1、小区初搜过程

图5.10 小区搜索过程
小区搜索基于三个信号完成：主同步信号、辅同步信号、下行导频信道。完成：时间/频率同步，小区ID识别，CP长度检测。完成这些操作后，UE开始读取PBCH信道信息。主同步信号PSS占用子帧1、6的第三个符号，辅同步信号SSS占用子帧0、5的最后一个符号。PSS和SSS信号的位置相对固定。为了系统支持多种传输带宽配置，为了保证各个系统带宽下PSS和SSS位置的相对固定和检测算法的实现简化，PSS和SSS信号在频域上总是处于整个系统带宽中央1.08MHz（6个PRB块）的位置。

主同步信号：频域为长度62的复数序列，3种不同的取值，用于指示物理层小区标识组内的物理层小区标识。
辅同步信道：频域为长度62的二进制实数序列（频域实数序列对应时域对称的结构，可用自相关的方法进行搜索），10ms中的两个辅同步时隙（0和10）采用不同的序列，168种组合，在主同步信道的基础上，指示168个物理层小区组ID。
下行导频信道：用于更精确的时间同步和频率同步。
ENB一直处于开机状态，UE无论开机还是mobility，都通过小区搜索（cell search）实现时、频同步，同时获得cell PHY ID。然后读PBCH，得到系统帧号和带宽信息，以及PHICH的配置等系统消息，具体步骤如下：
（1） 一般来说应该UE先对可能存在小区的频率范围内测量小区信号强度RSSI，据此找到一个可能存在小区的中心频点；
（2）然后在这个中心频点周围收PSS和SSS，这两个信号和系统带宽没有限制，配置是固定的，而且信号本身以5ms为周期重复，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Id，同时得到小区定时的5ms边界；
（3）5ms边界得到后，根据PBCH的时频位置，使用滑窗方法盲检测，一旦发现crc校验结果正确，则说明当前滑动窗就是10ms的帧边界，并且可以根据PBCH的内容得到系统帧号和带宽信息，以及PHICH的配置；
（4）至此，UE实现了和eNB的定时同步。

当获取了PBCH信息后，要获得更多的无线信道参数等还要接受其余的SIB信息，这些信息在PDSCH上发送：
（1）接收PCFICH，此时该信道的时频资源就是固定已知的了，可以接收并解析得到PDCCH的symbol数目；
（2）接收PHICH，根据PBCH中指示的配置信息接收PHICH；
（3）在控制区域内，除去PCFICH和PHICH的其他CCE上，搜索PDCCH并做译码；
（4） 检测PDCCH的CRC中的RNTI，如果为SI-RNTI，则说明后面的PDSCH是一个SIB，于
是接收PDSCH，译码后将SIB上报给高层协议栈；
（5）不断接收SIB，HLS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，小区搜索过程结束。


2、随机接入过程
随机接入是UE与网络之间建立无线链路的必经过程。只有随机接入完成后，eNB和
UE才可能进行常规数据传输和接收。


UE可以通过随机接入过程实现两个基本功能：
取得与eNB之间的上行同步：
申请上行资源。
随机接入过程涉及物理层、MAC层、RRC层等多个协议层。物理层定义随机接入过程所需要的前导码（preamble）、PRACH信道资源、随机接入过程各消息的时序关系等;MAC层负责控制随机接入过程触发与实施；对于一些特殊的随机接入场景，例如切换过程中的随机接入，则需要RRC层的参与。
随机接入过程应用于以下6种场景：
从RRC_IDLE状态初始接入，即RRC连接建立；
无线链路失败后初始随机接入，即RRC连接重建；
切换
下行数据到达且UE空口处于上行失步状态；
上行数据到达且UE空口处于上行失步状态，或者虽未失步但需要通过随机接入申请上行资源；
辅助定位，网络利用随机接入获取时间提前量（TA，timing Advance）

