随着铁路数字化、信息化、智能化建设的向前推进,无线通信业务需求不断拓展,并呈现出多媒体化、宽带化的发展趋势。然而,无论是现有的GSM-R还是即将布建的下一代铁路移动通信系统LTE-R,都面临无线电频谱资源短缺的难题,这将大大限制系统的承载能力,使得铁路无线通信需求无法得到充分满足。市场驱动的认知无线电频谱共享模式为化解频谱短缺难题提供了一个可行思路:铁路无线通信网络租借使用其他无线电网络(系统)暂时空闲的频谱资源,以弥补授权频谱数量上的不足。频谱共享中通常存在多个主/次用户,并且同类用户间往往是竞争关系,而博弈论正是建模分析此类竞争关系的最有效数学工具。本文基于博弈论研究了铁路无线通信中的市场驱动的认知无线电频谱共享问题,主要工作和创新点如下:(1)分析总结出了认知无线电在铁路通信中应用的两个主要阻碍:(1)列车的高移动性导致时变非平稳的信道特性和严重的多普勒频移,使得频谱感知性能下降甚至不可用;(2)在“伺机利用频谱空穴”的一般频谱共享模式下,次用户对主用户的干扰通常难以完全避免,加之频谱资源重要而且稀缺,主用户往往缺乏共享频谱的意愿。指出了能够跨过以上两个阻碍的可行方案,即市场驱动的认知无线电频谱共享模式。(2)针对多主网络—单次网络的铁路认知频谱共享场景,提出了基于认可度的主网络博弈频谱共享算法。首先考虑频谱水平差异下的次网络的选择偏好和主网络信誉度这两个影响频谱共享的重要因素,通过引入认可度机制,对基于Bertrand博弈的频谱共享模型进行了改进,提出了新的次网络效用函数,形成了新的博弈,并证明其纳什均衡存在。然后构建了频谱租赁框架,定义了算法周期和阶段,提出了认可度更新机制,实现了认可度参数的动态更新,目的是体现次网络在不同算法周期中的买家意愿,并对主网络的不诚信行为进行惩罚,从而优化频谱共享环境。最后将算法扩展到了动态博弈情形,并探讨了其局部稳态。仿真实验结果表明,该算法适应实际情况,并提高了频谱共享的合理性、公平性和有效性。(3)针对单主网络—多次用户的铁路认知频谱共享场景,提出了基于优先级的次用户博弈频谱共享算法。将主网络与次用户间的频谱共享问题建模为垄断市场中的交易问题:主网络作为唯一的频谱卖家,通过制定最佳的频谱价格来获取最大收益,所有的次用户以竞争方式分配主网络租让的频谱,每个次用户的策略是决定自己的频谱请求带宽,目标是最大化自己的效用。首先设计了次网络的满意度函数和主网络的收益函数,并导出了主网络的最佳频谱定价函数。然后提出了次用户的优先级机制,给出了基于Saaty标度的优先级权重(包含重要性权重和实时性权重两部分)计算方法,并设计了包含优先级参数的次用户效用函数。最后提出了相应的动态博弈算法,并对其稳定性进行了分析。仿真实验结果表明,该算法能实现对频谱的合理、有效、灵活共享。