利用衛星實現直播課堂和網絡覆蓋

張 曉

（中國衛通集團股份有限公司，北京 100094）

1 背景

黨的十八大以來，我國基礎教育改革不斷深化，在促進教育公平、提升教育質量和教育制度建設方面取得了巨大的成就，有力支撐了社會經濟的發展、促進了人的全面發展。黨十九大開啟了加快教育現代化，建設教育強國的新征程，明確提出“推動城鄉義務教育一體化發展，高度重視農村義務教育，辦好學前教育、特殊教育和網絡教育，普及高中階段教育，努力讓每個孩子都能享有公平而有質量的教育。”在之前召開的新時代全國教育大會，習近平總書記發表重要講話，強調“推進教育改革，加快補齊教育短板，教育事業中國特色更加鮮明，教育現代化加速推進，教育方面人民群眾獲得感明顯增強，我國教育的國際影響力加快提升，13億多中國人民的思想道德素質和科學文化素質全面提升”。黨的十九大之后，我國基礎教育進入了從“有學上”到“上好學”的轉變階段，處在“促進公平、提升質量”的關鍵時期。如何補齊農村教育短板是教育工作的難點，特別是貧困地區的教育又是難點中的短板。由于地處偏遠，這些地區長期存在基礎設施建設薄弱，師資力量有限，學生輟學率高優質教育資源嚴重不足等問題，導致語文、數學等主要課程教學質量不高，英語、音樂、美術等課程難以開齊、開好，嚴重制約著貧困地區教育發展質量和水平。國家領導人高屋建瓴的指出信息化手段將是破解教育難點重要途徑。

1.1 寬帶衛星搭建傳遞國家關愛的天路，助力實現教育公平

目前，全國中小學（除教學點外）中，95.8%的學校實現網絡接入，配備多媒體教室320萬間，91%的學校實現至少擁有一間多媒體教室，68.5%的學校實現多媒體教室全覆蓋?！敖虒W點數字教育資源全覆蓋”項目圓滿完成，全國6.4萬個教學點實現了設備配備、資源配送和教學應用的三到位，持續向教學點推送適用的數字教育資源，提高了教學點音樂、美術、英語等國家規定課程的開課率，惠及400多萬偏遠地區的孩子。面向農村中小學和教學點開發了1 ～3年級語文、數學、英語等8個學科，4 ～6年級英語、科學、美術等4個學科的國家規定課程數字資源，通過國家教育資源公共服務平臺免費供學校下載使用。但是仍有4%的學校沒有連接互聯網，其中有5，000多所學校是互聯網運營商服務難以覆蓋的地區。這些學校不能享受到國家提供的資源和服務，進一步加劇了教育資源不均衡，拉大了數字鴻溝，使教育公平缺失。國家有義務，也有責任解決這個問題。

2017年4月，我國首顆高通量衛星“中星16號”發射成功并提供商用服務，為解決偏遠農村地區的網絡接入問題，帶來了希望的曙光。通過衛星網絡，用戶終端可以方便快速地接入網絡，下載和回傳速率最高可達150Mb/s 和12Mb/s，高通量衛星的投入使用為“寬帶網絡校校通”提供了一種切實可行的解決方案，是對光纖寬帶接入的有效補充，為2020年基本實現邊遠地區學校寬帶網絡的全面覆蓋提供了技術保障，實現邊遠地區學生通過“小屏看世界”，也為邊遠學校搭建一條接受國家關愛的天路。

1.2 “直播課堂+網絡覆蓋”，促進農村學校教學質量提升

為解決農村學校教學資源缺乏的問題，國家歷屆政府都高度重視，先后推出了多種舉措，建設了豐富數字化教學資源，地方也配套了不少地方資源；同時，開展了各種形式教師培訓，很大程度提高了農村學校教學信息化水平。但總體應用水平不高，資源利用效率較低。

多方調研發現，資源與日常教學脫節是主要原因，并不是資源內容不適合，而是各地學情不一樣，農村學校教師很難對資源進行有效轉化。這不是一兩次培訓就可以解決的，因此，如何幫助農村學校教師日常教學是應用促進教育質量提升的關鍵問題。通過互聯網將名師引入當地，幫助教師進行教研備課的教學服務將是今后資源建設的重要方式。

2 “直播課堂+網絡覆蓋”的應用方案

促進教育質量提升要進行優質資源課堂的同步教學，不僅要以“直播課堂”形式立中小學的單向直播教學，將優質的教學課程下放到師資薄弱的課堂；同時要解決“互聯網接入”問題，需要在省內多個不通網絡的教學點進行互聯網建設，進一步提升遠程教育能力，讓學校實現雙向互動的教學應用，可以通過電腦教學，網校和在線考試，交互式遠程教育，廣播教育電視頻道到學校，接入遠程圖書館，教師培訓等方式實現教育資源的遠程共享。

