終端和網絡需要建立密切的信息交互，手機和網絡都要進行哪些物理層的交互呢？
終端需要搜索到服務自己的網絡，然后接入網絡，這就涉及小區搜索過程和隨機接入過程；在交互過程中，終端和網絡都需將功率調節到合適的大小，以增強覆蓋或抑制干擾，這就是功率控制過程；網絡想找到某一個終端，以期與其建立業務連接，這就是尋呼過程；網絡的自適應能力依賴於對無線環境的精確感知，測量過程為網絡的自適應提供依據；終端和網絡的有用信息交互，依賴於共享信道的物理層過程。
1.物理層過程
LTE中，下行物理層過程有：小區搜索過程、下行功率控制、尋呼過程、手機下行測量過程、下行共享信道物理過程。
上行物理層過程有：隨機接入過程、上行功率控制、基站上行測量過程、上行共享信道物理過程。
2.小區搜索過程
無線通信制式中，終端和基站建立無線通信鏈路的前提是必須先進行小區搜索。
在以下兩種情況中必須進行小區搜索：一是用戶開機，二是小區切換。
在LTE中，用戶終端開機或小區切換時，需要和小區取得新的聯系，和小區的時頻保持同步，獲取小區的必要信息。
小區搜索過程中，用戶UE要達到以下三個目的：
（1）下行同步：符號定時、幀定時、頻率同步。
（2）小區的標識號（ID）獲取。
（3）廣播信道（BCH）的解調信息獲取。
BCH信道廣播的信息有：小區的傳輸帶寬（LTE中各小區傳輸帶寬不固定）、發射天線的配置信息（每個基站天線數目可能不一致）、循環前綴（CP）的長度（單播、多播業務CP長度不同）等。
2.1 三個信道、四個步驟
助力UE完成小區搜索過程的功臣是三個信道：
同步信道（SS、SCH）包括：主同步信道（PSS、P-SCH）和從同步信道（SSS、S-SCH）；
參考信道（RS）；
廣播信道（BCH）。
小區的搜索過程分為以下四個步驟：
第一步：從PSS信道上獲取小區的組內ID；
第二步：從SSS信道上獲取小區組號，范圍是0~167；協議規定了3個PSS信號，使用長度為62的頻域Zadoff-Chu（ZC序列，較好的自相關特性和較低峰均比），分別對應小區組內ID；SSS信號則使用二進制M序列，有168種組合，與168個物理層小區標識組對應。所以UE把PSS和SSS接收下來后就可以確定小區標識。先獲取組內順序號，再獲取小區組的順序號。
第三步：UE接收下行參考信號（DL-RS），用來進行精確的時頻同步。DL-RS是UE獲取信道估計信息的指示燈。對於頻率偏差、時間提前量、鏈路衰落情況，UE從這里了解清楚，然后在時間和頻率上緊跟基站的步伐。
第四步：UE接收小區廣播信息。完成前三步后UE就完成了和基站的時頻同步，可以接受基站的面向小區內所有UE的廣播信號。有需要就聽一下，從廣播信號上可以獲得下行系統帶寬值，天線配置，本小區的系統幀號等。
以往無線制式下行系統帶寬和天線配置是定死的。在LTE中得益於OFDM、MIMO，配置是靈活的，但增加了這部分信令開銷。
2.2 在合適的位置尋找合適的信息
SS信號和BCH信道是小區搜索時UE最先捕獲的物理信道。因此必須保證用戶在沒有任何先驗信息情況下能夠得到這些信息。
辦法就是：在時域和頻域上安排固定位置。
回復上一筆記，同步信號每個幀發送兩次，PSS和SSS在時域上的位置TDD和FDD不一樣。FDD中，PSS、SSS分別在第0個和第5個子幀的第一個時隙的最后兩個符號位置上。TDD中，PSS在DwPTS上，SSS在第0個子幀的第1#時隙的最后一個符號上。
BCH在SS之后被用戶接受，因此二者須有一個固定的時間間隔τ，如圖所示
每個下行幀，SS和BCH可以發送多次，SS和BCH數目也可不同，對於BCH出現的時間位置，終端需要知道，否則無法找到它。
不管小區總傳輸帶寬多大，SCH信道和BCH信道只在小區傳輸帶寬的中心位置傳輸，而且SCH、BCH總是占用相同的帶寬（1.25MHz）.其中有用子載波數目是64個，中間有一個直流子載波（DC）。
