A Game-Theoretical Approach to Resource Allocation in Wireless Networks
Strategie d'Allocation de Ressources sans Fils à Base de la Théorie des Jeux
Résumé
A multiuser wireless environment is a highly structured system where competition and cooperation coexist. The aim of this thesis is to illustrate the role and the applications of game theory to the resource allocation problem in selforganizing multiuser wireless networks. Various game-theoretical tools will be considered, including strategic form games with complete information, potential games, Bayesian games, and Nash bargaining games. There are four main results in this thesis. First, non-cooperative games with complete information are introduced to study the resource allocation problem in the context of small-cell wireless networks. It is shown that this game can be viewed as a potential game. Thus, the existence and convergence of equilibrium can be readily addressed. Second, non-cooperative games with incomplete information are introduced to study a distributed resource allocation problem in the context of fading multiple access channels. This Bayesian game formulation is important from a practical point of view, as wireless devices can have local information but can barely access to global information on the network status. Further, coupled constraints games as well as various fairness concepts are introduced to study the rate allocation problem in the capacity region of multiple access channels. The concept of normalized equilibrium is adopted to address the equilibrium selection problem. Finally, Nash bargaining games are introduced to improve the non-cooperative system performance of the small-cell wireless networks.
Un environnement de communication multi-utilisateurs sans fils forme un système hautement structuré dans lequel compétition et coopération coexistent. L'objectif de cette thèse est d'illustrer le rôle et les applications de la théorie des jeux au problème d'allocation de ressources dans les réseaux auto-organisant sans fils et multi-utilisateurs. Divers outils issus de la théorie des jeux seront considérés. Cette thèse comporte quatre résultats principaux. Premièrement, les jeux non-coopératifs avec information complète sont introduits dans le cadre de l'étude du problème d'allocation de ressources dans un réseau sans fils formé de petites cellules. Il est démontré que ce modèle peut être vu comme un jeux de potentiel. Ainsi, l'existence et la convergence de l'équilibre peuvent être adressés. Deuxièmement, des jeux non-coopératifs avec information incomplète sont introduits pour étudier un problème d'allocation de ressources distribué dans le cadre de canaux à accès multiples. Cette formulation est important d'un point de vue pratique, puisque les instruments sans fils peuvent avoir une information locale et rarement globale sur le statut des canaux de communication. D'autre part, des jeux avec les contraintes couplé ainsi que divers conepts d'équité sont introduits pour étudier le problème d'allocation de débits de communication dans la région de capacité de canaux à accès multiples. Le concept d'équilibre normalisé est adopté pour considérer le problème de sélection d'équilibre. Finalement, des jeux de négociations de Nash sont introduits pour augmenter les performances des systèmes non coopératifs dans les réseaux sans fils à petites cellules.