装されたインテリジェント・シミュレーション・システムの比較を行った。5）WSANのためのテストベッドの実装と実シナリオの応用を行った。6）本研究の結果から、今後の無線通信の技術の発展のための WSAN の応用についての見識を与えた。
論文の構成は次のようになっている。第 1 章では、研究背景と目的、論文構成を述べている。第 2 章では、無線ネットワークの一般的な技術を紹介し、WSAN の関連研究として、無線センサ・ネットワーク、モバイルアドホックネットワークおよび無線メッシュ・ネットワークについて述べている。第 3 章では、WSAN のアーキテクチャ、課題およびアプリケーションについて紹介している。第 4 章では、ファジィ論理、ファジィ集合及びファジィ・メンバーシップ関数について説明している。第 5章では、WSAN におけるアクタ・ノード選出のためのファジィ理論に基づいたシミュレーション・システムの設計と実装について述べている。第 6 章では、提案システ
ムのシミュレーション結果を議論している。第 7 章では、テストベッドの実装と評価について説明している。第 8 章では、結論とこの分野における今後の課題の見識を与えて、論文をまとめている。
本研究の成果は、氏の博士後期課程在学期間において学術論文 5 編（第１著者 5編）、国際会議 11 編（第１著者 11 編）となっている。また、BWCCA-2015 国際会議及び IMIS-2016 国際会議では“Best Paper”賞を受賞しており、本研究の新規性と有用性が認められるとともに、国際的にも高く評価できる研究であることが分かる。
以上の理由により、審査委員会は本論文が学位論文の内容として適合すると判定した。

学位論文公聴会においては、論文内容に関連する種々の工学的及び技術的な質問があったが、いずれも適切な回答を行うことができた。また、公聴会後の最終試験においては、学位論文に関連する分野の学識を有し、今後研究を進めていくための研究能力を備えていることが判明した。
以上の結果から、学位審査委員会は本論文が博士（工学）の学位に適格であると判定した。
主な研究業績

参考論文 16 編１冊（学術論文）（査読付き学術論文：第一著者5編）
1. Donald Elmazi, Elis Kulla, Tetsuya Oda, Evjola Spaho, Shinji Sakamoto,Leonard Barolli, “A Comparison Study of Two Fuzzy-based Systems forSelection of Actor Node in Wireless Sensor Actor Networks”, Journal of
Ambient Intelligence and Humanized Computing (JAIHC), Springer, Vol. 6,
No. 5, pp. 635-645, DOI: 10.1007/s12652-015-0279-6, October 2015.
2. Donald Elmazi, Shinji Sakamoto, Tetsuya Oda, Elis Kulla, Evjola Spaho,
Leonard Barolli, “Two Fuzzy-Based Systems for Selection of Actor Nodes in
Wireless Sensor and Actor Networks: A Comparison Study Considering
Security Parameter Effect”, Mobile Networks & Applications (MONET),Springer, Vol. 21, No. 1, pp. 53-64, DOI: 10.1007/s11036-015- 0673-5,
February 2016.
3. Donald Elmazi, Miralda Cuka, Elis Kulla, Tetsuya Oda, Makoto Ikeda,

