TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 16, No. 1, Octobe r 201 5, pp. 1 ~ 6  DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 16i1.846 9        1     Re cei v ed Ma y 27, 201 5; Revi sed  Jul 10,  2015; Accept ed Jul y  26, 2 015   OFDM PAPR Reduction Using Recurring SLM with  Cyclic and Linear Block Codes Schemes      Pratima Man h as* 1 , M. K Soni 2   FE T ,  ECE Deptt, Manav Rachna Internat ional Univers i t y , Faridabad, India  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : pratimame h a k @gmai l .com 1 , ed.fet@mriu.edu.in 2       A b st r a ct   Orthogon al F r e que ncy div i sio n  multip lexi ng i s  a ty pe of mul t icarrier  mo dul ation tec hni qu e  w h ich i s   used i n  vario u s  w i reless & te leco mmu n ic ati on stand ards.  In OF DM, high er data rate is  split into seve ral   narrow b a nd  d a ta strea m  th at is trans mitt ed si multan eo usly ov er a n u mber  of  subc arriers. One  ma jo r   disa dvant age  of using OF DM is high Pe a k  to Average  pow er ratio. T h is pa per pres ents the simul a tio n   result w h ich c o mpar es the  PAPR usi ng S L M w i th Cycli c  & Lin ear  blo ck codes. Th e  simul a tion st u d y   verifies that the  PAPR reducti on by pro pos e d  met hod is b e tter than the ex isting tech ni qu e (SLM).     Ke y w ords orthog on al fre que ncy d i visi o n   multi p lex i n g   (OFDM), selective  m a pp ing (SLM), peak-to- avera ge-p o w e r -ratio (PAPR), line a r block co d e s, cyclic code.     Co p y rig h t   ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   Orthog onal  Freq uen cy Divisio n   Mult iplexi ng (OF D M)  is  a multica rrie r  modulatio method  whi c h is wi dely u s ed in  wirele ss  comm uni cation. It is used in mobil e  comm uni cati on Digital terre s trial mobile  comm uni cati on, Digital  Audio Broa d c a s ting (DA B ), Digital Vide o   Broad ca sting  terre strial  (DVB-T), wi rele ss  asyn ch ro n ous  t r an sfer mode (WAT M ),  Mod e m/ADSL.  The transmit sign als i n  an   orthog onal  freque nc y-division multiplexi ng (OF D M)  system can h a v e   high  pea k va lues in the  time do main  sin c e m any  sub c a rri er  co mpone nts  are ad ded via   an   inverse fast Fourie r tran sfo r mation (IFF T )  ope ra tion [1]. As  a res u lt, OFDM s y s t ems  are k n own   to have a high peak - to-av e rage  power ratio (PAPR) when c o mpar ed to s i ngle-carri er s y s t ems .   High value of PAPR will cause clip ping in OFDM si gnal and enabl e an amplifi e r to operate in  nonlin ear  se ction. Due to p r esen ce of thi s  nonli nea rity it will result in in-b and di st ortion a nd ou t- band  radiatio n. The  in  –ba nd di sto r tion  will le ad  to  d egra d e  the  p e rform a n c e  o f  the  system   and  out-ba nd radi ation re sult in  cau s ing inte rferen ce am o ng adja c e n t chann el. Thus this addition al  interference i n  the  system  will  results i n  increasi ng  Bit Error Rate. One  way t o  overcom e  t h is  situation i s  to use hig h  dyn a mic  rang e linear  power a m plifier, but u t ilization of this sol u tion is  n o effective, and  too expensiv e.       1.1.  Ortho gonal  Freque nc y  Div i sion Multiplexing Mod e OFDM  can  b e  viewed  as  both mo dulati on &  m u ltiple xing techniqu e.Modulatio can  be   viewed a s  a relation bet we en input & ou tput while the  multiplexing  can b e  viewe d  as the o u tp ut  whi c h is a lin ear sum of input. OFDM d i ffers fr om F D M. In FDM, entire band width is u s ed  by  use r , while i n  OF DM  ba ndwi d th i s  di vided into  m any na rrow  band  chan ne ls a nd  ea ch  is  allocated to u s er.  