博弈理論在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

內(nèi)容概要

《博弈理論在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用》圍繞近年來自組織網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)等各類新型無線網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，以博弈理論的應(yīng)用為主線索，重點(diǎn)介紹和分析網(wǎng)絡(luò)安全、頻譜分配和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等理論、技術(shù)問題和解決策略?！恫┺睦碚撛跓o線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用》共分為博弈與無線網(wǎng)絡(luò)、博弈與網(wǎng)絡(luò)安全、博弈與頻譜優(yōu)化和博弈與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化四個(gè)部分，其中第一部分是對無線網(wǎng)絡(luò)和博弈理論的理論和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行綜述，第二部分從主動(dòng)防御、入侵檢測和控制惡意節(jié)點(diǎn)等多個(gè)方面分析博弈理論在無線網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用，第三部分描述和分析博弈理論如何有效地應(yīng)用于頻譜的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的分配，第四部分從跨層協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)協(xié)作等方面闡述博弈理論如何有效地應(yīng)用于各類型無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。
《博弈理論在無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用》可供計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全、通信與信息系統(tǒng)、電子與信息系統(tǒng)等研究人員、相關(guān)專業(yè)教師、研究生以及高年級(jí)本科生參考。

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無

書籍目錄

前言第一部分 博弈與無線網(wǎng)絡(luò)第1章 無線網(wǎng)絡(luò)概述1.1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)1.1.1 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展1.1.2 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)熱點(diǎn)介紹1.2 無線網(wǎng)絡(luò)存在的問題1.2.1 能耗問題1.2.2 拓?fù)淇刂茊栴}1.2.3 頻譜資源管理問題1.2.4 安全問題1.2.5 其他問題參考文獻(xiàn)第2章 博弈論概述2.1 博弈論基礎(chǔ)2.1.1 基本概念2.1.2 博弈的表述方法2.1.3 納什均衡2.1.4 帕累托最優(yōu)2.2 博弈論分類介紹2.2.1 靜態(tài)博弈2.2.2 動(dòng)態(tài)博弈2.2.3 重復(fù)博弈2.2.4 拍賣機(jī)制2.2.5 演化博弈參考文獻(xiàn)第3章 博弈論與無線網(wǎng)絡(luò)3.1 博弈論與網(wǎng)絡(luò)安全3.2 博弈論與頻譜分配3.3 博弈論與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化參考文獻(xiàn)第二部分 博弈與網(wǎng)絡(luò)安全第4章 基于演化博弈的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)防御機(jī)制4.1 背景及相關(guān)工作4.1.1 研究背景4.1.2 相關(guān)工作4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中安全問題的博弈模型4.3 基于演化博弈論的主動(dòng)防御分析4.3.1 演化博弈的復(fù)制動(dòng)態(tài)分析4.3.2 演化博弈的穩(wěn)定性分析4.4 仿真及其分析4.4.1 防御方的演化穩(wěn)定性分析4.4.2 攻擊方的演化穩(wěn)定性分析4.4.3 攻防雙方系統(tǒng)的演化穩(wěn)定性分析4.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章 基于簇的入侵檢測中的簇頭選舉機(jī)制5.1 背景及相關(guān)工作5.1.1 相關(guān)背景5.1.2 相關(guān)工作5.2 基于簇的入侵檢測中的簇頭選舉機(jī)制模型5.2.1 所面臨的問題5.2.2 模型5.3 基于博弈論的入侵檢測簇頭選舉機(jī)制分析5.3.1 付酬設(shè)計(jì)5.3.2 機(jī)制的最優(yōu)性說明5.3.3 耗費(fèi)分析5.3.4 捕捉和懲治機(jī)制5.3.5 簇頭節(jié)點(diǎn)選舉算法5.4 仿真及其分析5.