CAPES / Nesta tese, a relação de troca entre Eficiência Espectral e Eficiência Energética (EE-SE, do inglês Energy Efficiency-Spectral Efficiency) de um sistema de comunicação sem fio com múltiplas antenas empregando Seleção de Antena de Transmissão/Combinação de Máxima Razão (TAS/MRC, do inglês Transmit Antenna Selection/Maximum Ratio Combining) é investigada. Um modelo de consumo (PCM, do inglês Power Consumption Model) realista é considerado e demonstra-se que utilizar o esquema TAS/MRC pode promover economia de energia significativa quando comparada ao esquema Múltiplas Antenas de Transmissão/Recepção (MIMO, do inglês Multiple-Input Multiple-Output) na região de baixa para média eficiência espectral, independentemente do número de antenas, assim como possuir melhor desempenho energético em relação à utilização do esquema Combinação de Máxima Razão na Transmissão (MRT, do inglês Maximum Ratio Transmission) para qualquer valor de eficiência espectral. Para um número fixo de antenas, resultados obtidos demonstram que o ganho em eficiência energética do TAS/MRC sobre o MIMO se torna ainda maior com o aumento do número de antenas transmissoras. O valor ótimo de eficiência espectral que maximiza a eficiência energética é obtido analiticamente e comprovado por resultados numéricos. Expressões para avaliar a capacidade e a relação EE-SE do TAS sob a influência de correlação entre as antenas do receptor são obtidas e se demonstra que considerar um modelo de consumo não realista pode levar a equívocos na comparação entre TAS/MRC e MIMO. / In this dissertation, we investigate the Energy Efficiency-Spectral Efficiency (EE-SE) trade- off of a multiple antenna wireless communication system employing Transmit Antenna Selection/Maximum Ratio Combining (TAS) scheme. A realistic power consumption model (PCM) is considered, and it is shown that the use of TAS/MRC can provide significant energy savings when compared to Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) in the low to medium spectral efficiency region, regardless the number of antennas, as well as outperform transmit beamforming scheme (MRT) for the entire spectral efficiency range. For a fixed number of receive antennas, our results also show that the energy efficiency gain of TAS over MIMO becomes even greater as the number of transmit antennas increases. The optimal value of spectral efficiency that maximizes the energy efficiency is obtained analytically, and confirmed by numerical results. Expressions that evaluate the capacity and the EE-SE trade-off for TAS under the influence of receiver correlation are obtained and it is shown that considering a non- realistic power consumption model can lead to mistakes when comparing TAS and MIMO.

Redes de sensores sem fio geralmente são compostas por dispositivos que demandam qualidade de transmissão, porém com energia limitada. Desta condição, surge a necessidade do estudo da eficiência energética. Neste documento são apresentadas e comparadas algumas técnicas para melhorar a eficiência energética que englobam o uso da diversidade, tais como o uso de múltiplas antenas no transmissor e receptor bem como o uso de comunicação cooperativa, esta última melhor aproveitada quando um canal de retorno está disponível. São abordados dois modelos de comunicação. No primeiro cenário, apenas a camada física é levada em conta em uma rede MIMO cooperativa com múltiplos relays, em que é proposto um algoritmo distribuído iterativo de alocação de potência baseado no algoritmo de Dinkelbach visando a maximização da eficiência energética. Os resultados demonstram que o uso de múltiplas antenas melhora a eficiência energética, mas que dependendo da técnica MIMO utilizada, o número de relays e o número de antenas podem levar a efeitos diferentes em termos de eficiência energética. Em seguida, é apresentado um cenário que envolve a camada física e a camada de controle de acesso ao meio (MAC), no qual propõe-se um protocolo MAC cooperativo distribuído. Neste caso, além da energia utilizada para transmitir os pacotes de dados, também é analisado o atraso e o consumo para acessar o canal. Pelos resultados obtidos, notase que as técnicas MIMO aumentam a eficiência energética em relação ao caso SISO, das quais pode-se destacar a seleção de antenas. Além disso, outros parâmetros, tais como densidade de nós, eficiência espectral, número de antenas e distância entre nós, são analisados em termos de eficiência energética. / Wireless sensor networks are usually composed of devices that require transmission quality, but with limited energy. From this condition arises the necessity of the energy efficiency study. In this document, we present and compare some techniques to improve the energy efficiency, which include the use of diversity, such as the use of multiple antennas in the transmitter and