In this paper, we research synthesis scheme for secure wireless communication in multibeam directional modulation (MBDM) system, which consists of multiple legitimate users (LUs) receiving their own individual confidential messages, respectively, and multiple eavesdroppers (Eves) intercepting confidential messages. We propose a new type of array antennas, termed frequency diverse arrays (FDA), to enhance security of confidential messages. Leveraging FDA technology and artificial noise (AN) technology, we aim to address the PHY security problem for MBDM by jointly optimizing the frequency offsets, the precoding matrix and the AN projection matrix. In the first stage, with known locations of Eves, precoding matrix is designed to minimize Eve’s receiving power of confidential message (Min-ERP), while satisfying power requirement of LUs. And then artificial-noise projection matrix (ANPM) is calculated to enhance AN impact on Eves without influencing LUs. Furthermore, we research a more practical scenario, where locations of Eves are unknown. Unlike the scenario of the known locations of Eves, precoding matrix is designed to maximize AN transmit power (Max-ATP), while satisfying each LU’s requirement received power of confidential message. In the second stage, we analyze and further optimize secrecy capacity. The problem is solved by optimizing frequency offsets through modified artificial bee colony (M-ABC) algorithm. Numerical results show that the proposed scheme can achieve a secure transmission in MBDM system.

中文翻译：

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基于分频阵列的人工噪声辅助节能安全多波束无线通信方案

在本文中，我们研究了在多波束定向调制（MBDM）系统中用于安全无线通信的综合方案，该方案由多个合法用户（LU）分别接收他们自己的个人机密消息，以及多个窃听者（Eves）拦截机密消息组成。我们提出一种新型的阵列天线，称为频率分集阵列（FDA），以增强机密消息的安全性。利用FDA技术和人工噪声（AN）技术，我们旨在通过联合优化频率偏移，预编码矩阵和AN投影矩阵来解决MBDM的PHY安全问题。在第一阶段中，利用Eves的已知位置，设计预编码矩阵以最小化Eve对机密消息的接收功率（Min-ERP），同时满足LU的功率要求。然后，计算人工噪声投影矩阵（ANPM），以增强AN对Eves的影响，而不会影响LU。此外，我们研究了一个更实际的场景，其中Eves的位置未知。与Eves已知位置的情况不同，预编码矩阵被设计为在满足每个LU要求的机密消息接收功率的同时，最大化AN发送功率（Max-ATP）。在第二阶段，我们分析并进一步优化保密能力。通过使用改进的人工蜂群（M-ABC）算法优化频率偏移来解决该问题。数值结果表明，该方案可以在MBDM系统中实现安全传输。前夕的位置未知。与Eves已知位置的情况不同，预编码矩阵被设计为在满足每个LU要求的机密消息接收功率的同时，最大化AN发送功率（Max-ATP）。在第二阶段，我们分析并进一步优化保密能力。通过使用改进的人工蜂群（M-ABC）算法优化频率偏移来解决该问题。数值结果表明，该方案可以在MBDM系统中实现安全传输。前夕的位置未知。与Eves已知位置的方案不同，预编码矩阵被设计为在满足每个LU要求的机密消息接收功率的同时，最大化AN发送功率（Max-ATP）。在第二阶段，我们分析并进一步优化保密能力。通过使用改进的人工蜂群（M-ABC）算法优化频率偏移来解决该问题。数值结果表明，该方案可以在MBDM系统中实现安全传输。通过使用改进的人工蜂群（M-ABC）算法优化频率偏移来解决该问题。数值结果表明，该方案可以在MBDM系统中实现安全传输。通过使用改进的人工蜂群（M-ABC）算法优化频率偏移来解决该问题。数值结果表明，该方案可以在MBDM系统中实现安全传输。