无线通信工程--第03讲－信道18870.pptx

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1、无线通信工程无线通信工程姚彦教授清华大学微波与数字通信国家重点实验室2001年11月17日第三讲第三讲无线通信的信道无线通信的信道 引言引言 自由空间传播自由空间传播 地面视距传播地面视距传播 地面超视距传播地面超视距传播 移动传播移动传播引引 言言 引言（引言（1 1）：无线通信信道的分类）：无线通信信道的分类n n理想无线信道？非理想无线信道？理想无线信道？非理想无线信道？理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。传播。n n固定无线信道？移动无线信道？固定无线信道？移动无线信道？n n视距无线信道？非视距无线信道？视距无线信道？非视

2、距无线信道？视距，如：地面视距、卫星。视距，如：地面视距、卫星。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。n n有干扰无线信道？无干扰无线信道？有干扰无线信道？无干扰无线信道？干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。敌意干扰。引言（引言（2 2）：无线通信信道的指标）：无线通信信道的指标n n传播衰减传播衰减衰减的平均值衰减的平均值衰减的最大值衰减的最大值衰减的统计特性衰减的统计特性n n传播延时传播延时延时的平均值延时的平均值延时的最大值延时的最大值延时的统计特性延时的统计特性

3、n n延时扩展延时扩展对信道色散效应的描对信道色散效应的描述述n n多普勒扩展多普勒扩展对信道时变效应的描对信道时变效应的描述述n n干扰干扰干扰的性质干扰的性质干扰的强度干扰的强度 引言（引言（3 3）：无线传播信道的模型）：无线传播信道的模型n n信道响应为信道响应为h(h(,t),t)，可以表示色散和时变，可以表示色散和时变n n假设：线性信道、加性干扰假设：线性信道、加性干扰h(,t)s(t)r(t)n(t)自由空间传播自由空间传播 自由空间传播（自由空间传播（1 1）n n什么叫自由空间？无任何衰什么叫自由空间？无任何衰减、无任何阻挡、无任何多减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。径

4、的传播空间。n n无线电波在自由空间传播时，无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。为自由空间的传播损耗。n n如图所示，发射功率为如图所示，发射功率为P PT T，发射天线为各向均匀辐射，发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，则以发射源为中心，d d为半为半径的球面上单位面积的功率径的球面上单位面积的功率为：为：S S P PT T/4/4 d d2 2n n球面上的功率流球面上的功率流PTd 自由空间传播（自由空间传播（2 2）n n由于天线有方向性（设发射由于天线有方向性（设发射天

5、线增益为天线增益为G GT T），故在主波），故在主波束方向通过单位面积的功率束方向通过单位面积的功率为：为：S=GS=GT T P PT T/4/4 d d2 2n n设接收天线的有效面积为设接收天线的有效面积为A A，则接收天线所截获的功率为：则接收天线所截获的功率为：P Pr r=S A=A G=S A=A GT T P PT T/4/4 d d2 2n n对于抛物面天线，假定天线对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布，口面场具有等相、等幅分布，则天线的有效面积为：则天线的有效面积为：A=GA=Gr r 2 2/4/4 其中其中G Gr r为接收天线增益，为接收天线增益，为自由

6、空间波长为自由空间波长n n代入代入P Pr r公式。得到：公式。得到：P Pr r=G=Gr r G GT T P PT T(/4/4 d)d)2 2n n令：令：P Pr r /P/PT T=G=Gr r G GT T/L/LS S其中其中L LS S定义为自由空间传定义为自由空间传播损耗。播损耗。n n则：则：L LS S=(4=(4 d d/)2 2 =(4(4 f d f d/c c )2 2n n以分贝数表示：以分贝数表示：L LS S=92.4+20 lg f=92.4+20 lg f(GHz)(GHz)+20 lg d+20 lg d(km)(km)dBdB地面视距传播地面视距

7、传播 简简 介介n n地面微波通信属于视地面微波通信属于视距传播。距传播。n n视距传播的主要特点视距传播的主要特点是收发天线都在视距是收发天线都在视距范围内。范围内。n n视距传播要考虑大气视距传播要考虑大气效应和地面效应。效应和地面效应。n n视距和天线高度的关系视距和天线高度的关系视距和天线高度的关系视距和天线高度的关系由于地球是一个曲面，由于地球是一个曲面，天线高度天线高度h h1 1、h h2 2和视距和视距d d之间存在以下关系：之间存在以下关系：d=3.57()d=3.57()其中其中h h1 1、h h2 2的单位是的单位是mm，d d的单位是的单位是kmkm。说明说明说明说明

