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。
四、数据传输过程 数据传输过程包括两方面过程：上行调度过程和下行调度过程。
■上行调度过程
1. ue向enb请求上行资源
physical channel： pucch
message： sr （schedule request）
sr发送的周期以及在子帧中的位置由上层的配置决定。
ue需要告诉enb自己要传输的数据量，同时sr中ue必须告诉enb自己的identity （c-rnti）。
注：
根据上层的配置ue按照一定的周期在pucch的固定位置传输sr，而enb对sr的发送者的识别是通过ue和enb事先约定好的伪随机序列来实现的。当ue有发送数据的需求是，就把相应得sr置1，没有资源请求时sr为空。sr只负责告诉enb是否有资源需求，而具体需要多少资源则由上层的信令交互告诉enb。
在ts36.213中指定：scheduling request （sr） using pucch format 1，不需要进行编码调制，用presence/absence携带信息。
2. 上行信道质量测量
physical signal： sounding reference signal
physical channel： pucch（这里貌似不对，srs是参考信号，不需物理信道承载）
enb给ue分配上行资源之前首先必须要知道上行信道的质量，如果ue的上行信道质量较好且有传输数据的需求，enb才会给ue分配资源。
sounding reference signal应该对ue和enb都是已知的，enb根据从ue接收到的sounding reference signal 和自己已知的信号的对比就可以知道当前上行信道的质量了。当然，如果信道质量的变换很快，再加上空间信号传输的延迟估计的误差，由sounding reference signal测量出的信道质量可能会变得不准确。所以ue需要每过一段时间就发送sounding reference signal给enb，以尽可能准确地得到当前信道的质量。
3. enb分配资源并通知ue
physical channel： pdcch
分配完资源后enb还必须把分配的结果告诉ue，即ue可以在哪个时间哪个载波上传输数据，以及采用的调制编码方案。
e-utran在每个tti动态地给ue分配资源（prbs & mcs），并在pdcch上传输相应的c-rnti。
4. ue接收资源分配结果的通知并传输数据
physical channel： pusch
ue首先接收enb下发的资源分配通知，监视pdcch以查找可能的上行传输资源分配，从common search space中获取公共信息，从ue specific search space中搜索关于自己的调度信息。根据搜索到的结果后就可以在pusch对应的prb上传输数据信息。
注：
在上行链路中没有盲解码，当ue没有足够的数据填充分配的资源时，补0。
5. enb指示是否需要重传
physical channel： phich
6. ue重传数据/发送新数据
同4。
■下行调度过程
1.下行信道质量测量
enb发送cell specific reference signal 给ue，ue估计cqi并上报给enb。
cqi不仅告诉enb信道的质量，还包含推荐的编码调制方式。
periodic cqi reporting channel： pucch
aperiodic cqi reporting channel： pusch
接收到的dci format 0的cqi request设置为1时，ue非周期上报cqi、pmi和ri，上层可以半静态地配置ue周期性地上报不同的cqi、pmi和ri。
2. enb分配下行资源
enb根据下行信道的质量好坏自适应地分配下行资源（针对 ue选择不同的载波和slot）。
下行链路中，e-utran在每个tti动态地给ue分配资源（prbs & mcs）。
3. enb在下行信道传输数据
physical channel： pdsch
根据资源分配的结果在pdsch上填充数据， 并在pdcch上传输相应的c-rnti。
4. ue接收数据并判断是否需要发送请求重传指示
physical channel： pucch
physical channel： pdsch
ue根据检测pdcch信道，解码对应的pdsch信息。ue根据pdcch告知的dci format在common search spaces中接收pdsch 广播控制信息。此外，ue通过pdcch ue specific search spaces接收pdsch数据传输。
5. enb重传数据/发送新数据。
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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；
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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。
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四、数据传输过程 数据传输过程包括两方面过程：上行调度过程和下行调度过程。
■上行调度过程
1. ue向enb请求上行资源
physical channel： pucch
message： sr （schedule request）
sr发送的周期以及在子帧中的位置由上层的配置决定。
ue需要告诉enb自己要传输的数据量，同时sr中ue必须告诉enb自己的identity （c-rnti）。
注：
根据上层的配置ue按照一定的周期在pucch的固定位置传输sr，而enb对sr的发送者的识别是通过ue和enb事先约定好的伪随机序列来实现的。当ue有发送数据的需求是，就把相应得sr置1，没有资源请求时sr为空。sr只负责告诉enb是否有资源需求，而具体需要多少资源则由上层的信令交互告诉enb。
在ts36.213中指定：scheduling request （sr） using pucch format 1，不需要进行编码调制，用presence/absence携带信息。
2. 上行信道质量测量
physical signal： sounding reference signal
physical channel： pucch（这里貌似不对，srs是参考信号，不需物理信道承载）
enb给ue分配上行资源之前首先必须要知道上行信道的质量，如果ue的上行信道质量较好且有传输数据的需求，enb才会给ue分配资源。
sounding reference signal应该对ue和enb都是已知的，enb根据从ue接收到的sounding reference signal 和自己已知的信号的对比就可以知道当前上行信道的质量了。当然，如果信道质量的变换很快，再加上空间信号传输的延迟估计的误差，由sounding reference signal测量出的信道质量可能会变得不准确。所以ue需要每过一段时间就发送sounding reference signal给enb，以尽可能准确地得到当前信道的质量。
3. enb分配资源并通知ue
physical channel： pdcch
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4. ue接收资源分配结果的通知并传输数据
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注：
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3. enb在下行信道传输数据
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4. ue接收数据并判断是否需要发送请求重传指示
physical channel： pucch
physical channel： pdsch
ue根据检测pdcch信道，解码对应的pdsch信息。ue根据pdcch告知的dci format在common search spaces中接收pdsch 广播控制信息。此外，ue通过pdcch ue specific search spaces接收pdsch数据传输。
5. enb重传数据/发送新数据。
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