近年来,高速铁路和智能铁路的飞速发展对铁路移动通信系统提出了大带宽、高速率、低时延的数据传输要求。未来的智能铁路通信系统首先需要为车地间协同工作的列控系统提供高可靠、低时延的任务关键型数据传输保障,还需要满足多媒体类数据等高速数据传输的需要。具有超可靠、低时延特征的第五代移动通信（The Fifth Generation Mobile Communication,5G）尚未给出任务关键型数据传输的最终解决方案,该系统需要经过增强以满足铁路下一代无线通信系统中任务关键型数据传输对服务质量（Quality of Service,QoS）的苛刻要求。为保证铁路专用通信的实时性和可靠性,有必要在现有的基础上,结合铁路宽带通信的特殊要求进行改进,切实保证任务关键型数据的QoS要求。有鉴于此,本文对基于5G的铁路任务关键型数据QoS跨层优化保障技术展开研究,主要研究工作如下:（1）研究了基于MAC层的优先级差异化调度问题及其实现技术,提出了一种面向任务关键型数据传输要求的QoS加权调度算法,该算法量化了时延、可靠性和吞吐量等系统性能指标,通过计算获得的权重值区分优先级别,从而实现对铁路任务关键型数据的优先调度,以保障其QoS要求。（2）根据任务关键型数据传输的QoS要求,研究了基于跨层优化的QoS保障问题。本文重点研究了物理层和MAC层的资源分配及其优化技术,建立了物理层和MAC层的资源状态模型,提出了一个比较完整的QoS跨层优化框架。在上述优化框架基础上,本文以最大化系统总容量为优化目标,通过引入系统容量、时延和丢包率等关键参数,形成跨层优化问题,研究最优资源分配策略。进一步地,针对最优解求解复杂度过高的问题,本文采用交替优化方法将原问题转化为功率分配和子载波分配两个子问题,求解满足优化问题约束的次优资源分配策略。系统仿真验证了本文所提出的次优资源分配策略不仅能够大幅减少优化问题的求解时间和复杂度,还能够保障较高的准确性,通过与注水法等传统资源分配策略对比,在优化效果相同的情况下,能够显著减少所需功率,节约系统能源。（3）针对传统分组通信网络中数据实时性和可靠性的保障问题,本文尝试在5G网络中引入时间敏感网络（Time Sensitive Network,TSN）,通过5G技术和TSN技术的有机结合,实现能够满足任务关键性数据QoS要求的系统解决方案。本文提出了一个完整的5G-TSN融合网络架构和面向关键接口相关协议设计,通过对TSN网络的特定协议标准的针对性修订,初步实现了与5G网络的互联互通,包括提出了5G-TSN融合网络架构下的时钟同步协议和流量处理协议。