物理层密钥生成技术是一项以无线信道特征作为随机源生成密钥的安全技术,该技术利用信道的互易性保证密钥一致,利用信道的空时随机性确保密钥生成安全。本文从密钥生成技术的方案性能、应用场景、研究模型三个角度分别展开了相应的研究。从性能角度出发,提出了一个基于正交频分复用(OFDM)系统信道响应的高度自适应密钥生成方案。首先,通过线性最小均方误差估计(LMMSE)提高了信道估计准确性;其次,利用交织结合预处理技术增强了密钥随机性(KR);然后,提出一个可同时自适应生成量化级数、量化门限、保护间隔的高度自适应量化方法,提高了方案对动态环境的适应能力;最后,仿真结果显示在相同散射环境下该方案的密钥一致性(KAR)和KR均高于一般的密钥生成方案。从应用场景出发,将密钥生成技术推广至时分双工水下声(TDD-UWA)通信系统。首先,分析了密钥生成技术在TDD-UWA通信系统中面临的关键问题;其次,提出了一个本地导频辅助信道探测停等协议解决了由较大传播时延引起的互易性受损问题,利用流水线机制进一步解决了密钥生成速率(KGR)随通信距离增大而骤降的问题;再次,论证了传统的一致性增强机制在所提协议中的可行性,并分析了协议的安全性及优势;然后,提出了一个双层补偿聚合结合自适应保护间隔的量化方法,提升了KAR和KGR;最后,通过仿真结果分析了方案的KAR、KGR、KR性能,验证了方案在TDD-UWA通信系统中的可行性。从研究模型出发,探究了信道探测协议的必要条件及安全性。首先,指出了已有信道探测协议存在的缺陷;其次,提出了一个不依赖信道互易性、不受通信时延约束的非时限信道探测协议;然后,探究了在远距离通信场景中该协议的多中继可扩展性,并提出了一个利用中继辅助对抗多邻近攻击者协作窃听的机制;最后,通过数值仿真验证了上述结论。