He nce O F DM  sup p o r ts mo re  sub scribe r s/ cha nne ls compa r e to  FDM. In F D system s the   carrie rs are f a r a part  with  respe c to  e a c h other  and  in  OF DM syst ems ca rri ers are   den sely pa cked an d a r e o r thogon al to th e othe r ca rrie rs. O r thog on al mean pea k of on carri e r   occurs  at null  of the othe r.  He n c OF DM  system i s   ba ndwi d th effici ent as compa r ed to th e F D system. The  OFDM m odel  for both tran smitter & re ceiver is sho w n in Figure 1 and 2.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  1 – 6  2 Figure 1. OF DM Tran smitter  Figure 2. OF DM Re ceive r       The  data i s   first  conve r te d into  serial  to p a rall el f o rm  and  the n  ea ch   sub c arri er is  modulated by Quadrature Phase  shi ft modul ator (QPSK) m odulation and then IFF T  is  perfo rmed.  T he received  sign al fed  to  seri al to  pa ra llel converte r and  FFT  is  perfo rmed  to  get  the  ori g inal  data sign al. The OFDM system   ha variou s a d va ntage su ch  as have  m o re   resi stant to selective fading, ability to recover fr om t he interference and  inter  symbol and i n ter  frame inte rfe r en ce  (ISI), effective and  suitabl util ization of  a v ailable spe c trum, cha n nel  equali z ation  i s  e a sie r  [2,  3]. The m a jo r d r a w ba ck i n  OF DM m e thod i s  hi gh  pea k to ave r age  power  ratio (PAPR), c o mmonly the PAPR value for s o me t r ans m itted s i gnal is   muc h  larger t h an  the usual values. Thi s  PAPR factor  enables the  am plifier to work in  nonli n ear section which  results in de g r adin g  the pe rf orma nce of OFDM  syste m s.      1.2.  PAPR of O F DM Sy stem  The  OFDM  signal  co nsi s ts of multiple   modulate d   ca rrie r s an d a b l e  to g ene rate  a hi gh  peak to  average  power ration (PAPR ), when  these coherent carri ers are  added up [4, 5]. If N  carrie r si gnal s which are adde d togeth e r con s titu te same  pha se  then they ge nerate  a pe a k   power  whi c h is  N times t he average  power. Thus , this increased value  of  PAPR will i n  turn  respon sibl e f o clippi ng n o i se, n on–lin e a r di sto r ti on o f  power  ampli f iers, BER pe rforma nce [6,  7]  deba sem ent,  energy spillin g into a d jace nt cha nnel s, i n ter mo dulati on effect s o n   the su carrie rs,  warping of si gnal co nstell ation in each  and ev ery sub ch annel,  enha nced the  complexity factor  in analog to  digital or di gi tal to analog conv ertor .T he PAPR is  defined as the ratio of Peak  power to the average power.  Equation (1) represents t he PAPR of  transmitted si gnal.               ( 1 )     The cumulati ve distributio n function  (CDF) of  the P APR is one o f    the most frequ ently   us ed performance measures  fo r PAPR  reduc t ion techniques . Th e CCDF of the PAPR denot es   the probabilit y that the PAPR of a dat a block exceeds a  given threshol d.    The pap er i s  orga nized in  different secti ons. Sectio n  2 rep r e s ent s the introd uct i on of  Cycli c  &  Lin ear Block  co des. A  bri e f introd uctio n  to SLM te chniqu e & m odified SL M   is  pre s ente d  in  se ction 2. Th e com pari s o n  of both  prop ose d  method  (cycli c & line a r blo c k co de s)  and existin g  method is p r e s ente d  in se ction 3. Lastly results a r e co nclu ded  in section 4.       2.   