終端和網(wǎng)絡(luò)需要建立密切的信息交互，手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)都要進(jìn)行哪些物理層的交互呢？

終端需要搜索到服務(wù)自己的網(wǎng)絡(luò)，然后接入網(wǎng)絡(luò)，這就涉及小區(qū)搜索過程和隨機(jī)接入過程；在交互過程中，終端和網(wǎng)絡(luò)都需將功率調(diào)節(jié)到合適的大小，以增強(qiáng)覆蓋或抑制干擾，這就是功率控制過程；網(wǎng)絡(luò)想找到某一個(gè)終端，以期與其建立業(yè)務(wù)連接，這就是尋呼過程；網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力依賴于對(duì)無線環(huán)境的精確感知，測(cè)量過程為網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)提供依據(jù)；終端和網(wǎng)絡(luò)的有用信息交互，依賴于共享信道的物理層過程。

1.物理層過程

LTE中，下行物理層過程有：小區(qū)搜索過程、下行功率控制、尋呼過程、手機(jī)下行測(cè)量過程、下行共享信道物理過程。

上行物理層過程有：隨機(jī)接入過程、上行功率控制、基站上行測(cè)量過程、上行共享信道物理過程。

2.小區(qū)搜索過程

無線通信制式中，終端和基站建立無線通信鏈路的前提是必須先進(jìn)行小區(qū)搜索。

在以下兩種情況中必須進(jìn)行小區(qū)搜索：一是用戶開機(jī)，二是小區(qū)切換。

在LTE中，用戶終端開機(jī)或小區(qū)切換時(shí)，需要和小區(qū)取得新的聯(lián)系，和小區(qū)的時(shí)頻保持同步，獲取小區(qū)的必要信息。

小區(qū)搜索過程中，用戶UE要達(dá)到以下三個(gè)目的：

（1）下行同步：符號(hào)定時(shí)、幀定時(shí)、頻率同步。

（2）小區(qū)的標(biāo)識(shí)號(hào)（ID）獲取。

（3）廣播信道（BCH）的解調(diào)信息獲取。

BCH信道廣播的信息有：小區(qū)的傳輸帶寬（LTE中各小區(qū)傳輸帶寬不固定）、發(fā)射天線的配置信息（每個(gè)基站天線數(shù)目可能不一致）、循環(huán)前綴（CP）的長(zhǎng)度（單播、多播業(yè)務(wù)CP長(zhǎng)度不同）等。

2.1 三個(gè)信道、四個(gè)步驟

助力UE完成小區(qū)搜索過程的功臣是三個(gè)信道：

同步信道（SS、SCH）包括：主同步信道（PSS、P-SCH）和從同步信道（SSS、S-SCH）；

參考信道（RS）；

廣播信道（BCH）。

小區(qū)的搜索過程分為以下四個(gè)步驟：

第一步：從PSS信道上獲取小區(qū)的組內(nèi)ID；

第二步：從SSS信道上獲取小區(qū)組號(hào)，范圍是0~167；協(xié)議規(guī)定了3個(gè)PSS信號(hào)，使用長(zhǎng)度為62的頻域Zadoff-Chu（ZC序列，較好的自相關(guān)特性和較低峰均比），分別對(duì)應(yīng)小區(qū)組內(nèi)ID；SSS信號(hào)則使用二進(jìn)制M序列，有168種組合，與168個(gè)物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組對(duì)應(yīng)。所以UE把PSS和SSS接收下來后就可以確定小區(qū)標(biāo)識(shí)。先獲取組內(nèi)順序號(hào)，再獲取小區(qū)組的順序號(hào)。

第三步：UE接收下行參考信號(hào)（DL-RS），用來進(jìn)行精確的時(shí)頻同步。DL-RS是UE獲取信道估計(jì)信息的指示燈。對(duì)于頻率偏差、時(shí)間提前量、鏈路衰落情況，UE從這里了解清楚，然后在時(shí)間和頻率上緊跟基站的步伐。

第四步：UE接收小區(qū)廣播信息。完成前三步后UE就完成了和基站的時(shí)頻同步，可以接受基站的面向小區(qū)內(nèi)所有UE的廣播信號(hào)。有需要就聽一下，從廣播信號(hào)上可以獲得下行系統(tǒng)帶寬值，天線配置，本小區(qū)的系統(tǒng)幀號(hào)等。

