自组织网络以其灵活快速组网、易部署、良好的鲁棒性等特点广泛应用于应急通讯、军用通讯、车联网等场景。路由协议是自组网节点间业务传输的基础,对网络性能有着直接影响,目前应用于自组织网络的路由协议按照逻辑结构可分为平面式路由和分级式路由。本文以应用于自组网的分簇路由协议为研究背景,分簇路由是为了解决平面式路由可扩展性较差的问题而提出的分级式路由协议,能够有效减少网络规模增大和拓扑变化带来的路由开销。目前对分簇路由协议的研究主要为单跳分簇,簇半径的选择对网络性能的影响研究不足,且很少结合链路层调度机制跨层研究。因此本文对分簇协议的研究重点为以下三点。第一是分簇网络使用的链路层调度协议问题。第二是簇的尺寸对分簇网络性能的影响,过大或过小的簇半径都会导致由于簇内簇间资源分配不均匀所导致的系统性能下降。第三是协议对不同优先级业务的传输问题,由于分簇协议应用场景主要为大规模网络,因此在分簇协议的设计中提供优先级支持能够更好的保障业务传输的QoS。在性能分析方面,本文在综合分析适用于分簇网络的链路层调度机制应有的特点后,选择基于统计优先级的链路层调度机制SPMA建立跨层性能模型,应用硬核点过程模型模拟分簇过程,并对分簇网络传输的业务量进行了量化分析。应用M/G/1排队模型对SPMA调度过程进行建模,通过对时隙发送概率的计算推导全网吞吐量,最后使用MATLAB对不同簇尺寸下的分簇网络性能参数进行数值仿真。在协议设计方面,本文参考SPMA对不同优先级业务提供不同服务策略的机制,通过引入中间层这种跨层设计对网络层下发的不同种类业务进行收口,通过调度算法对高优先级业务进行优先传输。最后使用实验室的嵌入式Linux的硬件设备对所设计的协议进行实现和测试,测试结果证明了本文设计的跨层分簇协议的实用性。