Proposed Method   A linea r Blo ck co de i s  a  co de in  which e x clusive  O R   of the t w o vali d code  words create s   anothe r co de word. It is rep r esented a s  i n  Equation (2 ).    C=   U.G                                                                 (2)    Whe r e,   U= u n code d informatio n word with K bit s     C=  Corre s p o nding  cod e word for the inf o rmatio n     G= G ene rato r matrix of n × wh ere  n i s  the  Colum n  (output bit s ) & k is the  ro w (in put  bits)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046         OFDM PAPR Reduction Usi ng Recurring SLM  wit h  Cycli c  and  Linear… (P ratim a  Manhas)  3              Let us   tak e  an example if the generator matrix is  G=                                         Her e  n ×  k =( 7×3 )                C= u 0 .(11 010 01)+u1. (10 1 0 011)+u 2.(1 11 0100 )      In  Linea bl o ck co de the addition used   is  mo dul o 2  or  the exclu s i v OR additi on.  Supp ose we   want to find the co de word s from c0 t0 c7, then is given as:      U0 =(0 0 0 )  , then C0 =0.(110 1001 )+0.(1 01 0011 ) +0. ( 11 1010 0)    C0 =(0 000 000   U1 =(0 0 1 )  , then C1 =0.(110 1001 )+0.(1 01 0011 ) +1. ( 11 1010 0)    C1 =(1 110 100   U2 =(0 1 0 )  ,then C2 =0.(110 1001 )+1.(1 01 0011 ) +0. ( 11 1010 0)    C2 =(1 010 011   U3 =(0 1 1 )  ,then C3 =0.(110 1001 )+1.(1 01 0011 ) +1. ( 11 1010 0)    C3 =(0 100 111   U4 =(1 0 0 )  ,then C4 =1.(110 1001 )+0.(1 01 0011 ) +0. ( 11 1010 0)    C4 =(1 101 001   U5 =(1 0 1 )  ,then C5 =1.(110 1001 )+0.(1 01 0011 ) +1. ( 11 1010 0)    C5 =(0 011 101   U6 =(1 1 0 )  ,then C6 =1.(110 1001 )+1.(1 01 0011 ) +0. ( 11 1010 0)    C6 =(0 111 010   U7 =(1 1 1 )  ,then C7 =1.(110 1001 )+1.(1 01 0011 ) +1. ( 11 1010 0)    C7 =(1 001 110   2.1. C y clic Codes   Cycli c  code are th e spe c i a l type of line a r bl oc cod e s  with  on e ex tra prope rty. In cycli c   cod e , if a co deword i s  cy clically shifte d (rotat ed), t he re sult is  a nother  co de word [8]. It can  b e   impleme n ted  usin g simpl e  shift regi sters. The cycli c  shift is given as:       Suppo se x=  1011 0       Π (x) =01 011     Here in this  example the las t  bit is  s h ifted to the firs t.  A cyclic  code  has the follo wing advanta g e s:   1)  It has better  minimum di stance than oth e r linea r code s with same p a ram e ters  2)  Encodi ng & d e co ding i s  pe rforme d by si mple feedb ack ci rcuit r y.  3)  It can be ea si ly implement ed and h a cost effective electroni c ci rcuit.          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  1 – 6  4 2.2. Propose d  SLM Tech nique  w i th Cy c lic/Linear Block  Code s   In SLM method the tra n s mitter  sele cts one favo ra ble tran smit  sign al from  a set of  sufficie n tly different sign al s whi c h all repre s e n t the same info rmation[9][10]. The system atic  diagram for  SLM method  and mo difie d  SLM is  sh own in  Figu re 3 & 4. The  data stream  after  seri al to parallel conve r si on is rep r e s ented by vector   X=[X 0 , X 1  ---- -- --,X N-1 ] T . Then ph ase  rotated data  due to the ph ase rotation factor B (u)  ca n be written a s :     ) ( u x = IFFT(x ×  B (u)     Whe r e,       B (u)     =[   B (u )     ,B 1 (u) ,----- --,B N-1 (u)   )   u=0,1, ----U-1  is the  pha se  weightin g seq uen ce   wit h   n   (u) =1(n= 0 ,1,N-1) and is  usu a lly sel e ct ed from { ±1}  for avoidin g  t he complexit y  for co mplex  multiplicatio n. The m odified  data for the u   th  phase seq uen ce is give n as:     X(u)= [  X 0 B u , 0  ,  X 1 B u , 1  ,  ---- -- ,X N-1 B u , N-1  ] T     After that the PAPR c o mparis on among the U  data s e quenc e   ) ( u x  is do ne a nd t he  optimal map p ed one  x ˆ  with the minimum  PAPR is  s e lec t ed for transmis s i on.           