以往無線制式下行系統(tǒng)帶寬和天線配置是定死的。在LTE中得益于OFDM、MIMO，配置是靈活的，但增加了這部分信令開銷。

2.2 在合適的位置尋找合適的信息

SS信號(hào)和BCH信道是小區(qū)搜索時(shí)UE最先捕獲的物理信道。因此必須保證用戶在沒有任何先驗(yàn)信息情況下能夠得到這些信息。

辦法就是：在時(shí)域和頻域上安排固定位置。

回復(fù)上一筆記，同步信號(hào)每個(gè)幀發(fā)送兩次，PSS和SSS在時(shí)域上的位置TDD和FDD不一樣。FDD中，PSS、SSS分別在第0個(gè)和第5個(gè)子幀的第一個(gè)時(shí)隙的最后兩個(gè)符號(hào)位置上。TDD中，PSS在DwPTS上，SSS在第0個(gè)子幀的第1#時(shí)隙的最后一個(gè)符號(hào)上。

BCH在SS之后被用戶接受，因此二者須有一個(gè)固定的時(shí)間間隔τ，如圖所示

每個(gè)下行幀，SS和BCH可以發(fā)送多次，SS和BCH數(shù)目也可不同，對(duì)于BCH出現(xiàn)的時(shí)間位置，終端需要知道，否則無法找到它。

不管小區(qū)總傳輸帶寬多大，SCH信道和BCH信道只在小區(qū)傳輸帶寬的中心位置傳輸，而且SCH、BCH總是占用相同的帶寬（1.25MHz）.其中有用子載波數(shù)目是64個(gè)，中間有一個(gè)直流子載波（DC）。

在小區(qū)搜索的開始，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中心帶寬為1.25MHz。利用同步信道進(jìn)行下行同步，獲取小區(qū)標(biāo)識(shí)；然后還是在這1.25Mhz中心帶寬上，接收BCH相關(guān)的解調(diào)信息。UE從BCH的解調(diào)信息中獲取了分配的系統(tǒng)帶寬，然后將工作帶寬偏移到指定的頻帶位置上，至此才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)過程如圖所示。

3.隨機(jī)接入過程

隨機(jī)接入過程主要完成用戶信息在網(wǎng)絡(luò)側(cè)的初始注冊(cè)。

通過小區(qū)搜索，用戶知道了網(wǎng)絡(luò)側(cè)的信息；而通過隨機(jī)接入，網(wǎng)絡(luò)側(cè)又知道了用戶的必要信息。

和UMTS隨機(jī)接入過程不同，LTE的隨機(jī)接入過程不僅完成用戶信息的初始注冊(cè)，還需要完成上行時(shí)頻同步（Time Advance，時(shí)間提前量，TA）與用戶上行帶寬資源的申請(qǐng)。

在LTE中，上行時(shí)頻同步和重新申請(qǐng)上行帶寬資源，都需要啟動(dòng)隨機(jī)接入過程來完成。

大致來說啟動(dòng)隨機(jī)接入過程的場(chǎng)景有以下三種：開機(jī)、UE從空閑狀態(tài)到連續(xù)狀態(tài)、發(fā)生切換。

根據(jù)接入時(shí)終端的同步狀態(tài)不同，隨機(jī)接入過程可分為同步的隨機(jī)接入和非同步的隨機(jī)接入。

同步的隨機(jī)接入過程已經(jīng)處于同步狀態(tài)，沒有上行同步的目的，主要的目的只是上行帶寬資源的申請(qǐng)，而同步的隨機(jī)接入過程較少使用。

主要介紹非同步的接入過程，非同步隨機(jī)接入是在用戶UE沒有上行同步、或者失去上行同步時(shí)，需要和網(wǎng)絡(luò)側(cè)請(qǐng)求資源分配時(shí)所使用的接入過程。

3.1 Preamble結(jié)構(gòu)

上行失步情況下，終端和網(wǎng)絡(luò)側(cè)都不知道彼此間的距離，容易導(dǎo)致基站的上行接收窗錯(cuò)位。這就要求時(shí)域采用特殊的Preamble結(jié)構(gòu)（加CP）來克服可能的時(shí)間窗錯(cuò)位。

隨機(jī)接入在接入用戶數(shù)目較多時(shí)基于競(jìng)爭(zhēng)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的沖突碰撞，降低系統(tǒng)容量。

一般采用基于資源預(yù)留的接入機(jī)制。在隨機(jī)接入過程中一定要選用沖突概率小、相關(guān)性較低的同步序列，做上行同步。Zadoff-Chu滿足這個(gè)要求。

