نظریه بازی‌ها برای مهندسان بی‌سیم ۲۰۲۲
Game Theory for Wireless Engineers 2022

به کارگیری تحلیل ریاضیاتی در شبکه‌های بی‌سیم، به دلیل پیچیدگی مدل‌های تحرک و ترافیک، همراه با توپولوژی پویا و غیرقابل پیش‌بینی بودن کیفیت پیوند که مشخصه این شبکه‌هاست، با موفقیت محدودی روبرو شده است. توانایی مدل‌سازی تصمیم‌گیرندگان مستقل و منفرد که اقداماتشان به طور بالقوه بر سایر تصمیم‌گیرندگان تاثیر می‌گذارد، نظریه بازی را به ابزاری جذاب برای تجزیه و تحلیل عملکرد شبکه‌های ادهاک تبدیل می‌کند. نظریه بازی شاخه‌ای از ریاضیات کاربردی است که موقعیت‌های تصمیم‌گیری تعاملی را توصیف و تحلیل می‌کند. این نظریه شامل مجموعه‌ای از ابزارهای تحلیلی است که نتیجه تعاملات پیچیده بین موجودیت‌های منطقی را پیش‌بینی می‌کند، جایی که منطقی بودن مستلزم پایبندی دقیق به استراتژی مبتنی بر نتایج درک‌شده یا اندازه‌گیری‌شده است. در اوایل تا اواسط دهه 1990، نظریه بازی برای مسائل شبکه‌ای از جمله کنترل جریان، کنترل تراکم، مسیریابی و قیمت‌گذاری خدمات اینترنتی به کار گرفته شد. اخیراً، علاقه فزاینده‌ای به استفاده از روش‌های نظریه بازی برای مدل‌سازی مسائل برجسته ارتباطات و شبکه‌سازی امروزی، از جمله کنترل توان و اشتراک منابع در شبکه‌های بی‌سیم و همتا به همتا وجود داشته است. این اثر، نتایج اساسی در نظریه بازی و کاربرد آن‌ها در ارتباطات و شبکه‌های بی‌سیم را ارائه می‌دهد. ما بازی‌های نرمال، تکراری و مارکوف را با مثال‌هایی که از متون علمی انتخاب شده‌اند، مورد بحث قرار می‌دهیم. همچنین روش‌هایی را که از طریق آن‌ها یادگیری را می‌توان در نظریه بازی مدل‌سازی کرد، با کاربردهای مستقیم در زمینه نوظهور رادیو شناختی، شرح می‌دهیم. در نهایت، چالش‌ها و محدودیت‌های موجود در به کارگیری نظریه بازی برای تجزیه و تحلیل سیستم‌های بی‌سیم را مورد بحث قرار می‌دهیم. ما فرض نمی‌کنیم که خواننده با نظریه بازی آشنایی داشته باشد. مدل‌های اصلی نظریه بازی را معرفی می‌کنیم و کاربردهای نظریه بازی، از جمله دسترسی به رسانه، مسیریابی، پروتکل‌های کم مصرف و موارد دیگر را مورد بحث قرار می‌دهیم. هدف ما این است که به خواننده درک بنیادی از تحقیقات کنونی در مورد نظریه بازی به کار گرفته شده در ارتباطات و شبکه‌های بی‌سیم ارائه دهیم.

The application of mathematical analysis to wireless networks has met with limited success, due to the complexity of mobility and traffic models, coupled with the dynamic topology and the unpredictability of link quality that characterize such networks. The ability to model individual, independent decision makers whose actions potentially affect all other decision makers makes game theory particularly attractive to analyze the performance of ad hoc networks. 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. In the early to mid-1990’s, game theory was applied to networking problems including flow control, congestion control, routing and pricing of Internet services. More recently, there has been growing interest in adopting game-theoretic methods to model today’s leading communications and networking issues, including power control and resource sharing in wireless and peer-to-peer networks. This work presents fundamental results in game theory and their application to wireless communications and networking. We discuss normal-form, repeated, and Markov games with examples selected from the literature. We also describe ways in which learning can be modeled in game theory, with direct applications to the emerging field of cognitive radio. Finally, we discuss challenges and limitations in the application of game theory to the analysis of wireless systems. We do not assume familiarity with game theory. We introduce major game theoretic models and discuss applications of game theory including medium access, routing, energy-efficient protocols, and others. We seek to provide the reader with a foundationalunderstanding of the current research on game theory applied to wireless communications and networking.