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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