分子通信(Molecular Communication,MC),是一种利用生物或化学信号在微观通信实体之间进行信息交换的技术。分子通信的信号载体通常是纳米尺度下的生物、化学分子或是人造纳米机器,多个微观通信实体之间使用上述信号载体的通信方式可以实现纳米网络。纳米网络有巨大的潜在应用价值,生物医学领域中的一些应用,例如药物定向投递,就可以通过纳米网络来实现,这对纳米网络中的纳米机器提出了能够定向通信的要求。由于分子通信系统中的信道常常是扩散和漂移信道,并且信息载体通常具有随机移动的特性,这一要求往往难以满足。定向通信机制是诸多生物医学领域应用的关键技术之一,本文针对分子通信中的不同的定向通信机制进行了研究,取得了一定的研究成果,同时也针对宏观尺度下的物理仿真平台进行了完善。本文的主要研究内容和贡献如下:1.在前人工作基础上研究了基于趋化效应的多跳中继策略,分析此策略的优点和不足之处。此策略使用中继节点扩大目标的影响范围,在更短的时间内使更多的纳米机能够检测到目标,解决了目标检测应用中检测速度慢、检测率低的问题。通过仿真实验,验证了它的有效性并分析了它的不足之处。2.提出了基于纳米机通信的协同算法。该算法通过纳米机自身携带引诱物质,在检测到目标释放的引诱物质时能够释放自身携带的引诱物质,使周围纳米机能够更快检测到目标,同时避免了中继节点的定位部署等问题。通过仿真实验验证了此协同算法的有效性,取得了比多跳中继策略更好的效果。3.提出了基于辅助定位节点加速算法。此加速算法在假设能够点对点通信的情况下,通过辅助定位节点的位置信息来加速纳米机的目标检测过程。通过仿真实验验证了此算法的有效性,以及系统中相关参数对系统性能的影响。4.本文建立了基于趋磁效应的分子定向通信模型,通过对模型的数学推导,计算了接收机处观察到磁性纳米粒子数量随时间变化的概率表达式及对应误码率,并仿真验证了基于驱磁效应的分子定向通信机制的有效性。建立了基于趋光效应的分子定向通信模型,讨论了入射光强度、光线波长对通信性能的影响,仿真验证了基于趋光效应的分子定向通信模型的有效性。5.在前人工作基础上,完善分子通信宏观尺度物理仿真平台。在此平台上接入了新传感器,开发了新的软件工具,使得在此物理仿真平台上能够对多跳中继策略和基于趋光效应的分子定向通信进行宏观尺度下的物理仿真实验。在宏观尺度下能够通过此物理仿真平台快速地验证分子通信理论。仿真结果表明本文中的多跳中继策略、纳米机通信的协同算法、基于辅助定位节点的加速算法、基于驱磁效应和趋光效应的分子定向通信都能够不同程度地提高系统的可靠性和效率。同时完善了宏观尺度下的物理仿真平台,能够对其中一些研究在宏观尺度下进行物理仿真实验验证。