在无线通信系统中,信道作为无线通信系统中收发端之间的物理媒介,其特性决定了无线通信系统的各种性能,如误码率、相关性等等,是无线通信系统至关重要的组成部分。由于电磁波在传输过程中会经历反射、散射和绕射等,并受到各种障碍物与收发端运动的影响,为了达到人们对通信质量的需求,优化升级无线通信系统的前提是对于信道特性建模与估计展开研究。同时经济社会的迅速发展使得人们对于通信服务质量的要求日益提高,对数据传输速度的追求不断提升,对场景的安全性要求也越来越高。在此背景下,物理层安全传输近年来成了无线通信领域的一个研究热点。在几何信道建模中,几何模型的多样化提高了研究难度,因此本文在三维球体信道模型的背景下研究Von Mise Fisher(VMF)分布,该分布表征了一大类方向性几何特征分布,并用VMF分布拟合特定的分布,从而用一个统一分布模型模拟一大类几何特征,简化了工程应用中的信道建模分析。在此基础上,在安捷伦ADS软件里设计理想基带信号模块和几何建模衰落信道模块,将理想基带信号通过衰落信道模块生成需要的基带衰落信号,并分别用MATLAB软件和频谱分析仪进行测试证实设计的有效性。信道参数估计是诸多通信模块的先决条件,其中多普勒扩展和信噪比表征了时变信道的特性,对于自适应通信和切换之类应用具有重要价值。因此本文从传统电平通过率(level crossing rate,LCR)的分析出发,对于双采样率(double sampling rate,DSR)联合多普勒扩展和信噪比估计的误差作了解析分析和仿真分析,发现了采样率选择对于估计性能的影响规律,并得到了系统仿真设定下最优的采样率,仿真表明优化后的估计器具有优异的性能。当前乃至未来的移动通信,信道的SCM(Spatial Channel Model)模型是一个通用模型,其也是当前许多物理层安全研究所采用的信道模型。但是过去的物理层安全之密钥方法通常假设时分双工(Time Division Duplexing,TDD)下的信道互易,而我们的研究表明,严格的时变信道其系数不具备互易性。因此本文在严格时变信道中设计了一种物理层安全密钥生成与加密方法,算法通过信道统计特征的提取并结合混沌函数生成密钥,而后对明文数据进行加密。分析和仿真表明算法有效抵御窃听者的窃听,同时真实用户的误码率性能保持不变。