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 基于演化博弈的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)惡意節(jié)點(diǎn)防范機(jī)制6.1 背景及相關(guān)工作6.1.1 研究背景6.1.2 惡意節(jié)點(diǎn)分類6.1.3 相關(guān)研究工作6.2 節(jié)點(diǎn)惡意行為的博弈建模6.3 基于演化博弈的防范機(jī)制分析6.4 仿真及分析6.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第三部分 博弈與頻譜分配第7章 基于議價(jià)博弈的認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配7.1 背景及相關(guān)工作7.1.1 研究背景7.1.2 相關(guān)工作7.2 基于議價(jià)博弈的單無線電頻譜分配策略7.2.1 博弈模型7.2.2 策略分析7.3 仿真及其分析7.3.1 BG-DSAS策略的頻譜份額及收益分析7.3.2 BG-DSAS策略的算法收斂性分析7.3.3 BG-DSAS策略隨機(jī)頻譜分配對比分析7.4 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 基于博弈的認(rèn)知Mesh網(wǎng)絡(luò)頻譜分配策略8.1 背景及相關(guān)工作8.1.1 研究背景8.1.2 相關(guān)工作8.2 多無線電多信道分配策略8.2.1 系統(tǒng)模型8.2.2 多無線電多信道分配策略的納什均衡8.2.3 多無線電多信道分配策略的公平性8.2.4 多無線電多信道分配算法8.3 仿真及其分析8.4 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第9章 基于雙向拍賣博弈的頻譜分配9.1 背景及相關(guān)工作9.1.1 動(dòng)態(tài)頻譜分配模型9.1.2 圖著色模型9.1.3 組合雙向拍賣模型9.1.4 潛在博弈模型9.2 頻譜分配問題的雙向拍賣博弈模型9.3 基于演化博弈論的分析9.3.1 誠實(shí)性定理9.3.2 個(gè)體相關(guān)性9.3.3 預(yù)算平衡9.4 分析及其仿真9.4.1 分析9.4.2 仿真9.4.3 雙向拍賣中的不完全信息博弈9.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第四部分 博弈與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化第10章 博弈與無線網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計(jì)與優(yōu)化10.1 跨層協(xié)作設(shè)計(jì)基礎(chǔ)10.1.1 跨層協(xié)作設(shè)計(jì)技術(shù)10.1.2 跨層協(xié)作體系結(jié)構(gòu)10.1.3 跨層協(xié)作建模10.2 基于博弈論優(yōu)化的跨層方案10.2.1 基于博弈論優(yōu)化的跨TCP層和MAC層建模10.2.2 基于博弈論優(yōu)化的跨TCP層和物理層建模10.2.3 基于博弈論優(yōu)化的跨應(yīng)用層和MAC層建模10.2.4 基于博弈論優(yōu)化的跨MAC層和物理層建模10.2.5 基于博弈論優(yōu)化的跨網(wǎng)絡(luò)層和MAC層建模10.2.6 基于博弈論優(yōu)化的跨TCP層和網(wǎng)絡(luò)層建模10.2.7 基于博弈論優(yōu)化的跨網(wǎng)絡(luò)層和物理層建模10.3 基于跨層議價(jià)博弈的吞吐量優(yōu)化策略10.3.1 優(yōu)化模型10.3.2 基本概念10.3.3 基于博弈的網(wǎng)絡(luò)模型建立10.3.4 性能分析10.4 仿真分析10.4.1 數(shù)據(jù)發(fā)送量收斂性10.4.2 節(jié)點(diǎn)效益10.4.3 節(jié)點(diǎn)公平性10.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第11章 博弈與多跳無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)效用11.1 研究背景及相關(guān)工作11.2 基于聲譽(yù)機(jī)制的節(jié)點(diǎn)效用研究11.2.1 聲譽(yù)機(jī)制11.2.2 網(wǎng)絡(luò)模型建模11.2.3 性能分析11.3 基于演化博弈的節(jié)點(diǎn)自私問題研究11.3.1 節(jié)點(diǎn)自私問題的描述11.3.2 激勵(lì)模型的建立11.3.3 基于演化博弈的激勵(lì)機(jī)制分析11.3.4 數(shù)值分析11.4 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第12章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于演化博弈的穩(wěn)定性分析12.1 背景及相關(guān)工作12.1.1 背景12.1.2 相關(guān)工作12.2 無線網(wǎng)絡(luò)的演化模型12.2.1 相關(guān)定義12.2.2 Lyapunov函數(shù)理論12.2.3 模型12.2.4 演化動(dòng)態(tài)12.2.5 收益矩陣分析12.3 基于演化博弈的穩(wěn)定性分析12.3.1 演化穩(wěn)定策略12.3.2 模仿動(dòng)態(tài)下的局部穩(wěn)定12.3.3 漸近穩(wěn)定的充分條件12.4 仿真與分析12.5 本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1 章  無線網(wǎng)絡(luò)概述無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已成為當(dāng)前及未來發(fā)展的趨勢，本章首先從無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)方面對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行概述；然而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在取得令人驚喜的同時(shí)也面臨著諸多問題，因此本章接下來的內(nèi)容對當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行闡述，包括能耗、網(wǎng)絡(luò)安全及頻譜資源管理問題等。