近年来,随着移动网络和传感器网络的大规模应用,无线通信有了飞速的发展,安全的无线通信也受到了广泛的关注。传统的保证通信机密性的方案,如利用密钥协商算法进行密钥分发,其安全性由计算复杂度决定,在实际无线网络环境中的应用往往会受到终端能力的限制。基于无线信道特征的密钥生成方案源于香农对完美保密通信理论的追求,利用了无线信道的不可预测性、随机性和地理空间位置唯一性,通过实时生成的对称随机密钥实现了无线通信的“理论安全”。该方案是一种轻量级的密钥协商方法,具有较低的计算复杂度与较快的密钥生成速率。因此,作为传统安全机制的重要补充,越来越多的学者开始致力于研究通过无线物理层特征提取密钥。无线信道特征密钥提取技术基于无线信道的互易性,使得合法的通信双方即使在存在窃听者的情况下,也能够生成安全的共享密钥。本文重点针对物理层密钥提取技术中的信息调和方法,研究了无线信道特征提取和基于信道编码的前向信息调和方法,并在仿真系统与实测系统中对时变信道互易性与不同信道编码的纠错性能进行了分析与验证。主要工作结论与创新点如下:1.本文在经典物理层密钥提取方法的基础上,利用信道编码技术设计了前向信息调和机制,包括密钥生成和消息传递两个部分。密钥生成过程主要通过信道探测、量化、格雷编码与8B/10B编码等步骤使得通信双方从无线信道CSI中提取出一对高度相似但不完全一致的密钥。借助信道编码与流加密算法,直接使用这一对密钥完成安全的消息传递。前向信息调和机制基于无线信道互易性,很好的避免了信息调和与隐私放大过程造成的通信开销与系统负担,极大地提高了安全无线通信的效率。2.为了进一步探索时变信道互易性的影响因素,本文利用仿真系统,在三种测试环境下对通信双方的相对移动速度、导频信号长度与信道估计算法进行了仿真分析,仿真结果表明移动速度和导频信号长度与互易性呈反比;MMSE信道估计算法相比于LS算法能提供更强的信道互易性;经过抗干扰处理的时域信道估计算法相比于未经过抗干扰处理的算法所得到的通信双方CSI互易性更好。3.本文采用了纠错码实现高效的前向信息调和,并仿真分析了不同纠错码的纠错性能,如BCH-SRS级联码、LDPC码和Polar码。在时变信道下对这三种纠错码进行了多组仿真实验,综合仿真结果,Polar无论从译码复杂度、译码速度、还是译码效果方面,整体的性能都要高于另外两种信道编码。4.本文搭建了基于GUN Radio软件无线电开发平台与USRP N210的实时宽带无线信道特征提取系统,并利用该系统验证了基于信道编码的前向信息调和方法的有效性。该系统在密钥生成速率方面有十分明显的优势,实验证明,在无线信道测量带宽为12.5MHz时,系统KGR可达32.4 bits/s;同时,在不同实测环境下对时变信道互易性与不同信道编码的纠错性能进行了实验验证,实验结果与仿真结果一致。