8、：此公式没有考虑大：此公式没有考虑大气及地面对传播的影响，气及地面对传播的影响，所以只能用作大致的估所以只能用作大致的估计。计。大气效应之一：吸收衰减大气效应之一：吸收衰减n n主要发生在高频段主要发生在高频段 水蒸汽的最大吸收峰水蒸汽的最大吸收峰在在23GHz(1.3cm)23GHz(1.3cm)；氧气的最大吸收峰在氧气的最大吸收峰在60GHz(5mm)60GHz(5mm)；n n对于对于12GHz(2.5cm)12GHz(2.5cm)以以下的频率，大气吸收下的频率，大气吸收衰减小于：衰减小于：0.015dB/km0.015dB/km。大气效应之二：雨雾衰减大气效应之二：雨雾衰减n n在在1

9、0GHz10GHz以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只以下频段，雨雾衰减并不严重，一般只有几有几dBdB。n n在在10GHz10GHz以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几以上频段，雨雾衰减大大增加，达到几dB/kmdB/km。n n下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。下雨衰减是限制高频段微波传播距离的主要因素。大气效应之三：大气折射大气效应之三：大气折射n n引入等效地球半径的概念：引入等效地球半径的概念：地面效应之一：地面效应之一：费涅尔半径和余隙费涅尔半径和余隙n n利用波动光学的惠更利用波动光学的惠更斯费涅尔原理，在斯费涅尔原理，在遇到障碍物时将产生遇到障碍物时将产生附加损耗。附加

10、损耗。n n障碍物到障碍物到T T，R R连线的连线的垂直距离为垂直距离为h hc c，称为称为余隙。一阶费涅尔半余隙。一阶费涅尔半径为径为h h1 1，定义定义h hc c/h/h1 1为为相对余隙。就可以从相对余隙。就可以从右图求出附加损耗。右图求出附加损耗。地面效应之二：地面效应之二：地面反射地面反射n n这是产生电平衰落的主这是产生电平衰落的主要原因之一。要原因之一。n n设：反射系数为设：反射系数为mm，反反射相位为射相位为1801800 0，自由空自由空间衰减系数为间衰减系数为，就可以，就可以求出接收点的场强：求出接收点的场强：平衰落平衰落n n当衰落较严重时，接当衰落较严重时，接

11、收点的场强接近瑞利收点的场强接近瑞利分布分布n n接收点场强小于某个接收点场强小于某个值的概率值的概率n n通用公式通用公式n n例：例：B B1 1 C C3.53.5 A=1.4 A=1.4 10108 8 Q=1Q=1频率选择性衰落频率选择性衰落n n根据根据W.D.RummlerW.D.Rummler提出的伪三径模型，得到频率选择性衰提出的伪三径模型，得到频率选择性衰落的频率响应函数，如下图所示。落的频率响应函数，如下图所示。地面超视距传播地面超视距传播对流层散射传播对流层散射传播n n在地球表面在地球表面101012 12 kmkm处为对流层，存在处为对流层，存在大量随机运动的不均大

12、量随机运动的不均匀介质，能对电波产匀介质，能对电波产生折射、散射和反射。生折射、散射和反射。n n散射通信是利用部分散射通信是利用部分散射体内介质的前向散射体内介质的前向散射信号。这是典型散射信号。这是典型的多径信道。的多径信道。n n通信距离可达几百通信距离可达几百上千公里。上千公里。n n散射信道不存在电波的直散射信道不存在电波的直射分量，是典型的瑞利衰射分量，是典型的瑞利衰落信道。落信道。n n根据测试结果，接收电平根据测试结果，接收电平小于其均方根值小于其均方根值10dB,10dB,20dB,30dB20dB,30dB的概率分别为的概率分别为1010，1 1，0.1%0.1%。n n快

13、衰落服从瑞利分布。快衰落服从瑞利分布。n n慢衰落服从对数正态分布。慢衰落服从对数正态分布。n n克服散射信道衰落的主要克服散射信道衰落的主要方法是采用分集接收技术。方法是采用分集接收技术。电离层反射传播电离层反射传播n n在地球上空在地球上空60km60km以上是电离层，可以分为以上是电离层，可以分为D D层、层、E E层、层、F F层。层。D D层能吸收电波，层能吸收电波，E E层能反射电波，然而在晚上都会消失。层能反射电波，然而在晚上都会消失。对电波起良好反射作用的是对电波起良好反射作用的是F F层，并且能够在昼夜都保持层，并且能够在昼夜都保持一定的通信功能。一定的通信功能。电离层反射传

