5G作为国内外全球移动通信领域新一轮技术关注的焦点,其对用户的重要性明显提升。未来网络需要更高的安全性保证、支持身份/信用级别的业务安全性以及用户对通信产生信任感,从而保护用户通信过程的安全。然而5G高速、低时延和绿色的需求使得采用高复杂度的安全措施受到局限,这给无线网络安全带来巨大的挑战。1949年香农在《保密系统的通信理论》中指出,“一次一密”是最强的安全系统,但是香农也证明基于计算的加密措施要实现“一次一密”,密钥和明文的长度必须一样长,这显然是不现实的。虽然量子密码在理论上是可以实现“一次一密”系统,但量子计算至今还没有实现和商用的可能。无线信道开放的特点带来了安全隐患,同时其信道的唯一性和独特性也成为建立起新型安全机制的资源。因此,开展物理层安全技术的研究既是探索实现“一次一密”系统的新方法,也是解决5G安全需求的新途径。本文从上述研究背景出发,针对未来5G系统中MIMO-OFDM物理层关键技术,提出利用无线信道的互易性、空间变化性和时间变化性进行快速、轻重量的密钥分发。将OFDM子载波的特征信息作为合法双方公共随机源以实现基于无线物理层的密钥提取。首先阐述了本文采用基于TDD模式下密钥提取方案的系统构成以及时序安排。其次介绍了USRP以及USRP平台上的MIMO-OFDM通信系统。然后本文针对OFDM系统,研究了基于USRP平台中OFDM系统的信道估计与特征信号提取,通过仿真可以发现利用OFDM子载波幅值的信息作为真实信道的公共随机源是可行的。最后本文基于OFDM子载波幅值信息探讨了量化方法并进行基于USRP平台信息协商的实现。通过对双门限量化方法的门限计算发现量化因子的大小与噪声有关。在此基础上本文提出单门限量化方法,并根据1比特占比率和噪声、特征分布以及纠错容量确定单门限量化因子。在信息协商过程中,本文采用基于纠错编码实现密钥一致率,该方案极大简化了纠正不一致时的步骤,且具有很高的可行性。本文所提出方案在尽量不增大系统额外的开销前提下,不仅考虑公共随机资源的问题,而且从步骤上简化了密钥提取过程交互的次数,验证了密钥提取在5G无线信道下实现的可能性。