クラ（ELIS KULLA）

学位被授与者氏名

エリス

学位の名称

博士（工学）

学位番号

博（一）第３２号

学位授与年月日

平成２５年９月２５日

論文題目

Implementation of a Testbed and a Simulation System for MANETs: Experiments
and Simulations

論文題目（英訳または和訳）

MANET のためのテストベッドとシミュレーションシステムの実装：実験とシミュ
レーション

論文審査委員

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
内田 一徳
藤岡 寛之
木野仁

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）

無線モバイルアドホックネットワーク（MANET）は移動ノードが集まり動的なトポロジを形成し、高いリソースに制約のあるネットワークである。現在、刻々と変化するネットワーク・トポロジ、経路制御手法とプロトコルは研究の重要な分野となっている。
研究を行うに当たり、アルゴリズムやプロトコルの問題を検証するために必要とされる。
これらの検証法は、次の三つの技術（シミュレータ、エミュレータ、テストベッド）に分類される。
MANET における研究の大部分では、その性能は定量的および定性的に評価されている。
スループット性能、経路制御効率、セキュリティ、エネルギー消費量は、アドホックネットワークで頻繁に扱われる重要な問題である。将来の MANET 技術はセキュリティとスケーラビリティをある程度確保し、協調コンピューティングのためのインフラを提供する必要がある。
本論文では、異なる経路制御プロトコル、移動モデルと他の環境パラメータの結果を比較分析するために、テストベッドとシミュレーションシステムの設計と実装を行う。両アプローチでは、異なるモデル、シナリオ及びトラフィック・データモデルを用いる。
また、実験環境を改善するためにシミュレーション結果を踏まえている。水平方向および垂直方向のトポロジにおける線形及びメッシュのリンクトポロジ結果から、ノードの移動が通信性能におけるデグラデーションや経路の不安定性をもたらすことを明らかにした。また、シミュレーションによる様々なプロトコルの振る舞いを多用の移動モデルを用いて分析している。複数フローの通信時には、ネットワークの性能が低下した。そこで、アドホックネットワークにおける通信品質（QoS）を向上するためのファジィ理論に基づいたデータ・レプリケーション・フレームワークを提案した。シミュレーション結果から、提案フレームワークが良い性能を持つことが分かった。
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の貢献が期待できる。１）
MANET テストベッドの実装と評価、２）ns-2 を使用した MANET のシミュレーションシステムの実装、３）実環境における様々なシナリオを考慮、４）異なる MANET シナ
リオにおける異なる経路制御プロトコルの評価、５）QoS を改善するための新しいデー
タ複製フレームワークの提案、６）今後の無線通信の技術の発展のため MANET の統合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する。無線ネットワークの構造とその長所と短所を示しながら無線技術を議論する。第3章のアドホックネットワークの課題や問題点を議論し、経路制御プロトコルとその詳細を述べる。第4章では、我々のテストベッドの設計と実装について述べる。技術的な設定や環境の前提条件に関する詳細を提供する。第5章では無線伝搬モデルの詳細、モビリティモデルと我々のテストで使用されるその他のパラメータについて説明する。第6章と第7章では、それぞれの実験とシミュレーションの結果を議論する。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。

論文内容の要旨（英文）

A Mobile Ad hoc Network (MANET) can be deﬁned as a collection of mobile nodes, which
form a highly resource constrained network and a dynamic topology. Because of the dynamic

topology, routing procedures and protocols are a key field of testing and research. In a research
environment, research tools are required to test, verify and identify problems of an algorithm orprotocol. These tools are classified in three major techniques: simulators, emulators andreal-world testbeds.
In most of research in MANET, their performance is evaluated in both quantitative andqualitative aspects. Throughput performance, routing efficiency, security and energy consumption
are some of the key issues that are addressed frequently on MANETs. The future MANET
technology will have to ensure a certain degree of security and scalability and provide theinfrastructure for collaborative computing.
In this thesis, we design and implement a testbed and a simulation system in order to analyze
the performance and compare the results of different routing protocols, mobility models and otherenvironmental parameters. In both approaches we use different models, scenarios and traffic datamodels. We use our simulation results to improve the experimental environment. We
experimented in indoor and outdoor environment, in horizontal and vertical topologies and in
linear and mesh logical topologies. We also added mobility to specific nodes. From results, wefound that the mobility of nodes brings oscillations in performance and route instabilities. Using
our simulation tool, we simulated different mobility patterns in different protocols. We foundmulti-flow traffic decreases the performance of the network. We also proposed a data replication
framework based on fuzzy logic to improve QoS in MANET. From simulation results, we foundthat the proposed framework has a good performance.
The contributions of our work are: 1) implementation and evaluation of a MANET testbed; 2)
implementation of a simulation tool for MANETs using NS2; 3) application of MANET testbed
in real environments, considering different scenarios; 4) evaluation of different MANET routing
protocols in different scenarios; 5) propose a new data replication framework for improving QoSin MANET; 6) give insights about future developments and integration of MANET as animportant technology of wireless communications.
The outline of the thesis is as follows. In Chapter 1, is shown the background and themotivation of the thesis. In Chapter 2, we introduce general aspects of wireless networks. We
discuss wireless architectures and wireless technologies giving advantages and disadvantages ofeach. We give insights of MANETs in Chapter 3. We discuss issues and problems of MANETs,and describe routing protocols and their properties. In Chapter 4, we present the design andimplementation of our testbed. We give details on technical settings and environment
assumptions. The scenarios and the way of implementation are described in details. The
simulation system is presented in Chapter 5. We give details on radio propagation models,mobility models and other parameters used in our tests. Then, we show the moving scenarios andthe traffic data that we used during simulations. In Chapter 6 and Chapter 7, we discuss the resultsof our experiments and simulations, respectively. Chapter 8 concludes the thesis, giving an insightof learnt lessons and future works in this field.
論文審査結果

