随着当前无线通信应用场景的多样化,无线通信在为人类社会发展带来了无限便利的同时,随之而来的信息安全威胁也日趋严重。现阶段主流无线网络安全机制延续了计算机网络的密码学加密体系。然而无线传输的开放性、网络结构的动态拓扑性以及无线终端硬件设备的局限性都严重制约着传统密码学体制在无线网络安全领域的进一步发展。为此,从无线信号的底层物理特性入手,探索有效的物理层安全机制以维护系统信息安全成为当前无线安全领域的研究热点。从某种意义上讲,物理层安全体制的出现弥补了传统加密体制底层安全保护能力缺失的现状,它通过利用无线信号传播过程中的一些物理本质特征,通过编码、调制、特征提取等手段实现对信源内容或者终端设备身份的保护。近年来,相关领域的研究人员从理论层面对物理层安全机理进行了较为完备的解释,并针对不同通信场景提出了一系列的物理层解决方案。然而,笔者在对现有文献调研过程中发现,现有物理层安全技术相关研究大多建立在理想假设条件之上,诸如配备天线阵列、具备高精度信号分析能力等类似的先决条件无法普适主流的无线网络。针对该问题,本文以加权类分数傅里叶变换(Weighted fractional Fourier transform,WFRFT)这一新型载波调制方法为切入点,设计实现信号的物理层认证以及传输方法,来获得系统安全性能的提升。本文采用WFRFT作为物理层信息安全实现手段的原因在于:WFRFT作为一种广义傅里叶变换,具有完备的数学理论支撑,其信号变换过程在通信系统下具有明确的物理含义。同时,WFRFT信号处理流程与现有系统具有良好的兼容性,算法移植性高,工程化难度小。最重要一点,WFRFT这一新型的物理层信号手段具备了满足物理层安全所需的复杂度低、物理统计特征可控、具备信息隐藏能力等优势。物理层认证以及物理层安全传输是物理层安全领域两个重要的应用场景。本课题的研究即围绕加权分数傅里叶变换在物理层认证与信号安全传输方法两方面的应用展开。对于WFRFT在物理层认证方面的应用,本文以WFRFT信号物理层统计特征的动态可控性为出发点,从通信信号物理特征的伪装与隐藏两个角度分别设计了认证标签信号特征伪装(WFRFT-based Tag Feature Forging,WFRFT-TFF)以及标签高斯化内嵌(WFRFT-based Gaussian Tag Embedding,WFRFT-GTE)两种基于WFRFT的物理层认证方案以适用于不同的通信需求。本文从系统安全性、可靠性、及实现复杂度三方面对以上两种WFRFT物理层认证方案进行了对比,论证了两者不同的适用场景。在实现原理上,本文所提方案在信号调制层面上实现了对通信信号特征的控制,克服了传统物理层认证体制下认证指纹固定不可变的缺陷。同时本文所提方案节省了传统方法的特征提取、分析过程,降低了终端硬件需求,对现有系统具有更好的兼容性。直扩系统因其低概率检测特性而被定位为一种有效的物理层保密通信方式,然而随着盲信号处理、检测技术的发展,传统扩频技术已无法满足现阶段通信安全的需求。为此,本文在WFRFT信号域下对传统直扩系统进行了拓展研究。本文从扩频序列在WFRFT域的相关特性研究入手,研究了WFRFT实施对序列相关特性的影响。结果表明,WFRFT理论的引入丰富了传统扩频码设计手段,增加了可用扩频码的选取空间。在此基础上,本文利用WFRFT映射子信号的正交分离特性,提出了基于WFRFT的并行组合扩频保密通信方案。该方案同时兼具了扩频系统固有的低检测概率通信特性以及WFRFT信号时、频域协同传输的优势。数值仿真表明,系统在保证有效通信信噪比区间性能无明显恶化的条件下,有效遏制盲检测/识别算法对通信信息的截获,增强了扩频系统的抗截获能力。对于物理层信息理论安全传输,本文首先在三节点安全通信网络模型下,从物理层安全通信容量以及窃听节点信息获误码率两方面对WFRFT安全传输的实现机理进行了研究。论证了WFRFT在物理层理论安全的优越性来自于它在数字基带信号调制层面实现了“人工噪声”嵌入的过程,这使其减弱了对信道特性的依赖。同时,本文还针对M项WFRFT及4项WFRFT之间的内在联系进行了分析,证明了M-WFRFT不同定义形式的等价性。这为WFRFT域信号解调提供了统一的实现手段,使得固定接收端解调不同结构的WFRFT信号成为了可能。基于此,本文进一步提出了利用WFRFT信号子分量的同频自干扰特性,通过合理构建中继用户的协作关系提升系统安全容量的多用户协作安全传输方法。仿真结果表明,相比传统波束成形或人工噪声嵌入方法,基于WFRFT的多用户协作安全传输可明显提升系统的安全容量。