TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 6291 ~ 6296   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.554 9          6291     Re cei v ed  De cem ber 3 1 , 2013; Re vi sed  Febr uary 18,  2014; Accept ed March 6, 2 014   Peak P o wer Reduction Using Improved Selective  Mapping Technique for OFDM      M. R. Anjum*, Mussa A.  Dida,   M. A. Shahee n   Schoo l of Information & Electr onics, Bei jin g Inst itute of T e chno log y , Be iji n g , Chin a, 100 0 8 1   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : engr.muh am madriz w a n@ g m ail.com       A b st r a ct  T he conc ept  of Orthogo nal  F r eque ncy D i visio n  Mu ltipl e xing (OF D M)  w a s initiate and w e l l   pro m in ent s i nc e 19 66  an d gr adu ally  reac he d to it deve l o p ment i n to sta ndar d syste m  f o rm dur ing  1 9 90.   Larg e  a m o unts  of digital  data ,  w i th high dat a rate , relia bl e  commu n ic atio n over fadi ng  chan nels c an  be  transmit ov er  radi o w a ves t hat is w h y O F DM is kn ow n to b e  a n  attr active tec hni q ue for  multic a rrier  transmissio n  sche m e, it is an  attractive techniq ue  for fourth gen eratio n w i reless co mmu nicati on. T he term  OF DM is a speci a l type of  F D w h ich has very va st  appl icatio n in  the field of w i reless an d w i red   communic a tio n  systems.  OFDM has Major  disa dvant age i s   that  it leads to high Pe ak to Averag e Po w e Ratio (PAP R)  which is consider to   be as  the main im plementation dr aw back. This kind  of system   has  the  possi bil i ty of high PAPR. In this pap er w e  are discu ss ing a bout PAPR w h ich affects the perfor m a n ce a n d   efficiency  of Pow e r Amp lifier  (PA) and its i n flue nce by   utili zing th e Sel e cti v e Map p in g (S LM) techni qu in   OFDM system for reductio n  of PAPR. Many kin d s of  techn i qu es are  avail abl e in  OFDM system for   reducti on  of P APR, How e ver  the  id ea f o r i m pr ove d  SLM   prod uces s e ve ral i n d e p end en t sign als  bas ed   o n   converti ng the  origi n a l  data l o ck into ma ny i nde pe nde nt signa l and th en  the sign al h a s low e st PAPR that  specific si gn al  is  trans mitted.  Also d a ta rate  trade- off exist  at the rece ive r  end w h e n  si de i n for m atio n  is  detected for th e recovery of d a ta block w h ic h lea d s to  the reducti on of dat a rate. Improv e d  SLM techn i q u e s   for reduci ng th e PAPR is the  most pr o m isi n g  reducti on  tech niq ue i n  its no n - unifor m  p has e  factor for PAPR   reducti on in  multicarri er OFDM syst em. Furthermore the  estimate ex pr e ssion by us ing  Compl e menta r y   Cu mul a tive Di stributio n Func tion (CCDF) fo r PAPR  has been d i scusse d. Simu late d results de mo nstra t e   that OF DMA sign als usi ng i m pr ove d  SLM  techniq ue c a rried si gnific ant  effects in red u ction of PAP R i n   OFDM system .       Ke y w ords : FDM, OFDM,  PA PR, SLM,   QPS K     Copy right  ©  2014 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    OFDM b e co mes promin e n t technolo g y  over  the past decade  due to its property of  robu stne ss a gain s t multip ath fading, hi gh spee d tra n smi ssi on  without utilizi n g  the expen si ve  equali z e r s th at is why, it is form the ba sis   of physi cal layer and f o r high d a ta rate broad ba nd  techn o logie s  include s WiFi (IEEE802.11a/g), Digi tal Video Broad ca sting (DVB), WiMA X   (IEEE802.16 a/e) an d  Di gital Subscri ber Li ne  (X DSL).  OFDM  is like  simil a r to Freque ncy   Div i sio n  Mult iple A c ce s s   (FD M A )   whe r e a c ce ss  of  multiple users i s   achi eved into multipl e   cha nnel s by sub - chan nel  dividing the available b a n d width, which is then allo cated the u s ers.     While OFDM  spectrum efficiently  utilizes by spacing t he channel close to each other [1-5].      