分子通信是受生物机制启发的信息传递方式,在纳米网络中,它利用化学信号作为信息载体,在许多研究领域有潜在的应用。最有前景的信息传递方式之一是基于扩散机制的分子通信,在该通信方式下,发送端释放携带信息的分子,信息分子在流体介质中扩散运动到达接收端,接收端根据接收到的分子进行信息解调。在基于扩散机制的分子通信中,时间同步问题是增加系统结构复杂度的主要原因,因此研究提高异步分子通信系统的传输可靠性具有重要的意义。本论文的主要研究工作分为三部分:(1)接收端无时钟的异步分子通信系统调制解调方案设计提出了一种适用于分子通信系统的异步接收器,其中信息符号被调制成分子的释放时间,接收器无需测量分子的到达时间即可恢复信息符号。理论分析表明,与同步接收机设计相比,该方案显著降低了信息解调的复杂度,对于提高能量和大小受限的纳米级分子通信系统的可行性具有重要意义。仿真结果表明,在误码率性能方面,所提出的异步接收器优于已有的同步线性平均滤波检测器,并能够接近同步极大似然检测器和首达分子检测器。(2)接收端有时钟的异步分子通信系统调制解调方案设计提出了一种新型的基于时间的分子通信调制方案,该方案可以适用于接收端有时钟的异步分子通信系统。通过理论证明了在这种调制方案下信息分子到达时间的样本方差近似服从非中心卡方分布。根据其条件概率密度函数,基于最大似然准则设计了异步接收器,并考虑了信道中无背景噪声和有背景噪声两种情况。所提出的方案可以适用于传输多个信息分子的情况,仿真结果表明,该方案的误比特率性能随着每比特释放的信息分子数量的增加而提高。此外,当信道中有背景噪声时,该部分提出的异步调制解调方案优于已有的用两个分子的发送时间间隔表示不同信息符号的异步调制解调方案。(3)异步分子通信系统串扰信道的译码算法设计由分子运动时间的随机性而引起的码间串扰现象,是导致分子通信系统性能下降的重要原因。该项研究定义了一种称为串扰距离的新度量,以测量分子通信系统中发送码字到接收码字之间的距离。将串扰距离应用于卷积码,作为维特比译码算法的距离度量,对由码间串扰引起误码的卷积码进行解码,可以显著提高分子通信系统的可靠性。仿真结果表明,与未编码系统和一些已有的信道编码方式相比,所提出的基于串扰距离的卷积码在相同信息传输速率下具有更优的误比特率性能。