文|劉穎 陳付亮 孫勇

航天恒星科技有限公司

一、概述

在線教育是以網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)的教學方式，通過地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，學員與教師之間開展的教學活動，具有跨越時空和打破人力物力限制的資源利用最大化、隨時隨地進行選擇的學習行為自主化、師生交流與學生自學等學習形式交互化、教學形式個性化等諸多優(yōu)勢。在線教育融合云計算、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、多媒體技術(shù)、衛(wèi)星通信、智慧終端等技術(shù)，推動教育向泛在學習發(fā)展。

為促進教育均衡，在線教育已成為世界各國關(guān)注和發(fā)展的重點。美國高等教育發(fā)達，但為了均衡教育開設(shè)在線教育，共享優(yōu)秀資源，2014年在線高等教育課程數(shù)量已達280萬，占高等教育總數(shù)的14%。英國的在線教育緊跟美國，國家投入力度相當大。艾媒咨詢數(shù)據(jù)顯示，中國在線教育市場規(guī)模逐年增長，預(yù)計2020年達4538億元，在線用戶規(guī)模逐年上升，預(yù)計2020年達到3.09億人。

基于衛(wèi)星的在線教育在我國得到迅速發(fā)展并取得顯著成效。2000年建成的中國教育衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)（CEBSat）在國內(nèi)擁有653736個衛(wèi)星終端，覆蓋20000多所高等院校，400000多所中小學。2020年我國疫情期間，國家廣電總局教育衛(wèi)星直播中心和中國教育臺密切合作，完成空中課堂頻道CETV-4上星傳輸并覆蓋全國，助力疫情期間停課不停學，直播用戶超過1.4億，遍及全國31省的貧困和偏遠地區(qū)。

二、基于衛(wèi)星通信的在線教育應(yīng)用場景

目前在線教育主要基于地面網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用場景包括直播教學、組播教學、直播互動教學和課程點播。其中，直播教學是將直播教室的課程通過網(wǎng)絡(luò)向其他教室實時直播；組播教學是將直播教室的課程通過網(wǎng)絡(luò)向特定的一組教室實時直播；直播互動教學是指在直播的同時，可以進行師生實時互動；課程點播是指學生可以根據(jù)個人興趣進行課程學習。

衛(wèi)星通信具有以下優(yōu)勢：覆蓋范圍廣，組網(wǎng)部署靈活，不受地理位置影響，尤其是山區(qū)、海域和偏遠區(qū)域均可覆蓋；具有廣播和組播功能，節(jié)省帶寬；由于衛(wèi)星的廣覆蓋能力，與光纖、公眾移動通信等通信方式相比較，不需要大量的地面基礎(chǔ)設(shè)施支撐；在應(yīng)急和災(zāi)害情況下，可作為地面網(wǎng)絡(luò)的備份。在基礎(chǔ)設(shè)施落后的國家和地區(qū)，可結(jié)合國際主流Ku頻段或者Ka頻段通信衛(wèi)星的優(yōu)勢，實現(xiàn)在線教育的廣泛應(yīng)用。

1.基于Ku頻段在線教育的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Ku頻段是一個大的區(qū)域波束，覆蓋范圍廣，一般可覆蓋整個國家全境及周邊地區(qū)，同一顆衛(wèi)星下任何地點通信均不需要切換。基于Ku頻段的在線教育，適用于整個國家全境或者大范圍內(nèi)的教學，能夠?qū)崿F(xiàn)教學覆蓋到Ku頻段下的每一個角落。大范圍或者全國性的在線直播教學、組播教學和課程點播可采用Ku頻段進行通信?；贙u頻段在線教育的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于Ku頻段在線教育的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.基于Ka頻段在線教育的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Ka頻段是點波束，覆蓋范圍為某個特定區(qū)域。覆蓋一個國家的全境需要多個Ka點波束。同一顆衛(wèi)星下，不同點波束通信需要進行波束切換。點波束可以波速復(fù)用，使得帶寬使用率增加，所以Ka頻段的單位帶寬成本較低。以中星十六號衛(wèi)星為例，26個點波束覆蓋了我國大部分地區(qū)，波束設(shè)計采用8色頻率復(fù)用，總帶寬為6800MHz。

基于Ka頻段的在線教育，適用于特定區(qū)域的在線教學，能夠?qū)崿F(xiàn)教學覆蓋到該Ka點波束下的每個角落。區(qū)域在線直播教學、區(qū)域直播互動教學和區(qū)域點播教學可采用Ka頻段進行通信?；贙a頻段在線教育的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于Ka頻段在線教育的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在我國大涼山等邊遠地區(qū)農(nóng)村學校，通過接入高通量寬帶衛(wèi)星Ka頻段，為試點縣學校和教學點建設(shè)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學環(huán)境，開展基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的專遞課堂和同步課堂、網(wǎng)絡(luò)教研、學生自主學習等的教學教研實踐。

3.直播教學應(yīng)用場景

直播教學是教師講授的課程內(nèi)容，可以通過網(wǎng)絡(luò)實時直播到各個遠端教學終端。各個遠端教學終端接收直播教室的課程內(nèi)容，聆聽直播教室老師教授知識，注視直播教室老師的教課表情、動作和板書。直播的同時自動錄播課程，并上傳到遠程教育數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)后續(xù)對直播錄制視頻的回看。

