Game Theory for Wireless Engineers (Synthesis Lectures on Communications)

Game Theory for Wireless Engineers (Synthesis Lectures on Communications) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Morgan & Claypool Publishers
作者:Allen B. MacKenzie
出品人:
页数:86
译者:
出版时间:2006-05-05
价格:USD 35.00
装帧:Paperback
isbn号码:9781598290165
丛书系列:
图书标签:
  • Game Theory
  • Wireless Communications
  • Wireless Engineering
  • Signal Processing
  • Information Theory
  • Optimization
  • Networking
  • Communications
  • Synthesis Lectures
  • Engineering
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具体描述

Game theory is a field of applied mathematics that describes and analyzes interactive decision situations. It consists of a set of analytical tools that predict the outcome of complex interactions among rational entities, where rationality demands a strict adherence to a strategy based on perceived or measured results.This lecture introduces wireless engineers to game theory. In recent years there has been a great deal of interest in applying game theory to problems in wireless communications and networking. Authors Allen Mackenzie and Luiz DaSilva provide students, researchers, and practitioners the tools they need to understand and participate in this work, provide guidance on the proper and improper uses of game theory, and examine future directions and applications of game theory. No familiarity with game theory is necessary; the authors introduce major game theoretic models and results and apply them to networking problems including medium access, routing, energy-efficient protocols, and others.Key Features:* A discussion of normal-form, repeated, and Markov games with examples selected from the literature* A description of the ways in which learning can be modeledin game theory, with direct applications to the emerging field of cognitive radio* A summary of the challenges and limitations in the application of game theory to the analysis of wireless systems

