Théorie de l’information, jeux répétés avec observation imparfaite et réseaux de communication décentralisés

par Maël Le Treust

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Samson Lasaulce.


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l’étude des interactions entre la théorie des jeux et la théorie de l’information, ainsi qu’à leurs applications aux réseaux de communication décentralisés. D’une part, la théorie des jeux apporte des réponses aux problèmes d’optimisation dans lesquels des agents interagissent. Dans un jeu, les joueurs choisissent des actions et obtiennent des gains appelés utilités. Les hypothèses sur l’information que possèdent les joueurs avant de jouer sont fondamentales pour déterminer l’issue d’un jeu, aussi appelée équilibre. Lorsque le même jeu est répété d’étape en étape et que les joueurs n’observent pas les actions passées parfaitement,alors les utilités d’équilibre ne sont pas connues. D’autre part, la théorie de l’information étudie les performances d’un système communicant. De nos jours, les réseaux de communication sont tellement denses qu’ils ne peuvent plus s’organiser autour d’un unique opérateur central. La théorie des jeux est appropriée pour étudier de nouvelles organisations du traitement de l’information dans lesquelles les décisions sont prises localement. Dans un premier temps, au chapitre3, nous étudions le jeu du contrôle de puissance efficace du point de vue énergétique, grâce aux résultats existants pour les jeux répétés. Les émetteurs sont considérés comme des joueurs et choisissent la puissance d’émission du signal, considérée comme leur action. L’objectif d’un joueur est de choisir une puissance optimale pour la qualité de sa propre communication. Même si les joueurs n’observent pas les actions passées de manière parfaite, nous montrons que l’observation du "ratio signal sur interférence plus bruit" est suffisante pour garantir des résultats d’équilibre optimaux pour le réseau de communication. Dans un second temps, nous utilisons les outils de la théorie de l’information pour approfondir l’étude de la circulation de l’information parmi les joueurs. Dans le chapitre 4, un encodeur envoie un signal supplémentaire aux joueurs afin qu’ils observent parfaitement les actions jouées à l’étape précédente. L’observation des joueurs devient suffisamment précise pour nous permettre de retrouver l’ensemble des utilités d’équilibre du jeu répété. Ces résultats sont à leur tour exploités afin de modéliser des réseaux de communication plus réalistes et d’y apporter des solutions nouvelles. Dans le chapitre5, nous approfondissons l’étude des utilités d’équilibre lorsque les joueurs observent les actions passées à travers un canal d’observation arbitraire. Nous démontrons un résultat d’atteignabilité pour un canal multi-utilisateurs avec états qui comporte un encodeur, deux récepteurs légitimes et un espion. Ce résultat nous permet d’étudier les corrélations entre les suites d’actions qu’un groupe de joueurs peut mettre en oeuvre à l’insu d’un joueur opposant. L’étude des canaux multiutilisateurs est un pas en avant vers la caractérisation des utilités d’équilibre dans un jeu répété avec observation imparfaite.

  • Titre traduit

    Information theory, repeated games with imperfect monitoring and decentralized communications networks


  • Résumé

    This thesis is devoted to the study of mutual contributions between games theory and informationtheory and their applications to decentralized communication networks. First, game theoryprovides answers to optimization problems in which agents interact. In a game, players chooseactions and obtains gains called utilities. Assumptions about the information possessed by playersbefore play is fundamental to determine the outcome a game, also called equilibrium. When thesame game is repeated from stage to stage and the players do not observe the past actions perfectly,then the equilibrium utilities are not known. On the other hand, information theory studiesthe performance of a communicating system. Nowadays, communication networks are so densethat they can not organize around a single central operator. Game theory is appropriate to explorenew organizations of communication networks in which decisions are taken locally. At first,in Chapter 3, we study the game of power control in terms of energy efficiency, thanks to theexisting results for repeated games. Transmitters are regarded as players and choose the transmissionpower of the signal, considered as their action. The objective of a player is to choose anoptimal power for the quality of its own communication. The players do not observe the pastactions perfectly, but we show that the observation of the "signal over interference plus noiseratio" is sufficient to ensure optimal equilibrium results for the communication network. In a secondstep, we use the tools of the information theory for further study of the flow of informationamong the players. In Chapter 4, an encoder sends an extra signal to the players so that theyperfectly observe the actions chosen in the previous stage-game. The observation of players issufficiently precise to characterize the set of equilibrium utilities of the repeated game. Theseresults are, in turn, used to model new communication networks and to provide more realisticsolutions. In Chapter 5, we deepen the study of equilibrium utilities when players observe thepast actions to through an arbitrary observation channel. We show a rate region is achievablefor the multi-user channel with states which includes an encoder, two legitimate receivers andan eavesdropper. This result allows us to study the correlations over the sequences of actions agroup of players can implement while keeping it secret from an opponent player. The study ofmulti-user channels is a step towards the characterization of equilibrium utilities in a repeatedgame with imperfect monitoring.

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