TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 11, Novembe r   2014, pp. 77 5 8  ~ 776 3   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i11.60 07          7758     Re cei v ed Ma rch 2 3 , 2014;  Re vised Ma y 29, 2014; Accepted June 1 5 , 2014   An Improved Tone Reservation Scheme in OFDM  Systems for Adaptive Amplitude Clipping      Yang Song*,  Chaos h i Cai Jianping L i   Schoo l of Information En gi ne erin g, Commu nicati on  Un iver sit y  of Chi na, B e iji ng 1 0 0 024,  Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : ic y s o n g y a n g @ 16 3.com       A b st r a ct  Orth og on al  freq ue ncy d i vi si on  mu l t i p l e xin g   (OFD M) su ffe rs from  a  hi gh  p e a k  to  ave r ag e  po w e rati o (P APR).   T o n e  r e se rvat i o n  (T R)  tec h n o l ogy  i s  c ons i der ed   as  on of th most  pr o m is in met h o d s   b e c au se  o f  no   a d d i ti on al  d i storti on , n o  side  i n fo rm a t i o n ,  a n d   l o w im pl emen ta ti on  cost. H o we ve r, in  al l  PAPR  re du ction  scheme s det er mi n i n g  the  opt i m a l  target c l i p p i ng  lev e l i s  diff icu l t. In this p a p e r ,  w e  consi d er  an   ad apt ive  a m pl itud e l e ast s q u a re s a ppr o x i m at io n (AA L AS-T R ) a l g o r i th m. Ad just  ad apt ive  opt i m al   conv er genc e f a ctor  for  initial c l ipping t h reshold.  That is  res u lts  an  a ppr ox im at ely  PAPR reduction  perf o r m anc e w i t h a  l o w  co mpu t atio n a l c o mpl e xity. Si mu lati o n  res u lts  sh ow  that t he  pr op os ed  al g o rit h m c a n   achieve  better PAPR r e duction as th at differ e nt clipping t h reshold.     Key w ords :   hi gh  pe ak-t o-av era ge  p o w e r r a tio  (PAP R), ton e  re serv ati o n (T R), a d apti v e a m pl itu d e  l e a s t   squ a r e s a ppr ox i m at io n (AA L A S -T R), OF DM, cli p p i n g  c ontr o l     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   Orthog onal  frequ en cy div i sion  multipl e xing (OF D M) i s  o ne  of the mo st  pop ular  t e chn o logie s  in cu rre nt  h i gh- rat e  wi rel e s s  c o mmu n i cat i on  sy st e m s w h ic h is  f o r mult i- car r ier   modulatio n t e ch niqu es [1 ], However,  OFDM  sy ste m s h a ve hi g h  pe ak to a v erage  po we r   ratio(PAPR)  probl em  whi c h is i nefficient requi res  a li near high power amplifier  (HPA). T o   study  this p r obl em,  variou s PAP R redu ction  tech niqu es ha ve bee n p r op ose d . Such a s   clippi ng a n d   filtering [2-4],  coding [5 -6], compa ndin g  sch eme [7 ], active co nstel l ation extensi on [8] and tone   reservatio n [ 9 -10]. A s  o n e  of ton e   re servation  (T R) tech niqu es,  clippi ng  cont rol (CC-T R ) [11]  method i s  to repe atedly gene rate pe ak-ca n ce ling  signal s by  clippi ng, but  CC-TR m e thod   requi rem ent  of many ite r a t ions  to  redu ction PAP R.  In [12] ue s a  optim al co nverge nce  fa ctor      scale the filt ered  frist - iteration cli ppin g  noi se to co mpen sate fo r pea ks th at  are  above the   threshold  and c an  achieve a lager PAPR reduc t ion,  but als o  need high iterat ion c o mplexity. In   [13], based on the least squares  approximation  with fast convergenc e reduction PAPR, only  need  a fe w iteration s   can   achieve  the  sa me   perfo rman ce  and  re du ce d computatio nal  compl e xity. The LSA-T R   schem e is  em ployed to ca l c ulate th e op timal con s tan t  P but different  c lipping threshold A  res u lts  in  different  PAPR redu c t ion. In other  words ,   Eac h  iteration s h ould  corre s p ond to  an optimal consta nt P but not the same  P.  