根據“直播課堂+網絡覆蓋”的實際應用需求，“直播課堂”和“互聯網接入”可以通過“直播星”和“一鍋雙星”技術實現，即通過直播直播衛星和Ka 高通量衛星作為遠程教育的傳輸通道。通過“中星9號”直播星可以將直播課程通過衛星廣播的方式向全國投遞。“一鍋雙星”能夠實現一個天線面加兩個饋源實現兩顆衛星資源的接入，通過“中星9號”進行數字投遞，學校接收衛星“直播課堂”，同時通過“中星16號”Ka 高通量衛星的接收機實現雙向互聯網接入。

（1）直播課堂：需要通過衛星遠程教育直播系統來實現全省的單向直播教學。直播課堂教師端應該滿足快速開課，統一調度的需求。在學生端，能夠通過簡單操作快速接入直播課堂，設備應當能夠存儲直播課程，維護簡單。

（2）互聯網接入：將省內多個不通網絡的教學點通過經濟便捷的手段將互聯網接入偏遠教學點，滿足教學點電腦教學需求，提升教學點網絡教學能力，同時還滿足網絡穩定、設備可靠維護簡便的需求。

2.1 直播課堂解決方案

在遼闊地理區域內利用“直播星”來實現直播課堂是目前主要采用的技術手段。偏遠學校地處地區環境復雜，各區域地面網絡性能不一，很難通過地面網絡實現全省范圍內的直播課堂。在我國，衛星直播課堂已經有了豐富的應用案例，具備成熟的解決方案。本方案的網絡模型通過直播星作為數據傳輸的主要通道，通過直播課堂、直播星、直播終端實現教學直播、信息傳輸、課堂接收三大功能的網絡方案，該方案的網絡結構框圖如圖1所示。

在該網絡結構圖中，由以下各部分組成：

（1）直播課堂：直播課堂作為直播課程的信息源，需要完成課堂視頻制作采集、編碼打包傳輸等，最后通過專線傳輸到衛星直播中心。

（2）衛星直播中心：負責衛星直播節目的播出、運行、管理。在衛星直播中心會完成內容審核、數據打包、帶寬分配等工作，將數據通過直播衛星向全國廣播。

（3）直播星天線+直播終端盒：直播星天線接收直播信號，由直播終端盒解調解碼到教學多媒體終端播放。直播終端盒配有硬盤可以存儲直播課程，以便于遠端師生反復觀看。

圖1 直播星系統框圖

2.2 互聯網接入解決方案

互聯網接入方案主要由Ka 高通量寬帶衛星網絡系統以及衛星直播課程系統構成。由于偏遠區域教學點地面光纖難以覆蓋，通過“一鍋雙星”的技術手段能夠同時滿足“直播課堂”和“互聯網接入”的需求。

“一鍋雙星”即主用中星16號（110.5°）衛星實現雙向高速互聯網接入，兼收直播星中星9號（92.2°）實現直播課程接收。通過一鍋雙星，能夠同時接收Ka 高通量寬帶衛星信號，也能接收中星9號廣播衛星信號。一個天線面支撐兩套通信系統，將Ka的寬帶衛星網絡接入到教室，完成教師、學生網絡接入的需求，使廣大師生能夠通過互聯網實現訪問豐富的網絡教學資源。通過中星9號使各個學校通過電視直播的方式來實現“直播課堂”。在該方案中無需改變直播課堂解決方案的網絡系統，能完美融合衛星直播課程系統和高通量寬帶衛星網絡兩套系統，網絡結構框圖如圖2所示。在該網絡結構圖中，由以下兩系統組成：

（1）直播課堂網絡系統：與直播課堂解決方案網絡系統一致，只需將直播衛星天線更換為Ka 衛星天線即可。

（2）高通量寬帶衛星網絡系統

①北京運營中心：主要負責為用戶提供網絡接入。負責衛星數據的處理轉發，將因特網數據和用戶數據互聯互通。

②Ka 衛星天線：一個天線面同時接收直播衛星信號和高通量寬帶衛星信號。

③多功能寬帶衛星終端：負責直播星信號和高通量寬帶衛星信號的處理。既能完成直播信號的接收和直播課程的存儲，也能通過高通量寬帶衛星為廣大師生提供網絡接入服務，整體每個學校（教學點）提供12Mb/s 下行速率，2Mb/s 的上行速率。