14、播（续）电离层反射传播（续）n n存在严重的多径效应，最存在严重的多径效应，最大传播延时差可达毫秒量大传播延时差可达毫秒量级。级。n n存在严重的时变性，电离存在严重的时变性，电离层的特性随时变化，并且层的特性随时变化，并且很难准确预测很难准确预测n n存在最高可用频率，为了存在最高可用频率，为了实现较好的传输质量，工实现较好的传输质量，工作频率应尽可能接近最高作频率应尽可能接近最高可用频率。这些频率都在可用频率。这些频率都在短波波段（短波波段（2 230MHz30MHz）。）。n n存在多种附加损耗。如：存在多种附加损耗。如：吸收损耗（吸收损耗（6 625dB25dB），），地面反射损耗（地

15、面反射损耗（20dB20dB），），系统额外损耗（系统额外损耗（151518dB18dB）n n存在严重的干扰，这是短存在严重的干扰，这是短波通信的一大特点。包括：波通信的一大特点。包括：大气噪声、工业干扰、天大气噪声、工业干扰、天电干扰、其它电台的干扰。电干扰、其它电台的干扰。n n技术措施：自适应均衡、技术措施：自适应均衡、自动线路建立、分集。自动线路建立、分集。流星余迹传播流星余迹传播n n据统计，每昼夜有数百据统计，每昼夜有数百亿的流星进入大气层，亿的流星进入大气层，和空气碰撞产生电离。和空气碰撞产生电离。在地面在地面8080120km120km处形处形成电离气体带，这就是成电离气体带

16、，这就是流星余迹。流星余迹。n n利用流星余迹的散射和利用流星余迹的散射和反射进行通信。反射进行通信。n n工作频率工作频率303080MHz80MHz，传输距离传输距离2002002000km2000km，传输速率低，用于突，传输速率低，用于突发通信。发通信。卫星传播卫星传播n n静止卫星静止卫星静止卫星静止卫星n n信道稳定，可以按照信道稳定，可以按照自由空间传播损耗计自由空间传播损耗计算算n n长延时，要考虑对话长延时，要考虑对话音质量和通信协议的音质量和通信协议的影响影响n n移动卫星移动卫星移动卫星移动卫星n n要考虑地面的影响，要考虑地面的影响，包括多径和遮蔽包括多径和遮蔽n n接

17、收信号电平服从莱接收信号电平服从莱斯分布斯分布n n要考虑多普勒频移要考虑多普勒频移移动传播移动传播说说 明明n n移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。境。n n首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。绕射、反射、散射。n n其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。化，引起接收场强的快速波动。n n为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。

18、为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。四种传播机制四种传播机制n n直射：自由空间传播直射：自由空间传播n n反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。面。n n绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。的边缘阻挡时，发生绕射。n n散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常

19、巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。等。二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型二种传播模型：大尺度模型和小尺度模型n n大尺度路径损耗传播模型大尺度路径损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。n n小尺度多径衰落传播模型小尺度多径衰落传播模型描描述述移移动动台台在在极极小小范范围围内内移移动动时时，短短距距离离或或短短时时间间

20、上上接接收收场场强强的的快快速速变变化化，用用于于确确定定移移动动通通信信系系统应该采取的技术措施。统应该采取的技术措施。二种传播模型（续）二种传播模型（续）对数距离路径衰减规律对数距离路径衰减规律根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信根据理论和测试结果，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示：号功率随距离的对数衰减，其路径损耗指数如下表所示：多径扩散和相干带宽的关系 多径扩散和相干带宽多径扩散和相干带宽多普勒扩散和相干时间的关系 多普勒扩散和相干时间多普勒扩散和相干时间基于多径时延扩散平衰落1.信号带宽相干带宽2.时延扩散相干带宽2.时

21、延扩散符号周期基于多普勒扩散 快衰落 1.多普勒频移大2.相干时间符号周期3.信道变化慢于基带信号的变化衰落信道的分类衰落信道的分类大尺度模型：室外模型大尺度模型：室外模型n nLongley-RiceLongley-Rice模型模型模型模型n n适用频率范围：适用频率范围：40MHz-40MHz-10GHz10GHz。不同种类地形的点对点系统。不同种类地形的点对点系统。n n利用路径几何学及对流层利用路径几何学及对流层绕射性，预测大尺度中值绕射性，预测大尺度中值传播损耗。传播损耗。n n有计算机程序，根据输入有计算机程序，根据输入的路径参数，进行点对点的路径参数，进行点对点预测或区域预测。预