In this letter, a clipping algorithm  i s  developed to obt ain good PAPR reduction  perfo rman ce  rega rdl e ss of  the initial target c lip ping l e vel. This  i m proved  TR  m e thod b a sed  on  the adaptive  amplitude  least squa re s app roxi ma tion (AALAS-TR) alg o rit h m. The fa st  c onvergence fac t or P  wit h  the iterative c h anges   obtain a good PAPR reduc tion  with low   compl e xity.  And different clipping thres hol d have an approximat ely PAPR reducti on  perfo rman ce.   The paper is organized as  fo llows . In  Sec t ion II, the s y s t em model bas e d on the TR  method  and   the ad aptiv e  lea s t s qua r e app rox i m a tion(LAS - TR ) alg o rithm  i s  intr odu ce d  III,  prop oses th e  novel sche me the ada p t ive amp litud e least  squa res ap proximation(AALAS-TR)  algorith m . In  Section IV, th e sim u lated  result a r e sh own and   the conve r ge nce of  su ch a  nov el  algorith m  is compa r ed  with  the other me thods. In the end, a co ncl u sion i s  given.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Tone Reservation Schem e in OF DM System s for Adapt ive... (Yang Song)  7759 2.  OFDM Sy stems an d T one Re serv a tion Tech nique   2.1.  OFDM Sy stems and PAPR Ton e-Res e rv ation Techniqu e   I n  OFDM  sy stem s, the transmitted  si g nal co n s ist s   of a great n u mbe r  of o r thogo nal  sub c a rri ers. The ba seb and  sampl e s of  a n  OFDM  sym bol ca n be written as:                    1 2/ 0 1 ,0 1 N jn k N nk k xX e k N N                                           (1)    Where  N is the sub c arrie r  number of an OFDM syst em, X k  is the  modulated data carried by  the   k th subcarrier, is  the nth sa mp le of a  time-domain symbol.    The tone-Reservation techni que reserves Nr  tones for PAP reduction and don’t carry  any data info rmation ,the  remai n ing (N- Nr) tone s f o r data tran smissi on. Obvi ously, the to ne - reservatio n ration R= Nr  /N is small. The pe ak-ca n celi ng si gna l c(t) i s  ge ne rated b a sed  on  reserve d  tone , and the pea k-re d u ced si g nal is given b y   T kt j N N k k k e C X N t c t x t x / 2 1 2 / 2 / ) ( 1 ) ( ) ( ) ( ~                     (2)    2.2. Propose d  LSA-T R  Sc heme   The LSA - T R   algorith m  i s  e m ployed to  calcul at e the  o p timal con s ta nt P, the o b je ctive of  optimizatio n probl em is formulated a s  [13]:     } ] ) ( [ { min 2 , n n A p n f c p P          (3)     For the lea s t squ a re s ap proximat ion (LS A ) algorith m , we defin e:    2 ] [ ) ( n n n f c p p g                                                                                      (4)     Then,     p f c p p p g n n n 2 ] [ ) (   p f c p f c p n n n n n ] 2 [ 2 2 2           (5)   n n n n n f c c p 2 - 2 2       Make  0 ) ( p p g we have:    n n n n n c f c P 2            ( 6)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 58 – 776 3   7760 From the a b o v e we can  kn ow,  ) ( ) ( n