《通信系统中的博弈论应用》 引言 在现代通信系统中,资源分配、协议设计以及用户间的交互日益复杂,传统的优化方法往往难以全面应对。尤其是在考虑用户自身利益和自主行为时,系统性能的预测和设计需要引入新的分析工具。博弈论,作为研究理性决策者之间策略互动的数学理论,为理解和解决通信系统中的复杂问题提供了一个强大的框架。本书旨在深入探讨博弈论在无线通信工程领域的广泛应用,帮助读者掌握如何利用博弈论的原理和方法来设计更高效、更公平、更鲁棒的通信系统。 第一章:博弈论基础及其在通信系统中的意义 本章将为读者建立坚实的博弈论基础,并阐述其在通信工程领域的必要性和重要性。 基本概念: 我们将从博弈论的核心概念入手,包括玩家(Players)、策略(Strategies)、收益(Payoffs)以及信息集(Information Sets)。对于通信系统而言,玩家可以是单个用户、基站、或者其他网络实体;策略则可以包括发送功率、接入速率、信道选择、数据传输策略等;收益通常与系统性能指标相关,如吞吐量、延迟、能量消耗、公平性等。 博弈类型: 详细介绍不同类型的博弈,例如: 静态博弈与动态博弈: 区分玩家同时做出决策的静态博弈(如一次性资源分配)和玩家按序做出决策并考虑对方未来反应的动态博弈(如功率控制的迭代过程)。 合作博弈与非合作博弈: 探讨玩家之间是否可以形成联盟来共同最大化利益的合作博弈,以及玩家之间各自独立追求自身利益的非合作博弈。在通信系统中,非合作博弈更为普遍,因为用户往往是独立的、具有自身目标的。 完全信息博弈与不完全信息博弈: 分析玩家是否了解彼此的支付函数和策略集的博弈。在通信场景中,例如用户可能不完全了解其他用户的信道状态或优先级。 完美信息博弈与不完美信息博弈: 区别玩家在做出决策时是否知道对手过去所有行动的博弈。 纳什均衡: 重点讲解纳什均衡(Nash Equilibrium)这一核心概念,即一种策略组合,在该组合下,任何玩家都无法通过单方面改变其策略来获得更好的收益。我们将探讨纳什均衡的存在性、唯一性及其在通信系统中的意义。例如,在功率控制问题中,纳什均衡可能对应一种稳定的功率分配状态。 通信系统中的博弈论视角: 强调为何博弈论对于现代通信系统至关重要。随着无线频谱的共享化、网络的开放性增强以及用户数量的激增,用户的自主行为和策略选择对整个网络的性能产生了显著影响。博弈论提供了一种量化和分析这些复杂交互的工具,从而能够预测系统行为,设计鲁棒的协议,并实现性能优化。例如,在认知无线电中,次级用户需要博弈论来决定何时以及如何占用频谱,以避免对主用户造成过大干扰。 第二章:主要博弈模型在无线通信中的应用 本章将聚焦于几种在无线通信领域被广泛应用的经典博弈模型,并结合具体场景进行深入分析。 囚徒困境及其变体: 探讨囚徒困境(Prisoner's Dilemma)模型如何解释通信网络中合作与背叛的权衡。例如,在资源共享场景中,用户可能更倾向于“背叛”(例如,擅自使用更多带宽),即使这对整体网络性能不利。分析如何通过机制设计(如信誉系统)来激励合作。 斯塔克尔伯格博弈(Stackelberg Game): 深入研究领导者-追随者模型,即一个玩家(领导者)首先选择策略,然后其他玩家(追随者)根据领导者的选择来选择自己的策略。在通信中,例如基站作为领导者可以设定传输功率,用户作为追随者根据功率来选择接入方式。 古诺博弈(Cournot Game): 讲解玩家同时选择策略并基于对其他玩家数量的估计来做出决策的模型。在多用户通信系统中,用户可能在同一时间决定传输功率,而他们的决策会相互影响。 重复博弈(Repeated Games): 探讨在多次交互中,玩家的策略如何演变。这对于理解通信协议的长期行为和动态调整至关重要。例如,在协作通信中,用户可以通过重复博弈来建立信任和促进合作。 贝叶斯博弈(Bayesian Games): 处理玩家信息不完全的情况,即玩家对自己或对手的某些属性(如信道状态、优先级)不确定,但拥有关于这些属性的概率分布。这在认知无线电、频谱拍卖等场景中非常常见。 机制设计(Mechanism Design): 介绍如何设计游戏规则,使得玩家在追求自身利益的同时,也能达到期望的全局最优或局部最优目标。这包括如何设计激励机制,例如在频谱拍卖中,如何设计拍卖规则以激励用户诚实报价。 第三章:功率控制中的博弈论分析 功率控制是无线通信中的核心问题之一,博弈论为分析其复杂性提供了强大的工具。 多用户下行链路功率控制: 分析在蜂窝网络中,多个用户同时从基站接收信号时的功率分配问题。用户可能存在相互干扰,而基站需要优化功率以满足用户服务质量(QoS)要求。