Major  drawback in OFDM  transm itted  si gnal i s  PAPR and the  charac teri stic of P APR reduction   inc l uding distribution needs  to be cons ider ed. PAPR dis t ribution follows the s t oc has tic   cha r a c teri stics in OFDM  system. It can be expre sse d in terms of  Complem ent ary Cumul a tive  Distri bution Function (CCDF),  orthogonal subcarrier si gnal  as shown in Figure 1.  High PAPR require linear amplifier and it is di fficult  to maintain linearity, the amplifier  whi c h produ ces non lin ear characte rist i c  su ch that it  play a gr eat  role of undesired di storti on  like out of ba nd sig nal  sat u ration. In o r der to ove r co me this p r obl em seve ral  method  can  be  employed  su ch  as cli ppin g  an d filterin g, Tone  rese rvation  (TR),  Tone  Inje ction (TI), Pa rtial  Tran smit Seq uen ce (PTS ), Active Con s tellati on Extensio n (ACE ), Selective M appin g   (SL M also b a sed o n  codi ng tech nique a s  well.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  629 1 –  6296   6292     Figure 1. Ort hogo nal Sub c arri er Sign al        PAPR can be reduced in  OFDM  system using  clipping and filteri ng but it generates in  band  cli pping  noi se  and  filtering  is kno w n to  be  the   phen omen on  wh ere   side   band  is goi n g  to  redu ce d o r   re moved d ue to  co z of  clip pin g . Ot her met hod s like T R ,  ACE do es n o t po ssess  such  kind  of pro b l e m exce pt the u s ag e of  high p o wer  to the tran smitter. Phase  rotation i s   also  another technique for reduction of PAPR. Degradat ion  occurs in  (Bit Error Rate) BER and i t  is  the drawba ck usi ng thi s  m e thod.  D ue to  out of b and   noise p r od uces  by u s ing t h is m e thod  calle d     clippi ng tech nique, hig h  p o we r co nsum ption it  utilize  in con s tellati on extensi o n  base d  meth od Therefore  rec ently work  in  progress  to optimiz e t he param eter for improving better PAPR  redu ction.  I n  non lin ear regio n  Hig h  Power  Am pl ifier (HPA ) p r odu ce sign al disto r tion  and  PAPR of OFDM si gnal introduce s degradation in BER. Further  more in order to improve  spe c tral effici ency of multicarrie r  amon g the  inter modulatio n of sub c a rri er si gnal and o u t of   band radiatio n noise.         Figure 2.  Proce ss of a Typ i cal OF DM S y stem       The po we r amplifier of tra n smitter e s se ntially  require s ope rating in  linear re gion.  It is not  possibl e to maintain  spe c ific limit to keep out  of b and po we r, if HPA do not  operate in linear  region with  high back  off. This   c o ndition is   k n own to be not  suitable  for  amplific ation  als o   transmitter b e c ome s   expen sive that is  why wo rk i s  to  be ne ede d to  do mo re  re search fu rthe on   c h arac teris t ic of PAPR inc l uding  dis t ribution and  reduc t ion of  OFDM s y s t em with tec h nic a feature s , pro c e ss of typical OFDM  sy stem is  sho w n in Fig u re  2. OFDM b enefit cont rib u te several a s pe cts  su ch that  robu stne ss to ch ann el, high spe c tral e fficiency imm unity to impul se   interferen ce,  less no n line a r di stortio n , uniform   spe c tral  efficien cy, multipath delay spread  to   toleran c e, i m munity to fre q uen cy sele ctive fadi ng  ch a nnel,  cap a city  of ha ndling  strong  multipat h   fading an d immunity to inter symb ol i n terferen ce. Ho wever  still  the efficient desi gn of OF DM   system i s  co n s ide r ed to be  the chall engi ng issue a nd  it is remain u n re solved [6 -8].  In  this  paper firs tly  the c harac teris t ic  of   OFDM PAPR dis t ribution is  analyzed and then  determi ne sy stem mod e l for improved  SLM techni que in sectio n 2 is discu s sed. Simulati on   results pe rformance dete r mine in se ctio n 3. Fi nally concl u si on is d r awn in se ctio n 4.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Peak Po wer  Red u ctio n Using Im prove d  Selective Ma pping Te ch ni que for OF DM (M. R. Anjum )   6293 2.  