pc n x   approximates to  ) ( ) ( n f n x , and the  good PAPR reduction coul d be achi eved  after the first servers iter ations. But  when P is  uniquel determi ned,  i n  the iterative pro c e s s d i fferent clippi ng thre shol d  A results in  different PAPR   redu ction  pe rforman c e s Ho wever,  th e optim al target cli ppin g  l e vel o r   clippi ng  ratio  not  be  pred etermi ne d at the initial stage. In th e next  se ctio n, prop oses  a nov el sch e m e the ada ptive   amplitude  lea s t squa re s ap proximatio n(AALAS-TR ) a l gorithm. T o  i dentify differe nt P  depen di ng  on the initial clipping ration  R.       3. Proposed  AALS A -TR S c heme   In this secti on, we  prop ose  an a d a p tive amplitu de lea s t sq uare s  a p p r o x imation   algorith m  for  TR-ba s ed  OF DM sy stem s. The mai n  obj ective is to  control b o th th e target  clippi ng  level A and converg e n c e factor P at ea ch iteratio n. that is:     } { min 2 ) ( ) ( n i n i n i p A f c p P         (7)     2 ) ( ) ( ) ( i n i n i n i p f c p p p g   ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 2 i n i n i n i i n i n i p f c p f c p   n i n n n i n i f c c p ) ( 2 ) ( ) ( 2 - 2          (8)     Make  p p g ) ( 0 we have:    2 ) ( ) ( ) ( ) ( ˆ i n i n i n i c f c p          ( 9 )     Whe r .,.  repre s ent s the re al  inner-produ ct. This implie s that the calculation of P involves real   domain,  rath er th an  co mplex d o ma in. Fro m  th e ab ove  we can  kno w ) ( ˆ ) ( n c p n x    approximate s  to  ) ( ) ( n f n x . For the  complexity co mpari s o n , in the CC-TR  m e thod n eed t w FFT/IFFT o peratio ns d u ring  eve r y iteratio n.  Thus,  CC-T R m e thod  co mplexity is  )) 1 2 ( ) log ( ( 2 2 K LN LN T  the LSA-TR method ju st need few i t eration s  whi c h we  set T  can achieve the  sam e   PAPR reduction. In [ 13],  We LSA-T R  m e thod  compute com p l e xity  is obtain ed  ) log ( 2 2 LN LN I . The AALSA-TR alg o rithm  is  modifi ed  in the  iteration p r ocess  step  size a nd  the  thre sh old v a lue A,  so t he  com put ati onal  co mple xity of the  algorithm  is t h e   s a me with  LS A-TR .                                                                                                                                                                                                          4. Simulation Resul t s   To  sho w  th e  advanta ge  of the n o vel  ALSA-TR   alg o rithm, com p uter simul a tions  are  perfo rmed  in  Chin a Mo bile  Multimedi Broad ca sting  (CMMB) sy stem. In this simulation, 4 0 96  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Tone Reservation Schem e in OF DM System s for Adapt ive... (Yang Song)  7761 sub c a rri ers  are p e rfo r me d for FFT/IF FT ope ration . This di stri bution me an s that all d a ta   sub c a rri ers a r e symm etric about the central fr e que ncy and th e reserve d  ton e s is  ran d o m ly  generated. Quadratur e Phase Shift Keying (QPSK) is used for  the simulation system. The  PAPR reduc t ion performanc e is   evaluat ed by the PA PR   CCDF func tion.  time overs a mpling is   used in all si mulations.         