Figure 3. Block di agram of  SLM techniq u e       Figure 4:  Block di agram of  SLM using Li near   Block   cod e     3. Proposed  Work   The map p ing  sequ en ce for both cycli c  &linear  bl ock code s are  sele cted to de cre a se th e   peak to average powe r ratio (PAPR)  of OFDM signal. SLM method have hi gher  compl e xi ty  factor a s  it in clud es la rg e numbe r of IF FT ope ra tion s. MATLAB tool is u s e d  to  cal c ulate  CCDF  and Power  spectral den si ty (PSD) for both ex isting  SLM and propo sed SLM ( usi ng cy clic &  Linea r blo ck  cod e s) [12]. Table 1 sho w the simulatio n  para m eters.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046         OFDM PAPR Reduction Usi ng Recurring SLM  wit h  Cycli c  and  Linear… (P ratim a  Manhas)  5 Table1. Simul a tion Param e ters  Modul atio n   QPSK   Number of  data s ubcarriers(N )     256  Total numbe r of  data s y mbols    1000   Size of the phase sequence   256  FFT Si z e   64  Coding Techniqu C y clic& Linear      3. Results &  Analy s is   Figure 5 and 7 repres ents  the  CCDF  pl ot of PAPR for exis ting  SLM (QPSK  based  OFDM ) a n d  modified S L M (b oth cy clic &  Linea r cod e s). Fig u re 6  and  8  rep r e s ent the   comp ari s o n  b e twee n Powe r spe c tral de nsity of existing SLM and  Propo se d SLM (both cy cli c  &  Linea cod e s) .Then  the  re sult i s   com p a r ed  with  the  existing S L techni que  an d foun d that  the   prop osed work ha s effective outcom e  than the existin g  SLM metho d         Figure 5. CCDF plot of PAPR of basi c   Q PSK-OF DM  system with t he SLM technique and  Propo se d Wo rk (with cy clic)      By using this phase sequence [1, -1, j, -j] obt ained PAPR by using proposed SLM method is  nearly  abo ut 17dB  (Figu r e 5)  and  16 dB (Fig ure  7 ) . On  other  hand th e PA PR obtai ned  by  existing SLM  method is n early 19dB (i n Fi gure 5 and 7). Thu s ,  by propo se d SLM method  enabl es to  re duce the PA PR by ne arly  2 db a nd  d B  which i s  11 .76% & 18.75 % in perce ntage  improvem ent over ori g inal  method respe c tively.            Figure 6. Co mpari s o n  of PSD betwe en  original  QPSK-OFDM PAPR with SLM & PAPR with  Propo se d Wo rk (with cy clic)  Figure 7. CCDF plot of PAPR of bas ic   QPSK- OFDM  syste m  with the SLM techniq ue  and  Propo se d Wo rk (with line a r code     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 16, No. 1, Octobe r 2015 :  1 – 6  6   Figure 8. Comparis on of PSD between orig inal QPS K -OFDM PAPR with SLM  & PAPR with  Propo se d Wo rk (with line a r code     4.  Conclusi on  The m odified  SLM meth o d  by u s ing  b o th cy clic & li near blo c code whi c h h a better  perfo rman ce  in terms of CCDF a nd PSD with re s pec t to exis ting SLM is  s h own in this  paper.  Figure 5 and 7 represent s the result s obt ained  by the  proposed met hod for  reduci ng PAPR. The  compari s on between the modified SLM using  cycl i c  code results in  2db re duction in PAPR while  in case of  m odified SL usin g Li nea block  co de  re duces the PA PR by  3db.    MATLAB tool  is  use d  to o b tai n  the p e rfo r mance of PA PR redu ct ion ,  whi c clea rly rep r esents that there is a  signifi cant im provem ent in performance. The pr oposed methods  in this  paper will results i n   reduction of  PAPR by 2dB & 3db which is an im provement of 11.76 % & 18.75%  in all.       