1.1　 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)是一種通過無線電波作為媒介進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通常由包括具有無線連接功能的路由器、計(jì)算機(jī)、PDA 或智能手機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。由于采用無線傳輸?shù)姆绞?，無線網(wǎng)絡(luò)具有安裝方便、布線靈活、成本低且支持移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，從而使無線網(wǎng)絡(luò)成為拓展有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、解決部分區(qū)域有線網(wǎng)絡(luò)布局困難等問題的首選解決方案。同時(shí)，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸速率與傳輸穩(wěn)定性、可靠性及安全性等方面的不斷改進(jìn)，使得人們對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求也與日俱增，特別是在網(wǎng)絡(luò)接入方面，無線接入方式大有取代有線接入方式的趨勢。因此，對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究極具理論價(jià)值和廣闊的市場應(yīng)用前景。1.1.1　 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最早可追溯到20 世紀(jì)第二次世界大戰(zhàn)期間美國陸軍采用無線電信號(hào)做資料的傳輸。在1971 年，夏威夷大學(xué)的研究員創(chuàng)造了第一個(gè)基于封包式技術(shù)的無線電通信網(wǎng)絡(luò)，即著名的ALOHAnet。而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大發(fā)展始于90 年代，由于第二代通信技術(shù)GSM 的大規(guī)模應(yīng)用及無線局域網(wǎng)的普及，使得無線網(wǎng)絡(luò)逐步影響人類社會(huì)的發(fā)展。由于無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究內(nèi)容十分廣泛，涵蓋了計(jì)算機(jī)、通信和材料等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，這也使得其分類多種多樣?？紤]到不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的影響，本節(jié)將采用從網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)模的角度來對當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行介紹。1.無線個(gè)域網(wǎng)無線個(gè)域網(wǎng)（wireless personal area network ，WPAN）是指利用各種個(gè)人終端設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、PDA 和智能手機(jī)等，相互連接組成近距離（通常只有幾米范圍內(nèi)）的小規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)，從而為終端用戶小范圍組網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)相互間的資源共享提供了極大的便利［1］。目前，WPAN 技術(shù)主要有紅外連接技術(shù)IrDA 、藍(lán)牙技術(shù)（blue-tooth）等。IEEE 為WPAN 制定了802.15 標(biāo)準(zhǔn)，包括802.15.1 ~ 802.15.7 ，主要針對藍(lán)牙技術(shù)、超寬帶（ultra-wave band ，UWB） 、ZigBee 技術(shù)以及無線紅外連接技術(shù)等。1） 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)誕生的初衷是為了實(shí)現(xiàn)不同的無線移動(dòng)設(shè)備之間近距離無縫連接，并且簡化連接設(shè)備和過程。藍(lán)牙技術(shù)是一個(gè)開放的無線技術(shù)，由Bluetooth SpecialInterest Group（BSIG）進(jìn)行管理。其工作頻率在ISM 2.4GHz 頻段上，使用跳頻擴(kuò)頻（frequency-hopping spread spectrum ，F(xiàn)HSS） 技術(shù)。