Figure 1. Comparis on of PAPR Reduction  between AALSA-TR,  LSA-TR  and CC-TR with  Different Cli p ping Th re shol d       In Figure  1 ,  we compare the PAPR  reduc t ion  perf o rmance of t he  CC-TR LSA-TR  method with  our AALSA-T R  method, th e maximum  numbe r of iteration s  is 1 0 , and the clip ping   threshold A = 1.2,1.4,1.6. Whe n  CCDF = 10 -5 , when  A=1.2, AALSA-TR  m e thod have 0.5dB  PAPR  redu ction  with LSA-TR. As A=1.6, hav e 0.3dB gai n s . Obviou sly, the LSA-TR algorithm is in  different c l ipping threshold hav e different PAPR reduc t ion perf ormanc e.  Contrary to our   new  meth od,  can  be in  diff erent  cli ppin g  thre shold,  CCDF  curve s   wa s bette r, a nd no i n cre a se in   comp utationa l complexity.           Figure 2. Comparis on of PAPR Redu ction with Different Step Size p     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 11, Novem ber 20 14:  77 58 – 776 3   7762 In Figure 2,  the pro p o s ed AALSA-T R  sch e me  redu ction PA PR pe rform a nce  with   different ste p   si ze, We  cho s e   ste p   size   re sp ectively  from  0.1 to  1  ra nge.  When  p= 0.1,0.2,0.3,0.4, the PAPR are 9.8dB to 6.5dB. Fo the other choic e s  on p the different of t h PAPR  are v e ry  s m all  and that is  about  6dB. Moreover, that is  the s m aller p  c a n not  effec t ively  adjust the clipping level A,  and choose a bigger  step size p to gain  better PAPR performance  for  the AALSA-TR algo rithm.         Figure 3. BER Perfo r man c e of OF DM System  over AWG N   with CC-T R, LSA-TR , AALSA-TR  Method       In Figure 3,  the bit-erro r-rate (BE R perfo rman ce  evaluate wi th CC-TR, L SA-TR,  AALSA-TR  method,  we  con s id er a d d i tive white G aussia n  noi se (AWGN)  with hig h  po wer  amplify (HPA ). The input backoff (IBO) is set to  be 5 dB. The number of iterat ions i s  15. The   prop osed AA LSA-TR sche me can offe better BER  p e rform a n c e compa r e with origin al  meth od.  More over, th e AALSA-T R  sche me  ca n  offer  nea r l th e  sa me BER  pe r f or manc e   w i th CC -TR   scheme  a nd  LSA-TR meth od.Wh en th BER=1 0 -6 , the SNR  ca n g e t 0.2dB  gain s  the  AALSA-T R   scheme com pare with    LSA-TR scheme .             5. Conclusio n   In this  paper,  the tone reserv ation  scheme for PAPR reduction i s   investigated i n  this  pape r. With  the introdu ctio n of the  ada p t ive am plitud lea s t squa res app roxima tion  (AALSA-TR)  algorith m . Th e Pro p o s ed   AALSA-TR  schem e m a ke s the  am plitu de of th e g e n e rated  ne w p eak- can c eli ng si g nals a pproximate to  that of the original  clippin g  noi se. simultane o u sly, the AALSA- TR sc heme  can have a  better PAPR gains   c o mp are with  LSA-TR s c hem e. AALSA-TR method   in different cli pping  threshold have an  approxim atel y PAPR reduction perform ance. Simulated  results a r e shown that re quire  a l a rg e  step si ze to  get the st ea dy CCDF curve. Throug h the  OFDM  sy ste m , the AALSA-TR  schem e ca n offer n early the  sa m e  BER p e rfo r mance  with L SA- TR sch e me i n  the same  computation a l compl e xity.       Ackn o w l e dg ements   This pa pe r is funded by the key proj ect  of  Chinese Ministry of  Education (No.  106042 and the  proj e c t sp on sored  by the Scie ntific Re se arch Fo und atio n for the  Ret u rne d  Ove r seas  Chin ese Sch o lars, State Educat ion Mini stry (20 07 [24 ] ).        