receiver as well as the use of cooperative communication. The latter has better results when a feedback channel is available. We cover two communication scenarios. In the first scenario, only the physical layer is taken into account in a MIMO cooperative network with multiple relays, where we propose a power allocation distributed iterative algorithm based on the Dinkelbach’s algorithm aiming at the energy efficiency maximization. The results show that the use of multiple antennas improve the energy efficiency, but depending on the used MIMO transmission scheme, the number of relays and the number of antennas can lead to different effects with respect to the energy efficiency. In the following, we present a scenario that contains a cross-layer analysis encompassing physical and medim access control (MAC) layers in a cooperative MIMO network, where we propose a distributed cooperative MAC protocol. In this case, besides the energy used to transmit thte data packets, we also analyze the delay and energy consumption to access the channel. Results show that the MIMO techniques improve the energy efficiency when we compare to SISO, especially when employing antenna selection techniques. In addition, other parameters, such as node density, spectral efficiency, number of antennas and distance between nodes, are analyzed with respect to the energy efficiency.

Redes de sensores sem fio geralmente são compostas por dispositivos que demandam qualidade de transmissão, porém com energia limitada. Desta condição, surge a necessidade do estudo da eficiência energética. Neste documento são apresentadas e comparadas algumas técnicas para melhorar a eficiência energética que englobam o uso da diversidade, tais como o uso de múltiplas antenas no transmissor e receptor bem como o uso de comunicação cooperativa, esta última melhor aproveitada quando um canal de retorno está disponível. São abordados dois modelos de comunicação. No primeiro cenário, apenas a camada física é levada em conta em uma rede MIMO cooperativa com múltiplos relays, em que é proposto um algoritmo distribuído iterativo de alocação de potência baseado no algoritmo de Dinkelbach visando a maximização da eficiência energética. Os resultados demonstram que o uso de múltiplas antenas melhora a eficiência energética, mas que dependendo da técnica MIMO utilizada, o número de relays e o número de antenas podem levar a efeitos diferentes em termos de eficiência energética. Em seguida, é apresentado um cenário que envolve a camada física e a camada de controle de acesso ao meio (MAC), no qual propõe-se um protocolo MAC cooperativo distribuído. Neste caso, além da energia utilizada para transmitir os pacotes de dados, também é analisado o atraso e o consumo para acessar o canal. Pelos resultados obtidos, notase que as técnicas MIMO aumentam a eficiência energética em relação ao caso SISO, das quais pode-se destacar a seleção de antenas. Além disso, outros parâmetros, tais como densidade de nós, eficiência espectral, número de antenas e distância entre nós, são analisados em termos de eficiência energética. / Wireless sensor networks are usually composed of devices that require transmission quality, but with limited energy. From this condition arises the necessity of the energy efficiency study. In this document, we present and compare some techniques to improve the energy efficiency, which include the use of diversity, such as the use of multiple antennas in the transmitter and receiver as well as the use of cooperative communication. The latter has better results when a feedback channel is available. We cover two communication scenarios. In the first scenario, only the physical layer is taken into account in a MIMO cooperative network with multiple relays, where we propose a power allocation distributed iterative algorithm based on the Dinkelbach’s algorithm aiming at the energy efficiency maximization. The results show that the use of multiple antennas improve the energy efficiency, but depending on the used MIMO transmission scheme, the number of relays and the number of antennas can lead to different effects with respect to the energy efficiency. In the following, we present a scenario that contains a cross-layer analysis encompassing physical and medim access control (MAC) layers in a cooperative MIMO network, where we propose a distributed cooperative MAC protocol. In this case, besides the energy used to transmit thte data packets, we also analyze the delay and energy consumption to access the channel. Results show that the MIMO techniques improve the energy efficiency when we compare to SISO, especially when employing antenna selection techniques. In addition, other parameters, such as node density, spectral efficiency, number of antennas and distance between nodes, are analyzed with respect to the energy efficiency.