我们将探讨在非合作博弈模型下,用户和基站之间的策略选择如何影响系统吞吐量和公平性,并分析纳什均衡下的功率分配。 多用户上行链路功率控制: 聚焦于多个用户同时向基站发送信号的场景。这里的挑战在于用户功率的增加会导致对其他用户的干扰。我们将分析如何通过博弈论来设计功率控制算法,使得用户能够自发地调整功率,以最小化干扰并最大化自身吞吐量。 认知无线电中的功率控制: 探讨在认知无线电(CR)网络中,次级用户(SU)如何基于对主用户(PU)信道状态的感知来动态调整其发送功率。次级用户需要避免对主用户产生过大干扰,同时最大化自身频谱利用效率。我们将分析SU与PU之间,或者SU与其他SU之间的博弈关系。 能量收集无线通信中的功率控制: 随着能量收集技术的发展,无线设备可以在工作的同时收集环境中的能量。我们将分析在能量受限的情况下,设备如何通过博弈论来决定发送功率和能量使用策略,以实现性能和续航的平衡。 第四章:接入控制与资源分配的博弈论建模 本章将深入探讨如何利用博弈论来分析和设计无线通信中的接入控制和资源分配策略。 多址接入(Multiple Access)中的博弈: 分析在多用户共享通信信道时,用户如何选择接入时机、传输速率或信道。例如,在Aloha协议中,用户的接入策略会相互影响信道的利用率和冲突概率。我们将探讨如何设计更优的接入机制。 信道分配与选择: 探讨在存在多个可用信道的情况下,用户如何根据信道质量、干扰情况和自身需求来选择信道。在动态环境中,这将是一个持续的博弈过程。 带宽和速率分配: 分析在有限的带宽资源下,如何为不同用户或服务进行带宽和速率的公平或最优分配。例如,在4G/5G系统中,基站需要动态地为用户分配调度资源和调制编码方案(MCS)。 频谱共享与频谱拍卖: 详细研究在认知无线电和动态频谱接入(DSA)等场景下,如何通过博弈论模型来设计频谱共享机制和拍卖策略。例如,激励用户诚实报价以获得最优频谱分配。 中继网络的协作博弈: 分析在多跳通信网络中,中继节点如何与源节点和目标节点进行协作。我们将探讨如何通过合作博弈模型来设计激励机制,鼓励中继节点积极转发数据,以提高整体网络吞吐量和覆盖范围。 第五章:通信协议设计中的博弈论应用 本章将展示博弈论如何在更高级别的通信协议设计中发挥作用。 拥塞控制(Congestion Control): 拥塞是网络性能的顽疾。我们将分析在TCP等协议中,发送方和接收方之间的博弈如何导致拥塞的产生和缓解。通过博弈论,可以设计更鲁棒的拥塞控制算法。 无线传感器网络(WSN)中的协作与竞争: 在WSN中,传感器节点可能需要协同工作以完成监测任务,但也可能因为能量、通信范围等限制而产生竞争。我们将探讨如何利用博弈论来协调节点的行为,例如在数据收集和路由选择中。 安全通信中的博弈: 分析在存在恶意用户或攻击者的场景下,如何设计通信协议来保障安全性。例如,在对抗性环境中,通信节点如何通过博弈来选择加密方式或避免被探测。 移动自组织网络(MANET)中的路由选择: 探讨在MANET中,节点如何根据自身利益(如能量消耗、传输延迟)来选择路由。我们将分析节点之间的博弈如何影响整个网络的连通性和效率。 第六章:先进博弈论模型与未来通信系统 本章将介绍更前沿的博弈论模型,并展望其在未来通信技术中的应用前景。 进化博弈论(Evolutionary Game Theory): 引入进化博弈论,该理论研究策略在种群中的学习和演化过程。这对于分析大规模、异构的通信网络中的长期动态行为非常有用。 深度强化学习与博弈论的结合: 探讨如何利用深度强化学习(DRL)技术来学习和设计复杂的博弈策略,特别是在具有高维度状态空间和动作空间的通信场景中。 区块链与博弈论在通信中的融合: 分析区块链技术如何与博弈论结合,在分布式通信网络中实现去中心化的信任、安全和激励机制。 万物互联(IoT)中的博弈论挑战: 展望在海量IoT设备连接的未来网络中,博弈论将在设备间的协作、资源共享、隐私保护等方面扮演的关键角色。 5G/6G高级功能中的博弈论应用: 讨论博弈论在支持网络切片、边缘计算、智能反射面(RIS)等5G/6G高级功能中的潜在应用。 结论 本书全面梳理了博弈论在无线通信工程中的核心概念、重要模型以及广泛应用。通过系统性的讲解,读者将能够深刻理解博弈论如何帮助我们应对通信系统中的复杂决策问题,设计更智能、更高效、更具弹性的通信解决方案。掌握博弈论的分析方法,将是通信工程师在未来技术浪潮中保持竞争力的关键。 参考文献 (此处为模拟的参考文献列表,实际书籍会有详尽的参考文献) [相关博弈论教科书] [经典通信系统期刊论文] [无线通信与博弈论交叉领域的研究文献] 索引 (此处为模拟的索引占位符,实际书籍会有详尽的索引)

