[논문 리뷰] Airy Beam Engineering in Near-field Communications: A Tractable Closed-Form Analysis in the Terahertz Band

Wenqi Zhao, Chong Han외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 14.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 0

한 줄 요약

본 논문은 THz 근전장 quasi-LoS 상황에서 ULA 및 UPA를 위한 폐쇄형 Airy 빔 설계를 도출하고, 궤적, 전장, 및 매개변수 수식을 제공하여 Gaussian 빔보다 성능이 우수하고 전수 탐색(exhaustive-search) 성능에 근접하지만 복잡도는 더 낮다.

ABSTRACT

Terahertz (THz) communication can offer terabit-per-second rates in future wireless systems, thanks to the ultra-wide bandwidths, but require large antenna arrays. As antenna apertures expand and we enter the near-field scenarios, the conventional binary classification of communication links as either Line-of-Sight (LoS) or Non-Line-of-Sight (NLoS) becomes insufficient. Instead, quasi-LoS scenarios, where the LoS path is partially obstructed, are increasingly prevalent, posing significant challenges for traditional LoS focusing and steering beams. The Airy beam serves as a promising alternative, utilizing its non-diffracting and curved trajectory properties to mitigate such blockages. However, while existing electromagnetics literature primarily explores their physical patterns without practical generation schemes, recent communication-oriented designs predominantly rely on learning-based frameworks lacking interpretable closed-form solutions. To address this issue, this paper investigates a closed-form Airy beam design to efficiently synthesize Airy beam phase profiles based on the positions of the transceivers and obstacles. Specifically, rigorous analytical derivations of the electric field and trajectory are presented to establish a deterministic closed-form design for ULA Airy beamforming. Leveraging 3D wavefront separability, this framework is extended to uniform planar arrays (UPAs) with two operation modes: the hybrid focusing-Airy mode and the dual Airy mode. Simulation results verify the effectiveness of our derived trajectory equations and demonstrate that the proposed closed-form design significantly outperforms conventional beamforming schemes in quasi-LoS scenarios. Furthermore, the proposed method achieves performance comparable to exhaustive numerical searches with low computational complexity and enhanced physical interpretability.

연구 동기 및 목표

• 차단 및 큰 배열 개구로 인해 전통적인 LoS/NLoS 모델이 실패하는 근전장 영역에서 Tbps THz 링크를 가능하게 한다.
• ULA 및 UPAs에서 obstacle 기하 및 송수신 단 위치에 적응할 수 있는 표현 가능한 폐쇄형 Airy 빔 설계를 개발한다.
• 차단 정보 및 기하 정보를 통해 직접 계산 가능한 해석 가능한 빔 매개변수(B, F, θ)를 제공한다.
• 일반 Gaussian 빔포밍 대비 우월성을 보이고 전수 탐색과 유사한 성능을 달성하되 계산 복잡도는 낮다.]
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제안 방법

• 유한한 ULA 개구와 Gaussian 창을 갖는 Fresnel 회절 하에서 1D Airy 위상 프로파일 및 2D 전장 전파를 도출한다.
• 좌표 변환과 Airy 함수 Ai(ξ) (Eq. 15)를 이용하여 폐쇄형 Airy 전장 식 E(x,z)를 얻는다.
• ξ 피크를 통해 에어리 진폭의 피크를 강제하고 x(z)를 도출하여 메인 로브 궤척을 계산한다 (Eq. 18).
• 상수 K2 및 K6를 포함한 B와 F의 함수로 피크 전장 크기를 표현한다 (Eq. 23).
• ULA 설계의 두 단계: 기하학적 궤적 제약(경유점 및 목표점)을 결정하고 최적의 (Bopt, Fopt, θopt)를 해를 구한다(Eqs. 24–34).
• 섹션 IV에 따라 UPAs 확장은 하이브리드 포커싱-에어리 및 이중 Airy를 통한 결합 또는 분리 굽힘 차원을 위한 두 가지 운용 모드로 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THz 근전장 채널에서 장애물을 넘어 굽히도록 Airy 빔을 폐쇄형으로 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 ULA 및 UPA 기하에서 Airy 빔의 궤적 및 전장 표현은 무엇인가?
• RQ3 폐쇄형 Airy 빔 설계가 준LoS THz 시나리오에서 기존 Gaussian 빔포밍을 능가하는가?
• RQ4 최적의 Airy 빔 매개변수를 전수 탐색 없이 차단 기하 정보로 직접 계산할 수 있는가?
• RQ5 복잡한 차단 형상을 가진 경우 두 UPA 운용 모드 간 빔 형성의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• ULA에서 Airy 빔 전기장 및 궤적의 폐쇄형 표현(Eqs. 15–18)은 기하학으로부터 직접 빔 설계를 가능하게 한다.
• ULA에서 최적 Airy 빔 매개변수에 대한 결정론적 폐쇄형 해(Eqs. 32–34)가 도출되며, 차단물체 및 송수신 기하에 의해서만 의존한다.
• 준LoS THz 조건에서 Airy 빔 설계가 시뮬레이션에서 기존 Gaussian 빔포밍 방식보다 크게 우수하다.
• 제안된 폐쇄형 설계는 전수 수치 탐색과 비교해 근사 최적 성능을 달성하면서도 계산 복잡도는 낮다.
• UPA 확장은 더 복잡한 차단 기하를 수용하기 위해 두 가지 운용 모드(하이브리드 포커싱-에어리 및 이중 Airy)를 제공하여 유연성을 높인다.
• 프레임워크는 THz UM-MIMO 빔폼밍에 대해 높은 물리적 해석 가능성과 실시간 계산 가능성을 제공한다.