终端和网络需要建立密切的信息交互，手机和网络都要进行哪些物理层的交互呢？
终端需要搜索到服务自己的网络，然后接入网络，这就涉及小区搜索过程和随机接入过程；在交互过程中，终端和网络都需将功率调节到合适的大小，以增强覆盖或抑制干扰，这就是功率控制过程；网络想找到某一个终端，以期与其建立业务连接，这就是寻呼过程；网络的自适应能力依赖于对无线环境的精确感知，测量过程为网络的自适应提供依据；终端和网络的有用信息交互，依赖于共享信道的物理层过程。
1.物理层过程
LTE中，下行物理层过程有：小区搜索过程、下行功率控制、寻呼过程、手机下行测量过程、下行共享信道物理过程。
上行物理层过程有：随机接入过程、上行功率控制、基站上行测量过程、上行共享信道物理过程。
2.小区搜索过程
无线通信制式中，终端和基站建立无线通信链路的前提是必须先进行小区搜索。
在以下两种情况中必须进行小区搜索：一是用户开机，二是小区切换。
在LTE中，用户终端开机或小区切换时，需要和小区取得新的联系，和小区的时频保持同步，获取小区的必要信息。
小区搜索过程中，用户UE要达到以下三个目的：
（1）下行同步：符号定时、帧定时、频率同步。
（2）小区的标识号（ID）获取。
（3）广播信道（BCH）的解调信息获取。
BCH信道广播的信息有：小区的传输带宽（LTE中各小区传输带宽不固定）、发射天线的配置信息（每个基站天线数目可能不一致）、循环前缀（CP）的长度（单播、多播业务CP长度不同）等。
2.1 三个信道、四个步骤
助力UE完成小区搜索过程的功臣是三个信道：
同步信道（SS、SCH）包括：主同步信道（PSS、P-SCH）和从同步信道（SSS、S-SCH）；
参考信道（RS）；
广播信道（BCH）。
小区的搜索过程分为以下四个步骤：
第一步：从PSS信道上获取小区的组内ID；
第二步：从SSS信道上获取小区组号，范围是0~167；协议规定了3个PSS信号，使用长度为62的频域Zadoff-Chu（ZC序列，较好的自相关特性和较低峰均比），分别对应小区组内ID；SSS信号则使用二进制M序列，有168种组合，与168个物理层小区标识组对应。所以UE把PSS和SSS接收下来后就可以确定小区标识。先获取组内顺序号，再获取小区组的顺序号。
第三步：UE接收下行参考信号（DL-RS），用来进行精确的时频同步。DL-RS是UE获取信道估计信息的指示灯。对于频率偏差、时间提前量、链路衰落情况，UE从这里了解清楚，然后在时间和频率上紧跟基站的步伐。
第四步：UE接收小区广播信息。完成前三步后UE就完成了和基站的时频同步，可以接受基站的面向小区内所有UE的广播信号。有需要就听一下，从广播信号上可以获得下行系统带宽值，天线配置，本小区的系统帧号等。
以往无线制式下行系统带宽和天线配置是定死的。在LTE中得益于OFDM、MIMO，配置是灵活的，但增加了这部分信令开销。
2.2 在合适的位置寻找合适的信息
SS信号和BCH信道是小区搜索时UE最先捕获的物理信道。因此必须保证用户在没有任何先验信息情况下能够得到这些信息。
办法就是：在时域和频域上安排固定位置。
回复上一笔记，同步信号每个帧发送两次，PSS和SSS在时域上的位置TDD和FDD不一样。FDD中，PSS、SSS分别在第0个和第5个子帧的第一个时隙的最后两个符号位置上。TDD中，PSS在DwPTS上，SSS在第0个子帧的第1#时隙的最后一个符号上。
BCH在SS之后被用户接受，因此二者须有一个固定的时间间隔τ，如图所示
每个下行帧，SS和BCH可以发送多次，SS和BCH数目也可不同，对于BCH出现的时间位置，终端需要知道，否则无法找到它。
不管小区总传输带宽多大，SCH信道和BCH信道只在小区传输带宽的中心位置传输，而且SCH、BCH总是占用相同的带宽（1.25MHz）.其中有用子载波数目是64个，中间有一个直流子载波（DC）。