隨機(jī)接入前導(dǎo)消息Preamble的位置，在時(shí)域上是可配置的，在頻域上一般位于PUCCH信道的內(nèi)側(cè)，如圖所示。

3.2 LTE與UMTS隨機(jī)接入過程對(duì)比

對(duì)于物理層來講，物理層的隨機(jī)接入過程包含兩個(gè)步驟：

發(fā)送：UE發(fā)送隨機(jī)接入Preamble；

應(yīng)答：eUTRAN對(duì)隨機(jī)接入的響應(yīng)。

UE物理層首先要從高層（傳輸層的RACH信道）獲取隨機(jī)接入的PRACH信道參數(shù)，包括：

（1）PRACH信道配置信息（時(shí)域、頻域上的信道結(jié)構(gòu)信息）；

（2）前導(dǎo)Preamble格式（前導(dǎo)用于上行時(shí)鐘對(duì)齊和UE識(shí)別符，系統(tǒng)規(guī)定其由Zadoff-Chu序列產(chǎn)生）；

（3）前導(dǎo)發(fā)射功率；

（4）Preamble根序列及其循環(huán)位移參數(shù)（小區(qū)用來解調(diào)前導(dǎo)消息）。

UMTS隨機(jī)接入信道（PRACH）（上行）包括前導(dǎo)消息（Preamble）、正交消息部分（Message），如圖所示

在LTE中，隨機(jī)接入信道（PRACH）只包括前導(dǎo)消息（Preamble），但較UMTS的前導(dǎo)消息內(nèi)涵更加豐富一些。正文消息部分是在共享信道PUSCH上進(jìn)行傳輸，不屬于PRACH的一部分。物理層隨機(jī)接入過程不包括正文消息的發(fā)送過程。

LTE基站給終端隨機(jī)接入的應(yīng)答，也不像UMTS中簡(jiǎn)單地回應(yīng)一個(gè)AI，而是有豐富內(nèi)涵的一個(gè)回應(yīng)，由PDCCH（指示是否有回應(yīng)）和PDSCH（指示回應(yīng)的具體內(nèi)容），如圖所示。

基站通過PDSCH信道告知UE隨機(jī)接入允許的內(nèi)容（UL-SCH grant），這個(gè)內(nèi)容需要傳給UE的傳輸層在共享SCH信道上才能解析。隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)許（UL-SCH grant）包括：無限資源RB指派情況、調(diào)制編碼信息、功率控制命令、是否請(qǐng)求CQI等信息。UE根據(jù)隨機(jī)接入響應(yīng)準(zhǔn)許的要求，在上行PUSCH信道上發(fā)送隨機(jī)接入的消息部分。

隨機(jī)接入的具體過程如下：

（1）UE高層請(qǐng)求觸發(fā)物理層隨機(jī)接入過程。

高層在請(qǐng)求中指示Preamble index、Preamble 目標(biāo)接收功率、相關(guān)的RA-RNTI（Random Access Radio Network  Temporary Indentifier，隨機(jī)接入無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)），以及隨機(jī)接入信道的資源情況等信息。

（2）UE決定隨機(jī)接入信道的發(fā)射功率。

由于隨機(jī)接入在與網(wǎng)絡(luò)側(cè)建立聯(lián)系之前發(fā)生，因此采用開環(huán)功率控制。終端在PARCH信道發(fā)射隨機(jī)接入前導(dǎo)消息（Preamble）時(shí)，自己根據(jù)高層指示計(jì)算一個(gè)發(fā)射功率，如下式：

發(fā)射功率=preamble的目標(biāo)接收功率+路徑損耗

這個(gè)發(fā)射功率小于終端最大發(fā)射功率，路徑損耗為UE通過下行鏈路估計(jì)的值。若網(wǎng)絡(luò)側(cè)無反應(yīng)，則UE會(huì)一直增加發(fā)射功率。

（3）UE以計(jì)算出的發(fā)射功率，選擇Preamble隨機(jī)序列，在指定的隨機(jī)接入信道資源中發(fā)射單個(gè)Preamble。

（4）在傳輸層設(shè)置的時(shí)間窗內(nèi)，UE嘗試偵測(cè)以其RA-RNTI標(biāo)識(shí)的下行控制信道PDCCH。如果偵測(cè)到，把相應(yīng)的下行信道PDSCH送往傳輸層。傳輸從共享信道中解析出接入允許的響應(yīng)信息。之后開始在PUSCH信道上給基站傳送正文消息。

