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由eNodeB组成的无线接入网是系统与终端用户进行通信的接口，它的功能分为数据面和控制面两个部分。其中，数据面部分负责用户数据信息的传输，控制面部分负责系统控制功能和相关信息的传输和处理。控制面和数据面采用了相同的分层协议结构进行信息的处理，包括分组数据包汇聚层（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）、无线链路控制层（Radio Link Control，RLC）、媒体接入层（Medium Access Control，MAC）和物理层。LTE接入网协议架构如图2.8所示。
图2.8 LTE接入网协议架构
无线接入网向核心网提供无线承载的服务，针对每一个用户可以建立1个或者多个无线承载，来自核心网S1接口的IP数据包根据不同的服务质量要求（Quality of Service，QoS）可以映射在不同的无线承载上。数据包将分别经过PDCP-RLC-MAC各层协议功能的处理。PDCP层完成的主要功能包括IP数据包的头压缩，数据加密，以及控制信令的完整性保护。RLC层主要进行自动重传请求（Automatic Repeat Request，ARQ）功能。MAC层的主要功能包括动态资源调度，逻辑信道复用，以及混合自动重传（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）。经过MAC层协议的处理后，形成1个或者多个传输信道，最终通过物理层的处理在无线信道上进行传输。LTE接入网协议功能和数据处理流程如图2.9所示。
图2.9 LTE接入网协议功能和数据处理流程
控制面的主要功能包括无线接入网的无线资源管理（Radio Resource Control，RRC），以及核心网非接入层（NAS）消息的控制功能。无线资源管理（RRC）的主要功能包括系统信息的广播，终端的移动性管理，以及信令和数据的连接控制。核心网移动性管理实体（MME）的非接入层（NAS）控制信令完成的功能包括EPS系统承载（Evolved Packet System，EPS）的管理，空闲状态终端的移动性处理和寻呼，鉴权，以及安全控制。
在LTE/LTE-Advanced的标准制定中，只定义了发射机端信号处理流程，对于接收机的信号处理并没有定义相关的规范，由设备厂家自行设计。因此，在本节中主要介绍标准中的信号发射过程。LTE/LTE-Advanced物理信道基带处理信号分为加扰、调制、调制后的数据符号映射到传输层上，对复数信号进行预编码，将预编码的数据符号映射到资源粒子上，然后产生每个天线端口的时域信号。发射端物理信道处理过程如图2.10所示。
图2.10 发射端物理信道处理过程
其中，加扰的操作是指使用扰码对经过信道编码后的数据进行逐比特的加扰，实现数据间干扰的随机化。采用伪随机码作为扰码，在每个子帧的起始位置，根据RNTI（Radio Network Temporary Identifier）、Cell ID，Codeword的编号及无线帧内的时隙编号等信息，对扰码的PN序列进行初始化。调制映射指的是对比特数据进行复数调制，包括QPSK、16QAM或者64QAM。在完成调制后，物理层的基带处理过程将进行MIMO相关的处理，包括“层映射”和“预编码”。LTE R8版本支持不同的发射天线数目（1 / 2 / 4），以及多种不同的MIMO方案，包括单天线发送、空间复用和发送分集。
LTE采用了许多新的传输技术，下面简单介绍其中几种LTE系统中的关键传输技术。
LTE中下行链路采用OFDM技术，上行链路采用单载波—频分多址（DFT-SOFDM）技术。采用OFDM技术可以使同一小区中用户信号之间保持正交。DFT-SOFDM相对于普通OFDMA峰均比较低，并且用户在上行链路中占用的子载波是连续的，降低终端的功放要求，并且简化终端的设计。OFDM技术的采用相对于CDMA技术有一系列的优势，如频谱效率高、带宽的扩展性强、抗多径衰落、能够灵活地进行频域调度和自适应，并且实现MIMO技术较为简单。
LTE系统中采用了先进的MIMO技术，包括闭环空间分集、开环空间分集、波束赋型（BeamForming）及发射分集等。在LTE中MIMO技术下行基本天线配置为2×2（2发送天线和2接收天线），最大支持4天线传输，可支持最大4个数据流传输。LTE R8的标准中，下行支持发射天线数目为1根、2根和4根，终端侧支持的接收天线数目为2根和4根，下行数据的传输可支持最大层数为4层。上行基站侧最多能够支持4根接收天线，终端侧可以支持单根发射天线。LTE R10的标准中，下行支持发射天线数目为1根、2根、4根和8根，终端侧支持的接收天线数目为2根、4根和8根，下行数据的传输可支持最大层数为8层。上行基站侧最多能够支持4根接收天线，终端侧可以支持1根、2根和4根发射天线，上行数据的传输可支持最大层数为4层。
LTE中也采用常用的AMC（自适应调制编码）与HARQ（混合自动重传）技术，来有效对抗空间信道的衰落，并能够自动进行数据速率控制。LTE系统中，下行采用异步HARQ（包含AMC）机制，eNodeB在物理下行控制信道（PDCCH）上指示HARQ的进程数目和当前发送是否是重传数据包，终端在上行子帧中反馈指示下行传输是否为正确的ACK/NACK信息。LTE系统的上行中则采用同步的HARQ机制，同一进程传输的新数据包或重传数据包采用相同的传输子帧，无须指示HARQ进程数目。
为了对信号的传输进行组织，物理层定义了无线帧的结构。LTE支持两种帧结构：Type 1和Type 2。其中，Type 1用于FDD；Type 2用于TDD。1个无线帧的长度为10ms，分为10个长度等于1ms的子帧。LTE空中接口物理资源分配的最小时间单位是1个“传输时间间隔”（Transmission Time Interval，TTI）。1个TTI的长度是1个子帧，即1ms。