22、测或区域预测。n n缺点：不能提供对环境因缺点：不能提供对环境因素的修正，没有考虑多径素的修正，没有考虑多径效应。效应。n nDurkinDurkin模型模型模型模型n n描述不规则地形场强预测的描述不规则地形场强预测的计算机仿真器。计算机仿真器。n n已被联合无线电委员会用于已被联合无线电委员会用于进行有效移动无线覆盖区的进行有效移动无线覆盖区的研究。研究。n n主要用于大尺度路径损耗的主要用于大尺度路径损耗的预测。预测。n n缺点：不能精确预测由于树缺点：不能精确预测由于树叶、建筑物、其它人造结构叶、建筑物、其它人造结构引起的传播效应，不能计算引起的传播效应，不能计算除地面反射以外的多径传

23、播。除地面反射以外的多径传播。大尺度模型：室外模型（续）大尺度模型：室外模型（续）n nOkumuraOkumura模型模型模型模型n n适用频率范围适用频率范围150MHz-3GHz150MHz-3GHz，距离距离1 1100km100km，天线高度天线高度30301000m1000m。n n预测城区信号时使用最广泛的预测城区信号时使用最广泛的模型，在日本已经成为系统规模型，在日本已经成为系统规划的标准。划的标准。n n开发了一套在特定条件下自由开发了一套在特定条件下自由空间中值损耗的曲线。空间中值损耗的曲线。n n缺点：对城区和郊区的快速变缺点：对城区和郊区的快速变化反应较慢，和实际情况偏

24、差化反应较慢，和实际情况偏差约约101014dB14dB。大尺度模型：室外模型（续）大尺度模型：室外模型（续）n nHataHata模型模型模型模型n n适用频率范围适用频率范围150MHz-150MHz-1.5GHz1.5GHzn n根据根据OkumuraOkumura曲线图所作的经曲线图所作的经验公式，以市区传播损耗为验公式，以市区传播损耗为标准，并对其它地区进行修标准，并对其它地区进行修正。正。n n市区路径损耗的标准公式。市区路径损耗的标准公式。在在1km1km以上的情况下，预测结以上的情况下，预测结果和果和OkumuraOkumura模型非常接近。模型非常接近。n n缺点：适用于大区

25、制移动系缺点：适用于大区制移动系统，不适用于小区半径为统，不适用于小区半径为1km1km的个人通信系统。的个人通信系统。n n其它模型其它模型其它模型其它模型n nHataHata模型的模型的PCSPCS扩展扩展n nWalfishBertoniWalfishBertoni模型模型n n宽带宽带PCSPCS微蜂窝模型微蜂窝模型大尺度模型：室内模型大尺度模型：室内模型n n一般说明一般说明一般说明一般说明n n室内传播特点：覆盖距离室内传播特点：覆盖距离更小，环境变化更大更小，环境变化更大n n受到影响的因素很多，如：受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放门窗是开还是关？天线放置的位置？

26、人员的分布情置的位置？人员的分布情况？况？n n室内信道可以分为视距室内信道可以分为视距（LOSLOS）和阻挡（和阻挡（OBSOBS）两）两种。种。n n分隔损耗分隔损耗分隔损耗分隔损耗n n同楼层的分隔损耗同楼层的分隔损耗 给出不同频段、不同材料给出不同频段、不同材料不同分隔方式的损耗值。不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在如：混凝土墙在1300MHz1300MHz的损耗为的损耗为8 815dB15dB。n n楼层间的分隔损耗楼层间的分隔损耗 和建筑物的材料、类型、和建筑物的材料、类型、层数、窗户及频段有关。层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、一层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小

27、。六层以上的衰减很小。大尺度模型：室内模型（续）大尺度模型：室内模型（续）n n对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型 室内路径损耗公式室内路径损耗公式大尺度模型：室内模型（续）大尺度模型：室内模型（续）n nEricssonEricsson多重断点模型多重断点模型多重断点模型多重断点模型n n通过测试多层办公室建筑，通过测试多层办公室建筑，获得获得EricssonEricsson无线系统模型无线系统模型n n此模型提供特定地形路径此模型提供特定地形路径损耗范围的确定限度损耗范围的确定限度n n右图给出此模型的室内路右图给出此模型的室内路径损耗图径损耗