在小区搜索的开始，监测系统的中心带宽为1.25MHz。利用同步信道进行下行同步，获取小区标识；然后还是在这1.25Mhz中心带宽上，接收BCH相关的解调信息。UE从BCH的解调信息中获取了分配的系统带宽，然后将工作带宽偏移到指定的频带位置上，至此才可以进行数据传输，整个过程如图所示。
3.随机接入过程
随机接入过程主要完成用户信息在网络侧的初始注册。
通过小区搜索，用户知道了网络侧的信息；而通过随机接入，网络侧又知道了用户的必要信息。
和UMTS随机接入过程不同，LTE的随机接入过程不仅完成用户信息的初始注册，还需要完成上行时频同步（Time Advance，时间提前量，TA）与用户上行带宽资源的申请。
在LTE中，上行时频同步和重新申请上行带宽资源，都需要启动随机接入过程来完成。
大致来说启动随机接入过程的场景有以下三种：开机、UE从空闲状态到连续状态、发生切换。
根据接入时终端的同步状态不同，随机接入过程可分为同步的随机接入和非同步的随机接入。
同步的随机接入过程已经处于同步状态，没有上行同步的目的，主要的目的只是上行带宽资源的申请，而同步的随机接入过程较少使用。
主要介绍非同步的接入过程，非同步随机接入是在用户UE没有上行同步、或者失去上行同步时，需要和网络侧请求资源分配时所使用的接入过程。
3.1 Preamble结构
上行失步情况下，终端和网络侧都不知道彼此间的距离，容易导致基站的上行接收窗错位。这就要求时域采用特殊的Preamble结构（加CP）来克服可能的时间窗错位。
随机接入在接入用户数目较多时基于竞争会发生严重的冲突碰撞，降低系统容量。
一般采用基于资源预留的接入机制。在随机接入过程中一定要选用冲突概率小、相关性较低的同步序列，做上行同步。Zadoff-Chu满足这个要求。
随机接入前导消息Preamble的位置，在时域上是可配置的，在频域上一般位于PUCCH信道的内侧，如图所示。
3.2 LTE与UMTS随机接入过程对比
对于物理层来讲，物理层的随机接入过程包含两个步骤：
发送：UE发送随机接入Preamble；
应答：eUTRAN对随机接入的响应。
UE物理层首先要从高层（传输层的RACH信道）获取随机接入的PRACH信道参数，包括：
（1）PRACH信道配置信息（时域、频域上的信道结构信息）；
（2）前导Preamble格式（前导用于上行时钟对齐和UE识别符，系统规定其由Zadoff-Chu序列产生）；
（3）前导发射功率；
（4）Preamble根序列及其循环位移参数（小区用来解调前导消息）。
UMTS随机接入信道（PRACH）（上行）包括前导消息（Preamble）、正交消息部分（Message），如图所示
在LTE中，随机接入信道（PRACH）只包括前导消息（Preamble），但较UMTS的前导消息内涵更加丰富一些。正文消息部分是在共享信道PUSCH上进行传输，不属于PRACH的一部分。物理层随机接入过程不包括正文消息的发送过程。
LTE基站给终端随机接入的应答，也不像UMTS中简单地回应一个AI，而是有丰富内涵的一个回应，由PDCCH（指示是否有回应）和PDSCH（指示回应的具体内容），如图所示。
基站通过PDSCH信道告知UE随机接入允许的内容（UL-SCH grant），这个内容需要传给UE的传输层在共享SCH信道上才能解析。随机接入响应准许（UL-SCH grant）包括：无限资源RB指派情况、调制编码信息、功率控制命令、是否请求CQI等信息。UE根据随机接入响应准许的要求，在上行PUSCH信道上发送随机接入的消息部分。
随机接入的具体过程如下：
（1）UE高层请求触发物理层随机接入过程。