Type 1 FDD帧结构如图2.11所示，1个10ms的无线帧分为10个长度为1ms的子帧（Subframe），每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙（Slot）组成。
图2.11 Type 1 FDD帧结构
Type 2 TDD帧结构如图2.12所示，1个10ms的无线帧分为2个长度为5ms的半帧（Half Frame），每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成，其中包括4个普通子帧和1个特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms的时隙组成，而特殊子帧由3个特殊时隙（UpPTS、GP和DwPTS）组成。
图2.12 Type 2 TDD帧结构
特殊时隙GP（Guard Period）是TDD上/下行转换的保护间隔。在采用TDD双工方式的系统中，由于“信号的传输时延”和“设备收发的转换时延”，为了避免上下行信号之间的干扰，需要在上下行转换的时候设置一定的保护时间间隔。“设备收发的转换时延”指的是终端/基站在从发送状态转换到接收状态（或者相反）的设备时延，典型值为10～20µs。而“信号的传输时延”主要与小区的覆盖半径相关，需要根据系统规划进行相应的设置。在R8版本的系统设计中，支持GP长度在71～714µs范围之内的不同设置，相对应的最大小区半径为7～100km。除了GP之外，特殊子帧中剩余的部分分别用作下行信号传输的DwPTS和上行信号传输的UpPTS。
特殊时隙DwPTS（Downlink Pilot Time Slot）用于下行信号的发送，根据不同的配置，DwPTS的长度可以是3～12个OFDM符号。LTE TDD系统的主同步信号位于它的第3个符号，DwPTS中的其他资源用作正常的下行控制信道和下行共享信道的发送。
特殊时隙UpPTS（Uplink Pilot Time Slot）用于上行信号的发送，它的长度可以配置为1～2个OFDM符号，UpPTS可以用于承载物理随机接入信道（PRACH Format 4）和Sounding导频信号。
TDD系统典型的一个特点是时间资源在上/下行方向上可以进行分配。Type 2 TDD帧结构支持7种不同的上/下行时间比例分配（即配置0～6），可以根据系统业务量的特性进行设置。这7种配置包括3种5ms周期和4种10ms周期的情况，在5ms周期的配置中，每个长度为5ms半帧包含1个下行到上行的转换时间间隔GP；而在10ms周期的配置中，每个长度为10ms的无线帧包含1个下行到上行的转换时间间隔GP。在系统广播消息SIB1中使用3bit指示TDD上/下行时间比例的配置信息。LTE Type 2 TDD上/下行时间配比的配置如图2.13所示。
图2.13 LTE Type 2 TDD上/下行时间配比的配置
物理资源块（Physical Resource Block，PRB）是LTE空中接口物理资源分配的单位。1个PRB在频域上包含12个连续的子载波，采用常规CP时在时域上包含7个连续的OFDM符号，采用扩展CP时则为6个，即1个PRB包括了频域宽度等于180kHz，时间长度等于0.5ms（1个时隙）的物理资源。物理资源块（PRB）的结构（常规CP）如图2.14所示。
通过设置不同的子载波数目可以实现从1.4MHz到20MHz不同的系统带宽，并可以进一步映射到不同的资源块（PRB）数目。表2-6是LTE R8版本定义的6种不同的系统带宽与子载波数目以及PRB数目之间的对应关系。
为了方便物理信道向空中接口物理资源的映射，在物理资源块的基础上还定义了逻辑资源块（Virtual Resource Block，VRB）。逻辑资源块的大小与物理资源块相同，即1个时隙（0.5ms）和12个子载波。逻辑资源块主要定义了资源的分配方式，位于1个子帧内2个时隙的2个VRB（即VRB对）是物理资源分配信令的指示单位。
图2.14 物理资源块（PRB）的结构（常规CP）
表2-6 系统带宽与其对应的PRB数目
逻辑资源块与物理资源块具有相同的数目，但逻辑资源块和物理资源块分别对应有各自的资源块序号 n VRB 和 n PRB 。其中，物理资源块PRB的序号 n PRB 按照频域的物理位置进行顺序编号；而VRB的序号 n VRB 是系统进行资源分配时所指示的逻辑序号，通过它与PRB序号之间的映射关系来进一步确定实际物理资源的位置。
物理层定义了两种类型的逻辑资源块：集中式逻辑资源块（Localized VRB，LVRB）和分布式逻辑资源块（Distributed VRB，DVRB）。其中，LVRB直接映射到PRB上，即 n PRB = n VRB ；而DVRB，逻辑资源序号与物理资源序号具有一定的映射关系，可以表示为 n PRB = f ( n VRB , n s )，其中，0≤ n s ≤19是1个无线帧内的时隙序号。通常情况下，连续的DVBR序号将映射到不连续的PRB序号上，并且1个子帧内的2个时隙也有着不同的映射关系，即属于1个DVRB对的2个具有相同逻辑序号的DVRB将映射到2个时隙不同的PRB上。通过这样的机制实现了“分布式”的资源分配。基于VRB的资源分配如图2.15所示。
图2.15 基于VRB的资源分配
对于下行方向的信号传输，支持LVRB和DVRB的分配，具体采用的方式是在下行资源的调度信令中进行指示。而对于上行方向的信号传输，仅支持LVRB方式的资源分配。
PRB和VRB用于数据信道的资源分配和映射，物理层还定义了资源单元组（Resource Element Group，REG）的概念，用于物理层下行控制信道的资源映射。一个REG有除导频符号之外在频域上连续的4个物理资源，如图2.16所示。
图2.16 REG（资源单元组）