在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上采用主從結(jié)構(gòu)（master-slave structrue） ，在一個(gè)微微網(wǎng)（piconet ，見圖1.1）中主設(shè)備最多可以連接7個(gè)從設(shè)備［2］。在標(biāo)準(zhǔn)上，藍(lán)牙技術(shù)屬于802.15 標(biāo)準(zhǔn)，目前的版本為v4.0 ，該版本中數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)3Mbps（低功耗版本為1Mbps） ，有效傳輸距離可達(dá)100m。目前，藍(lán)牙技術(shù)已廣泛使用在智能家居、車載設(shè)備以及各種娛樂設(shè)備中，如可以實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)無線傳輸?shù)乃{(lán)牙耳機(jī)等。2） 超寬帶技術(shù)超寬帶技術(shù)是一種利用極窄脈沖方式進(jìn)行無線發(fā)射和接收的無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是無須采用傳統(tǒng)的載波調(diào)制技術(shù)而可在時(shí)域中直接操作。由此，該技術(shù)具有低功耗、高帶寬、低復(fù)雜度及低成本的優(yōu)點(diǎn)。然而目前超寬帶技術(shù)研究進(jìn)展緩慢，由于該技術(shù)理論和實(shí)現(xiàn)上性能差異較大且初期投入成本太高使得該技術(shù)的應(yīng)用前景尚不明朗。目前IEEE 802.15.3 工作組于2009 年推出基于毫米波（ millimeter-wave-based） 短距離通信技術(shù)（802.15.3c-2009）來替代原有的超寬帶技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高速WPAN ，其最大傳輸速率可達(dá)2Gbps ，由此有望支持在線視頻等無線數(shù)據(jù)服務(wù)。3） ZigBee 技術(shù)由于藍(lán)牙技術(shù)在結(jié)構(gòu)和成本上仍無法滿足要求，IEEE 802.15 TG4 推出一種新的實(shí)現(xiàn)更簡單、成本更低的無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)―― ZigBee 技術(shù)。該技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種無線設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。圖1.2 為基于ZigBee 技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用場景［3］。ZigBee 技術(shù)結(jié)合無線傳感器技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，許多項(xiàng)目利用ZigBee 技術(shù)進(jìn)行研究，如智能家居、家庭娛樂、工業(yè)自動(dòng)化控制、醫(yī)療數(shù)據(jù)收集等。4） 紅外連接技術(shù)紅外連接技術(shù)IrDA 是由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IrDA（Infrared Data Association）制定的一系列利用紅外線（波長850nm）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嚯x紅外通信標(biāo)準(zhǔn)的簡稱。目前，支持IrDA v1.1 技術(shù)的設(shè)備已廣泛應(yīng)用于市場。該版本IrDA 技術(shù)支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)16Mbps ，同時(shí)具備體積小、功耗極低、連接方便、抗干擾能力及保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而IrDA 技術(shù)最大傳輸距離只有3m ，無法穿透墻壁，而且其傳輸質(zhì)量十分依賴于通信雙方紅外射頻天線的角度是否對準(zhǔn)，從而不支持移動(dòng)性。這些缺點(diǎn)使得其應(yīng)用局限于各種無線終端設(shè)備近距離數(shù)據(jù)傳輸以及計(jì)算機(jī)周邊產(chǎn)品無線化，如無線鼠標(biāo)、無線鍵盤、無線遙控器等。2.無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)（ wireless local area network ，WLAN）技術(shù)的誕生可以說是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，而由此產(chǎn)生的無線應(yīng)用熱潮使得人們逐漸改變了原有使用網(wǎng)絡(luò)的方式。無線局域網(wǎng)由于采用無線連接的方式，大大降低了網(wǎng)絡(luò)部署的成本和節(jié)約了部署的時(shí)間，同時(shí)無線局域網(wǎng)的有效傳輸距離及傳輸速率都要優(yōu)于上述的無線個(gè)域網(wǎng)，這也使得無線局域網(wǎng)逐漸受到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商及個(gè)人用戶的青睞。……

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