在小區搜索的開始，監測系統的中心帶寬為1.25MHz。利用同步信道進行下行同步，獲取小區標識；然后還是在這1.25Mhz中心帶寬上，接收BCH相關的解調信息。UE從BCH的解調信息中獲取了分配的系統帶寬，然后將工作帶寬偏移到指定的頻帶位置上，至此才可以進行數據傳輸，整個過程如圖所示。
3.隨機接入過程
隨機接入過程主要完成用戶信息在網絡側的初始注冊。
通過小區搜索，用戶知道了網絡側的信息；而通過隨機接入，網絡側又知道了用戶的必要信息。
和UMTS隨機接入過程不同，LTE的隨機接入過程不僅完成用戶信息的初始注冊，還需要完成上行時頻同步（Time Advance，時間提前量，TA）與用戶上行帶寬資源的申請。
在LTE中，上行時頻同步和重新申請上行帶寬資源，都需要啟動隨機接入過程來完成。
大致來說啟動隨機接入過程的場景有以下三種：開機、UE從空閑狀態到連續狀態、發生切換。
根據接入時終端的同步狀態不同，隨機接入過程可分為同步的隨機接入和非同步的隨機接入。
同步的隨機接入過程已經處於同步狀態，沒有上行同步的目的，主要的目的只是上行帶寬資源的申請，而同步的隨機接入過程較少使用。
主要介紹非同步的接入過程，非同步隨機接入是在用戶UE沒有上行同步、或者失去上行同步時，需要和網絡側請求資源分配時所使用的接入過程。
3.1 Preamble結構
上行失步情況下，終端和網絡側都不知道彼此間的距離，容易導致基站的上行接收窗錯位。這就要求時域采用特殊的Preamble結構（加CP）來克服可能的時間窗錯位。
隨機接入在接入用戶數目較多時基於競爭會發生嚴重的沖突碰撞，降低系統容量。
一般采用基於資源預留的接入機制。在隨機接入過程中一定要選用沖突概率小、相關性較低的同步序列，做上行同步。Zadoff-Chu滿足這個要求。
隨機接入前導消息Preamble的位置，在時域上是可配置的，在頻域上一般位於PUCCH信道的內側，如圖所示。
3.2 LTE與UMTS隨機接入過程對比
對於物理層來講，物理層的隨機接入過程包含兩個步驟：
發送：UE發送隨機接入Preamble；
應答：eUTRAN對隨機接入的響應。
UE物理層首先要從高層（傳輸層的RACH信道）獲取隨機接入的PRACH信道參數，包括：
（1）PRACH信道配置信息（時域、頻域上的信道結構信息）；
（2）前導Preamble格式（前導用於上行時鍾對齊和UE識別符，系統規定其由Zadoff-Chu序列產生）；
（3）前導發射功率；
（4）Preamble根序列及其循環位移參數（小區用來解調前導消息）。
UMTS隨機接入信道（PRACH）（上行）包括前導消息（Preamble）、正交消息部分（Message），如圖所示
在LTE中，隨機接入信道（PRACH）只包括前導消息（Preamble），但較UMTS的前導消息內涵更加豐富一些。正文消息部分是在共享信道PUSCH上進行傳輸，不屬於PRACH的一部分。物理層隨機接入過程不包括正文消息的發送過程。
LTE基站給終端隨機接入的應答，也不像UMTS中簡單地回應一個AI，而是有豐富內涵的一個回應，由PDCCH（指示是否有回應）和PDSCH（指示回應的具體內容），如圖所示。
基站通過PDSCH信道告知UE隨機接入允許的內容（UL-SCH grant），這個內容需要傳給UE的傳輸層在共享SCH信道上才能解析。隨機接入響應准許（UL-SCH grant）包括：無限資源RB指派情況、調制編碼信息、功率控制命令、是否請求CQI等信息。UE根據隨機接入響應准許的要求，在上行PUSCH信道上發送隨機接入的消息部分。
隨機接入的具體過程如下：
（1）UE高層請求觸發物理層隨機接入過程。