博士後期課程知能情報システム工学専攻３年の「クラ エリス」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）
本論文では、MANET の異なる経路制御プロトコル、移動モデルと他の環境パラメータの結果を比較分析するために、テストベッドとシミュレーションシステムの設計と実装を行っている。両アプローチでは、異なるモデル、シナリオ及びトラフィック・データモデルを用いる。また、実験環境を改善するためにシミュレーション結果を踏まえている。
水平方向および垂直方向のトポロジにおける線形及びメッシュのリンクトポロジ結果から、ノードの移動が通信制性能におけるデグラデーションや経路の不安定性をもたらすことを明らかにしている。また、シミュレーションによる様々なプロトコルの振る舞いを多用の移動モデルを用いて分析している。複数フローの通信時には、ネットワークの性能が低下した。そこで、アドホックネットワークにおける通信品質（QoS）を向上するためのファジィ理論に基づいたデータ・レプリケーション・フレームワークを提案した。
シミュレーション結果から、提案フレームワークが良い性能を持つことが分かった。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の貢献が期待できる。１）
MANET テストベッドの実装と評価、２）NS-2 を使用した MANET のシミュレーションシス
テムの実装、３）実環境における様々なシナリオの考慮、４）異なる MANET シナリオにおける異なる経路制御プロトコルの評価、５）QoS を改善するための新しいデータ複製フ
レームワークの提案、６）今後の無線通信の技術の発展のため MANET の統合についての見識を与える。
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ている。無線ネットワークの構造とその長所と短所を示しながら無線技術を議論する。第 3 章のアドホックネットワークの課題や問題点を議論し、経路制御プロトコルとその詳細を述べている。第 4 章では、我々のテストベッドの設計と実装について述べている。技術的な設定や環境の前提条件に関する詳細を提供している。第 5 章では無線伝搬モデルの詳細、モビリティモデルと我々のテストで使用されるその他のパラメータについて説明している。第 6 章と第 7 章では、それぞれの実験とシミュレーションの結果を議論している。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。
本研究の成果として、学術論文が 5 編（第１著者 5 編），国際会議が 15 編（第１著者15 編）となっている。また国際会議 NBiS-2011 と MoMM-2012 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内容を含んでいる。
以上の理由により、審査委員会は論文提出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、学位審査委員会はこの論文が博士（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 ２０編１冊（学術論文）
学術論文：第一著者）
1. E. Kulla, M. Hiyama, M. Ikeda, L. Barolli, V. Kolici, R. Miho, "MANET
Performance for Source and Destination Moving Scenarios Considering OLSR
and AODV Protocols", Mobile Information Systems (MIS), Vol. 6, No. 4, pp.
325-329, 2010.
2. E. Kulla, M. Hiyama, M. Ikeda, L. Barolli, "Performance Comparison ofOLSR and BATMAN Routing Protocols by a MANET Testbed in Stairs
Environment", International Journal of Computers & Mathematics withApplications (IJCAMWA), Vol. 63, No. 2, pp. 339-349, January 2012.
3. E. Kulla, M. Hiyama, M. Ikeda, L. Barolli, R. Miho, "Performance
Comparison of BATMAN and AODV Protocols for Source and Destination
Moving Scenarios", accepted, to appear in International Journal of Computer
Systems Science and Engineering (IJCSSE), Vol. 27, No. 3, pp. 173-182, May
2012.
4. E. Kulla, T. Oda, M. Ikeda, L. Barolli, A. Biberaj, O. Shurdi, "Source andDestination Mobility Effects on a Bridge Environment: Results from a
MANET Testbed", accepted, to appear in International Journal of Wirelessand Mobile Computing (IJWMC), 2012.
5. E. Kulla, M. Ikeda, T. Oda, L. Barolli, F. Xhafa, A. Biberaj, "Experimental

