Terahertz (THz) communications are regarded as a pillar technology for the sixth generation (6G) wireless systems, by offering multi-ten-GHz bandwidth. To overcome the short transmission distance and huge propagation loss, ultra-massive (UM) MIMO systems that employ sub-millimeter wavelength antennas array are proposed to enable an enticingly high array gain. In the UM-MIMO systems, hybrid beamforming stands out for its great potential in promisingly high data rate and reduced power consumption. In this paper, challenges and features of the THz hybrid beamforming design are investigated, in light of the distinctive THz peculiarities. Specifically, we demonstrate that the spatial degree-of-freedom (SDoF) is less than 5, which is caused by the extreme sparsity of the THz channel. The blockage problem caused by the huge reflection and scattering losses, as high as 15 dB or over, is studied. Moreover, we analyze the challenges led by the array containing 1024 or more antennas, including the requirement for intelligent subarray architecture, strict energy efficiency, and propagation characterization based on spherical-wave propagation mechanisms. Owning up to hundreds of GHz bandwidth, beam squint effect could cause over 5~dB array gain loss, when the fractional bandwidth exceeds 10%. Inspired by these facts, three novel THz-specific hybrid beamforming architectures are presented, including widely-spaced multi-subarray, dynamic array-of-subarrays, and true-time-delay-based architectures. We also demonstrate the potential data rate, power consumption, and array gain capabilities for THz communications. As a roadmap of THz hybrid beamforming design, multiple open problems and potential research directions are elaborated.


翻译:Terahertz (Thz) 通信被视为第六代(6G)无线系统的一种支柱技术,提供多至十千兆赫带宽。为了克服短传输距离和巨大的传播损失,建议使用亚毫米波长天线阵列的超质量(UM) IMO 系统能够带来令人羡慕的高阵列增。在UM-MIMO系统中,混合波束成型显示了其在高数据率和减少电力消耗方面的巨大潜力。在本文中,根据不同的Thz广泛特性,调查了Thz混合波形设计的挑战和特点。具体而言,我们表明,使用亚齐波长波长波长天线阵列的空间度(SDoF)系统不到5个,这是由Thz频道极端偏差造成的。在15 dB或以上高度的反射中,我们分析了包含1024个或更多天线阵列的阵列所带来的挑战,包括智能的地下结构、严格的能源效率,以及As- bry 流流流流流变变的多重数据显示,这些动态结构的变形变异变压将超过10的系统。

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