目前，90%的在線教育應(yīng)用為直播教學，基于地面網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的Ku頻段或者Ka頻段，可以實現(xiàn)大范圍的在線直播教學。利用衛(wèi)星直播時，發(fā)送端只發(fā)送1個數(shù)據(jù)包，所有接收端接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸量（Traffic）也不會增加，因此衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量不變，數(shù)據(jù)傳輸高效，可以最少的帶寬實現(xiàn)最大化資源共享。

4.組播教學應(yīng)用場景

區(qū)別于直播，利用衛(wèi)星通信的另外一個優(yōu)勢—組播，可對特定的一組用戶發(fā)送在線教學。如圖3所示。利用衛(wèi)星組播時，發(fā)送端只發(fā)送1個數(shù)據(jù)包，即使接收端數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸量也不會增加，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量不變，數(shù)據(jù)傳輸高效。組播可更加流暢地、實時地傳輸大畫面、高清晰的圖像。組播推薦使用Ku頻段。

圖3 基于衛(wèi)星通信的組播教學應(yīng)用

5.直播互動教學應(yīng)用場景

直播互動教學過程中，教師講授課程的同時，除了可以和現(xiàn)場學生互動之外，還可以同遠端學生進行實時視頻互動教學，對遠端學生進行提問，并回答遠端學生提出的問題。直播互動教學可以增強課程的真實性和生動性，很大程度地提高學生的積極性，啟發(fā)和激勵學生參與教學活動，教師也可獲得信息并得到學生的回應(yīng)，進而促進教學。

地面網(wǎng)絡(luò)對互動教學點的接入無限制，但當使用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入遠程教育點時，考慮到衛(wèi)星帶寬的寶貴性和價值，互動教學僅僅對有重點需求的遠程教學點設(shè)置，并且建議使用價格成本相對低的Ka頻段?；谛l(wèi)星通信的互動教學應(yīng)用如圖4所示。

圖4 基于衛(wèi)星通信的互動教學應(yīng)用

6.課程點播應(yīng)用場景

課程點播是教師提前上傳的優(yōu)秀教學材料或者錄播下來的直播課程，構(gòu)建豐富的教學資源平臺，學生登錄教學資源平臺，按照個人興趣點播學習。同時，學生可以在課程下進行文本類的留言互動。如圖5所示，遠端的學生既可以利用地面網(wǎng)絡(luò)接入教學資源平臺，也可以通過通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入教學資源平臺?；谛l(wèi)星通信，甚至可以接入偏遠地區(qū)的遠端學生。

圖5 基于衛(wèi)星通信的課程點播應(yīng)用

三、基于衛(wèi)星通信的在線教育解決方案

相比于地面互聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星通信更加靈活、甚至能到達偏遠地區(qū)，解決地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)差的場景。結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣播和組播的優(yōu)勢，能夠以最少的帶寬實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳播資源最大化?；谛l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的在線教育解決方案如圖6所示。

圖6 基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的在線教育解決方案

該方案主要包括服務(wù)平臺、直播互動教室、遠程教育點、通信平臺。

服務(wù)平臺是在線教育的后臺中心，旨在提供課程資源共享平臺，實現(xiàn)課程的直播教學、直播互動教學、課程點播等應(yīng)用；同時，為在線教育提供服務(wù)，如用戶管理、課程資源管理、考試管理、教務(wù)管理、運營管理、作業(yè)和教學評估等功能。

直播互動教室是在線教育的媒資中心，均部署在教學資源高的地區(qū)，旨在提供優(yōu)秀的教學資源，共享優(yōu)秀的教育資源，構(gòu)建教育資源平臺。直播互動教室的教師掌控全局，把握課堂節(jié)奏，可以把其講授的課程通過網(wǎng)絡(luò)完美展示給接入的遠程教育點；接入的遠程教育點可以實時觀看課件資源、教師講解，并和直播互動教室的教師實時互動。直播互動教室還可以把直播的課程自動錄制下來，形成課件資源，上傳到在線教育服務(wù)平臺，形成優(yōu)秀課程，供點播使用。

遠程教育點可為學生提供個人學習或者集體學習的環(huán)境，可以通過地面網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入，可輻射到便宜地區(qū)，任何人、任何時間、任何地點均可學習，支持手機、PAD和PC各類終端；支持Android、iOS、Windows各類操作系統(tǒng)。

傳輸平臺作為在線教育業(yè)務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)支撐，支持地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)衛(wèi)星信號發(fā)射接收和網(wǎng)絡(luò)管理，提供衛(wèi)星雙向通信傳輸服務(wù)。

四、結(jié)束語

基于衛(wèi)星通信的在線教育將衛(wèi)星通信和在線教育有機結(jié)合，利用衛(wèi)星通信直播和組播節(jié)省帶寬的優(yōu)勢，以及衛(wèi)星組網(wǎng)靈活、覆蓋范圍廣、甚至可以覆蓋到偏遠地區(qū)的優(yōu)勢，實現(xiàn)在線教育直播教學、組播教學、直播互動教學和課程點播的各種應(yīng)用場景，從而實現(xiàn)優(yōu)秀教育資源和精品課程資源共享，提高教學的便捷性，促進教育教學均衡發(fā)展，產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益和社會效益。