Terahertz (THz) communications are regarded as a pillar technology for 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 antenna arrays are proposed to enable an enticingly high array gain. In UM-MIMO systems, hybrid beamforming stands out for its great potential in promisingly high data rate and reduced power consumption. In this article, challenges and features of the THz hybrid beamforming design are investigated, in light of the distinctive THz peculiarities. Specifically, we investigate that the spatial degree-of-freedom is poor, which is caused by the extreme sparsity of the THz channel. The blockage problem caused by the huge reflection and scattering losses is studied. We analyze the challenges led by the array containing 1024 or more antennas, including the requirement for dynamic subarray architecture, strict energy efficiency, and propagation characterization based on spherical-wave propagation mechanisms. Owning to multi-ten-GHz bandwidth, beam squint effect could cause tens of dB array gain loss. Inspired by these facts, three novel THz-specific hybrid beamforming architectures are presented, including widely-spaced multi-subarray, dynamic array-of-subarrays, and dynamic-subar-ray with fixed-true-time-delay 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.

中文翻译：

---

太赫兹无线通信的混合波束成形：挑战、架构和开放问题

太赫兹 (THz) 通信被视为 6G 无线系统的支柱技术，可提供数十 GHz 的带宽。为了克服传输距离短和传播损耗大的问题，提出了采用亚毫米波长天线阵列的超大规模 (UM) MIMO 系统，以实现诱人的高阵列增益。在 UM-MIMO 系统中，混合波束成形因其在高数据速率和降低功耗方面的巨大潜力而​​脱颖而出。在本文中，根据独特的太赫兹特性，研究了太赫兹混合波束成形设计的挑战和特点。具体来说，我们调查了空间自由度较差，这是由太赫兹信道的极端稀疏性引起的。研究了由巨大的反射和散射损失引起的阻塞问题。我们分析了包含 1024 个或更多天线的阵列所带来的挑战，包括对动态子阵列架构的要求、严格的能量效率以及基于球波传播机制的传播特性。由于多 10GHz 带宽，波束斜视效应可能导致数十 dB 的阵列增益损失。受这些事实的启发，提出了三种新颖的 THz 特定混合波束形成架构，包括宽间隔多子阵列、动态子阵列阵列和具有固定真时延迟架构的动态子阵列。我们还展示了用于太赫兹通信的潜在数据速率、功耗和阵列增益能力。作为太赫兹混合波束成形设计的路线图，阐述了多个未解决的问题和潜在的研究方向。包括对动态子阵列架构、严格的能量效率和基于球波传播机制的传播特性的要求。由于多 10GHz 带宽，波束斜视效应可能导致数十 dB 的阵列增益损失。受这些事实的启发，提出了三种新颖的 THz 特定混合波束形成架构，包括宽间隔多子阵列、动态子阵列阵列和具有固定真时延迟架构的动态子阵列。我们还展示了用于太赫兹通信的潜在数据速率、功耗和阵列增益能力。作为太赫兹混合波束成形设计的路线图，阐述了多个未解决的问题和潜在的研究方向。包括对动态子阵列架构、严格的能量效率和基于球波传播机制的传播特性的要求。由于多 10GHz 带宽，波束斜视效应可能导致数十 dB 的阵列增益损失。受这些事实的启发，提出了三种新颖的 THz 特定混合波束形成架构，包括宽间隔多子阵列、动态子阵列阵列和具有固定真时延迟架构的动态子阵列。我们还展示了用于太赫兹通信的潜在数据速率、功耗和阵列增益能力。作为太赫兹混合波束成形设计的路线图，阐述了多个未解决的问题和潜在的研究方向。和基于球面波传播机制的传播特性。由于多 10GHz 带宽，波束斜视效应可能导致数十 dB 的阵列增益损失。受这些事实的启发，提出了三种新颖的 THz 特定混合波束形成架构，包括宽间隔多子阵列、动态子阵列阵列和具有固定真时延迟架构的动态子阵列。我们还展示了用于太赫兹通信的潜在数据速率、功耗和阵列增益能力。作为太赫兹混合波束成形设计的路线图，阐述了多个未解决的问题和潜在的研究方向。和基于球面波传播机制的传播特性。由于多 10GHz 带宽，波束斜视效应可能导致数十 dB 的阵列增益损失。受这些事实的启发，提出了三种新颖的 THz 特定混合波束形成架构，包括宽间隔多子阵列、动态子阵列阵列和具有固定真时延迟架构的动态子阵列。我们还展示了用于太赫兹通信的潜在数据速率、功耗和阵列增益能力。作为太赫兹混合波束成形设计的路线图，阐述了多个未解决的问题和潜在的研究方向。提出了三种新颖的 THz 特定混合波束成形架构，包括宽间隔多子阵列、动态子阵列阵列和具有固定真时延迟架构的动态子阵列。我们还展示了用于太赫兹通信的潜在数据速率、功耗和阵列增益能力。作为太赫兹混合波束成形设计的路线图，阐述了多个未解决的问题和潜在的研究方向。提出了三种新颖的 THz 特定混合波束成形架构，包括宽间隔多子阵列、动态子阵列阵列和具有固定真时延迟架构的动态子阵列。我们还展示了用于太赫兹通信的潜在数据速率、功耗和阵列增益能力。作为太赫兹混合波束成形设计的路线图，阐述了多个未解决的问题和潜在的研究方向。