高層在請求中指示Preamble index、Preamble 目標接收功率、相關的RA-RNTI（Random Access Radio Network Temporary Indentifier，隨機接入無線網絡臨時標識），以及隨機接入信道的資源情況等信息。
（2）UE決定隨機接入信道的發射功率。
由於隨機接入在與網絡側建立聯系之前發生，因此采用開環功率控制。終端在PARCH信道發射隨機接入前導消息（Preamble）時，自己根據高層指示計算一個發射功率，如下式：
發射功率=preamble的目標接收功率+路徑損耗
這個發射功率小於終端最大發射功率，路徑損耗為UE通過下行鏈路估計的值。若網絡側無反應，則UE會一直增加發射功率。
（3）UE以計算出的發射功率，選擇Preamble隨機序列，在指定的隨機接入信道資源中發射單個Preamble。
（4）在傳輸層設置的時間窗內，UE嘗試偵測以其RA-RNTI標識的下行控制信道PDCCH。如果偵測到，把相應的下行信道PDSCH送往傳輸層。傳輸從共享信道中解析出接入允許的響應信息。之后開始在PUSCH信道上給基站傳送正文消息。
（5）在規定時間內，如果沒有收到響應，那么物理層反饋“NACK”給傳輸層，並退出隨機接入過程。
4.功率控制過程
4.1 LTE與CDMA功率控制對比
CDMA是自干擾系統，有較明顯的遠近效應，依賴功率控制來克服遠近效應。LTE使用OFDMA，不屬於自干擾系統。
CDMA采用快速功率控制，LTE采用慢速功率控制。
CDMA系統中，每個用戶的信號都會占用整個帶寬，對小區內、外造成的干擾為寬帶干擾。功率控制主要是小區內干擾控制。
LTE系統中，每個用戶只會占用一部分系統帶寬（多個子載波），而且每個用戶占用的子載波數量和位置不一樣。因此對小區內和小區間的干擾時是窄帶干擾，頻率選擇性干擾。
4.2 LTE功率控制
根據功率控制執行方是否需要對方反饋控制信息，分為開環功控（無需反饋）和閉環功控（需反饋）。
5. 尋呼過程
尋呼，就是網絡尋找某個特定UE的過程。用戶被呼叫時，網絡側發起的呼叫建立過程一定包括尋呼過程。這也是UE主叫和被叫流程不一樣的地方。
尋呼流程並不是一個純粹物理層過程，也需要高層的配置和指示。
5.1 不連續接收
如果一個UE在始終不停地查看是否有自己的尋呼信息，會導致手機耗電增加。在一個尋呼過程中，多數時間UE處於睡眠狀態，只在預定時間醒來監聽一下是否有屬於來自網絡的尋呼信息。多數時間休息，少數時間監聽，是一種不連續接收（DRX）技術。
5.2 LTE和WCDMA尋呼過程對比
兩者尋呼過程大致相同，但實現該過程所使用的信道略有不同。
WCDMA中，UE大多數時間休息，只在預定時刻監聽物理層尋呼指示信道（PICH），如圖所示，這個信道類似村委會通知誰家有包裹寄到的公告欄。
UE在PICH這個公告欄上看是否有自己的包裹（是否有這個UE的尋呼信息）。一旦發現有屬於自己的尋呼信息，它立刻到指定位置（S-CCPCH信道上）去尋找自己的包裹（尋呼指示信息）。
先發送一個尋呼指示，再發送一個UE的尋呼消息，可以使UE休息更長時間。因為尋呼指示的時長比尋呼信息時長小很多，且並不是每次尋呼指示里都有某一UE的通知。
LTE中，如圖所示，尋呼信息指示信道是PDCCH，尋呼消息發送的得信道是PDSCH。同樣地，LTE也是采用DRX技術。
UE在屬於自己的特定時刻去監聽PDCCH信道，如果在PDCCH信道上檢測到自己的尋呼組的標識該UE則需去解讀PDSCH，並將解碼后的數據通過尋呼傳輸信道（PCH）傳到MAC層。
在PCH傳輸塊中，包含被尋呼的UE的標識。如果該UE沒有在PCH上找到自己的標識，則丟棄這個信息，重新進入休眠，等待屬於自己的下一個監聽時刻的到來。
LTE中沒有專門的PICH尋呼消息指示信道，而是和其他指示消息一樣，借用PDCCH信道來傳送這些指示消息。這是因為PDCCH本身傳輸時間很短，引入專門的PICH節省的能量有限，但卻增加了復雜度。