Sy stem Model   PAPR reduc t ion in OFDM s y s t em c a rries  many  techniques  or approaches  suc h  that   clippi ng tech nique, ad apti v e pre di stortion tec hni qu e, codin g  te chni que a n d  DFT spread ing  techni que. Non  linear saturation  pr oduces on the peaks to minimi ze the PAPR for that clippi ng  method i s   em ployed.  Clippi ng meth od i s  simpl e  to im plement, h o wever it p r od u c e s  o u t of ba nd   and in ba nd  interfaces  also it destroy t he or th ogon a lity among subcarriers. F o r this  kind  of  spe c ific  app roach in clud e s  cli ppin g  a nd filter ing t e ch niqu e, bl ock scali ng  techni que, p eak  can c ell a tion t e ch niqu e, an d pe ak win d o win g  te c hni que. To  sele ct code  word s that  red u ce  or  minimize PAPR by coding techni que,  whi c h creat es no out of band radiation and it causes to  prod uce n o   distortio n  b u t the b and wid t h effici en cy  degrade d a n d  code  rate i s   redu ce wi th  compl e xity. Reed Mulle r co de, Golay co mpleme ntar y seq uen ce ca n be use d  for large n u mbe r  of  subcarri ers. To transmit OF DM  symbol with mini mum PAPR  probability existence can be  prod uced by  scram b ling  of input  data  block of O F DM  symbol  usin g proba b ilistic  scram b l i ng  techni que. T h is te ch niqu e do es not  bear out  of  band  po we r ho wever a s  the n u mbe r  of  sub c a rri er i n crea se s th co mplexity incre a se and  spe c tral  efficie n cy decrea s e s Furthe rmo r e  to   make PAPR  below specifi ed level techniques invo lves PTS, TR, SLM and TI.  In OFDM system  High  Power  Amplifier  (HP A ) can  be u s ed to  com p e n sate  no nline a r effe cts  usi ng a daptive  pre   distortio n  techniqu e. Whe r e it can au tomatica lly modify the input con s tell ation with le ast  hard w a r e req u irem ent to overco me the time variation  of non linea r HPA [7].  For OF DM  system with  N su bcarrier,  for each O F DM sub c a r rier, there  wil l  be M  indep ende nt data gen erat ed by multiplying each O F DM  sub c a rri er with a p h a s e offset P. The   generated  data are then  compared  to  choose OFDM  subcarri er  wi th minimum  PAPR. Figure 3  is showi ng an approach which used by SLM  schem es  for reduci ng  PAPR for OF DM signal.       (2 ) m x (1 ) m x (3 ) m x () U m x m x (2 ) P (3 ) P () u P     Figure 3. Block  Diag ram o f  SLM Approa ch       For  pro per rece ption of t he tra n smitted  OF DM  su bca rri er, the  re ceiver mu st hav e   informatio n o f  whi c OF DM map p ing s   wa cho s e n  i . e. The  re cei v er  can  dete c t the  co rrect l transmitted O F DM su bcarri er, In this case extra  inform ation has to b e  transmitted  along with th e   sele cted OF DM mapping s. In this rese arch an OF DM  with sub c a rri ers i.e. 128 bi ts is use d  an d 4  bits are extra  informatio n is used. OF DM  syst em mod u lation proce ss u s ed the b i nary bit strea m   c h ange into  complex data  after a modulation  k e ys suc h   as QPSK  data  s u bc arrier    X T  and  after  IFFT is to tim e  do main   x k  [9-15]. PAPR in OFDM  s y s t em is t he  ratio of peak  power to average  power.  In time domain  x k in base ban d sig n a l may determine as:            ( 1 )                       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  629 1 –  6296   6294 The OF DM  symbol i s   complex valu e i-e,  real  p a rt Xc  and  imagina ry pa rt xj of  mc d x xj x   and its Gau s sian di strib u tion be come s:                              (2)                      Acco rdi ng to prob ability theory the ampl itude value fo r OFDM be co mes                                                    (3)                                                                                                                                                                                                                                                     C is the Ralei gh distri