随着无线通信技术的快速发展,当前无线通信系统的数据量呈爆炸式增长且业务涉及大量用户隐私,因此对无线通信安全提出了更高要求。然而当前无线通信安全一直采用“发现问题,解决问题”的被动式解决思路,导致问题源源不断,难以获得根本解决。物理层密钥生成技术从无线通信本身出发,利用无线信道的固有属性,是一种可从根本解决无线通信保密性安全问题的技术,经过多年的发展其已趋于成熟。物理层密钥生成技术一直以密钥生成速率与通信速率匹配为研究目标,以期达到“一次一密”的“完美安全”。然而现有研究对信道认知不够精细,导致密钥容量难以提升,限制了密钥生成速率与通信速率的匹配,具体存在以下问题:1)对信道认知不够精准,将复杂的多径信道退化为了一维的多径叠加信道,人为丢弃了多径信道的多维独立性,造成了多径信息的熵减,进而导致密钥容量下降;2)对信道认知不够精确,仅利用导频符号估计信道,忽略了数据符号也包含的信道信息,使得信道估计结果不精确,造成了对随机源观测的不一致,进而导致密钥容量下降。针对以上问题,本文以提升密钥容量为目的,以精细化认知信道为手段,开展了面向密钥容量提升的精细化物理层密钥生成技术研究工作。从“精准认识信道”出发,提出了基于多径功率分配的密钥生成方案;从“精确认识信道”出发,提出了基于导频-数据联合的密钥生成方案。本文具体研究内容为:1.针对当前研究采用多径叠加信道导致密钥容量出现熵减的问题,提出基于多径功率分配的密钥生成方案。首先,根据信息论中的数据处理不等式说明多径信道相比于多径叠加信道对于密钥生成方案的优势。其次,依赖现有相干源波达方向（Direction of Arrival,Do A）估计算法及空域滤波方法,提出了一种多径分离方法,并进一步提出了一种基于多径分离的密钥生成方案;随后,推导分析了多径信道下的密钥容量表达式,并基于几何规划算法给出了总功率约束条件下最大密钥容量的功率分配方案;最后,仿真结果表明:多径信道的密钥容量要高于多径叠加信道的密钥容量,采用多径信道作为共享随机源可以避免信道熵减带来的密钥容量损失。2.针对当前研究仅利用无线帧中导频符号获取的信道估计结果导致合法通信双方信道一致性差的问题,提出了基于导频-数据联合的密钥生成方案。首先,根据信道估计误差下限,推导了基于导频-数据联合的OFDM系统密钥容量,分析了其与信道径数、载波数、符号数、噪声等变量的关系;其次,根据不同的无线通信系统信号处理信息设计了3种一致性增强算法,并根据3种算法的迭代次数,提出了一个基于数据符号判决信息的自适应一致性增强算法（Adaptive Consistence Enhancement Algorithm based on Data Symbol Decision Information,ACEA-DSDI）;随后,依据ACEA-DSDI算法提出了基于导频-数据联合的密钥生成方案。最后,仿真结果表明:ACEA-DSDI算法可以逼近密钥容量上界,且在一定条件下可以实现通信速率与密钥速率的匹配,从而到达“一次一密”条件。3.为验证研究内容2所提方案的有效性,基于软件无线电平台在Wi-Fi通信体制下对所提密钥生成方案进行了测试验证。首先,根据研究内容2推导的密钥容量表达式设计实验方案;随后,在基于ZYNQ+AD9361的软件无线电平台上,利用开源项目OPENWIFI搭建了软硬件实验平台,在无遮挡和有遮挡两种环境中测试了信道互易性、密钥不一致率等指标。测试结果表明:研究内容2所提的ACEA-DSDI相比于移动滑窗算法,每帧可多产生97bit的密钥,验证了ACEA-DSDI算法在实际应用的有效性。