一文看懂LTE物理层是如何工作的？

一、LTE开机及工作过程

如下图所示：

二、小区搜索及同步过程

整个小区搜索及同步过程的示意图及流程图如下：

1）UE开机，在可能存在LTE小区的几个中心频点上接收信号（PSS），以接收信号强度来判断这个频点周围是否可能存在小区，如果UE保存了上次关机时的频点和运营商信息，则开机后会先在上次驻留的小区上尝试；如果没有，就要在划分给LTE系统的频带范围内做全频段扫描，发现信号较强的频点去尝试；

2）然后在这个中心频点周围收PSS（主同步信号），它占用了中心频带的6RB，因此可以兼容所有的系统带宽，信号以5ms为周期重复，在子帧#0发送，并且是ZC序列，具有很强的相关性，因此可以直接检测并接收到，据此可以得到小区组里小区ID，同时确定5ms的时隙边界，同时通过检查这个信号就可以知道循环前缀的长度以及采用的是FDD还是TDD（因为TDD的PSS是放在特殊子帧里面，位置有所不同，基于此来做判断）由于它是5ms重复，因为在这一步它还无法获得帧同步；

3）5ms时隙同步后，在PSS基础上向前搜索SSS，SSS由两个端随机序列组成，前后半帧的映射正好相反，因此只要接收到两个SSS就可以确定10ms的边界，达到了帧同步的目的。由于SSS信号携带了小区组ID，跟PSS结合就可以获得物理层ID（CELL ID），这样就可以进一步得到下行参考信号的结构信息。

4）在获得帧同步以后就可以读取PBCH了，通过上面两步获得了下行参考信号结构，通过解调参考信号可以进一步的精确时隙与频率同步，同时可以为解调PBCH做信道估计了。PBCH在子帧#0的slot #1上发送，就是紧靠PSS，通过解调PBCH，可以得到系统帧号和带宽信息，以及PHICH的配置以及天线配置。系统帧号以及天线数设计相对比较巧妙： SFN（系统帧数）位长为10bit，也就是取值从0-1023循环。在PBCH的MIB（master information block）广播中只广播前8位，剩下的两位根据该帧在PBCH 40ms周期窗口的位置确定，第一个10ms帧为00，第二帧为01，第三帧为10，第四帧为11。PBCH的40ms窗口手机可以通过盲检确定。而天线数隐含在PBCH的CRC里面，在计算好PBCH的CRC后跟天线数对应的MASK进行异或。

5）至此，UE实现了和ENB的定时同步；

要完成小区搜索，仅仅接收PBCH是不够的，因为PBCH只是携带了非常有限的系统信息，更多更详细的系统信息是由SIB携带的，因此此后还需要接收SIB（系统信息模块），即UE接收承载在PDSCH上的BCCH信息。为此必须进行如下操作：

1）接收PCFICH，此时该信道的时频资源可以根据物理小区ID推算出来，通过接收解码得到PDCCH的symbol数目；

2）在PDCCH信道域的公共搜索空间里查找发送到SI-RNTI（无线网络标识符）的候选PDCCH，如果找到一个并通过了相关的CRC校验，那就意味着有相应的SIB消息，于是接收PDSCH，译码后将SIB上报给高层协议栈；

不断接收SIB，上层（RRC）会判断接收的系统消息是否足够，如果足够则停止接收SIB至此，小区搜索过程才差不多结束。

三、随机接入过程

在同步和小区搜索过程结束之后，紧接着就是随机接入过程，整个随机过程的示意图如下：

1. UE sends preamble sequence to ENB on PRACH

Physical non-synchronization random access procedure

Physical channel： PRACH

Message： preamble sequence

2. ENB给UE回复响应消息

Address to RA-RNTI on PDCCH

Random access response grant

Physical channel： PDSCH

ENB向UE传输的信息至少包括以下内容：RA-preamble identifier， Timing Alignment information， initial UL-grant and assignment of Temporary C-RNTI 。

注：

RA-preamble identifier指UE 发送的preamble的标志符，和index有关。

Timing Alignment information是时间提前量信息，因为空间的无线传输存在延迟，ENB计算出这个延迟量并告诉UE，以确定下一次发送数据的实际时间。

UL-grant： 授权UE在上行链路上传输信息，有这个信息UE才能进行下一步的RRC连接请求。其中会给出UL-SCH可以传输的transport block的大小，最小为80bits.

3. RRC connection request（UE—》 ENB）

在进行RRC连接请求以前先完成一些基本的配置：

》 apply the default physical channel configuration

》 apply the default semi-persistent scheduling configuration

》 apply the default MAC main configuration

》 apply the CCCH configuration

》 apply the time Alignment Timer Common included in System Information Block Type2;

》 Start timer T300;

》 initiate transmission of the RRC Connection Request message in accordance with

RRC layer产生RRC connection request并通过CCCH传输：CCCH -》 UL-SCH -》 PDSCH

获取UE-identity，要么由上层提供（S-TMSI）， 要么是random value。如果UE向当前小区的TA（跟踪区）注册过了，上层就可以提供S-TMSI，并把establishment clause设置的与上层一致

4. RRC connection setup（ENB—》UE）

UE接收ENB发送的radio Resource Configuration等信息，建立相关的连接，进入RRC connection状态。

Action about physical layer：

Addressed to the Temporary C-RNTI on PDCCH

如果UE检测到RA success，但是还没有C-RNTI，就把temporary C-RNTI升为C-RNTI，否则丢弃。如果UE检测到RA success，而且已经有C-RNTI，继续使用原来的C-RNTI。

5. RRC connection setup complete（UE—》 ENB）

RRC连接建立完成，UE向ENB表示接收到了连接的应答信息，应该是为了保证连接的可靠性的。

如果UE未成功接收到RRC connection setup消息，ENB应该会重发。不然RRC connection setup complete就没有存在必要。

在完成以上过程后，便可以进入正常的数据传输过程了。