[論文レビュー] Airy Beam Engineering in Near-field Communications: A Tractable Closed-Form Analysis in the Terahertz Band

Wenqi Zhao, Chong Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2026

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ひとこと要約

The paper derives closed-form Airy beam designs for ULA and UPA in THz near-field quasi-LoS scenarios, providing trajectory, field, and parameter formulas that outperform Gaussian beams and approach exhaustive-search performance with lower complexity.

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.

研究の動機と目的

• 伝統的なLoS/NLoSモデルが遮蔽と大規模アレイ開口によって崩れる近接場 regime において Tbps THz リンクを動機付ける。
• ULAおよびUPAで障害物ジオメトリと送受信機位置に適応可能な扱いやすい閉形式Airyビーム設計を開発する。
• 遮蔽情報とジオメトリ情報から直接計算できる解釈可能なビームパラメータ（B, F, θ）を提供する。
• 従来のGaussianビームフォーミングに対する利点を示し、網羅探索と同程度の性能を低い計算量で達成できることを示す。

提案手法

• 有限長のULA開口部をGaussian窓で包絡した状態で1D Airy位相プロファイルとFresnel回折に基づく2D場伝搬を導出する。
• 座標変換とAiry関数 Ai(ξ) を用いて閉形式のAiry場表現 E(x,z) を得る（式（Eq. 15））。
• ξピークを介してAiry振幅のピークを制約し主極軸軌道を求めて x(z) を導出する（Eq. 18）。
• BとFを含むピーク場の大きさを表す関数として定数K2とK6を含む形で表現する（Eq. 23）。
• 二段階のULA設計を定式化：幾何学的軌道制約（ウェイポイントとターゲット点）を決定し、最適な（Bopt, Fopt, θopt）を解く（式（Eq. 24–34））。
• UPAへの拡張として2つの運用モードを提供：ハイブリッドフォーカシング-Air(y)と二重Air(y)で分離または結合した曲げ次元を扱う（セクションIV）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THz近接場チャネルで障害物を回避するようにAiryビームを閉形式で設計するにはどうすればよいか。
• RQ2 ULAおよびUPA幾何におけるAiryビームの軌道と場の表現はどうなるか。
• RQ3 閉形式Airyビーム設計は近似LoSのTHzシナリオで従来のGaussianビームフォーミングを上回るか。
• RQ4 網羅的探索なしで障害ジオメトリから最適Airyビームパラメータを直接計算できるか。
• RQ5 複雑な遮蔽形状下で2つのUPA運用モードはビーム形成にどう影響するか。

主な発見

• ULAにおけるAiryビーム電場と軌道の閉形式表現（Eq. 15–18）はジオメトリから直接ビーム設計を可能にする。
• ULAにおける最適Airyビームパラメータの決定的な閉形式解が導出され（Eq. 32–34）、障害物と送受信機ジオメトリのみに依存する。
• 準LoSのTHz条件下でAiryビーム設計は従来のGaussianビームフォーミングをシミュレーションで大きく上回る。
• 提案する閉形式設計は網羅的数値探索と比較してほぼ最適な性能を達成しつつ計算量を低く保つ。
• UPAの拡張はより複雑な遮蔽ジオメトリに対応する2つの運用モード（ハイブリッドフォーカシング-Air(y)とデュアルAir(y)）を提供し柔軟性を高める。
• この枠組みはTHz UM-MIMOビームフォーミングに対して高い物理的解釈性とリアルタイム計算可能性を提供する。