内容简介
移动互联网流量的爆炸式增长、物联网海量终端的接入需求、千行百业新兴业务，以及异构应用场景等端到端传输时延和可靠性等要求，都需要新技术的支持。在这种情况下，认知空天地网络应运而生。认知空天地网络是未来移动通信系统的必然发展趋势，移动通信必将突破传统蜂窝网络组网方式，通过复用通信资源提高“频谱-能量-成本”效率。《认知空天地网络博弈论》采用近年来引起学术界和工业界广泛关注的博弈论作为建模和分析的数学工具，主要建立了动态分布式和鲁棒低开销的智能资源管控方法，提升了功率和频谱等资源的利用率，实现了多维资源按需管控的普适性和智能控制的可靠性。《认知空天地网络博弈论》共6章，分别是认知空天地网络博弈、博弈基础与博弈模型、认知网络博弈、地面网络平均场博弈、空中无人机通信博弈和卫星网络匹配博弈。《认知空天地网络博弈论》力求体现内容安排的科学性和章节安排的连贯性，同时兼顾书籍的系统性、逻辑性和前瞻性。
《认知空天地网络博弈论》适合作为高等院校和科研院所的科研人员的参考书或教学材料，也可作为从事通信网络与博弈论等交叉学科研究的硕博研究生的参考书。
目录
第1章 认知空天地网络博弈 01
1.1 认知空天地网络 01
1.1.1 认知空天地网络架构 01
1.1.2 认知空天地网络面临的挑战 05
1.1.3 认知空天地网络能力 05
1.2 博弈论概述与研究现状 08
1.2.1 博弈论概述 09
1.2.2 基于博弈论的认知空天地网络研究现状 14
本章参考文献 20
第2章 博弈基础与博弈模型 23
2.1 传统博弈 23
2.1.1 传统博弈概述 23
2.1.2 传统博弈模型 23
2.2 平均场博弈 33
2.2.1 平均场博弈概述 33
2.2.2 平均场博弈模型 35
2.3 匹配博弈 39
2.3.1 匹配博弈概述 39
2.3.2 匹配博弈模型 40
本章参考文献 43
第3章 认知网络博弈 44
3.1 研究背景及意义 44
3.2 非合作资源控制博弈模型 47
3.2.1 分布自适应功率控制 47
3.2.2 动态学习的功率控制 55
3.2.3 联合速率与功率控制 62
3.2.4 信道与功率分层控制 72
3.3 动态频谱租赁分层博弈模型 78
3.3.1 动态频谱租赁模型 78
3.3.2 动态频谱租赁博弈 79
3.3.3 动态频谱租赁算法 81
3.4 认知合作议价博弈模型 86
3.4.1 动态频谱共享系统模型 86
3.4.2 动态频谱共享议价博弈 89
3.4.3 动态频谱共享算法 93
本章参考文献 101
第4章 地面网络平均场博弈 103
4.1 研究背景及意义 103
4.2 超密集D2D通信平均场博弈模型 105
4.2.1 系统模型和问题描述 105
4.2.2 功率控制的微分博弈 7
4.2.3 最优控制问题 109
4.2 功率控制平均场博弈 110
4.2.5 分布式最优功率控制 113
4.2.6 仿真验证及结果分析 117
4.3 面向主干扰源功率平均场博弈模型 122
4.3.1 系统模型和问题描述 122
4.3.2 干扰感知与功率控制 123
4.3.3 干扰缓解的随机博弈 126
4.3.4 主干扰源平均场博弈 128
4.3.5 分布式干扰感知策略 132
4.3.6 仿真验证及结果分析 135
本章参考文献 140
第5章 空中无人机通信博弈 142
5.1 研究背景及意义 142
5.2 多维跨层资源管理博弈模型 144
5.2.1 系统模型和问题描述 145
5.2.2 功率控制平均场博弈 148
5.2.3 多维跨层资源管理算法 153
5.2.4 自适应路由协议设计 154
5.2.5 仿真验证及结果分析 157
5.3 鲁棒动态资源分配博弈模型 164
5.3.1 系统模型和问题描述 164
5.3.2 基于预测的时隙分配 168
5.3.3 鲁棒动态的功率控制 176
5.3.4 仿真验证及结果分析 183
本章参考文献 192
第6章 卫星网络匹配博弈 194
6.1 研究背景及意义 194