butio n, the pdf value may rep r e s ent by:                ( 4 )                                                                                         OFDM p o wer symbol re pre s ent by  2 || pc , the pdf of Power             ( 5 )     The Cumulative Distribution Function  (CDF) of  PAPR represent the probability   distribution of  the PAPR value below threshold value  may defined  as bel ow:                ( 6 )                                                    The  probabili ty of PAPR  value m o re than  threshol d value for the  Com p lem entary   Cumul a tive Distribution Function pr obability (CCDF) represent by:              ( 7 )                              3. Simulation Resul t   Improved SLM techni que  carrie s computational com p lexity, however it has good PAPR  redu ction. Im proved  SLM  techni que  are very flex ibl e  a s  they  do  not imp o se  any re stri ctio n o n   modulatio n a pplied in  sub c arri er. In this tech niqu e inp u t data block  given by:              ( 8 )                                                                        This  multiplied with U at different phas e   seq uen ce.                 ( 9 )                                                                 After applying  SLM techniq ue the com p l e x envel ope  of the transmi tted OFDM si gnal be com e s:              ( 1 0 )                                                           NT represent s  the dire c t ion of OFDM data block .  Ou tput data of lowes t  PAPR is  sele cted to tran smitter P APR redu cti on effect wil l  be better as copy blo ck n u mbe r  U is  increased. I m proved SLM ba sed techni que effectively re duces PAPR wi thout any  si gnal   distortio n . Th e hig h e r   com putational  co mplexity  ca n  re du ce  by redu cing  the I FFT bl ock. T h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Peak Po wer  Red u ctio n Using Im prove d  Selective Ma pping Te ch ni que for OF DM (M. R. Anjum )   6295 simulatio n  re sult is d one  for point IFF T Rand om  sign al 128  a r e ge nerated  and code d by  different  codi ng rates for  the SLM technique.   The coded signal ar e then QPSK modulat ed  simply to ease the process CCDF of PAPR for  128  point IFFT. As shown  in Figure 4 that the  PAPR reduc t ion us ing improved SLM  technique provides  better redu c t ion in  OFDM s y s t em than   its  c onventional PAPR of OFDM s y s t em.            Figure 4. CCDF of PAPR for OF DM wit h  SLM using 128 Carriers      4. Conclusio n    OFDM  provid es  sp ectrum  efficien cy an d c hann el  ro bustn ess  du e to thi s  it b e com e attractive te chniqu e for  ne xt generation  comm uni cati on sy stem a nd for  rapi dly increa sing t he  deman d of freque ncy sp e c trum utilization. We  have  propo se d an  improved SL M techniq ue by  applying  sets of pre-determined no n-u n iform ph ase  in OFDM  systems for t he re du ction  of  PAPR. Going for lower value of N (number of carr i e rs) for OFDM signal is good practi ce  for  having a lo wer value of P APR in multicarri er mo dula t ion. High PA PR produ ce the satu ration  in  PA which tends to inter m odulation mixing with ne xt subcarri ers. For r eduction of PAPR several   method are a v ailable su ch  as wind owi n g, coding,  ton e  reservation,  pulse shapi n g , clipping et c.  Ho wever the s metho d s a r una ble to   get si multan e ously l a rg e P APR redu ctio n with  minim u compl e xity. In this  pap er,  we  have di scu s ses  many  importa nt a s pect s  an d al so d e scribe t he  mathemati c al  analysis incl uding PAPR  characteri st ics in OFDM  system s.  An improved  select ive   mapping technique im proved the pe rformance of the OFDM  sy stem with respective to PAPR  with hi gh  sp ectral  efficie n cy a nd l o w co mplexity. Simulation  re sults sho w that the PA PR  redu ction of OFDM  syste m  in Figure  4. The  time domain  sele ctive mapping  techniqu e shows  signifi cant enhancem ents in  the PAPR perform ance. Howeve r, the upl ink transmitter’ comp utationa l compl e xity is goi ng u p . Therefor e, a  com p romi se  betwe en th e circuit’ co st,   compl e xity and the PAPR tradeoffs  shoul d  be taken into considerati on.       