随着第五代移动通信系统（5th generation wireless systems,5G）的商用和其在物联网、车路协同等领域的融合发展,无线通信中承载着越来越多的用户信息以及越来越重要的机密信息。由于无线通信广播的特点,这些信息被窃听和受到干扰的风险大大增加,信息安全问题越来越突出。基于加密和解密协议的信息安全技术依赖于计算复杂性,随着通信终端数目的指数级增加,密钥管理和分发的复杂度也迅速增加,传统的信息安全技术越来越难以满足当前至未来一段时间内的安全需求。本文以时分双工正交频分多址技术（Time Division Duplex-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,TDD-OFDM）为基础,分别从单用户单天线和多用户多天线的角度对基于信道特征的物理层安全技术进行了研究,并利用通用软件无线电外围设备（Universal Software Radio Peripheral,USRP）搭建了硬件测试平台,验证了基于设备-环境物理特征的物理层加密系统的可行性。首先,本文基于单天线TDD-OFDM系统单用户密钥生成模型,提出了一种改进的联合相位和幅度的量化区间设计以及自适应的参数优化算法。仿真结果显示,本文提出的改进量化区间设计以及自适应算法可以有效提升密钥长度性能,多普勒频移的增大则会降低密钥长度性能,但是会增强密钥比特速率性能,导频插值间隔的增加会微小增加密钥长度性能,多普勒频移越低效果越明显,不同量化阶数对相位信息损失比的性能影响很大,凸显了自适应算法的必要性。从攻击场景的仿真可以看出,本文的密钥生成算法在牺牲0.4d B的误码率代价下,换取了窃听者0.5的误码率性能,可以有效抵御窃听攻击;在重放攻击的功率与发送信号的功率相同的攻击场景下,相比于-10d B的低功率重放攻击,平均密钥长度性能降低近50%,难以有效抵御高功率重放攻击。其次,本文将密钥生成模型引入了多天线多用户场景,推导了多天线模型下系统的安全容量,讨论了系统保密容量与收发天线数的关系;同时,在传统多天线多用户密钥生成模型的基础上,本文提出了一种基于多天线系统信道降维的密钥生成模型,设计了基于波束域信道的预编码和接收矩阵。仿真分析了不同导频复用方案和波束重叠方案下密钥生成速率情况,在用户数为4,基站发射波束与用户接收波束均为4的情况下,采用波束域导频和非重叠波束的方案可以获得最高的密钥速率。最后,本文利用Simulink驱动USRP设备的方式,搭建了硬件测试平台,对提出的单天线TDD-OFDM系统中单用户密钥生成模型进行了实验验证。本平台分别设计了两种不同窃听能力的窃听者,一种窃听者是具有密钥生成模块的解密Eve,一种是不具有密钥生成模块的不解密Eve。测试结果表明,本文提出的密钥生成算法可以在微弱牺牲合法信道误码率性能的情况下,显著提升合法信道通信的安全性,但是在窃听者与合法用户的距离很近的情况下,窃听者可以通过相同的密钥生成算法生成与合法用户相同的密钥,此时的窃听者可以完美地窃听到合法用户的信息。