受到收发器体积和能耗的制约,传统的电磁通信无法直接应用于纳米尺度的设备。近些年,随着纳米技术、生物工程和合成生物学的飞速发展,微尺寸和纳米尺寸的设备成为现实。然而,微型设备之间的可靠通信仍然是一个崭新而开放的课题。在自然界中,存在大量的生物纳米机器（如细胞）能够通过生物化学分子进行信息交换,协同地组成高效可靠的生物纳米网络。由于受生物启发的分子通信（Molecular Communication,MC）适用于许多特定的应用场景（如生物体内）,并具有生物兼容性、体积小、高能效、低能耗等优势。学术界普遍认为分子通信是实现纳米网络的可行通信技术之一,并作为现有通信系统在纳米尺度的补充。自由扩散是细胞内和细胞间最常见的一种分子传输机制,由于无需额外的能量源和通信设施,这种传输系统具有简单且能够实现快速短距离信息传输的优点。因此,基于扩散的分子通信是分子通信研究的热点,并且在生物医学、军事、环境监测、工业等领域具有广阔的应用前景。在基于扩散的分子通信系统中,传播时间与距离的平方成正比。如果传输距离较远,那么通信过程可能失败。为了提高通信链路的可靠性和性能,中继是一个很好的选择。由于扩散是一个缓慢的过程,与无线通信系统相比,可实现的数据速率非常低。多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术可以有效地提高数据传输速率。本文主要围绕基于扩散的分子通信理论和技术展开研究。构建了两跳通信网络的信号转导,提出了中继离散时间绑定（Binding IN Discrete time,BIND）信道。把生物系统中的配体-受体结合机制与采用解码转发（Decode-and-Forward,DF）的两跳分子通信系统相结合,分析了中继网络的误码率性能。研究了基于扩散的分子MIMO通信系统,包括系统建模、信道建模和接收器的设计问题。本文的主要贡献有:（1）研究了两跳分子通信系统信号转导的信息理论。首先,针对生物学与信息论交叉学科的研究现状,引入了基于环磷酸腺苷（cyclic Adenosine Monophosphate,c AMP）的信号转导。其次,把点对点通信网络的信号转导拓展到两跳通信网络的信号转导,提出了中继BIND信道。再次,对于二进制有限输入,二进制信道状态、二进制输出,建立了马尔可夫（Markov）信道模型,并推导了中继BIND信道的可达速率。最后,仿真和分析的结果表明,构建的中继BIND信道可以显著地提高系统的信道容量。（2）研究了采用解码转发的基于扩散的两跳分子通信系统的性能。该系统由一个纳米发射器（Nanotransmitter）、一个纳米接收器（Nanoreceiver）和一个纳米收发器（Nanotransceiver）组成。在构建的两跳网络中分别采用了一种类型的分子（SingleMolecule Two-Hop,1M2H）和两种类型的分子（Two-Molecule Two-Hop,2M2H）。受生物学中信号转导的启发,接收器考虑了配体-受体结合机制。符号间干扰（InterSymbol Interference,ISI）和自干扰（Self-Interference,SI）是影响中继网络性能的重要因素。接收分子数目可以用正态分布来近似表示,并推导了中继网络误码率的表达式。然后,提出了一个最小化误码率的优化问题,并利用基于梯度下降的算法解决该问题并找到最佳检测门限。此外,得到了两跳分子通信网络信道容量的表达式。数值结果表明,2M2H网络比1M2H网络具有更大的容量。（3）研究了基于扩散的分子MIMO系统的信道建模和高水平的接收器设计。基于扩散的通信是指以分子为信息载体的信息传递,其传播遵循分子扩散定理。为了提高数据传输速率,提出了一个新颖的基于扩散的分子MIMO通信系统。首先,建立了分子MIMO系统的通信模型。其次,考虑到接收器之间不是相互独立的,通过分析可能的传输路径推导了MIMO系统的信道模型,并用它来确定符号间干扰。在此基础上,提出了一个理想的接收器设计方案,它包括三个部分:浓度处理器、检测器和数据融合中心。提出了一种用于分子浓度检测的低复杂度的信号处理技术,求解出全局脉冲峰值时间,并用它来抑制符号间干扰。在检测器设计中,引入了奈曼-皮尔逊（Neyman-Pearson）检测以获得最佳的检测性能。结果表明,ISI消除处理的性能优于采样处理。采用融合的MIMO比采用选择组合的MIMO表现出更好的误码率性能,并且随着分子数和符号持续时间的增加,检测方案的性能得到改善。