高层在请求中指示Preamble index、Preamble 目标接收功率、相关的RA-RNTI（Random Access Radio Network Temporary Indentifier，随机接入无线网络临时标识），以及随机接入信道的资源情况等信息。
（2）UE决定随机接入信道的发射功率。
由于随机接入在与网络侧建立联系之前发生，因此采用开环功率控制。终端在PARCH信道发射随机接入前导消息（Preamble）时，自己根据高层指示计算一个发射功率，如下式：
发射功率=preamble的目标接收功率+路径损耗
这个发射功率小于终端最大发射功率，路径损耗为UE通过下行链路估计的值。若网络侧无反应，则UE会一直增加发射功率。
（3）UE以计算出的发射功率，选择Preamble随机序列，在指定的随机接入信道资源中发射单个Preamble。
（4）在传输层设置的时间窗内，UE尝试侦测以其RA-RNTI标识的下行控制信道PDCCH。如果侦测到，把相应的下行信道PDSCH送往传输层。传输从共享信道中解析出接入允许的响应信息。之后开始在PUSCH信道上给基站传送正文消息。
（5）在规定时间内，如果没有收到响应，那么物理层反馈“NACK”给传输层，并退出随机接入过程。
4.功率控制过程
4.1 LTE与CDMA功率控制对比
CDMA是自干扰系统，有较明显的远近效应，依赖功率控制来克服远近效应。LTE使用OFDMA，不属于自干扰系统。
CDMA采用快速功率控制，LTE采用慢速功率控制。
CDMA系统中，每个用户的信号都会占用整个带宽，对小区内、外造成的干扰为宽带干扰。功率控制主要是小区内干扰控制。
LTE系统中，每个用户只会占用一部分系统带宽（多个子载波），而且每个用户占用的子载波数量和位置不一样。因此对小区内和小区间的干扰时是窄带干扰，频率选择性干扰。
4.2 LTE功率控制
根据功率控制执行方是否需要对方反馈控制信息，分为开环功控（无需反馈）和闭环功控（需反馈）。
5. 寻呼过程
寻呼，就是网络寻找某个特定UE的过程。用户被呼叫时，网络侧发起的呼叫建立过程一定包括寻呼过程。这也是UE主叫和被叫流程不一样的地方。
寻呼流程并不是一个纯粹物理层过程，也需要高层的配置和指示。
5.1 不连续接收
如果一个UE在始终不停地查看是否有自己的寻呼信息，会导致手机耗电增加。在一个寻呼过程中，多数时间UE处于睡眠状态，只在预定时间醒来监听一下是否有属于来自网络的寻呼信息。多数时间休息，少数时间监听，是一种不连续接收（DRX）技术。
5.2 LTE和WCDMA寻呼过程对比
两者寻呼过程大致相同，但实现该过程所使用的信道略有不同。
WCDMA中，UE大多数时间休息，只在预定时刻监听物理层寻呼指示信道（PICH），如图所示，这个信道类似村委会通知谁家有包裹寄到的公告栏。
UE在PICH这个公告栏上看是否有自己的包裹（是否有这个UE的寻呼信息）。一旦发现有属于自己的寻呼信息，它立刻到指定位置（S-CCPCH信道上）去寻找自己的包裹（寻呼指示信息）。
先发送一个寻呼指示，再发送一个UE的寻呼消息，可以使UE休息更长时间。因为寻呼指示的时长比寻呼信息时长小很多，且并不是每次寻呼指示里都有某一UE的通知。
LTE中，如图所示，寻呼信息指示信道是PDCCH，寻呼消息发送的得信道是PDSCH。同样地，LTE也是采用DRX技术。
UE在属于自己的特定时刻去监听PDCCH信道，如果在PDCCH信道上检测到自己的寻呼组的标识该UE则需去解读PDSCH，并将解码后的数据通过寻呼传输信道（PCH）传到MAC层。
在PCH传输块中，包含被寻呼的UE的标识。如果该UE没有在PCH上找到自己的标识，则丢弃这个信息，重新进入休眠，等待属于自己的下一个监听时刻的到来。
LTE中没有专门的PICH寻呼消息指示信道，而是和其他指示消息一样，借用PDCCH信道来传送这些指示消息。这是因为PDCCH本身传输时间很短，引入专门的PICH节省的能量有限，但却增加了复杂度。