基于衛(wèi)星通信的在線教育淺析

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(xué)方式，通過地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，學(xué)員與教師之間開展的教學(xué)活動(dòng)，具有跨越時(shí)空和打破人力物力限制的資源利用最大化、隨時(shí)隨地進(jìn)行選擇的學(xué)習(xí)行為自主化、師生交流與學(xué)生自學(xué)等學(xué)習(xí)形式交互化、教學(xué)形式個(gè)性化等諸多優(yōu)勢(shì)。在線教育融合云計(jì)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(dòng)教育向泛在學(xué)習(xí)發(fā)展。

為促進(jìn)教育均衡，在線教育已成為世界各國(guó)關(guān)注和發(fā)展的重點(diǎn)。美國(guó)高等教育發(fā)達(dá)，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(dá)280萬，占高等教育總數(shù)的14%。英國(guó)的在線教育緊跟美國(guó)，國(guó)家投入力度相當(dāng)大。艾媒咨詢數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)在線教育市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年達(dá)4538億元，在線用戶規(guī)模逐年上升，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到3.09億人。

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

二、基于衛(wèi)星通信的在線教育應(yīng)用場(chǎng)景

目前在線教育主要基于地面網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括直播教學(xué)、組播教學(xué)、直播互動(dòng)教學(xué)和課程點(diǎn)播。其中，直播教學(xué)是將直播教室的課程通過網(wǎng)絡(luò)向其他教室實(shí)時(shí)直播；組播教學(xué)是將直播教室的課程通過網(wǎng)絡(luò)向特定的一組教室實(shí)時(shí)直播；直播互動(dòng)教學(xué)是指在直播的同時(shí)，可以進(jìn)行師生實(shí)時(shí)互動(dòng)；課程點(diǎn)播是指學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人興趣進(jìn)行課程學(xué)習(xí)。

衛(wèi)星通信具有以下優(yōu)勢(shì)：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(yuǎn)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(dòng)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(guó)家和地區(qū)，可結(jié)合國(guó)際主流Ku頻段或者Ka頻段通信衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)，實(shí)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(gè)大的區(qū)域波束，覆蓋范圍廣，一般可覆蓋整個(gè)國(guó)家全境及周邊地區(qū)，同一顆衛(wèi)星下任何地點(diǎn)通信均不需要切換?；贙u頻段的在線教育，適用于整個(gè)國(guó)家全境或者大范圍內(nèi)的教學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)覆蓋到Ku頻段下的每一個(gè)角落。大范圍或者全國(guó)性的在線直播教學(xué)、組播教學(xué)和課程點(diǎn)播可采用Ku頻段進(jìn)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(diǎn)波束，覆蓋范圍為某個(gè)特定區(qū)域。覆蓋一個(gè)國(guó)家的全境需要多個(gè)Ka點(diǎn)波束。同一顆衛(wèi)星下，不同點(diǎn)波束通信需要進(jìn)行波束切換。點(diǎn)波束可以波速?gòu)?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(hào)衛(wèi)星為例，26個(gè)點(diǎn)波束覆蓋了我國(guó)大部分地區(qū)，波束設(shè)計(jì)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(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)覆蓋到該Ka點(diǎn)波束下的每個(gè)角落。區(qū)域在線直播教學(xué)、區(qū)域直播互動(dòng)教學(xué)和區(qū)域點(diǎn)播教學(xué)可采用Ka頻段進(jìn)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(guó)大涼山等邊遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村學(xué)校，通過接入高通量寬帶衛(wèi)星Ka頻段，為試點(diǎn)縣學(xué)校和教學(xué)點(diǎn)建設(shè)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)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(xué)生自主學(xué)習(xí)等的教學(xué)教研實(shí)踐。

3.直播教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景

直播教學(xué)是教師講授的課程內(nèi)容，可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)直播到各個(gè)遠(yuǎn)端教學(xué)終端。各個(gè)遠(yuǎn)端教學(xué)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(shí)，注視直播教室老師的教課表情、動(dòng)作和板書。直播的同時(shí)自動(dòng)錄播課程，并上傳到遠(yuǎn)程教育數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)后續(xù)對(duì)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(xué)，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(shí)現(xiàn)大范圍的在線直播教學(xué)。利用衛(wèi)星直播時(shí)，發(fā)送端只發(fā)送1個(gè)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(huì)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(shí)現(xiàn)最大化資源共享。