根据UE发起preamble码时是否存在碰撞的风险，随机接入过程可分为竞争随机接入和非竞争随机接入。
基于竞争模式的随机接入：
RRC_IDLE状态下的初始接入；
无线链路出错以后的初始接入；
RRC_CONNECTED状态下，当有上行数据传输时，例如在上行失步后“non-synchronised”， 或者没有PUCCH资源用于发送调度请求消息，也就是说在这个时候除了通过随机接入的方式外，没有其它途径告诉eNB，UE存在上行数据需要发送
基于非竞争模式的随机接入：
RRC_CONNECTED状态下，当下行有数据传输时，这时上行失步“non-synchronised”，因为数据的传输除了接收外，还需要确认，如果上行失步的话，eNB无法保证能够收到UE的确认信息，因为这时下行还是同步的，因此可以通过下行消息告诉UE发起随机接入需要使用的资源，比如前导序列以及发送时机等，因为这些资源都是双方已知的，因此不需要通过竞争的方式接入系统
切换过程中的随机接入，在切换的过程中，目标eNB可以通过服务eNB来告诉UE它可以使用的资源；
是否基于竞争在于在当时终端能否监听到eNB传递的下行控制信道，以便获得特定的资源用于传输上行前导，当然这个判断是由eNB作出的，而不是UE自己来决定的。


图5.11 随机接入过程
基于竞争的随机接入流程如上图所示，主要分为四个步骤：
步骤1：UE随机选择一个Preamble码，在PRACH上发送；
在发送上行接入前导序列之前，终端应该已经和系统下行同步好了，下行同步意味着UE获得了帧同步以及系统广播消息，但是上行并没有同步。通过前导序列，让eNB知道存在一个终端试图跟基站建立连接；
eNB负责对Preambler码以及用于preambler码的PRACH信道资源进行配置，并通过系统消息将配置结果通知小区内驻留的UE。

步骤2：eNode B在检测到有Preamble码发送后，下行发送随机接入响应，随机接入响应中包含以下信息：
Backoff(回退)参数（指示如果本次随接入失败，UE下次发起随机接入的时延最大值）;
所收到的Preamble码的编号；
所收到的Preamble码对应的时间调整量（用于Msg3上行传输定时提前量）；
为该终端（Msg3）分配的上行资源位置指示信息；
临时C-RNTI分配（小区级终端标识）。
步骤3：UE在收到随机接入响应后，根据其指示，在分配的上行资源上发送上行Msg3消息（RRCConnection Request），Msg3的传输支持HARQ过程，标准规定eNB分配的上行资源至少应支持净载荷为56bit的信息传输。
Msg3的初始传输时唯一通过MAC层消息指示的上行数据动态调度传输，当随机接入过程完成后，其他动态调度上行初始传输都是物理层信道（PDCCH）进行资源分配指示。
Msg3的重传获得PDCCH通知UE，UE通过接收临时C_RNTI加扰的PDCCH获取重传指示，其中C_RNTI在Msg2中携带。
针对不同场景携带不同内容
初始接入：携带RRC层生成的RRC连接请求消息
连接重建：携带RRC层生成的RRC重建请求消息
切换：传输RRC层生成的RRC切换完成消息及UE的C_RNTI。
上下行数据到达：至少传输UE的C-RNTI。
步骤4：Node B接收UE的上行消息，并向接入成功的UE返回竞争解决消息（RRC Connection Setup）。
初始和连接重建;Msg4通过MAC层控制单元携带UE竞争解决标识，该MAC CE中包含UE在Msg3中传输的CCCH SDU，UE在接受到该MAC CE后，与其在Msg3中发送的高层标识进行对比，二者相同则判定为竞争解决成功。在竞争解决成功后，临时C_RNTI升级为UE的C_RNTI。
Msg4采用HARQ机制，但只有成功解码Msg4并成功解决竞争的UE才反馈ACK，其他情况不进行反馈。
UE在发送Msg3之后启动解决定时器，并在每次Msg3重传是启动竞争解决定时器。如果知道竞争解决定时器超时都没有完成竞争解决，则认为竞争失败。竞争失败后，与Msg2接收失败的操作类似：依据backoff参数的时延制决定一下次发起随机接入的时刻，并选择随机接入资源发起一下次随机接入。到达最大的随机接入次数后，UE MAC层向RRC层上报随机接入问题。

只有第一步是纯粹的物理层过层，后面三个步骤跟普通的数据传输过程没有区别，看MAC协议经常看到MSG3或者MSG4等等，因为在随机接入的过程中，这些消息的内容不是固定，有时候可能携带的是RRC连接请求，有时候可能会带一些控制消息甚至业务数据包，因此简称为消息3之类，其意思就是第三条消息。
注：值得注意的是, 冲突解决消息MSG4, 也是基于HARQ的. 只有赢得冲突的UE才发送ACK值, 失去冲突或无法解码Msg4 的UE不发送任何反馈消息