Physical-layer security (PLS) is a promising alternative or complement to cryptography-based solutions, because security key management and distribution required in such schemes are challenging in future wireless technologies with a distributed nature (e.g., Internet-of-Things (IoT) and massive machine-type communication). Motivated by this fact, in this paper, we investigate a PLS algorithm using linear virtual antenna array (VAA) constructed by multiple single-antenna nodes in mobile ad hoc networks such as unmanned aerial vehicles (UAVs) and mobile robots. Digital cooperative beamforming (CB) has been extensively explored such as cooperative null-steering or jamming. However, in spite of their effectiveness, the digital CB-based schemes incur prohibitive overhead and complexity, which creates difficulty in networks with limited hardware (e.g., IoT). To overcome this issue, we consider an analog CB-based PLS with linearly distributed VAA, which can be implemented in a fully distributed manner. In the proposed scheme, the received signal at the intended receiver is co-phased, while other receivers capture noise-like signals through randomized radiation patterns using the linear VAA. Assuming Rician channels, we derive secrecy rate of the proposed algorithm in a closed-from expression for an arbitrary K-factor, which is not available in previous work on the analog CB-based PLS. Furthermore, we show that the random location perturbations of the VAA elements following Gaussian distributions can enhance the secrecy performance by resolving the angle-of-departure ambiguity issue in linear arrays.

中文翻译：

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使用带有元素位置扰动的线性分布虚拟天线阵列进行安全传输

物理层安全性（PLS）是基于加密技术的解决方案的有希望的替代方案或补充，因为在未来具有分布式特性的无线技术（例如物联网（IoT））中，此类方案所需的安全密钥管理和分发面临挑战和大规模的机器类型通信）。基于这一事实，在本文中，我们研究了使用线性虚拟天线阵列（VAA）的PLS算法，该阵列由移动自组织网络中的多个单天线节点构成，例如无人飞行器（UAV）和移动机器人。已经广泛地探索了数字协作波束成形（CB），例如协作零方向控制或干扰。但是，尽管其有效性，基于数字CB的方案仍会产生过高的开销和复杂性，这在硬件有限的网络（例如，物联网）。为了克服这个问题，我们考虑了具有线性分布的VAA的基于CB的模拟PLS，它可以以完全分布的方式实现。在提出的方案中，预期接收器的接收信号是同相的，而其他接收器则使用线性VAA通过随机辐射图捕获类似噪声的信号。假设存在Rician通道，我们可以在封闭表达式中针对任意K因子得出该算法的保密率，这在基于CB的模拟PLS的先前工作中是不可用的。此外，我们表明遵循高斯分布的VAA元素的随机位置扰动可以通过解决线性阵列中的离去角歧义问题来提高保密性能。可以以完全分布式的方式实现。在提出的方案中，预期接收器的接收信号是同相的，而其他接收器则使用线性VAA通过随机辐射图捕获类似噪声的信号。假设存在Rician通道，我们可以在封闭表达式中针对任意K因子得出该算法的保密率，这在基于CB的模拟PLS的先前工作中是不可用的。此外，我们表明遵循高斯分布的VAA元素的随机位置扰动可以通过解决线性阵列中的离去角歧义问题来提高保密性能。可以以完全分布式的方式实现。在提出的方案中，预期接收器的接收信号是同相的，而其他接收器则使用线性VAA通过随机辐射图捕获类似噪声的信号。假设存在Rician信道，我们可以在封闭表达式中针对任意K因子得出该算法的保密率，这在以前基于CB的模拟PLS上的工作中是不可用的。此外，我们表明遵循高斯分布的VAA元素的随机位置扰动可以通过解决线性阵列中的离去角歧义问题来提高保密性能。其他接收机则使用线性VAA通过随机辐射图捕获类似噪声的信号。假设存在Rician通道，我们可以在封闭表达式中针对任意K因子得出该算法的保密率，这在基于CB的模拟PLS的先前工作中是不可用的。此外，我们表明遵循高斯分布的VAA元素的随机位置扰动可以通过解决线性阵列中的离去角歧义问题来提高保密性能。其他接收机则使用线性VAA通过随机辐射图捕获类似噪声的信号。假设存在Rician通道，我们可以在封闭表达式中针对任意K因子得出该算法的保密率，这在基于CB的模拟PLS的先前工作中是不可用的。此外，我们表明遵循高斯分布的VAA元素的随机位置扰动可以通过解决线性阵列中的离去角歧义问题来提高保密性能。