6.2 资源管理框架匹配博弈模型 196
6.2.1 卫星网络多维资源管理研究现状 196
6.2.2 卫星网络多维资源管理架构 197
6.2.3 卫星网络多维资源管理策略 200
6.2.4 仿真验证及结果分析 202
6.3 资源管理技术匹配博弈模型 206
6.3.1 系统模型和问题描述 206
6.3.2 双边匹配博弈的算法设计 213
6.3.3 仿真验证及结果分析 216
6.4 不完全信息卫星网络多维资源管理 219
6.4.1 系统模型和问题描述 220
6.4.2 匹配博弈的问题分析 226
6.4.3 匹配博弈的算法设计 232
6.4.4 仿真验证及结果分析 235
本章参考文献 243
附录 术语表 246
前言/序言
自20世纪50年代以来，大量文献基于经济学原理和模型研究来分析通信网络的设计，博弈论与通信工程、计算机科学、控制理论和复杂网络等学科一直存在着密切关系，因此博弈论可作为重要的研究工具。博弈论还可作为一种有效的数学工具，研究多个参与者在利益存在竞争和相互影响的局势中，理性的参与者如何选择自身策略实现效用最大化以及策略之间的均衡问题。博弈论不但可以帮助预测理性参与者之间的交互结果，还可以为建立独立决策者之间的交互模型和预测用户的行为等提供帮助。
认知空天地网络是未来6G移动通信系统的必然发展趋势，其将突破传统蜂窝网络组网方式，通过复用通信资源来提高“频谱－能量－成本”的使用效率。然而要实现这一愿景，仍有许多技术挑战有待解决。认知空天地网络只有在高效无线资源管理体系的指导下，才能对功率和频谱等资源实现利用率的提升。针对认知空天地网络异构通信用户大规模部署的资源管控数学建模难、分析求解难、信息获取难、决策及时难等技术难题，为实现多维资源按需管控普适性和智能控制可靠性等，迫切需要掌握动态分布式和鲁棒低开销的智能资源管控方法。因此，为了支持未来的无线通信业务，必须设计有效的资源管控方案和动态自适应算法，进而实现频谱资源和网络性能间的平衡。
本书共6章。第1章以认知空天地网络为切入点，重点阐述了其未来网络架构、业务形态和技术能力。第2章介绍了非合作博弈和合作博弈等传统博弈模型，以及平均场博弈和匹配博弈等高级博弈模型。第3章基于博弈论研究认知网络中的功率控制技术，介绍了非合作资源控制博弈模型、动态频谱租赁分层博弈模型和认知合作议价博弈模型。第4章基于平均场博弈研究地面网络中的功率控制技术，介绍了超密集D2D通信平均场博弈模型和面向主干扰源功率平均场博弈模型。第5章基于平均场博弈研究空中无人机通信网络中的资源管理技术，介绍了多维跨层资源管理博弈模型和鲁棒动态资源分配博弈模型。第6章从卫星网络层面出发，设计了基于匹配博弈研究的卫星网络中的资源管理机制，介绍了资源管理框架匹配博弈模型、资源管理技术匹配博弈模型和不完全信息卫星网络多维资源管理。
本书内容紧密结合认知空天地网络的发展需求，融汇了笔者在认知空天地网络的核心学术观点、部分科研成果和研究生课程材料等。
本书注重理论与实践的结合，每章均列举了认知空天地网络应用实例，力求对博弈论及其应用进行精炼，并将其编辑成有逻辑、有体系的书籍，使其通俗易懂，以飨读者。
笔者是国内较早开展基于博弈论模型探讨多种通信网络信息系统的学者，尤其是基于经典纳什非合作和合作议价博弈、联盟博弈和匹配博弈等来探讨认知无线网络、超密集蜂窝网络、无人机多跳网络和天地融合网络等经典分布式决策难题，相关研究工作在本书中有所体现。
本书由杨春刚、冯涛、弥欣汝、李彤、王瑶著。杨春刚负责全书的统稿和策划工作；冯涛编写了本书的第1章和第2章；弥欣汝、李彤、王瑶对全书涉及的资料进行了调研和梳理。这里特别感谢弥欣汝、李彤和王瑶等给予的支持和帮助，感谢他们贡献的智慧。本书受到国家自然科学基金面上项目（项目编号61871454）、国家重点研发计划“宽带通信和新型网络”的重点专项“6G全场景按需服务关键技术”（项目编号2020YFB1807700）的资助。
由于笔者水平有限，本书难免有纰漏，敬请读者批评指正。
笔者
2024年12月