Referen ces   [1]  Kargoz ar F,  Nilas h i M, Ibrahim O. SLM  T e chniq ue C o mbi ned  w i t h  a Ran dom-L ik e Codi ng for   Reducing PAPR in OFDM S y stems  w i t h  No Explicit  Side Information.  Internati o nal Jo urna l of  Information a n d  Electron ics Engi neer in g . 20 13; 3(30).   [2]  T ong, Yinghu a, Sheng lin g G eng. T he Method of Sig n a l Deco m pos ition to Re duc e the PAPR.   T E LKOMNIKA Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (10).   [3]  Ahmad Mo ha mmad, Fatama Ne w a g y , Ab d El-Hal eem   Zekr y .  Influe n c e of Utilizin g  the Selective  Mapp ing T e ch niq ue for PAP R Re ductio n  i n  SC-F DMA S y stems . Intern ation a l J ourn a l  of Co mp ute r   Appl icatio n s (0 975 – 8 8 8 7 ). 2012; 48( 25).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  629 1 –  6296   6296 [4]  Vija yar a n g a n  V, R Sukanes h. An overvi e w  of  techniq ues for  reduci ng p eak  to averag e po w e r ratio a n d   its selecti on cr i t eria for  ortho g ona l freq ue nc y divis i on  multi p l e xin g  ra dio  s y s t ems.  Journ a l of  theor etical  and a p p lie d inf o rmatio n  techn o lo gy . 200 9; 5(1): 25-36.   [5]  Jian g, T ao, Yi ya n W u . A n   o v ervie w pe ak- t o-avera ge  po w e r rati o r edu ction tec hni qu es for OF DM   signals.  Broadcasting, IEEE Transactions on . 2008; 5 4 (2): 257- 268.   [6]  Muller, Stefa n  H, Johan nes  B Huber.  A co mp ariso n  of p eak pow er re d u ction sch e m e s  for OF DM.   Globa l T e lecommunicati ons  Confer enc e. GLOBECOM'97, IEEE. 1997; 1.  [7]  Cho, Y o n g  S oo, Ja ek w o n  Kim, W o n   Youn g Y a n g , Ch ung  G K ang. MIMO-OF D w i re less   communic a tio n s   w i th MAT L AB. W ile y .  Com.  2010.   [8]  T ao Jian g, Yi yan W u An  ov ervie w .  Peak-t o-aver age  p o w e r  r a tio r e d u c tion tec h n i qu es for OF DM   signals.  IEEE transactions on broadcasting . 200 8; 54(2): 1- 5.  [9]  Dae-W o on l i m, Seok-Jo o n g  H eo, Jo ng-Se on . An  overv i e w   of Peak-to- ave r age  po w e r r a tio re ducti o n   schemes for OF DM Signa ls.  Journ a l of co mmu n ic aitons a n d  netw o rks.  2009; 11(3): 2 57.   [10]  Seun g H e e  Ha n, Jae  Ho ng  L ee.  An  overv i e w   of P eak-to-a v erag e p o w e r  r a tio r educti on  techn i qu es fo r   multicarrier transmission.  IEEE wireless comm unic ation . 2 0 05: 56-6 5 [11]  Moosa  A D i da , MR Anj u m,  F  Manzo o r. C o mpar ative A n al ysis  of Orth ogo nal  F r eq ue nc y Div isio n   Multipl e xi ng  a nd Si ng le  Car r ier C y c lic Pr efix Mod u l a tio n  Sch e mes i n  Po w e r lin e C o mmunic a tio n   S y stems.  IJERT  Journal . ISSN # 227 8-0 181 . 2013; 2(1 2 ).  [12]  Shi Pe ngfei, M R  Anjum, Z h a o  Yue. T one-Re servat io n bas e d  on fractio n a l  F ourier T r ansform for Chirp- based OFDM.  Internatio na l Journ a l of Scie ntif ic & Engi ne erin g (IJSER) Journ a l.  ISSN # 222 9-5 5 1 8 .   201 3; 4(7).  [13]  MR Anj u m,  yin bei  Li, s h ifen g f e i. Improv ed c a lib r a tio n  meth od  of amp litu d e  a nd  ph ase  er rors bas ed  o n   dia gon al lo adi n g Internati o n a l  jour na l of A d v ance d  Mater i al s Rese arch . S w itz e rla nd.  20 1 3 ; 71 7: 3 59- 364, ISSN: 166 2-89 85.    [14]  Luq ing   w a ng,  Chint ha te llam bura. A  Simp lif ied c l i ppi ng  an d filteri n g  tech niq ue for  PAR  reducti on  i n   OFDM sy stem s . IEEE signal process i ng l e tters . 2005; 1 2 (6 ): 453-45 6.  [15]  Brian Sc ott Krongo ld, Do ug las  L Jon e s. PAR P Red u ct ion  in  OF DM via Active co nstell atio n e x tens ion.   IEEE Transactions on br oadc asting.  20 03; 4 9 (3): 258- 26 8.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.