Performance analysis of a communication system assisted by reconfigurable intelligent surfaces under generalized multi-cluster fluctuating two-ray fading channels

Abstract

Resumo: As Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RIS) destacam-se como uma tecnologiapromissora para ampliar a cobertura e a confiabilidade em redes sem fio de proximageracao. Contudo, o desempenho de sistemas assistidos por RIS sob desvanecimento realistaem altas frequencias ainda e pouco explorado. Esta dissertacão apresenta o primeiroestudo analítico de desempenho de sistemas assistidos por RIS operando sob o modeloMulti-Cluster Fluctuating Two-Ray (M FTR), o qual e particularmente adequado paracenários mmWave por modelar máltiplos clusters de espalhamento e flutuacães nos componentesespeculares. Expressães aproximadas em forma fechada para a probabilidadede falha (outage probability) e para a probabilidade media de erro de bit (ABEP), sobmodulação M -Q AM , sao derivadas e validadas por simulacoes de Monte Carlo. Os resultadosmostram que o aumento do námero de elementos da RIS gera ganhos expressivosno orçamento de enlace; por exemplo, ao aumentar N de 50 para 200, observa-se umareducão de aproximadamente 13 dB na potencia de transmissão necessária para atingiruma ABEP de 10-3 . Alem disso, simulacães indicam que a incorporacao da tecnica SignalSpace Diversity (SSD) melhora o desempenho do sistema, especialmente quando o numerode elementos da RIS e reduzido, aumentando a diversidade sem exigir hardware adicional.De forma geral, os resultados confirmam que a combinaçao de RIS, M FTR e SSD e umaabordagem eficaz para aumentar a confiabilidade de sistemas sem fio em ambientes depropagacão severos.

Abstract: Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) have emerged as a promising technology to enhancecoverage and reliability in next-generation wireless networks. However, the performanceof RIS-assisted systems under realistic high-frequency fading conditions remainsinsufficiently explored. This dissertation presents the first analytical performance studyof RIS-assisted systems operating under the Multi-Cluster Fluctuating Two-Ray (M FTR)fading model, which is particularly suitable for mmWave scenarios as it captures multiplescattering clusters and fluctuations of specular components. Closed-form approximate expressionsfor the outage probability and the average bit error probability (ABEP), underM -Q A M modulation, are derived and validated through Monte Carlo simulations. Theresults show that increasing the number of RIS elements leads to significant link-budgetgains; for instance, increasing N from 50 to 200 yields an approximate 13 dB reduction inthe required transmit power to achieve an ABEP of 10-3 . In addition, simulation resultsindicate that incorporating Signal Space Diversity (SSD) further improves system performance,particularly when the number of RIS elements is limited, by enhancing diversitywithout requiring additional hardware. Overall, the results confirm that the combinationof RIS, M FTR, and SSD is an effective approach to improve the reliability of wirelesscommunication systems operating in severe propagation environments.