无线自组网是当前热门的物联网的感知层的重要技术之一,基于分簇的无线自组织网络作为一种新兴的网络类型,具有着较高的时延要求和质量保障,不管是民用还是军用,都有着极其广泛的发展前景。而Ad Hoc网络MAC层作为五层架构中的重要一环,MAC层决定节点什么时候允许发送其分组,而且通常控制对物理层的所有访问,对移动Ad Hoc网络的性能起着重要作用。对于基于分簇的无线自组网来说,有着相对于普通自组网更突出的特征,如空中节点距离远、拓扑变化较快、对时延要求高等,导致传统的CSMA协议不具有适用性;同时节点规模较大,普通的一层的网络结构难以维系网络结构;而且节点间不仅需要传输网络内的控制指令信息、节点的数据信息和较低速率的其他信息,还需要向地面站节点回传高清图片和视频等高速率信息等,对于信道资源的分配具有较高的要求。本文分析比较了各类常用的自组网MAC层协议在适用范围和性能体现上的特点和不足之处,并且通过结合空中分簇节点自组网的通信模式、节点特征、业务模型、信道模型等之后,基于正交域时频多址和跨层类协议设计出了符合多节点、分簇空中自组网特征的、高效、公平、抗毁性强的自组网MAC机制。该协议通过结合网络层对网络进行分簇组网,并且在频域和时域上进行了多址划分,通过定期节点广播进行网络中数据收集和信息交换,解决了网络中节点规模大,拓扑变化较快和时延要求高的问题,同时,对于不同种类和速率的业务,利用队列机制进行了业务优先级的设置和区分,并且专门为高速业务预留了带宽和业务时隙以支持其高速传输。在此协议下,网络能应对各种异常或突发情况,维持网络结构的稳定性,同时具有差错和流量控制机制,并能应对高速业务和低速业务两种不同的传输机制,能区分业务优先级,高效地完成业务传输。最后,本文使用了OMNeT++仿真软件和INET框架为协议搭建了通用的Ad Hoc仿真模型,并且同时设计了多种场景对协议在不同的网络负载下性能进行了仿真测试。测试结果表明,本次设计的协议相对于其他的竞争类的协议具有较低的节点入网延迟,相对与一般的调度类MAC协议,具有较高的资源利用率和较高的吞吐量,较低的丢包率和端到时延,适用于基于分簇的无线自组织网络。