为了进行传输信道向物理信道的映射，提高数据传输的性能，并且将数据是否正确传输的情况向高层报告，物理层需要对传输信道的数据进行一系列信道编码相关的处理，通常的过程包括码字CRC计算，码块分割和码块CRC计算，码块信道编码，码块交织和速率匹配，以及码块连接的过程。传输块物理层信道编码的过程如图2.17所示。
图2.17 传输块物理层信道编码的过程
循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）是数据通信领域中最常用的一种差错校验码，接收端通过对所接收到的数据信息和相应的CRC信息进行校验，可以判断接收到的数据是否正确。
物理层提供了4种CRC计算方法，分别用于不同信息的处理过程，其中包括两种长度为24bit的CRC计算方法，一种长度为16bit的CRC计算方法，以及一种长度为8bit的CRC计算方法。长度为24bit的CRC用于下行共享信道（DL-SCH）、寻呼信道（PCH）、多播信道（MCH）和上行共享信道（UL-SCH）等传输信道信息的处理过程。长度为16bit的CRC用于广播信道（BCH）和下行控制信息（DCI）的处理过程。长度为8bit的CRC用于上行控制信息（UCI）在上行物理共享信道（PUSCH）中传输时可能需要的CRC操作，对应的计算多项式为：
其对应的编码结构如图2.18所示。
图2.18 CRC计算（gCRC8）
传输信道中的1个传输块对应于物理层的1个码字，码字是物理层进行信道编码等相关操作的单位。当收到来自MAC层的1个传输块后，物理层将其对应为1个码字，首先对整个码字进行CRC计算，得到添加了CRC比特后的码字数据流。考虑到信道纠错编码（如Turbo码）的性能与处理时延的因素，标准中定义了最大的编码长度为6144 bit。也就是说，如果添加CRC比特后1个码字数据流的长度大于6144 bit，那么需要对码字进行分割，将1个码字分割为若干个码块（code block），这时候需要对每个码块再添加相应的CRC比特，然后以码块为单位进行后续的信道纠错编码，以满足信道纠错编码最大长度的限制。码块分割如图2.19所示。
图2.19 码块分割
物理层采用的Turbo编码的内交织器对数据的长度有一定的要求，标准中以列表的方式给出了所支持的数值，因此在分块过程中，可能需要进行一定的填充，保证每个码块的长度符合内交织器的要求。
物理层支持包括块编码、截尾的卷积编码和Turbo码三种不同的信道纠错编码方法。其中，Turbo码由于其良好的性能，用于大部分传输信道数据信息的信道编码方法。卷积码的译码复杂度比较低，其性能在码长比较短时与Turbo码相近，因此采用“截尾的卷积码”作为广播信道和物理层下行控制信息主要的信道编码方法。另外，使用块编码作为一些长度更短的信息的信道编码方法，包括控制格式指示信息（PCFICH）、下行HARQ指示信息（PHICH）和物理层上行控制信息（上行ACK信息、CQI信息等）。
速率匹配是对上述信道编码后形成的比特流进行选取，以匹配于最终实际使用的物理资源的过程。根据所选取的数据数量的不同，形成不同的编码速率。在这个过程中，以信道编码的每个码块为单位，进行速率匹配的操作。Turbo码速率匹配的数据选择如图2.20所示。
图2.20 Turbo码速率匹配的数据选择
在完成以码块为单位的信道编码和速率匹配的过程后，将对1个码字内所有的码块进行串行连接，形成码字（即MAC层的传输块）所对应的传输序列，然后就可以进行后续的信号调制相关的处理与发送。码块连接如图2.21所示。
图2.21 码块连接
对应于来自MAC层的传输信道及物理层内部处理过程的需要，物理层定义了一系列的物理信道。从基站到终端的下行方向的物理信道包括物理广播信道（PBCH）、物理下行共享信道（PDSCH）、物理多播信道（PMCH）、物理下行控制信道（PDCCH）、物理控制格式指示信道（PCFICH）和物理HARQ指示信道（PHICH）。从终端到基站的上行方向的物理信道包括物理随机接入信道（PRACH）、物理上行共享信道（PUSCH）和物理上行控制信道（PUCCH）。这些物理信道与来自上层的传输信道及逻辑信道的映射关系分别如图2.22和图2.23所示。
图2.22 下行信道映射
图2.23 上行信道映射
终端在接收基站端在各个下行物理信道上传输的信号之前，需要经历小区搜索和同步过程，该过程主要利用在固定时频资源上放置同步信号，终端监听并检测该同步信号来实现。同步信号包括主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）。
PSS/SSS信号使用的序列与物理层小区ID相关，因此可用于终端对小区的识别。物理层支持504个小区ID：分为168组（0～167），每组包含3个小区ID（0～2）。与此相对应，主同步信号PSS序列包含三种可能性，指示小区的组内ID；辅同步信号SSS序列包含168种可能性，指示小区的组ID。PSS和SSS的传输周期都是5ms，每个同步信号的时间长度为1个OFDM符号。两个同步信号在相同的某一根天线上发送，对于各种不同的系统带宽（1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz），同步信号的传输带宽相同：占用频带中心的1.08MHz带宽，其中同步序列占用62个子载波，两边各预留5个子载波作为保护带，如图2.24所示。
图2.24 同步信号PSS/SSS频域结构
FDD Type 1和TDD Type 2帧结构中，同步信号具有不同的时间位置。在FDD Type 1帧结构中，PSS/SSS信号位于第0帧和第5子帧；在TDD Type 2中，PSS信号位于第1帧和第6帧（即特殊子帧），SSS信号位于第0帧和第5帧。因此，两种帧结构下PSS与SSS的相对位置有所不同：FDD Type 1帧结构中，PSS/SSS位于两个连续的OFDM符号；TDD Type 2帧结构中，PSS/SSS之间有两个OFDM符号的间隔。同步信号相对位置的区别，可用于终端在小区搜索的最初阶段检测LTE系统的双工方式。LTE下行同步信号（FDD Type 1帧结构）如图2.25所示。LTE下行同步信号（TDD Type 2帧结构）如图2.26所示。