Referen ces   [1 Wu , WY Zo u .   Orth og on al  freq ue ncy  di vi sion  mul t ip lex i n g :  A mu l t i - carrie r  mo du la tio n  sch e m e .  IEEE  T r ans. C o nsu m er El ectr on ics.  19 95; 41( 3):  3 9 2 -3 99.   [2]  Nee, Ric hard  van, Ramj ee  Prasad.  OFDM for w i reless mu lti m ed ia co mmu n icati ons .  Artech House ,   Inc. 2000.   [3]  Deb bah,  Méro uan e. Sh ort int r oducti on t o  O F DM.  W h ite Pa per, Mo bil e   Co mmu n icati ons   Group, Institut   Eurecom .  20 04 [4]  F ilbert Ju w o no , Rand y S Pu tra, Dadan g Guna w a n. A Stud y   on Pe a k toAverag e Po w e r R a tio  i n   DWTOFDM Sy stems.  T E LKOMNIKA Indo ne sian J our nal  of Electrica l  En g i ne erin g.  20 14;  12: 3 955- 396 1.  [5]  Muhmma d Anj u m, Mussa A  Dida, MA S h a hee n.  Peak P o w e Red u ctio n Usi ng Impro v ed Se lecti v e   Mapp ing T e chniq ue for OF DM.  T E LKOMNIKA Indones ia n  Journal of Ele c trical Engi ne e r ing.  20 14; 12:   629 1-62 96.   [6]  Heo S eok-J oo ng, et a l modified S L M sc hem e  with  low com p lexity for  PAPR reduction of OFDM   system s Pers onal, Indoor  and Mobi le Radio Communications,  2007. PIMRC 2007. IEEE 18t Internatio na l Sy mp osi u m on IEEE. 2007.   [7]  Che n  H oush o u , Hsin yi n g  L i ang. C o mb ine d  sel e ctive m app ing  an bi nar y c y cl ic co des for PAP R   reducti on in O F DM s y stems.  Wireless Comm unic ations, IEEE Transactions.  200 7: 352 4-35 28.   [8] Shinsuke  H a r a ,  Ramj ee.  Pr inc i pl e an d h i story  of MCM/OF DM.   In Multic arri er tech ni q ues f o r 4G mob i l e   communicat i on, Artech  House [9]  H Sam p ath,  et al. A f out h- ge ner ati on  MIMO-OF D M br oa db an w i r e l e ss s y st em: d e s i g n ,  perf o rm an c e   an d fi el d tria l re sults.  IEEE Communic a tion  M a ga z i ne . 20 0 2 40( 9).   [10]   D W u lic h.  Re d u cti o n  of  p eak  to m e a n  r a ti o   of m u lt ica rri er  mo du lat i o n   us in g c y c l i c  c o d i ng.  Electronic   Letters . 19 96 ; 3 2 :  432 -43 3 .   [11]  W u lich  Dov. D e finiti on  of effi cient PAP R i n  OF DM.  Comm unic ations  Letters, IEEE.  2005;  9(9):  8 3 2 - 834.   [12]  Yang, K y e o n g c heo l, S eok-Il C han g. Peak-to- avera ge p o w e r  control i n  OF DM using sta nda rd arra ys o f   line a r bl ock co des.  Comm unications Letters, IEEE.  2003; 7(4): 174-1 76.   [13]  Amit Shukla, Vine eta Sa x e na  Nigam. PAPR  R educti on in  OFDM Sy stem  Based on SL T e chniq u e .   Internatio na l Journ a l of Innov ative T e ch n o l o gy and Exp l ori ng Eng i n eeri n g  (IJIT EE) . 2013 ; 3(4).  [14]  Dae-W o on Lim ,  Jong-Seo n  N o , Chi-W oo L i m,  Habon g Ch ung. A Ne w  S L M OF DM Scheme  w i th L o w   Complex i t y  for PAPR Reduction.  IEEE Signal Processing Letters.  2005; 1 2 (2).  [15]  Shao K a i, Guo  Zhiga ng, Zhu ang  Lin g , Wan g  Gua n g y u. An  Effective Sche me for PAPR  Red u ction  o f   OF DM Signal  Using T i me-var yi ng Su bcarri er IEEE . 2013  [16]   Le on ar d J Cim in i Jr, Ne lso n   R Sol l e n ber g e r .   Peak-t o-Av er ag e Pow e Ra tio R e d u cti o n of an OF D M   sig n a l  us i ng  p a rti a l tra n s m it  seq u enc es w i t h  e m be dd e d  si de i n f o r m at io n .  Glob al T e l e co mmun i c a ti ons   Co nfer en ce. 2 0 00; 2:  74 6- 75 0.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.