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     An Im proved  Tone Reservation Schem e in OF DM System s for Adapt ive... (Yang Song)  7763 Referen ces   [1]  T  Jiang, YY W u . An  overvi e w :  P eak-to- ave r age  po w e r r a tio re ducti on te chni ques  for O F DM sign al .   IEEE  T r ansactions on Bro adc asti ng. 20 08; 5 4 (2): 257- 26 8.  [2]  J T ong, P L i , Z  Z han g, VK B h argav a. Iterativ e  soft com p e n s ation  for OF D M  s y stems   w i t h  cli p p i ng  a n d   super positi on c ode d mod u lati on . IEEE Trans. Comm un.,  20 10; 58(1 0 ): 286 1–2 87 0.   [3]  L W ang, C T e llam bur a. A  simplifi ed c lip p i ng  and   filteri n g techn i q ue fo r PAR red u cti on i n  OF DM  S y stems.  IEEE Signal Proces s. Lett.,  2005; 12(6): 45 3– 456 [4]  YC W ang, Z Q  Luo. Optim i ze d iterativ e cl ip pin g   a nd fi lteri ng for PAP R r educti on  of OF DM sign als.   IEEE Trans. Commun.,  201 1;  59(1): 33– 37.   [5]  M Sabba ghi an,  Y K w ak, B Smida, V T a rokh.  Near Sh ann on  limit and l o w  p eak to avera g e  po w e r rati o   turbo bl ock cod ed OF DM.  IEE E  Trans. Comm un.,  2011; 5 9 ( 8): 2042 –2 045 [6]  Y T s ai, G  Z han g, X W a ng. Pol y p has e cod e s f o r up link OF D M CDMA s y ste m s . IEEE Trans. Commun .,  200 8; 56(6): 43 5–4 44.   [7]  X Z hu, G Z hu,  P Lin. T r ansforming th e distri butio n of OF DM sign als for p eak-to-av erag e  po w e r rat i o   reducti on.  Eur. Trans. Telecomm un.,  2010;  12: 352 –3 62.   [8]  K Bae, JG And r e w s, EJ Po w e rs. Adaptive  ac tive  conste llati on e x te nsi on a l gorithm for  pea k-to avera g e   ratio reduction  in OFDM.  IEE E  Commun. Lett.,  2010; 14( 1): 39–4 1.  [9] L  w ang,  T e llambura.  An a daptiv e-scal i n g  tone reservati on al gorith m  f o r PAR reducti on in OF DM  system s . IEEE Global T e lecommunica tions  Conf., 2006: 1–5.   [10]  L W ang. Peak -to Averag e Po w e r R a tio R e ductio n  in OF DM S y stems.  Ph.D. dissertat ion, Alb e rt a   Univ., Alberta,  Can ada. 2 008.   [11]  A Gatherer,  M Poll e y .   Co ntrolli ng c l i ppi ng pr ob abi lity  in DMT  tra n s miss ion.  Con f.  Record 31s t   Asilomar Conf.  Signals, S y st.,Comput., 1999: 1076–1079.   [12]  w a ng,  C T e ll ambur a. Ana l ysis of cl ip pin g   nois e  a nd t one -reservati on  al gorithms f o r p e a k re ductio n  i n   OFDM sy stem s. IEEE  Trans.Veh T e chnol., 200 8; 57(3): 16 75– 16 94.   [13]  Haib o Li, T ao Jiang. An Improve d  T one Rese rv ation S c heme With Fast Conver ge n c e for PAPR   Reduction in OFDM S y stems.  Broadcasti ng, IEEE  Transactions. , 201 1; 57( 4): 902– 90 6.  [14]  w a ng,  C T e ll ambur a. Ana l ysis of cl ip pin g   nois e  a nd t one -reservati on  al gorithms f o r p e a k re ductio n  i n   OFDM sy stem s.  IEEE  Trans.Veh Technol.,  200 8; 57(3): 16 75– 16 94.   [15] S Gazor, R Al i H emmati. T one reserv atio n for OF DM  s y st ems b y  m a ximi zing s i g nal-to- distortio n  rati o .   IEEE Transactions on Wireles s  Communic a tions.  201 2; 11( 2): 762-7 70.   [16]  Luq ing W a ng,  T e llambura C.  A si mplifi ed cl i ppi ng a nd filter ing tec hni qu e for PAR red u cti on in OF DM   s y stems.  IEEE Signal Process i ng Letters . 20 05; 12(6): 4 53- 456.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.