图2.25 LTE下行同步信号（FDD Type 1帧结构）
图2.26 LTE下行同步信号（TDD Type 2帧结构）
物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）用于承载类型为MIB（Master Information Block）的系统广播信息。LTE系统广播信息分为MIB和SIB（System Information Block）两种类型。其中，MIB为系统基本的配置信息，在PBCH固定的物理资源上进行传输。MIB数据块的总长度为40 bit，由24个信息比特和16个CRC比特组成。信息比特中包括下行系统带宽指示（3 bit）、PHICH资源指示（3 bit）、系统帧号SFN（8 bit）和预留的10 bit。另外，在16 bit的CRC上以加扰的方式携带关于基站发射天线数目（1/2/4）的信息。
MIB信息的传输周期为40ms。MIB数据块经过信道编码、速率匹配和加扰后，得到1920bit，映射到40ms内，间隔为10ms的4个子帧的PBCH信道的物理资源上。其中，每个PBCH子帧都是可自解码的，也就是说，假设信道质量足够好，终端可以通过四次中的任意一次的接收就解调出MIB信息。
承载MIB信息的PBCH信道位于每个10ms无线帧的第1个子帧，占用4个连续的OFDM符号，在频域上占用下行频带中心1.08MHz的带宽。也就是说，对于各种不同的系统带宽（1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz），物理广播信道PBCH的传输带宽相同，总是占用频带中心的1.08MHz带宽（72个子载波）。
LTE物理广播信道PBCH时域结构如图2.27所示。物理广播信道PBCH频域结构如图2.28所示。
图2.27 LTE物理广播信道PBCH时域结构
图2.28 物理广播信道PBCH频域结构
当发射天线为2/4时，PBCH采用发送分集（SFBC/SFBC+FSTD）的方式。在资源映射时，为了方便终端在不知道发射天线数目情况下进行盲检测，对发射天线数目为1、2或4的情况均使用相同的物理资源映射方式，即总是空出4个天线的小区公用导频CRS资源。
下行物理共享信道（Physical Downlink Shared CHannel，PDSCH）用于下行数据的调度传输，是LTE物理层主要的下行数据承载信道，可以承载来自上层的不同的传输内容（即不同的逻辑信道），包括寻呼信息、类型为SIB的广播信息、控制信息和业务数据信息等。作为决定物理层性能的关键因素之一，PDSCH的传输支持各种物理层机制，包括信道自适应的调度、HARQ和各种MIMO机制（发送分集、空间复用及波束赋型）。
物理控制格式指示信道（Physical Control Format Indicator CHannel，PCFICH）指示物理层控制信道的格式。在LTE中，物理层控制信道（PDCCH）在每个子帧的前几个OFDM符号上传输，根据系统物理层控制信息负载情况的不同，该数值可能是1、2或3（在使用最小值1.4MHz的系统带宽时，为了提供足够的物理层控制信息的容量，也可以设置为4）。PCFICH信道正是对该数值进行了指示，即“在当前子帧中，前几个OFDM符号用于物理层控制信道PDCCH的传输”。
PCFICH指示当前子帧中PDCCH的符号数目为1、2、3（当系统带宽1.4MHz时，取值为2、3、4）。PCFICH的基带处理过程如图2.29所示，其携带的三种可能性通过编码映射得到32bit的信息，经过QPSK调制后形成16个调制符号，这16个调制符号将映射到子帧第1个OFDM符号上的4个资源单元组REG上（每个REG包含4个RE，可以承载4个调制符号）。为了充分获得分集增益，这4个REG均匀的分布在系统下行带宽上。可以注意到，其中频域的起始位置 k 与小区ID相关。因此，不同小区的PCFICH将形成相对的频域偏移，避免不同小区的PCFICH之间的干扰。
PCFICH信道采用的发射天线与PBCH的相同，即1、2或4。当发射天线数目为2或4时，使用SFBC或SFBC+FSTD的发送分集方式。
物理HARQ指示信道（Physical HARQ Indicator CHannel，PHICH）承载对上行数据传输的HARQ ACK/NACK反馈信息。
图2.29 物理控制信道格式指示信道（PCFICH）
物理层PHICH信道以PHICH组的形式组织传输，1个PHICH信道由PHICH组编号和组内编号共同确定。1个PHICH组内的多个PHICH信道采用正交扩频序列的复用方式，占用相同的时频域物理资源。在常规CP的情况下，采用扩频因子为4结合I/Q两路BPSK调制的复用方式，1个PHICH组占用12个调制符号（3个REG），可以复用8个PHICH信道。在扩展CP情况下，针对频率选择性较强的无线信道，采用扩频因子为2结合I/Q两路BPSK调制的复用方式，1个PHICH组占用6个调制符号，可以复用4个PHICH信道，此时，2个PHICH组共同占用3个REG的物理资源。
PHICH信道的基带处理过程如图2.30所示，1bit的ACK/NACK（0/1）信息使用重复编码的方式得到3bit的编码后信息，然后经过BPSK调制及系数为4的扩频操作，得到12个符号，映射在PHICH组所对应的3个REG的物理资源位置上。
在频域上，1个PHICH组对应的3个REG采用分布式的映射方式，以获得分集增益。而在时间上，PHICH有正常（normal）和扩展（extended）两种资源映射方式，在采用正常方式时，PHICH信道映射在子帧的第1个OFDM符号上；而当PDCCH的长度为3时（在混合载波的MBSFN子帧或者TDD特殊子帧中，PDCCH长度为2时），PHICH可以配置为采用扩展的方式，此时每个PHICH信道将分布在PDCCH所占用的多个OFDM符号上。