圖2 一鍋雙星系統框圖

3 方案系統優勢

3.1 直播星

教學信息傳輸流量有很明顯的特點即教學信息下行（從教師端到學生端）量大，上行量（從學生端到教師端）數據傳輸量小。根據這一特點可以采用非對稱帶寬的模式來實現教學點的網絡教學，十分適合應用直播星教學。同時直播星網絡具有覆蓋面廣、圖像清晰、網絡通暢、無堵塞的特點，在今后相當長的時間內都具有廣闊的發展空間，特別是邊遠地區和遠離中心大城市的地區，衛星傳輸更有其獨特的優勢。

（1）網絡優勢：在覆蓋區域上，直播星能夠做到中國全境覆蓋；直播課堂由省電教館自主協調，播出內容可管可控，全省能做到統一同步管理；直播課堂每四小時輪播，直播內容可存儲，最大程度上保證直播課程的可靠性。

（2）設備優勢：直播星方案的設備簡單，通過普通家用戶戶通天線和衛通標配直播終端盒就能實現直播課堂，在遠端教學點無需進行大規模網絡建設。同時設備維護方便，終端設備故障后可快速更換。

3.2 一鍋雙星

在偏遠地區，地面光纖難以到達，高通量寬帶衛星不受空間地域的限制，能夠快速接入網絡。高通量寬帶衛星能夠與直播星完美融合，不需要對直播星網絡做更改，將直播星天線更換為“一鍋雙星”天線，配上多功能寬帶衛星終端就能實現互聯網接入和直播課堂的功能。

（1）網絡優勢：網絡結構簡單，終端快速接入，能夠在3小時內完成一個教學點的工程建設，為用戶提供12Mb/s 下行，2Mb/s 上行的網絡帶寬，滿足師生日常教學使用。網絡配置簡單，無需復雜操作，通電接入即可接通網絡。

（2）設備優勢：能夠和直播星設備融合，無需對遠程教學端多做網絡配置；終端結構簡單僅需將戶戶通天線換為配套高通量寬帶衛星天線即可，同時適配直播星直播終端盒。

4 終端配置及安裝

根據遠程教育應用場景和數據的需求，直播星推薦使用如下終端配置，主要包括：接收高頻頭、接收天線、直播終端盒；一鍋雙星推薦使用如下終端配置，主要包括：Ka 一體化Modem+收發饋源、接收天線、直播終端盒，以下對兩種技術方案分別介紹。

4.1 直播星方案

接收設施設備圖如圖3所示。

選取衛星天線的安裝位置時，一是要避免衛星天線前方出現遮擋或可能發生的遮擋，始終保持衛星天線能夠很好對準衛星，最好將衛星天線固定在屋檐下且成人伸手夠不著的堅固墻面上；二是要盡量離戶戶通機頂盒安放位置以及電視機保持較近距離（10米以內，越近電纜衰耗越?。?，以免饋線過長（超過20米）信號衰耗過多，影響正常接收；三是要選擇堅固可靠的地方固定衛星天線基座，注意避雷、防風，防止跌落事故。

圖3 直播星典型終端配置

4.2 一鍋雙星方案

將高通量寬帶衛星室外單元的Ka 一體化Modem+收發饋源和直播星的接受高頻頭，一同安裝在室外天線的饋源口處，具有衛星信號調制解調、衛星射頻信號的功率放大和接收功能，使衛星終端高度集成化，同時將互聯網接入和直播信號接收通過一個天線接入到室內多功能寬帶衛星終端中，同時為教室提供互聯網服務和直播課堂服務。

圖4 一鍋雙星典型終端配置

天線可選用口徑為0.76米的偏饋拋物面天線，使用配套的U型抱箍和螺栓可以將天線安裝在室外的立柱上，而無需天線基礎的施工。如果沒有立柱可供使用，也可以提供安裝支架，或者根據場地條件提供天線固定方案。天線后部的結構和安裝后的天線外觀示意圖如圖5所示。

圖5 天線安裝后整體示意圖

5 存在的問題及展望

隨著Ka 高通量衛星“中星16號”的正式投入使用，利用衛星實現直播課堂和偏遠地區網絡覆蓋為信息化教學提供了更有力技術支撐。在優質的衛星網絡教學環境下，要實現優質教師資源最大化利用。直播教師在直播課堂上僅僅起輔助作用，在各個教學點仍然需要教學點教師負責教學點學生課前預習、課堂秩序維護、課堂效果反饋和課后作業批改等，因此，教學點教師的約束問題同樣重要。

同時，快速擴展衛星教學資源應用、推進衛星網絡學習平臺的建設也是重中之重。要真正的利用衛星資源，減少偏遠學校學生流失，把優質教育資源和學習環境送到偏遠學生手中，解決學生在家門口能上學、上好學的問題。