近年来,由于通信设备微型化的需求,纳米网络(Nano Networks,NNs)的发展受到广泛地关注,单个纳米机器受尺寸和功率的影响操作能力有限,对于复杂的应用,纳米机器之间的通信尤为重要。传统电磁波通信由于收发器体积等因素不适用于纳米网络,基于生物启发的分子通信(Molecular Communication,MC)技术成为实现纳米网络最合适的选择之一。分子通信是一种以生物化学分子作为信息载体的新型短距离通信技术,是集生物医学、纳米技术、计算机和通信技术于一体的新兴交叉学科。与传统通信相比,分子通信具有信息承载量大,生物相容性高,能耗低等特点,在健康监测、纳米医学、环境保护、工业制造和军事领域都有着广泛的应用前景。在现有文献提出的分子通信方法中,基于自由扩散的分子通信(Molecular Communication via Diffusion,MCvD)是一种高效节能的信息传输方法。由于高度交叉学科的复杂特性和实验器材的昂贵,现阶段对于分子通信的研究方法主要集中在理论数学建模研究和模拟仿真实验阶段,本文从理论和仿真两个方面研究分子通信,并通过仿真实验结果验证理论推导的准确性。信道模型和信道特性是分子通信的基本研究内容和理论发展基础,也是分子通信中基础研究和应用研究之间的桥梁,本文以基于自由扩散的分子通信信道特性为主要研究内容,选取了分子通信中两种典型的信道模型为研究对象,对其信道特性及其应用进行了研究。本文的主要工作及创新点如下:1.本文针对分子通信中的信道传输模式,从宏观和微观两个角度分别介绍了分子的扩散以及两者之间的关联,介绍了接收方式包括分子浓度、接收概率、信道脉冲响应以及接收分子个数之间的区别与联系。2.本文研究了完全封闭的三维球形边界中分子通信的信道特性,其中,球形边界分为完全反射边界和完全吸收边界,分别研究两种边界对分子通信中的分子自由扩散的影响。通过代入边界条件求解菲克扩散方程,推导出边界内自由扩散的分子浓度分布函数的解析表达式,并在此基础上分析了峰值浓度时间的解析表达式。该信道模型可用于人体细胞或器官对药物的吸收监测等。3.本文针对无源吸收目标(Silent Absorbing Target,SAT)的探测问题,构建了一种包含SAT在内的三节点分子通信(Three-Node Molecular Communication,TNMC)系统,包括一个点源发射机(Source,S)、一个接收机和一个SAT,其中接收机分别为吸收接收机(Absorbing Receiver,AR)和透明接收机(Passive Receiver,PR)。首先提出了一种概率等效建模(Probability Equivalent Modeling,PEM)方法建模TNMC系统的信道模型,得到接收端信道脉冲响应(Channel Impulse Response,CIR),并在此基础上分别对SAT与发射机和接收机的相对位置进行了估计,提出了一种基于最大似然估计(Maximum Likelihood Estimation,MLE)和牛顿-拉夫森法(Newton-Raphson Method)的相对位置估计算法,结合仿真实验分析了相对位置估计的误差。这为多节点分子通信系统研究提供了参考。