作为新的安全技术,物理层密钥的研究旨在保证无线通信的安全,其核心思想是通信双方基于无线信道特征生成高速一致的安全密钥。无线信道具有的特征包括时变性,互易性和空间唯一性。相对传统的加密方法,物理层密钥生成技术不需要进行密钥的分发与管理,能够达到香农保密通信理论中的绝对安全。物理层密钥生成技术具体分为五个阶段,分别是信道探测,预处理,量化,信息调和与保密增强。本文将研究重点聚焦在前三个阶段,主要的研究工作以及创新点如下:(1)对预处理阶段方案的设计与改进。首先,本文学习并分析了现存的预处理方案,包括基于离散余弦变换(DCT)的预处理和基于主成分分析(PCA)的预处理。接着,提出了基于奇异值分解(SVD)的预处理方案,其有效解决了已有预处理方案为提高密钥一致性(KAR)而以牺牲密钥生成速率(KGR)为代价的问题。然后,提出基于K均值聚类的自适应预处理方案。利用K均值聚类算法对预处理方案进行改进,得到DCT-K,PCA-K和SVD-K三种自适应预处理方案,相对原有方案进一步提升了KAR。最后,通过仿真对比分析了各个预处理方案的性能,包括KAR,KGR和密钥随机性(KA),结果表明了所提方案的优越性。(2)提出基于私密导频的二维循环量化密钥生成的方案。首先,本文研究了公共导频(PP)信道探测协议,针对其无法适用于互易性受损或非互易的信道,以及无法抵抗邻近窃听攻击等问题,提出非互易随机导频(NRRP)信道探测协议。通过理论分析论证了NRRP信道探测协议的可行性与安全性,并通过仿真进行了验证。其次,研究了现存的量化方案。针对当前量化方案不能充分利用信道信息的问题,提出了基于二维信道参数的量化方案,同时利用幅值和相位作为密钥源提高了KAR。再次,针对现存量化方案KAR和KGR相互制约的问题,提出了二维循环量化(TDCQ)方案。通过对单比特量化后的初始序列进行循环编码,在提高KAR的同时,提升了KGR。最后,提出基于私密导频的二维循环量化密钥生成的整体方案,并对整体方案进行仿真,说明了其可行性与优越性。