28、图 小尺度模型（小尺度模型（1 1）n n小尺度传播的主要效小尺度传播的主要效小尺度传播的主要效小尺度传播的主要效应：应：应：应：n n信号强度的快速变化信号强度的快速变化n n时变引起的多普勒频移时变引起的多普勒频移n n多径引起的延时扩展多径引起的延时扩展n n多径信道的冲激响应多径信道的冲激响应多径信道的冲激响应多径信道的冲激响应模型：模型：模型：模型：n n移动信道可以看成线性时移动信道可以看成线性时变信道，输入变信道，输入x(t)x(t)和输出和输出y(t)y(t)存在以下关系存在以下关系 小尺度模型（小尺度模型（2 2）n n移动多径信道的参数：延时扩展及相干带宽，描述色散移动多径

29、信道的参数：延时扩展及相干带宽，描述色散n n延时扩展的典型值如下表所示延时扩展的典型值如下表所示n n相干带宽估算：相干带宽估算：小尺度传播模型（小尺度传播模型（3 3）n n移动多径信道的参数：多普勒扩展及相干时间，描述时变移动多径信道的参数：多普勒扩展及相干时间，描述时变n n多普勒频移计算：多普勒频移计算：n n相干时间计算：相干时间计算：n n对于高速行驶的车辆，只要传输速率大于几百对于高速行驶的车辆，只要传输速率大于几百bits/sbits/s，多普多普勒效应就可以忽略，信道就成为慢衰落信道。勒效应就可以忽略，信道就成为慢衰落信道。小尺度传播模型（小尺度传播模型（4 4）n n平坦

30、衰落的平坦衰落的ClarkeClarke模型模型这是一种基于散射的统这是一种基于散射的统计模型。接收信号的包计模型。接收信号的包络服从瑞利分布：络服从瑞利分布：n n射频信号受到多普勒衰射频信号受到多普勒衰落影响的功率谱密度如落影响的功率谱密度如右图所示。右图所示。小尺度传播模型（小尺度传播模型（5 5）n n电平交叉率（电平交叉率（LCRLCR）：）：瑞利衰落包络归一化为瑞利衰落包络归一化为本地本地rmsrms电平后，沿正向电平后，沿正向穿过某一指定电平的速穿过某一指定电平的速率。表示为：率。表示为：n n平均衰落时段：平均衰落时段：接收信号低于某指定电接收信号低于某指定电平平R R的平均时

31、间段的值。的平均时间段的值。表示为：表示为：小尺度传播模型（小尺度传播模型（6 6）n n双线瑞利衰落模型双线瑞利衰落模型ClarkeClarke模型及瑞利衰落统模型及瑞利衰落统计模型只适用于平衰落，计模型只适用于平衰落，而不考虑多径时延。为而不考虑多径时延。为此，采用一种常用的独此，采用一种常用的独立双线瑞利衰落信道模立双线瑞利衰落信道模型。其冲激响应为：型。其冲激响应为：小尺度传播模型（小尺度传播模型（7 7）n nSalehSaleh和和和和ValenzuelaValenzuela室内统室内统室内统室内统计模型计模型计模型计模型n n根据测试结果，提出一个根据测试结果，提出一个简单的室内

32、信道多径模型。简单的室内信道多径模型。该模型假设多径分量以簇该模型假设多径分量以簇的形式到达。接收信号的的形式到达。接收信号的幅度是独立的瑞利随机变幅度是独立的瑞利随机变量，相位在（量，相位在（0 0，2 2）之）之间独立分布。间独立分布。n n各个簇和簇内的多径分量各个簇和簇内的多径分量构成不同速率的泊松过程，构成不同速率的泊松过程，到达次数成指数分布。到达次数成指数分布。n nSIRCIMSIRCIM和和和和SMRCIMSMRCIM室内室内室内室内和室外统计模型和室外统计模型和室外统计模型和室外统计模型n n基于离散冲激响应信道模基于离散冲激响应信道模型提出了一个来源于实际型提出了一个来源

33、于实际的统计模型，并编写了计的统计模型，并编写了计算机程序算机程序SIRCIMSIRCIM。后来又后来又有人编写了一个类似的程有人编写了一个类似的程序序SMRCIMSMRCIM，用以产生市，用以产生市区蜂窝及微蜂窝信道的冲区蜂窝及微蜂窝信道的冲激响应。激响应。n n目前全世界有目前全世界有100100多家机构多家机构使用这种程序。使用这种程序。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH