一文看懂LTE物理層是如何工作的？

一、LTE開機(jī)及工作過程

如下圖所示：

二、小區(qū)搜索及同步過程

整個(gè)小區(qū)搜索及同步過程的示意圖及流程圖如下：

1）UE開機(jī)，在可能存在LTE小區(qū)的幾個(gè)中心頻點(diǎn)上接收信號(hào)（PSS），以接收信號(hào)強(qiáng)度來判斷這個(gè)頻點(diǎn)周圍是否可能存在小區(qū)，如果UE保存了上次關(guān)機(jī)時(shí)的頻點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)商信息，則開機(jī)后會(huì)先在上次駐留的小區(qū)上嘗試；如果沒有，就要在劃分給LTE系統(tǒng)的頻帶范圍內(nèi)做全頻段掃描，發(fā)現(xiàn)信號(hào)較強(qiáng)的頻點(diǎn)去嘗試；

2）然后在這個(gè)中心頻點(diǎn)周圍收PSS（主同步信號(hào)），它占用了中心頻帶的6RB，因此可以兼容所有的系統(tǒng)帶寬，信號(hào)以5ms為周期重復(fù)，在子幀#0發(fā)送，并且是ZC序列，具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此可以直接檢測(cè)并接收到，據(jù)此可以得到小區(qū)組里小區(qū)ID，同時(shí)確定5ms的時(shí)隙邊界，同時(shí)通過檢查這個(gè)信號(hào)就可以知道循環(huán)前綴的長(zhǎng)度以及采用的是FDD還是TDD（因?yàn)門DD的PSS是放在特殊子幀里面，位置有所不同，基于此來做判斷）由于它是5ms重復(fù)，因?yàn)樵谶@一步它還無法獲得幀同步；

3）5ms時(shí)隙同步后，在PSS基礎(chǔ)上向前搜索SSS，SSS由兩個(gè)端隨機(jī)序列組成，前后半幀的映射正好相反，因此只要接收到兩個(gè)SSS就可以確定10ms的邊界，達(dá)到了幀同步的目的。由于SSS信號(hào)攜帶了小區(qū)組ID，跟PSS結(jié)合就可以獲得物理層ID（CELL ID），這樣就可以進(jìn)一步得到下行參考信號(hào)的結(jié)構(gòu)信息。

4）在獲得幀同步以后就可以讀取PBCH了，通過上面兩步獲得了下行參考信號(hào)結(jié)構(gòu)，通過解調(diào)參考信號(hào)可以進(jìn)一步的精確時(shí)隙與頻率同步，同時(shí)可以為解調(diào)PBCH做信道估計(jì)了。PBCH在子幀#0的slot #1上發(fā)送，就是緊靠PSS，通過解調(diào)PBCH，可以得到系統(tǒng)幀號(hào)和帶寬信息，以及PHICH的配置以及天線配置。系統(tǒng)幀號(hào)以及天線數(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)比較巧妙： SFN（系統(tǒng)幀數(shù)）位長(zhǎng)為10bit，也就是取值從0-1023循環(huán)。在PBCH的MIB（master informaTIon block）廣播中只廣播前8位，剩下的兩位根據(jù)該幀在PBCH 40ms周期窗口的位置確定，第一個(gè)10ms幀為00，第二幀為01，第三幀為10，第四幀為11。PBCH的40ms窗口手機(jī)可以通過盲檢確定。而天線數(shù)隱含在PBCH的CRC里面，在計(jì)算好PBCH的CRC后跟天線數(shù)對(duì)應(yīng)的MASK進(jìn)行異或。

5）至此，UE實(shí)現(xiàn)了和ENB的定時(shí)同步；

要完成小區(qū)搜索，僅僅接收PBCH是不夠的，因?yàn)镻BCH只是攜帶了非常有限的系統(tǒng)信息，更多更詳細(xì)的系統(tǒng)信息是由SIB攜帶的，因此此后還需要接收SIB（系統(tǒng)信息模塊），即UE接收承載在PDSCH上的BCCH信息。為此必須進(jìn)行如下操作：

1）接收PCFICH，此時(shí)該信道的時(shí)頻資源可以根據(jù)物理小區(qū)ID推算出來，通過接收解碼得到PDCCH的symbol數(shù)目；

2）在PDCCH信道域的公共搜索空間里查找發(fā)送到SI-RNTI（無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符）的候選PDCCH，如果找到一個(gè)并通過了相關(guān)的CRC校驗(yàn)，那就意味著有相應(yīng)的SIB消息，于是接收PDSCH，譯碼后將SIB上報(bào)給高層協(xié)議棧；

不斷接收SIB，上層（RRC）會(huì)判斷接收的系統(tǒng)消息是否足夠，如果足夠則停止接收SIB至此，小區(qū)搜索過程才差不多結(jié)束。

三、隨機(jī)接入過程

在同步和小區(qū)搜索過程結(jié)束之后，緊接著就是隨機(jī)接入過程，整個(gè)隨機(jī)過程的示意圖如下：

1. UE sends preamble sequence to ENB on PRACH

Physical non-synchronizaTIon random access procedure

Physical channel： PRACH

Message： preamble sequence

2. ENB給UE回復(fù)響應(yīng)消息

Address to RA-RNTI on PDCCH

Random access response grant

Physical channel： PDSCH

ENB向UE傳輸?shù)男畔⒅辽侔ㄒ韵聝?nèi)容：RA-preamble identifier， Timing Alignment information， initial UL-grant and assignment of Temporary C-RNTI 。

注：

RA-preamble identifier指UE 發(fā)送的preamble的標(biāo)志符，和index有關(guān)。

Timing Alignment information是時(shí)間提前量信息，因?yàn)榭臻g的無線傳輸存在延遲，ENB計(jì)算出這個(gè)延遲量并告訴UE，以確定下一次發(fā)送數(shù)據(jù)的實(shí)際時(shí)間。

UL-grant： 授權(quán)UE在上行鏈路上傳輸信息，有這個(gè)信息UE才能進(jìn)行下一步的RRC連接請(qǐng)求。其中會(huì)給出UL-SCH可以傳輸?shù)膖ransport block的大小，最小為80bits.

3. RRC connection request（UE—》 ENB）

在進(jìn)行RRC連接請(qǐng)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產(chǎn)生RRC connection request并通過CCCH傳輸：CCCH -》 UL-SCH -》 PDSCH

獲取UE-identity，要么由上層提供（S-TMSI）， 要么是random value。如果UE向當(dāng)前小區(qū)的TA（跟蹤區(qū)）注冊(cè)過了，上層就可以提供S-TMSI，并把establishment clause設(shè)置的與上層一致

4. RRC connection setup（ENB—》UE）

UE接收ENB發(fā)送的radio Resource Configuration等信息，建立相關(guān)的連接，進(jìn)入RRC connection狀態(tài)。

Action about physical layer：

Addressed to the Temporary C-RNTI on PDCCH

如果UE檢測(cè)到RA success，但是還沒有C-RNTI，就把temporary C-RNTI升為C-RNTI，否則丟棄。如果UE檢測(cè)到RA success，而且已經(jīng)有C-RNTI，繼續(xù)使用原來的C-RNTI。

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

RRC連接建立完成，UE向ENB表示接收到了連接的應(yīng)答信息，應(yīng)該是為了保證連接的可靠性的。

如果UE未成功接收到RRC connection setup消息，ENB應(yīng)該會(huì)重發(fā)。不然RRC connection setup complete就沒有存在必要。

在完成以上過程后，便可以進(jìn)入正常的數(shù)據(jù)傳輸過程了。

四、數(shù)據(jù)傳輸過程

數(shù)據(jù)傳輸過程包括兩方面過程：上行調(diào)度過程和下行調(diào)度過程。

■上行調(diào)度過程

1. UE向ENB請(qǐng)求上行資源

Physical channel： PUCCH

Message： SR （schedule request）

SR發(fā)送的周期以及在子幀中的位置由上層的配置決定。

UE需要告訴ENB自己要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，同時(shí)SR中UE必須告訴ENB自己的identity （C-RNTI）。

注：

根據(jù)上層的配置UE按照一定的周期在PUCCH的固定位置傳輸SR，而ENB對(duì)SR的發(fā)送者的識(shí)別是通過UE和ENB事先約定好的偽隨機(jī)序列來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)UE有發(fā)送數(shù)據(jù)的需求是，就把相應(yīng)得SR置1，沒有資源請(qǐng)求時(shí)SR為空。SR只負(fù)責(zé)告訴ENB是否有資源需求，而具體需要多少資源則由上層的信令交互告訴ENB。

在TS36.213中指定：Scheduling request （SR） using PUCCH format 1，不需要進(jìn)行編碼調(diào)制，用presence/absence攜帶信息。

2. 上行信道質(zhì)量測(cè)量

Physical signal： sounding reference signal

Physical channel： PUCCH（這里貌似不對(duì)，SRS是參考信號(hào)，不需物理信道承載）

ENB給UE分配上行資源之前首先必須要知道上行信道的質(zhì)量，如果UE的上行信道質(zhì)量較好且有傳輸數(shù)據(jù)的需求，ENB才會(huì)給UE分配資源。

Sounding reference signal應(yīng)該對(duì)UE和ENB都是已知的，ENB根據(jù)從UE接收到的sounding reference signal 和自己已知的信號(hào)的對(duì)比就可以知道當(dāng)前上行信道的質(zhì)量了。當(dāng)然，如果信道質(zhì)量的變換很快，再加上空間信號(hào)傳輸?shù)难舆t估計(jì)的誤差，由sounding reference signal測(cè)量出的信道質(zhì)量可能會(huì)變得不準(zhǔn)確。所以UE需要每過一段時(shí)間就發(fā)送sounding reference signal給ENB，以盡可能準(zhǔn)確地得到當(dāng)前信道的質(zhì)量。

3. ENB分配資源并通知UE

Physical channel： PDCCH

分配完資源后ENB還必須把分配的結(jié)果告訴UE，即UE可以在哪個(gè)時(shí)間哪個(gè)載波上傳輸數(shù)據(jù)，以及采用的調(diào)制編碼方案。

E-UTRAN在每個(gè)TTI動(dòng)態(tài)地給UE分配資源（PRBs MCS），并在PDCCH上傳輸相應(yīng)的C-RNTI。

4. UE接收資源分配結(jié)果的通知并傳輸數(shù)據(jù)

Physical channel： PUSCH

UE首先接收ENB下發(fā)的資源分配通知，監(jiān)視PDCCH以查找可能的上行傳輸資源分配，從common search space中獲取公共信息，從UE specific search space中搜索關(guān)于自己的調(diào)度信息。根據(jù)搜索到的結(jié)果后就可以在PUSCH對(duì)應(yīng)的PRB上傳輸數(shù)據(jù)信息。

注：

在上行鏈路中沒有盲解碼，當(dāng)UE沒有足夠的數(shù)據(jù)填充分配的資源時(shí)，補(bǔ)0。

5. ENB指示是否需要重傳

Physical channel： PHICH

6. UE重傳數(shù)據(jù)/發(fā)送新數(shù)據(jù)

同4。

■下行調(diào)度過程

1.下行信道質(zhì)量測(cè)量

ENB發(fā)送cell specific reference signal 給UE，UE估計(jì)CQI并上報(bào)給ENB。

CQI不僅告訴ENB信道的質(zhì)量，還包含推薦的編碼調(diào)制方式。

Periodic CQI reporting channel： PUCCH

Aperiodic CQI reporting channel： PUSCH

接收到的DCI format 0的CQI request設(shè)置為1時(shí)，UE非周期上報(bào)CQI、PMI和RI，上層可以半靜態(tài)地配置UE周期性地上報(bào)不同的CQI、PMI和RI。

2. ENB分配下行資源

ENB根據(jù)下行信道的質(zhì)量好壞自適應(yīng)地分配下行資源（針對(duì) UE選擇不同的載波和slot）。

下行鏈路中，E-UTRAN在每個(gè)TTI動(dòng)態(tài)地給UE分配資源（PRBs MCS）。

3. ENB在下行信道傳輸數(shù)據(jù)

Physical channel： PDSCH

根據(jù)資源分配的結(jié)果在PDSCH上填充數(shù)據(jù)， 并在PDCCH上傳輸相應(yīng)的C-RNTI。

4. UE接收數(shù)據(jù)并判斷是否需要發(fā)送請(qǐng)求重傳指示

Physical channel： PUCCH

Physical channel： PDSCH

UE根據(jù)檢測(cè)PDCCH信道，解碼對(duì)應(yīng)的PDSCH信息。UE根據(jù)PDCCH告知的DCI format在common search spaces中接收PDSCH 廣播控制信息。此外，UE通過PDCCH UE specific search spaces接收PDSCH數(shù)據(jù)傳輸。

5. ENB重傳數(shù)據(jù)/發(fā)送新數(shù)據(jù)。