图2.30 物理HARQ指示信道（PHICH）
在PCFICH所指示的前 n 个OFDM符号中，除了用于PCFICH和PHICH传输的资源外，其余的将用于PDCCH的传输。为了确定用于PDCCH的资源，需要首先确定用于PCFICH和PHICH的资源，其中PCFICH的资源是固定的，而用于PHICH传输的资源数目则由系统在PBCH广播信息进行半静态的指示。前面讲过，MIB信息中有3bit用于PHICH资源的指示，其中包括了正常或者扩展两种时间长度及PHICH组数目四种可能性的指示。
PHICH信道发射天线的数目与PBCH相同，当发射天线数目为2或4时采用SFBC或SFBC+FSTD的发送分集方式。
PHICH信道的索引号与上行数据传输的资源位置相对应，也就是说，不需要采用信令进行额外的指示，根据上行PUSCH数据传输的资源位置就可以确定下行PHICH信号的索引号。具体来说，由相应的上行PUSCH数据传输使用的第1个物理资源块PRB的序号所确定。另外，为了使得各PHICH组中实际使用的PHICH信道数量的负载均衡，相邻的上行PRB位置对应于不同PHICH组中的PHICH信道。
下行物理控制信道（Physical Downlink Control CHannel，PDCCH）用于承载物理层的下行控制消息，包括上/下行数据传输的调度信息和上行功率控制命令信息。
PDCCH信道以控制信道单元（Control Channel Element，CCE）的形式组织传输，1个CCE由9个REG组成（即9×4=36个RE）。根据所占用的CCE数目的不同，标准中定义了四种PDCCH格式，分别占用1、2、4、8个CCE，相应的数值又称为PDCCH的聚合等级（Aggregation Level）。
一个下行子帧可以承载多个PDCCH信道，各PDCCH信道进行独立的CRC计算、加扰、信道编码并根据聚合等级进行速率匹配。一个子帧中所有的PDCCH信道将复用为1个数据比特流，对该数据流进行填充，使各PDCCH信道符合定义的CCE起始位置的规则（聚合等级为 n 的PDCCH的起始位置为 n 整数倍的CCE位置）；并且使填充后的数据比特流长度能够充满分配给PDCCH的OFDM符号的所有资源（除去PCFICH和PHICH）。对形成的数据流进行加扰、调制和多天线映射，将其映射到分配给PDCCH的物理资源上。
在PDCCH数据流向物理资源的映射过程中，包含了交织的操作，数据流以REG（4个调制符号）为单位进行交织。通过交织的资源映射，每个PDCCH信道能够获得充分的分集增益。
下行物理控制信道（PDCCH）如图2.31所示。
图2.31 下行物理控制信道（PDCCH）
PDCCH信道的发射天线与PBCH相同，即1、2或4。当发射天线数目为2或4时采用SFBC或SFBC+FSTD的发送分集方式。
终端对PDCCH信道的接收采用“盲检测”的方式，即终端根据所使用的下行控制信息（DCI）的格式，解调所有可能属于自己的下行PDCCH信道，搜索属于自己的信息。
物理随机接入信道（Physical Random Access CHannel，PRACH）用于终端上行发送随机接入信号，启动随机接入的过程。
随机接入信号由循环前缀（Cyclic Prefix，CP）、接入序列（Sequence）和保护时间（Guard Time，GT）三个部分组成，如图2.32所示。LTE物理层支持五种随机接入信号格式以应用于不同的场景（如小区半径和链路的功率预算）（见表2-7）。在具体使用过程中，由高层信令指示小区所使用的随机接入信道的配置。
图2.32 物理随机接入信道
表2-7 LTE定义的五种随机接入信号格式
其中，格式4的随机接入信号仅用于TDD Type 2中，当TDD配置特殊时隙UpPTS的长度为2个OFDM符号时，可以在UpPTS的位置发送格式4的随机接入信号，以较小的开销实现随机接入的功能。
在频域上，PRACH占用6个PRB（1.08MHz）的带宽。以格式0为例，PRACH信号的生成方式如图2.33所示，信号占用的带宽为1048.75kHz，不足1.08MHz的部分作为频域的保护带。
图2.33 PRACH preamble生成方法（格式0）
LTE物理层使用Zadoff-Chu序列作为生成随机接入信号的序列。每个小区有64个可用的序列，由小区的下行广播信道进行指示。
小区中分配给上行随机接入信道的物理资源位置由高层信令进行指示。在关于小区随机接入信道配置的信息中，指示了使用的PRACH格式及物理资源的位置。
对于FDD Type 1，每个时刻最多传输1个PRACH信道，即没有频分复用。结合配置信息中指示的“PRACH信道的时间位置”和“PRACH信道频率位置的信息”，可以确定小区中PRACH信道的时频资源位置。例如，设置使用PRACH 格式0、周期等于10ms，时间偏移量等于1个子帧，频率位置等于1，那么小区中用于PRACH信道的物理资源位置如图2.34所示。
图2.34 随机接入信道的物理资源位置
对于TDD Type 2，除了在UpPTS上支持PRACH格式4的发送之外，同一个时刻可以采用频分的方式传输多个PRACH信道。因为TDD支持不同的上/下行时隙配比，在某些配置情况下上行时间较少，所以可能需要在同一个时刻支持多个PRACH信道，以提供足够的随机接入信道的容量。在普通子帧中，由于上行两边频带存在PUCCH控制信道，而中间是PUSCH数据信道，因此PRACH信道采用频率偏移结合上/下交错的分配方式，为PUCCH和PUSCH信道留出物理资源空间。TDD Type 2中频分的PRACH信道如图2.35所示。而对于PRACH格式4，由于特殊时隙UpPTS上不存在PUCCH或者PUSCH信道，因此采用了不同的资源配置机制，即从上行频域的边际开始连续分布PRACH信道，在两次UpPTS之间采用跳频的方式交替地从上边带或者下边带开始分布，这样可以在随机接入信号需要多次传输时获得频率分集的增益。TDD Type 2中PRACH格式4的频分与跳频如图2.36所示。
