近年来,随着无线通信的快速发展,无线通信场景下受众群体的增加和数据传输的安全性问题之间的矛盾日益增长。物理层的无线信道由于其固有属性:时变性、随机性、空时唯一性、不可预测性被更多的学者关注,利用实时变化的无线信道信息作为公共随机资源池,友好通信用户从中进行密钥提取。避免了在密钥生成以后的分发与管理过程,很大程度对于现有的安全协议机制进行了增强与补充。基于此,本文将从物理层的角度出发,针对于密钥生成技术展开相关的研究工作,主要工作包括:1)针对时分双工模式（Time Division Duplexing,TDD）下的信道状态信息提取技术展开研究工作。首先对传统单向信道探测技术分析具体方案。针对信道环境变化缓慢时密钥生成速率低的问题,引入随机扰动、中继转发以及网络编码的信道探测方式。与此同时分析上述算法可达密钥速率理论公式,评估算法性能。通过引入更多的随机变化量,例如中继信道、人为随机扰动等方式提高密钥生成速率。在给定仿真条件下,与传统单向探测技术相比,引入随机扰动可带来可达密钥速率一定程度的提升;而增加中继节点协助后,由于中继信道能增添新的随机量,故可进一步带来可达密钥速率的提升。2)针对频分双工模式（Frequency Division Duplexing,FDD）下的信道状态信息提取技术展开相关研究工作。针对安全性不能保证、静态或准静态环境密钥提取过程中长度受限等问题,引入非对称随机扰动、对称随机扰动、TDD中继辅助以及FDD中继辅助的信道探测方式。与常规双向探测相比,随机扰动以及中继辅助可以提高可达密钥速率。分析随机扰动情况可得,与非对称扰动相比,对称扰动由于避免了部分扰动信号的二次传输,其安全性得到了提升;可达密钥速率大小取决于两个随机扰动信号方差大小,当方差保持一致时,可达密钥速率相等。考虑中继辅助时,TDD中继辅助模型仅利用中继信道,忽略用户信道的非互易性;而FDD中继辅助模型能同时利用用户信道和中继信道,故其可达密钥速率优于TDD中继。3)基于多维信道状态信息的密钥生成技术展开相关研究工作。主要包含预处理技术、多维信息量化技术以及密钥协商技术。预处理技术中改进的奇异值分解算法由于进行了多层分解以及只保留有效信号部分,因此效果较好,但计算复杂度较高。具体采用何种预处理算法要综合考虑实际系统复杂度以及预处理效果。多维信息的量化技术中采用多维信息的密钥生成速率性能优于只采用一维信息;改进的K均值算法效果相对较优,但该算法存在信息共享过程从而会出现信道资源消耗问题;等概量化算法具有实现简单、不存在额外消耗信道资源、密钥随机性高等优点。协商技术中Cascade协商算法适用于信道环境恶劣、对密钥实时性要求低的情况;纠错码协商以及改进算法实施过程简单,适用于信道环境相对较好的场景,由于改进算法增加了交织方式使不一致序列分散更加随机,因此改进算法协商性能优于原有算法。4)针对星地系统的密钥生成流程进行详细分析与设计,具体采用双向信道探测方式、改进的奇异值分解分解预处理算法、基于二维的信道状态信息量化技术以及基于改进的纠错码协商算法。从数字仿真来看所提出的总体方案是可以满足最终的系统要求,获得可靠密钥。综上,本文对基于物理层的密钥生成算法所涉及的关键技术进行了详细的研究,针对不同的技术提出相应的改进,以此提升系统的性能。同时针对星地系统的密钥生成流程进行相关设计。