Results from a MANET Testbed in Outdoor Bridge Environment Considering
BATMAN Routing Protocol", published online in Journal of Computing, doi:
10.1007/s00607-012-0225-9, 5 November 2011.
（国際会議論文）（国際会議：第一著者）
1. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Leonard Barolli, Rozeta Miho, "Impact of Sourceand Destination Movement on MANET Performance Considering BATMAN
and AODV Protocols", Proc. of BWCCA-2010, Fukuoka, Japan, pp. 94-101,
November 2010.
2. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Masahiro Hiyama, Leonard Barolli, "Evaluation ofa MANET Testbed in Indoor Stairs Environment Considering OLSRProtocol", Proc. of CISIS-2011, Seoul, Korea, pp. 160-167, June-July 2011.
3. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Masahiro Hiyama, Leonard Barolli, Bexhet Kamo,"Real Data from a Testbed in Indoor Stairs Environment Considering
BATMAN Protocol", Proc. of NBiS-2011, Tirana, Albania, pp. 35-41,
September 2011. (BEST PAPER)
4. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Masahiro Hiyama, Leonard Barolli, Rozeta Miho,"Performance Evaluation of OLSR and BATMAN Protocols for VerticalTopology Using Indoor Stairs Testbed", Proc. of BWCCA-2011, Barcelona,Spain, pp. 159-166, October 2011.
5. Elis Kulla, Masahiro Hiyama, Makoto Ikeda, Leonard Barolli, "Comparison ofExperimental Results of a MANET Testbed in Different Environments
Considering BATMAN Protocol", Proc. of INCoS-2011, Fukuoka, Japan, pp.
1-7, November-December 2011.
6. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Leonard Barolli, Fatos Xhafa, Jiro Iwashige, "A
Survey on MANET Testbeds and Mobility Models", Proc. ofHNCA-2011/CSA-2011, Jeju, Korea, pp. 651-657, December 2011.
7. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Tetsuya Oda, Leonard Barolli, Fatos Xhafa andAleksander Biberaj, "Evaluation of a MANET Testbed in Outdoor Bridge
Environment Using BATMAN Routing Protocol", Proc. of AINA-2012,Fukuoka, Japan, pp. 384-390, March 2012.
8. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Tetsuya Oda, Leonard Barolli, Fatos Xhafa andMakoto Takizawa, "Multimedia Transmissions over a MANET Testbed:
Problems and Issues", Proc. of CISIS-2012, Palermo, Italy, pp. 141-147, July2012.
9. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Leonard Barolli, Muhammad Younas, Kazunori
Uchida and Rozeta Miho, "A MANET Simulation System: A Case Study
Considering Static Source and Destination Nodes and OLSR Protocol", Proc.
of EIDWT-2012, Bucharest, Romania, pp. 54-60, September 2012.
10. Elis Kulla, Makoto Ikeda, Leonard Barolli, Muhammad Younas, Kazunori
Uchida, Makoto Takizawa, "Simulation Performance of a MANET Using
Static Source and Destination Considering AODV Routing Protocol", Proc. ofNBiS-2012, Melbourne, Australia, pp. 141-147, September 2012.
11. Elis Kulla, Evjola Spaho, Fatos Xhafa, Leonard Barolli, Makoto Takizawa,"Using Data Replication for Improving QoS in MANETs", Proc. ofBWCCA-2012, Victoria, Canada, pp. 529-533, November 2012.
12. Elis Kulla, Masahiro Hiyama, Makoto Ikeda, Leonard Barolli, Kazunori
Uchida, Makoto Takizawa, "Setting up Static Components for Investigating
MANET Performance: A Simulation Case", Proc. of BWCCA-2012, Victoria,Canada, pp. 53-59, November 2012.
13. E. Kulla, M. Ikeda, L. Barolli, F. Xhafa, M. Younas, M. Takizawa,"Investigation of AODV Throughput Considering RREQ, RREP and RERR

Packets", Proc. of AINA-2013, Barcelona, Spain, pp. 169-174, March 2013.
14. E. Kulla, M. Hiyama, M. Ikeda, L. Barolli, F. Xhafa, M. Takizawa, "Multi-flow
Traffic Investigation of AODV Considering Routing Control Packets",
Accepted, To Appear in Proc. of FTRA/ITCS-2013, Fukuoka, Japan, July
2013.
15. E. Kulla, M. Hiyama, M. Ikeda, L. Barolli, F. Xhafa, M. Takizawa, "Effect ofAODV HELLO Packets for Different Mobility Degrees", Accepted, To Appear
in Proc. of CISIS-2013, Taichung, Taiwan, July 2013.