图2.35 TDD Type 2中频分的PRACH信道
图2.36 TDD Type 2中PRACH格式4的频分与跳频
上行物理控制信道（Physical Uplink Control CHannel，PUCCH）传输物理层上行控制信息，包括上行调度请求、对下行数据的ACK/NACK信息和信道状态信息CSI反馈（包括CQI/PMI/RI）。PUCCH信道的资源分布如图2.37所示。
每组PUCCH信道占用1个PRB对，采用时隙跳频的方式，在系统上行频带的两边进行传输，而上行频带的中间部分用于传输上行共享信道（PUSCH）的数据。
图2.37 PUCCH信道的资源分布
根据所承载的上行控制信息，物理层设计了不同的PUCCH格式，对应于不同的发送方法。PUCCH信道不同的格式见表2-8。
表2-8 PUCCH信道不同的格式
根据不同格式的PUCCH信道的特点，不同格式PUCCH信道在频域的分布情况如图2.38所示。其中，PUCCH格式2/2a/2b承载的是信道状态CSI的反馈信息，在系统配置中，这部分资源的数量是相对固定的，因此将它们分布在频带的最外侧，资源的具体数量通过高层信令进行半静态的指示。PUCCH格式1/1a/1b承载的是调度请求信息和对下行数据的ACK/NACK信息，资源数量是动态变化的，与小区中发送的下行数据的数量相关，因此将这一部分资源放置在稍靠近频率中心的位置，方便将系统剩余的频率资源用于上行共享信道PUSCH的传输。
图2.38 不同格式PUCCH信道在频域的分布情况
在所占用的1个PRB对的时频域资源中，PUCCH 1/1a/1b和PUCCH 2/2a/2b都采用了码分的方式进一步复用多个PUCCH信道。因此当配置的PUCCH 2/2a/2b信道数量所占用的资源数目不是PRB对整数倍时，在PUCCH2/2a/2b和PUCCH 1/1a/1b频域的交界处将出现它们在某一个RB对内以码分的方式混合传输的情况。
PUCCH格式1/1a/1b用于终端发送调度请求信息或者1/2比特的ACK/NACK信息。
假设用一个调制符号 d (0)来表示PUCCH格式1/1a/1b发送的信息。对于PUCCH格式1的调度请求信息，基站侧仅需要检测是否存在调制符号 d (0)的发送即可，此时的 d (0)设置为预定的固定值（ d (0)=1）。对于PUCCH格式1a/1b的ACK/NACK信息， d (0)为BPSK或者QPSK调制符号，分别对应于1比特或者2比特的ACK/NACK信息。
在信息的发送过程中，首先使用正交扩频序列
w
(
m
)进行扩频，将信息分散在一个时隙内用于PUCCH传输的多个上行符号上；然后在每个上行符号上使用1个长度为12的Zadoff-Chu序列
进行调制，得到长度为12的复数序列对应于1个RB内的12个子载波。因此，PUCCH格式1/1a/1b的发送包含了“正交扩频序列”和“Zadoff-Chu序列”两次码扩频的过程，可以复用的信道数目为二者的乘积。例如，在使用常规CP的情况下有3个正交扩频序列，而所使用的Zadoff-Chu序列的长度为12，假设设置Zadoff-Chu序列循环移位（Cyclic Shift）的复用间隔为2，那么1个PRB对上可以复用3×6=18个PUCCH 1/1a/1b信道。PUCCH格式1/1a/1b物理层信号发送方法（常规CP）如图2.39所示。
图2.39 PUCCH格式1/1a/1b物理层信号发送方法（常规CP）
为了增强信号的随机性，在PUCCH 1/1a/1b的发送过程中包含了“跳频”的概念。具体包括两种类型：子帧内的两个时隙使用不同的正交扩频序列 w ( m )，即“正交序列跳频”；时隙内的不同上行符号之间使用Zadoff-Chu序列不同的循环移位，即“循环移位跳频”。
PUCCH格式2用于终端发送信道状态信息CSI，包括信道质量指示（Channel Quality Indicator，CQI）、预编码向量指示（Precoding Matrix Indicator，PMI）或者复用秩的指示（Rank Indicator，RI）。在常规CP的情况下，PUCCH格式2还可以扩展成PUCCH格式2a/2b，在这两种格式中，通过对PUCCH格式2中的导频符号进行调制，在CSI信息的基础上，进一步承载1bit或者2bit的ACK/NACK信息。
CSI信息经过信道编码和加扰后形成长度为20bit的数据流，经过QPSK调制后形成10个调制符号（ d (0），…, d (9)），在PUCCH格式2/2a/2b上发送。
PUCCH格式2/2a/2b信息的发送过程与PUCCH格式1/1a/1b类似，只是没有了扩频的操作，因为要发送更多的比特信息。对于要发送的调制符号信息
d
(0），…,
d
(9)，在每个符号上使用长度为12的Zadoff-Chu序列
进行调制，然后将各符号调制的结果映射在子帧内相应上行符号1个RB内的12个子载波上。通过长度为12的Zadoff-Chu序列的不同循环移位来进行同一个RB内不同PUCCH格式2/2a/2b信道的复用。假设设置Zadoff-Chu序列循环移位的复用间隔为2，那么1个PRB对上可以复用6个PUCCH格式2/2a/2b信道。PUCCH格式2/2a/2b物理层信号发送方法（常规CP）如图2.40所示。
图2.40 PUCCH格式2/2a/2b物理层信号发送方法（常规CP）
在PUCCH格式2a/2b中，除了20bit的CSI信息之外，还承载1bit或者2bit的ACK/NACK信息。该ACK/NACK信息将通过BPSK或者QPSK的调制，形成一个调制符号 d (10)，然后进一步调制在导频符号里进行传输。
PUCCH格式2a/2b仅适用于常规CP的情况，对于扩展CP的情况，由于PUCCH格式2的每个时隙内只有1列上行导频，难以将ACK/NACK信息调制在导频中。因此，在这种情况下，如果ACK/NACK和CQI需要同时传输，则需要将对它们进行联合编码形成20bit的数据，采用扩展CP的PUCCH格式2进行发送。