4.組播教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景

區(qū)別于直播，利用衛(wèi)星通信的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)—組播，可對(duì)特定的一組用戶發(fā)送在線教學(xué)。如圖3所示。利用衛(wèi)星組播時(shí)，發(fā)送端只發(fā)送1個(gè)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(huì)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(shí)時(shí)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(xué)應(yīng)用

5.直播互動(dòng)教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景

直播互動(dòng)教學(xué)過程中，教師講授課程的同時(shí)，除了可以和現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生互動(dòng)之外，還可以同遠(yuǎn)端學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻互動(dòng)教學(xué)，對(duì)遠(yuǎn)端學(xué)生進(jìn)行提問，并回答遠(yuǎn)端學(xué)生提出的問題。直播互動(dòng)教學(xué)可以增強(qiáng)課程的真實(shí)性和生動(dòng)性，很大程度地提高學(xué)生的積極性，啟發(fā)和激勵(lì)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)，教師也可獲得信息并得到學(xué)生的回應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)教學(xué)。

地面網(wǎng)絡(luò)對(duì)互動(dòng)教學(xué)點(diǎn)的接入無限制，但當(dāng)使用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入遠(yuǎn)程教育點(diǎn)時(shí)，考慮到衛(wèi)星帶寬的寶貴性和價(jià)值，互動(dòng)教學(xué)僅僅對(duì)有重點(diǎn)需求的遠(yuǎn)程教學(xué)點(diǎn)設(shè)置，并且建議使用價(jià)格成本相對(duì)低的Ka頻段?；谛l(wèi)星通信的互動(dòng)教學(xué)應(yīng)用如圖4所示。

圖4 基于衛(wèi)星通信的互動(dòng)教學(xué)應(yīng)用

6.課程點(diǎn)播應(yīng)用場(chǎng)景

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

圖5 基于衛(wèi)星通信的課程點(diǎn)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(dá)偏遠(yuǎn)地區(qū)，解決地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)差的場(chǎng)景。結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣播和組播的優(yōu)勢(shì)，能夠以最少的帶寬實(shí)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(tái)、直播互動(dòng)教室、遠(yuǎn)程教育點(diǎn)、通信平臺(tái)。

服務(wù)平臺(tái)是在線教育的后臺(tái)中心，旨在提供課程資源共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)課程的直播教學(xué)、直播互動(dòng)教學(xué)、課程點(diǎn)播等應(yīng)用；同時(shí)，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(yùn)營(yíng)管理、作業(yè)和教學(xué)評(píng)估等功能。

直播互動(dòng)教室是在線教育的媒資中心，均部署在教學(xué)資源高的地區(qū)，旨在提供優(yōu)秀的教學(xué)資源，共享優(yōu)秀的教育資源，構(gòu)建教育資源平臺(tái)。直播互動(dòng)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(yuǎn)程教育點(diǎn)；接入的遠(yuǎn)程教育點(diǎn)可以實(shí)時(shí)觀看課件資源、教師講解，并和直播互動(dòng)教室的教師實(shí)時(shí)互動(dòng)。直播互動(dòng)教室還可以把直播的課程自動(dòng)錄制下來，形成課件資源，上傳到在線教育服務(wù)平臺(tái)，形成優(yōu)秀課程，供點(diǎn)播使用。

遠(yuǎn)程教育點(diǎn)可為學(xué)生提供個(gè)人學(xué)習(xí)或者集體學(xué)習(xí)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(shí)間、任何地點(diǎn)均可學(xué)習(xí)，支持手機(jī)、PAD和PC各類終端；支持Android、iOS、Windows各類操作系統(tǒng)。

傳輸平臺(tái)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)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(jī)結(jié)合，利用衛(wèi)星通信直播和組播節(jié)省帶寬的優(yōu)勢(shì)，以及衛(wèi)星組網(wǎng)靈活、覆蓋范圍廣、甚至可以覆蓋到偏遠(yuǎn)地區(qū)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在線教育直播教學(xué)、組播教學(xué)、直播互動(dòng)教學(xué)和課程點(diǎn)播的各種應(yīng)用場(chǎng)景，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀教育資源和精品課程資源共享，提高教學(xué)的便捷性，促進(jìn)教育教學(xué)均衡發(fā)展，產(chǎn)生巨大的生態(tài)效益和社會(huì)效益。