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这本书的排版和图表设计,也体现了极高的专业水准。清晰的数学符号定义和贯穿始终的案例分析,使得复杂的理论更容易被消化吸收。我尤其欣赏作者在引入一些经典博弈(如囚徒困境、协调博弈)时,都会立即将其映射到具体的无线通信问题上,比如频谱共享或干扰消除,这保证了理论和应用之间不会出现认知脱节。例如,它对“虚拟排队”和“资源竞争”的博弈建模,让我对如何设计更公平、更有效的资源调度策略有了全新的认识。它不再是简单地基于优先级或时隙分配,而是引入了用户自身的“理性选择”作为设计的一部分。这种“以人为本”(从网络节点理性决策者的角度出发)的思路,让整个系统设计看起来更加健壮和自适应。对于资深的系统架构师而言,这本书提供了一种从宏观博弈角度重新审视整个网络拓扑效率的思维方式,远超出了传统的优化方法论的范畴,更像是一套高维度的决策工具。

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老实说,在阅读这本书之前,我对“博弈论在通信中的应用”这个方向抱持着一种怀疑态度,觉得可能又是披着新潮外衣的旧酒。然而,这本书彻底颠覆了我的看法。它对“非合作博弈”的深入剖析,简直就是对当前分布式MIMO和蜂窝网络边缘计算场景的精准扫描。作者不仅定义了博弈模型,更重要的是,他花了大量篇幅讨论了收敛性和稳定性——这对我们实现实际的智能体至关重要。如果一个算法理论上最优,但在实际网络中无法收敛,那就等同于无效。这本书清晰地论证了在特定约束条件下(比如有限的反馈信息或延迟),哪些博弈迭代算法是可靠的。这种对工程实现可行性的关注,是许多纯理论书籍所缺乏的。我感觉作者不仅仅是一个理论家,他一定在工程实践中摸爬滚打过,深知模型与现实之间的那道鸿沟在哪里,并且努力在书里填平它。对于希望将博弈论工具箱真正投入到5G/6G系统设计中的工程师来说,这本书提供了不可或缺的“桥梁”。

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这本书的行文风格简直是反教科书式的,流畅得像在听一位经验丰富的前辈娓娓道来,而不是在啃一本佶屈聱牙的学术著作。我尤其欣赏作者那种特有的那种务实态度,他深知我们工程师的时间宝贵,不需要太多哲学思辨,需要的是能直接套用到实际设计中的工具。书里对随机博弈的介绍,尤其精彩,它将动态变化、信息不完全的无线环境建模得非常到位。我记得有一章专门讲了用户自主选择接入点的优化问题,作者没有用那种一板一眼的演绎法,而是先描述了“为什么传统优化方法会失效”,然后顺理成章地引出博弈论的必要性,这种“问题-解决”的叙事手法,极大地增强了阅读的代入感。对于那些习惯了优化理论的读者来说,这本书提供了另一种看待系统性能极限的视角——从“决策者相互作用”的角度出发,这远比只关注单点最优解要深刻得多。语言上,虽然是技术书籍,但用词精准且富有效率,没有一句废话,读起来酣畅淋漓,知识密度非常高,每读完一页都感觉自己的“工程师智商”又提升了一个档次。

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这本书的价值在于其对前沿研究方向的把握和前瞻性。它不满足于解释已有的通信理论,而是积极地将博弈论延伸到新兴领域,比如物联网(IoT)的安全博弈和能效优化。特别是在物联网设备日益增多、安全威胁也随之增加的背景下,作者讨论了攻击者与防御者之间的动态博弈,这为构建具有免疫力的分布式网络提供了理论基础。很多类似主题的书籍往往停留在静态分析,但这本书成功地引入了“进化博弈”的概念,来模拟网络环境下策略的长期演化和适应性。这对我理解未来网络的鲁棒性至关重要。阅读体验上,它要求读者有一定的数学基础,但即便如此,作者也用大量的注解和参考资料来帮助读者追溯源头,使得这本书既适合作为专业课程的教材,也适合渴望自我提升的在职工程师作为深入研究的参考书。它不仅仅是一本“教会你工具”的书,更是一本“教会你思考”的书,引导你用更动态、更具交互性的视角去看待无线系统的性能瓶颈和优化潜力。

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这本书简直是为我这种深陷无线通信领域,却又对博弈论一窍不通的工程师量身定制的救星!我以前总觉得博弈论是经济学家和数学家的玩具,跟我们天天和频谱效率、干扰抑制打交道的工程师有什么关系?但翻开这本书才发现,里面的视角太新颖了。它没有上来就抛一堆复杂的数学公式吓唬人,而是用非常贴近我们日常工作场景的例子来引入概念。比如,在资源分配的场景中,不同基站或者用户为了争取有限的带宽而展开的“竞争”,用纳什均衡来分析简直是茅塞顿开。作者对信道容量的讨论,也巧妙地结合了合作博弈的概念,让你立刻明白,有时候“合则两利”的策略,比单打独斗效率高得多。最让我惊喜的是,它不是停留在理论层面,而是深入到了实际的协议设计中,比如功率控制和干扰协调,这些都是我们日常头疼的问题,现在有了一套更系统化的分析框架,感觉像是手里多了一把精准的手术刀,而不是一把钝斧子。这本书的结构安排非常合理,从基础概念到复杂系统的建模,循序渐进,即使是第一次接触这个交叉学科的人,也能跟上节奏,并且感受到知识体系搭建起来的成就感。

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