上行物理共享信道（Physical Uplink Shared CHannel，PUSCH）用于上行数据的调度传输，是物理层主要的上行数据承载信道，可以承载来自上层的不同的传输内容（即不同的逻辑信道），包括控制信息和用户业务信息。
与下行物理共享信道PDSCH相似，PUSCH信道是决定系统上行数据传输性能的关键。因此，PUSCH的传输支持各种物理层机制，包括信道自适应的调度、HARQ等。
值得一提的是，LTE物理层采用DFT-SOFDM作为多址方式，这样的多址方式对终端上行功率效率方面带来好处的同时也带来了一些限制。例如，为了保持上行单载波的特性，LTE物理层不支持单用户的上行共享信道（PUSCH）和上行控制信道（PUCCH）的频分复用，即1个用户不能在一个时刻同时发送PUSCH信道和PUCCH信道。当用户有上行数据PUSCH正在发送时，如果需要同时发送物理层上行控制信息（如CSI信息和ACK/NACK信息），那么这些信息不能在PUCCH信道上传输，而是将这些控制信息与数据信息一起复用在PUSCH信道上进行传输。
另外，DFT-SOFDM多址方式的处理过程中包含了DFT的操作，为了降低DFT运算的复杂度，便于使用类似FFT的快速算法，标准中对上行PUSCH信道子载波分配的数目进行了规定，即上行分配的RB数目的数值必需能够被2、3、5这三个质数所分解。
通过小区搜索的过程，终端实现对服务小区下行信号时间和频率的同步，并且确定小区的物理层ID。物理层小区搜索的过程主要涉及两个同步信号，即主、辅同步信号（PSS/SSS）。过程中包括了下行时间和频率的同步，小区物理ID的检测，以及OFDM信号CP长度的检测（常规或者扩展CP）。完成这些操作后，终端就可以开始读取服务小区的广播信道（PBCH）中的系统信息。小区搜索过程如图2.41所示。
图2.41 小区搜索过程
通过同步信号的检测与服务小区获得同步后，终端还可以利用下行导频信号（CRS），进行更精确的时间与频率的同步，以及同步的维持。
针对上行和下行信号的发送特点，物理层定义了相应的功率控制的机制。
对于上行信号，因为终端的功率控制在节电和抑制用户间干扰的方面具有重要意义，所以相应地采用闭环功率控制的方式，控制终端在上行单载波符号上的发送功率。
对于下行信号，因为基站合理的功率分配和相互之间的协调能够抑制小区间的干扰，提高组网的系统性能，所以相应地采用开环功率分配的机制，控制基站在下行各个子载波上的发送功率。
上行功率控制以各终端为单位，控制终端到达基站的接收功率，使得不同距离的用户都能以适当的功率到达基站，避免“远近效应”。物理层上行采用部分功率控制（Fractional Power Control）结合闭环功率控制的方案，对无线链路的大尺度衰落和小尺度衰落进行补偿。
在子帧 i ，终端PUSCH信道的发射功率可以表示为下式：
其中
—— P CMAX 表示终端的最大发射功率。
—— M PUSCH ( i )表示PUSCH的传输带宽（RB数目）。
—— P 0 _PUSCH ( j )＝P 0 _NOMINAL PUSCH_ ( j )＋P 0 __UEPUSCH (j)是由高层信令设置的功率基准值。它可以反应上行接收端的噪声水平，针对小区内用户不同类型的上行传输数据包有不同的数值。例如，由PDCCH半静态调度的数据包 j =0；由PDCCH动态调度的数据包 j =1；或者根据随机接入响应上行发送的数据包 j =2。
—— α ∈{0,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1}表示部分功率控制算法中对大尺度衰落的补偿量。由高层信令使用3bit信息指示本小区所使用的数值。其中， PL 是终端测量得到的下行大尺度损耗。
——Δ
TF
(
i
)表示由调制编码方式和数据类型（控制信息或者数据信息）所确定的功率偏移量。它的数值满足
，其中，MPR与采用的调制编码方式相关，表示每个资源符号上传输的比特数；
K
S
＝1.25或者0，表示是否针对不同的调制方式进行补偿；而
则表示当PUSCH用于传输控制信息时可能进行的补偿。
—— f ( i )是由终端闭环功率控制所形成的调整值。它的数值根据PDCCH格式0/3/3A上的功率控制命令进行调整，物理层有两种闭环功率控制类型，“累计型（accumulation）”和“绝对值型（absolute）”。与上行数据调度相类似，在FDD情况下，PDCCH格式0/3/3A功率控制命令和相应的PUSCH发送之间的时延是4ms；在TDD情况下，该时延的数值根据上下行时间分配比例的不同而有所不同。
同时，可以通过小区之间交换干扰情况的信息，进行协调的调度，抑制小区间的同频干扰。相对应的，在小区间X2接口上交互的信息有以下两种。
① 过载指示（Overload indicator，OI）：指示本小区每个PRB上受到的上行干扰情况。相邻小区通过交换该消息了解对方目前的负载情况，并进行适当的调整。
② 干扰指示（High Interference Indicator，HII）：指示本小区每个PRB对于上行干扰的敏感度情况。该消息反映了本小区的调度安排，相邻小区通过交换该信息了解对方将要采用的调度安排，并进行适当的调整以实现协调的调度。例如，本小区用于调度小区边缘用户的PRB将对干扰比较敏感，而用于调度小区中心用户的PRB对干扰比较不敏感。
下行功率分配以每个RE为单位，控制基站在各个时刻各个子载波上的发射功率。下行功率分配中包括提高导频信号的发射功率（即power boosting），以及与用户调度相结合实现小区间干扰抑制的相关机制。
小区公用导频信号（CRS）在频率上和时间上采用恒定的发射功率，基站通过高层信令指示该发射功率的数值，在接收侧，终端通过测量该信号的平均接收功率，并与信令指示的发射功率进行比较，获得大尺度衰落的数值。
