《博弈理论在无线网络中的应用》围绕近年来自组织网络、传感器网络、无线Mesh网络等各类新型无线网络的研究热点和难点，以博弈理论的应用为主线索，重点介绍和分析网络安全、频谱分配和网络优化等理论、技术问题和解决策略。《博弈理论在无线网络中的应用》共分为博弈与无线网络、博弈与网络安全、博弈与频谱优化和博弈与网络优化四个部分，其中第一部分是对无线网络和博弈理论的理论和技术的发展进行综述，第二部分从主动防御、入侵检测和控制恶意节点等多个方面分析博弈理论在无线网络安全中的应用，第三部分描述和分析博弈理论如何有效地应用于频谱的静态和动态的分配，第四部分从跨层协作、网络稳定性和节点协作等方面阐述博弈理论如何有效地应用于各类型无线网络网络优化。
《博弈理论在无线网络中的应用》可供计算机网络与信息安全、通信与信息系统、电子与信息系统等研究人员、相关专业教师、研究生以及高年级本科生参考。
第1 章 无线网络概述
无线网络的应用已成为当前及未来发展的趋势，本章首先从无线网络技术的发展和特点方面对无线网络进行概述；然而无线网络技术在取得令人惊喜的同时也面临着诸多问题，因此本章接下来的内容对当前无线网络发展所面临的几个关键问题进行阐述，包括能耗、网络安全及频谱资源管理问题等。
1.1 无线网络技术的发展和特点
无线网络是一种通过无线电波作为媒介进行通信的计算机网络，通常由包括具有无线连接功能的路由器、计算机、PDA 或智能手机等设备构成。由于采用无线传输的方式，无线网络具有安装方便、布线灵活、成本低且支持移动性等优点，从而使无线网络成为拓展有线网络覆盖范围、解决部分区域有线网络布局困难等问题的首选解决方案。同时，随着无线网络技术在数据传输速率与传输稳定性、可靠性及安全性等方面的不断改进，使得人们对无线网络技术的需求也与日俱增，特别是在网络接入方面，无线接入方式大有取代有线接入方式的趋势。因此，对无线网络技术的研究极具理论价值和广阔的市场应用前景。
1.1.1 无线网络技术的发展
无线网络技术最早可追溯到20 世纪第二次世界大战期间美国陆军采用无线电信号做资料的传输。在1971 年，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通信网络，即著名的ALOHAnet。而无线网络技术的大发展始于90 年代，由于第二代通信技术GSM 的大规模应用及无线局域网的普及，使得无线网络逐步影响人类社会的发展。
由于无线网络无线网络技术的研究内容十分广泛，涵盖了计算机、通信和材料等多个学科领域，这也使得其分类多种多样。考虑到不同的网络规模对无线网络技术发展的影响，本节将采用从网络覆盖规模的角度来对当前无线网络技术的发展进行介绍。
1.无线个域网
无线个域网（wireless personal area network ，WPAN）是指利用各种个人终端设备，包括计算机、PDA 和智能手机等，相互连接组成近距离（通常只有几米范围内）的小规模互联网络，从而为终端用户小范围组网以实现相互间的资源共享提供了极大的便利［1］。目前，WPAN 技术主要有红外连接技术IrDA 、蓝牙技术（blue-tooth）等。IEEE 为WPAN 制定了802.15 标准，包括802.15.1 ~ 802.15.7 ，主要针对蓝牙技术、超宽带（ultra-wave band ，UWB） 、ZigBee 技术以及无线红外连接技术等。
1） 蓝牙技术蓝牙技术诞生的初衷是为了实现不同的无线移动设备之间近距离无缝连接，并且简化连接设备和过程。蓝牙技术是一个开放的无线技术，由Bluetooth SpecialInterest Group（BSIG）进行管理。其工作频率在ISM 2.4GHz 频段上，使用跳频扩频（frequency-hopping spread spectrum ，FHSS） 技术。在组网结构上采用主从结构（master-slave structrue） ，在一个微微网（piconet ，见图1.1）中主设备最多可以连接7个从设备［2］。在标准上，蓝牙技术属于802.15 标准，目前的版本为v4.0 ，该版本中数据传输速率可达3Mbps（低功耗版本为1Mbps） ，有效传输距离可达100m。
目前，蓝牙技术已广泛使用在智能家居、车载设备以及各种娱乐设备中，如可以实现语音信号无线传输的蓝牙耳机等。
2） 超宽带技术超宽带技术是一种利用极窄脉冲方式进行无线发射和接收的无线通信技术，其特点是无须采用传统的载波调制技术而可在时域中直接操作。由此，该技术具有低功耗、高带宽、低复杂度及低成本的优点。
然而目前超宽带技术研究进展缓慢，由于该技术理论和实现上性能差异较大且初期投入成本太高使得该技术的应用前景尚不明朗。目前IEEE 802.15.3 工作组于2009 年推出基于毫米波（ millimeter-wave-based） 短距离通信技术（802.15.3c-2009）来替代原有的超宽带技术以实现高速WPAN ，其最大传输速率可达2Gbps ，由此有望支持在线视频等无线数据服务。
3） ZigBee 技术由于蓝牙技术在结构和成本上仍无法满足要求，IEEE 802.15 TG4 推出一种新的实现更简单、成本更低的无线通信技术标准―― ZigBee 技术。该技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种无线设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。图1.2 为基于ZigBee 技术的一个应用场景［3］。
ZigBee 技术结合无线传感器技术具有广阔的应用前景。目前，许多项目利用ZigBee 技术进行研究，如智能家居、家庭娱乐、工业自动化控制、医疗数据收集等。
4） 红外连接技术红外连接技术IrDA 是由红外数据协会IrDA（Infrared Data Association）制定的一系列利用红外线（波长850nm）来实现数据传输的近距离红外通信标准的简称。目前，支持IrDA v1.1 技术的设备已广泛应用于市场。该版本IrDA 技术支持数据传输速率最高可达16Mbps ，同时具备体积小、功耗极低、连接方便、抗干扰能力及保密性强等优点。然而IrDA 技术最大传输距离只有3m ，无法穿透墙壁，而且其传输质量十分依赖于通信双方红外射频天线的角度是否对准，从而不支持移动性。这些缺点使得其应用局限于各种无线终端设备近距离数据传输以及计算机周边产品无线化，如无线鼠标、无线键盘、无线遥控器等。
2.无线局域网
无线局域网（ wireless local area network ，WLAN）技术的诞生可以说是无线网络技术发展的一个里程碑，而由此产生的无线应用热潮使得人们逐渐改变了原有使用网络的方式。无线局域网由于采用无线连接的方式，大大降低了网络部署的成本和节约了部署的时间，同时无线局域网的有效传输距离及传输速率都要优于上述的无线个域网，这也使得无线局域网逐渐受到网络运营商及个人用户的青睐。
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