（5）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，如果沒有收到響應(yīng)，那么物理層反饋“NACK”給傳輸層，并退出隨機(jī)接入過程。

4.功率控制過程

4.1 LTE與CDMA功率控制對(duì)比

CDMA是自干擾系統(tǒng)，有較明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)，依賴功率控制來克服遠(yuǎn)近效應(yīng)。LTE使用OFDMA，不屬于自干擾系統(tǒng)。

CDMA采用快速功率控制，LTE采用慢速功率控制。

CDMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶的信號(hào)都會(huì)占用整個(gè)帶寬，對(duì)小區(qū)內(nèi)、外造成的干擾為寬帶干擾。功率控制主要是小區(qū)內(nèi)干擾控制。

LTE系統(tǒng)中，每個(gè)用戶只會(huì)占用一部分系統(tǒng)帶寬（多個(gè)子載波），而且每個(gè)用戶占用的子載波數(shù)量和位置不一樣。因此對(duì)小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的干擾時(shí)是窄帶干擾，頻率選擇性干擾。

4.2 LTE功率控制

根據(jù)功率控制執(zhí)行方是否需要對(duì)方反饋控制信息，分為開環(huán)功控（無需反饋）和閉環(huán)功控（需反饋）。

5. 尋呼過程

尋呼，就是網(wǎng)絡(luò)尋找某個(gè)特定UE的過程。用戶被呼叫時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起的呼叫建立過程一定包括尋呼過程。這也是UE主叫和被叫流程不一樣的地方。

尋呼流程并不是一個(gè)純粹物理層過程，也需要高層的配置和指示。

5.1 不連續(xù)接收

如果一個(gè)UE在始終不停地查看是否有自己的尋呼信息，會(huì)導(dǎo)致手機(jī)耗電增加。在一個(gè)尋呼過程中，多數(shù)時(shí)間UE處于睡眠狀態(tài)，只在預(yù)定時(shí)間醒來監(jiān)聽一下是否有屬于來自網(wǎng)絡(luò)的尋呼信息。多數(shù)時(shí)間休息，少數(shù)時(shí)間監(jiān)聽，是一種不連續(xù)接收（DRX）技術(shù)。

5.2 LTE和WCDMA尋呼過程對(duì)比

兩者尋呼過程大致相同，但實(shí)現(xiàn)該過程所使用的信道略有不同。

WCDMA中，UE大多數(shù)時(shí)間休息，只在預(yù)定時(shí)刻監(jiān)聽物理層尋呼指示信道（PICH），如圖所示，這個(gè)信道類似村委會(huì)通知誰家有包裹寄到的公告欄。

UE在PICH這個(gè)公告欄上看是否有自己的包裹（是否有這個(gè)UE的尋呼信息）。一旦發(fā)現(xiàn)有屬于自己的尋呼信息，它立刻到指定位置（S-CCPCH信道上）去尋找自己的包裹（尋呼指示信息）。

先發(fā)送一個(gè)尋呼指示，再發(fā)送一個(gè)UE的尋呼消息，可以使UE休息更長(zhǎng)時(shí)間。因?yàn)閷ず糁甘镜臅r(shí)長(zhǎng)比尋呼信息時(shí)長(zhǎng)小很多，且并不是每次尋呼指示里都有某一UE的通知。

LTE中，如圖所示，尋呼信息指示信道是PDCCH，尋呼消息發(fā)送的得信道是PDSCH。同樣地，LTE也是采用DRX技術(shù)。

UE在屬于自己的特定時(shí)刻去監(jiān)聽PDCCH信道，如果在PDCCH信道上檢測(cè)到自己的尋呼組的標(biāo)識(shí)該UE則需去解讀PDSCH，并將解碼后的數(shù)據(jù)通過尋呼傳輸信道（PCH）傳到MAC層。

在PCH傳輸塊中，包含被尋呼的UE的標(biāo)識(shí)。如果該UE沒有在PCH上找到自己的標(biāo)識(shí)，則丟棄這個(gè)信息，重新進(jìn)入休眠，等待屬于自己的下一個(gè)監(jiān)聽時(shí)刻的到來。

LTE中沒有專門的PICH尋呼消息指示信道，而是和其他指示消息一樣，借用PDCCH信道來傳送這些指示消息。這是因?yàn)?span style="color:#cc33cc;">PDCCH本身傳輸時(shí)間很短，引入專門的PICH節(jié)省的能量有限，但卻增加了復(fù)雜度。