下行共享信道PDSCH的发射功率表示为PDSCH RE与CRS RE的功率比值，即 ρ A 和 ρ B 。其中， ρ A 表示时隙内不带有CRS导频信号的OFDM符号上（如2天线、常规CP的情况下，时隙内的第1、2、3、5、6个OFDM符号），PDSCH RE与CRS RE的功率比值； ρ B 表示时隙内带有CRS导频信号的OFDM符号上（如2天线、常规CP的情况下，时隙内第0、4个OFDM符号），PDSCH RE与CRS RE的功率比值。
① 提高CRS导频信号的发射功率（即power boosting）。
小区通过高层信令指示 ρ B 和 ρ A 的比值，通过不同的比值可以设置导频信号在基站总功率中不同的开销比例，由此实现了不同程度提高CRS导频信号发射功率的功能。
以发射天线数目等于2为例，支持四种不同的小区配置
，分别对应于导频占总功率开销为［1/6，1/3，3/6，2/3］的情况。图2.42表示了
ρ
B
/ρ
A
=1和
时天线端口#0的信号功率情况，对应的导频信号功率开销分别是
和
，分别实现了导频信号以3dB和9dB高于同一OFDM符号中数据元素的发送功率。
图2.42 发射天线为2时的信号功率
② 用户功率分配和小区间干扰协调。
在指示 ρ B 和 ρ A 比值的基础上，通过一个高层参数 P A 可以确定 ρ A 的具体数值，得到基站下行针对用户的PDSCH发射功率，该信息将用于16QAM、64QAM和MU-MIMO等需要幅度信息的检测过程。 P A 和 ρ A 的数值关系是 ρ A = δ p ower−o ffset + P A ，其中， δ p ower −o ffset 用于MU-MIMO的场景，如 δ p ower−o ffset =−3 dB 可以表示功率平均分配给两个用户的情况。
为了支持下行小区间干扰协调的操作，规范中定义了关于基站窄带发射功率限制（Relative Narrowband Tx Power，RNTP）的物理层测量，并在小区间X2接口上进行交互。该消息表示了基站在未来一段时间内，下行各PRB将使用的最大发射功率的情况，相邻小区可以利用该消息来协调用户调度的过程，实现同频小区间干扰抑制的效果。
物理层下行数据传输包含了链路自适应的过程，基站根据终端所上报的信道状态信息（CQI/PMI/RI）选择适当的物理资源和相应的编码调制方式进行下行数据的发送，实现对系统下行无线资源的优化利用，达到最佳的性能，如图2.43所示。
图2.43 信道状态信息反馈和下行链路自适应传输
物理层下行共享信道的传输包括了“调度信息（由PDCCH承载）”和“数据信息（由PDSCH承载）”两个部分。在长度为1ms的子帧结构中，前面的1～3个OFDM符号用于传输下行控制信息，其中包括了传输数据调度信息的PDCCH；而子帧中剩余的符号用于传输数据信息（PDSCH）。下行数据传输的子帧结构如图2.44所示。
图2.44 下行数据传输的子帧结构
在下行数据接收的过程中，终端对当前子帧中所有PDCCH信道进行盲检测，如果发现属于自己的调度信息，那么终端将根据该调度信息的指示（包括资源位置、编码调制方法等）解调接收当前子帧中属于自己的PDSCH数据信息。下行数据的调度与传输如图2.45所示。
图2.45 下行数据的调度与传输
物理层下行支持29种调制编码格式，其中包括了QPSK、16QAM和64QAM三种不同的调制方式和不同的信道编码速率（范围约是0.16～0.92）。根据这样的原则，针对每一种物理资源PRB的占用数目，规范中定义了29种传输块大小（TB Size）。
在进行下行数据传输时，下行调度信息中使用5bit对所调度数据使用的编码调制格式（MCS）进行指示。接收端根据该信息可以确定数据所使用的调制方式；同时将这5bit MCS信息和调度信息中所分配的PRB数目相结合，可以查表确定传输块大小，即信道编码数据源大小的信息，由此实现下行数据正确的传输与接收。
物理层上行数据的传输包含了链路自适应的调度过程。首先，终端在上行发送探测（Sounding）导频信号，基站利用该信号对用户上行信道的质量进行测量，根据测量的结果选择适当的物理资源和相应的编码调制方式，在上行资源调度信息中进行指示，终端根据基站的指示进行上行数据的发送，实现对系统上行无线资源的优化利用。Sounding导频和上行链路自适应如图2.46所示。
图2.46 Sounding导频和上行链路自适应
上行共享信道的传输包括“上行调度信息（由PDCCH承载）”和“数据信息（由PUSCH承载）”两个部分。根据PDCCH上行调度信息的指示，终端使用相应的资源进行上行数据的发送。与下行情况不同的是，在下行共享信道的传输过程中，调度信息与对应的数据信息处于同一个子帧内。而在上行的情况中，终端需要根据PDCCH调度信息的指示，进行上行数据的发送，因此二者之间存在一定的时延，考虑无线传播和设备处理时间的因素，FDD系统将该时延定义为4ms，即对于在子帧 n 中接收到的PDCCH上行调度信息，终端将在子帧 n +4进行对应的上行数据传输。对于TDD系统，在时延最小值等于4ms的前提下，还需要区分是上行子帧或者下行子帧，因为只有在属于上行子帧的时隙才能进行上行数据的发送。上行数据的调度与传输如图2.47所示。
图2.47 上行数据的调度与传输（上为FDD/下为TDD，k≥4）
与下行类似，物理层上行支持29种调制编码格式，其中包括了QPSK、16QAM和64QAM三种不同的调制方式和不同的信道编码速率（范围约是0.16～0.92），并使用与下行相同的传输块大小的表格定义，规定了在各种PRB数目的情况下所对应的29种传输块大小。
在进行上行数据传输时，上行调度信息中使用5bit指示数据的调制编码格式（MCS），终端根据该信息可以确定所使用的调制方法（QPSK/16QAM/64QAM）；同时，将这5bit MCS信息和调度信息中所分配的PRB数目相结合，可以查表确定传输块大小，即信道编码数据源的大小。最后，终端进行信道编码、速率匹配的相关过程，实现上行数据的发送。