Leonard Barolli, “Implementation and Comparison of Two Intelligent
Systems Based on Fuzzy Logic for Actor Selection in WSANs: Effect of NodeDensity on Actor Selection”, Journal of Space-Based and Situated Computing,Inderscience, Vol. 7, No. 4, pp. 229-238, DOI: 10.1504/IJSSC.2017.10010832,
December 2017.
4. Donald Elmazi, Mirakda Cuka, Kevin Bylykbashi, Evjola Spaho, Makoto
Ikeda, Leonard Barolli, “Implementation of Intelligent Fuzzy-based Systemsfor Actor Node Selection in WSANs: A Comparison Study Considering Effectof Actor Congestion Situation”, Journal of High Speed Networks, IOS Press,
Vol. 24, No. 3, pp. 187-199, DOI: 10.3233/JHS -180590, 2018.
5. Donald Elmazi, Makoto Ikeda, Leonard Barolli, “Implementation andPerformance Evaluation of an Intelligent Fuzzy-based Testbed for WSANs: A
Case Study for Object Tracking”, International Journal of Communication
Networks and Distributed Systems (IJCNDS), Inderscience, Vol. 21, No. 1,
pp. 80-94, 2018.
（国際会議論文）（査読付き国際会議：第一著者11編）
1. Donald Elmazi, Takaaki Inaba, Shinji Sakamoto, Tetsuya Oda, MakotoIkeda, Leonard Barolli, Selection of Secure Actors in Wireless Sensor andActor Networks Using Fuzzy Logic, Proc. of the 10-th International
Conference on Broadband and Wireless Computing, Communication andApplications (BWCCA-2015), pp. 125-131, Krakow, Poland, November 2015.
2. Donald Elmazi, Shinji Sakamoto, Tetsuya Oda, Elis Kulla, Evjola Spaho,Leonard Barolli, Effect of Security Parameter for Selection of Actor Nodes in
WSAN: A Comparison Study of Two Fuzzy-Based Systems, Proc. of the 30-th
IEEE International Conference on Advanced Information Networking andApplications (IEEE AINA-2016), pp. 957-964, Crans-Montana, Switzerland,March 2016.
3. Donald Elmazi, Shinji Sakamoto, Elis Kulla, Tetsuya Oda, Makoto Ikeda,
Leonard Barolli, A QoS-Aware Actor Node Selection System for WirelessSensor and Actor Networks Using Fuzzy Logic, Proc. of the 10-th
International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in
Ubiquitous Computing (IMIS-2016), pp. 42-48, Fukuoka, Japan, July 2016.
4. Donald Elmazi, Evjola Spaho, Elis Kulla, Tetsuya Oda, Makoto Ikeda,
Leonard Barolli, "Selection of Actor Nodes in Wireless Sensor and Actor
Networks Considering as a New Parameter Actor Congestion Situation",
Proc. of the 19-th International Conference on Network-Based Information
Systems (NBiS-2016), pp. 29-36, Ostrava, Czech Republic, September 2016.
5. Donald Elmazi, Tetsuya Oda, Evjola Spaho, Elis Kulla, Makoto Ikeda,
Leonard Barolli, "A Fuzzy-Based Simulation System for Actor Selection in
Wireless Sensor and Actor Networks Considering as a New Parameter
Density of Actor Nodes", Proc. of the 11-th International Conference onBroad-Band Wireless Computing, Communication and Applications(BWCCA-2016), pp. 163-174, Asan, Korea, November 2016.
6. Donald Elmazi, Miralda Cuka, Tetsuya Oda, Makoto Ikeda, Leonard Barolli,“Effect of Node Density on Actor Selection in WSANs: A Comparison Studyfor Two Fuzzy-based Systems”, Proc. of the 31-st IEEE International
Conference on Advanced Information Networking and Applications (IEEEAINA-2017), pp. 865-871, Taipei, Taiwan, March 2017.
7. Donald Elmazi, Miralda Cuka, Tetsuya Oda, Elis Kulla, Makoto Ikeda,Leonard Barolli, “Selection of Actor Nodes in Wireless Sensor and Actor

Networks: A Fuzzy-Based System Considering Packet Error Rate as a NewParameter”, Proc. of the 11-th International Conference on Complex,Intelligent, and Software Intensive Systems (CISIS-2017), pp. 43-55, Turin,Italy, July 2017.
8. Donald Elmazi, Miralda Cuka, Tetsuya Oda, Elis Kulla, Makoto Ikeda,Leonard Barolli, “Effect of Packet Error Rate on Selection of Actor Nodes in
WSANs: A Comparison Study of Two Fuzzy-Based Systems”, Proc. of the20-th International Conference on Network-Based Information Systems(NBiS-2017), pp. 114-126, Toronto, Canada, August 2017.
9. Donald Elmazi, Miralda Cuka, Kevin Bylykbashi, Evjola Spaho, MakotoIkeda, Leonard Barolli, “Selection of Actor Nodes in Wireless Sensor andActor Networks Considering Actor-Sensor Coordination Quality Parameter”,
Proc. of the 12-th International Conference on Broad-Band WirelessComputing, Communication and Applications (BWCCA-2017), pp. 87-99,Barcelona, Spain, November 2017.
10. Donald Elmazi, Miralda Cuka, Kevin Bylykbashi, Evjola Spaho, Makoto
Ikeda, Leonard Barolli, “Selection of Actor Nodes in Wireless Sensor andActor Networks Considering Failure of Assigned Task as New Parameter”,
Proc. of EIDWT-2018, pp. 106-118, Tirana, Albania, March 2018.
11. Donald Elmazi, Miralda Cuka, Kevin Bylykbashi, Evjola Spaho, Makoto
Ikeda, Leonard Barolli, “Selection of Actor Nodes in Wireless Sensor andActor Networks Considering Number of Obstacles as New Parameter”, Proc.
of 32-nd IEEE International Conference on Advanced Information
Networking and Applications (IEEE AINA-2018), Krakow, pp. 658-666,
Poland, May 2018.