基于宽带卫星的教学点网络接入路径研究

沈俊汝 郭绍青

摘   要：“宽带卫星联校试点行动”是《教育信息化2.0行动计划》提出的推动教育信息化转段升级的重要行动之一，旨在探索利用宽带卫星实现边远地区学校互联网接入，推进优质资源全覆盖和广应用，进一步促进教育公平的实现。本文从当前教学点网络接入的现状与问题切入，结合宽带卫星网络的特点论证了教学点利用宽带卫星实现网络接入的必要性，在此基础上提出利用宽带卫星实现教学点网络接入的三条技术路径，并进行试点接入和测试。研究表明，在三条路径中，“教学点宽带卫星网络与主体学校光纤网络接入”是实现教学点网络接入与应用的最佳路径。

关键词：宽带卫星;网络接入;教学点;技术路径

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）15-0089-05

一、引言

互联网全覆盖是教育信息化的基本目标。“实现校校通宽带，人人可接入”是国家近年来教育信息化发展的重要目标之一。《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》明确提出要“地面网络与卫星网络有机结合，部署覆盖城乡各级各类学校的教育信息网络”[1]。《教育信息化“十三五”规划》重点提出要“加快推进‘宽带网络校校通，结合国家‘宽带中国建设，采取多种形式，基本实现各级各类学校宽带网络的全面覆盖，具备条件的教学点实现宽带网络接入”[2]。《构建利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面有效机制的实施方案》中突出强调“到2020年，基本实现所有地区和各级各类学校宽带网络的全面覆盖，具备条件的教學点实现宽带网络接入”[3]。

《教育信息化2.0行动计划》明确提出要“推进宽带卫星联校试点行动”，“试点探索利用宽带卫星实现边远地区学校互联网接入、利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面的有效途径[4]”。这为破解教学点网络接入难题、补齐“阻碍”教育公平实现的短板提供了契机。可以预见的是利用宽带卫星实现教学点网络接入的构想基本确定，但究竟采用何种技术路径接入网络、接入后网络运行状况如何、哪一种接入路径最优等等操作层面的问题还需要我们来深思。诚然，这些是大家关注的焦点问题，也是本研究想要回答的主要问题。

二、现状与问题

2012年起，教育部通过加强与国家有关部委的沟通和协作，与三大电信运营商签署战略合作协议，建立“政府政策支持、企业参与建设、学校持续使用”的互联网接入机制，推进“宽带中国”战略，加大对农村、偏远地区学校宽带网络接入的倾斜力度，实施“教学点数字教育资源全覆盖”项目等一系列措施，积极推进学校宽带网络接入工作，取得了显著成效。截至2016年6月，全国中小学互联网接入率从2011年的25%上升到87.5%，较2014年提高了5.3个百分点;其中，带宽在10M以上的学校比例为64.3%，较2014年提高了23.3个百分点。[5]新近统计数据表明，全国中小学互联网接入率已达93%。[6]

在取得成绩的同时，也面临了一些问题，未接入互联网的学校主要集中在偏远农村和集中连片特困地区的教学点[7]。由于教学点地处偏远，人口较少、经济落后，通过地面网敷设的方式接入互联网难度大、成本高、收益低，甚至面临亏损的可能，因此电信运营商和相关企业缺乏建设积极性，存在市场机制失灵的现象，教学点的网络接入工作在进入攻坚阶段的同时，也进入瓶颈期。要实现学校宽带网络全覆盖的目标，急需新的建设思路与方式。

三、宽带卫星为实现教学点网络接入提供新思路

1.宽带卫星的发展

发达国家及经济快速发展的发展中国家，固定宽带网络接入的普及率已达到很高的水平，大众对于更高速宽带连接、泛在WiFi接入及内容更丰富的互联网服务的期待越来越大。但是，城郊、偏远地区与城市区域却呈现出越来越大的“数字鸿沟”。这就使得双向卫星宽带业务的进一步普及具备了很大的可能性。2017年，我国首颗高通量宽带卫星“中星16号”发射升空并提供商用服务，大大提升了用户接入网络的便捷性，下载速率能达到150Mbps，同时回传速率也能达到12Mbps，媲美甚至超越我们普遍使用的光纤网络。中国卫通集团股份有限公司（以下简称“中国卫通”）后续还将部署更大容量的Ka高通量宽带卫星，计划于2020年，形成无缝覆盖我国以及亚太地区的宽带卫星通信能力，进一步满足“一带一路”和“宽带中国”战略的网络通信需求。利用宽带卫星接入互联网是对固网宽带接入的有效补充，为“宽带网络校校通”提供了一种切实可行的解决方案，为“到2020年基本实现所有地区和各级各类学校宽带网络全覆盖”提供了技术保障。

2.宽带卫星网络的特点

本研究使用的宽带卫星由中国航天科技集团有限公司从事卫星运营服务业的核心专业子公司中国卫通提供。该公司具有国家基础电信业务经营许可证和增值电信业务经营许可证，是我国唯一拥有通信卫星资源且自主可控的卫星通信运营企业，被列为国家一类应急通信专业保障队伍，由其提供的宽带卫星通信具有频段高、抗干扰、多复用、容量大等特点。

频段高，抗干扰能力好。一方面，宽带卫星所用的频段更高，比如通常使用的Ka频段可用频率为3.5GHz，远远高于传统卫星的C频段（800MHz）和Ku频段（500MHz），因此可用的频率资源自然更多，与之相对应的通信系统潜在容量也就更大;另一方面，宽带卫星的高频段可以避开普遍使用的地面通信系统所用频率，与此同时，在其他外在条件相同的情况下，宽带卫星相较于传统卫星其频段波束宽度更窄，具备更好的指向性，抗干扰能力也就更出色。

频率复用高，卫星容量大。宽带卫星基本都是采用点波束频率复用的方式来扩展自身传输能力，频率重用次数越多，容量也就越大，一般情况下，宽带卫星频率复用次数均在20次以上。点波束技术的应用内生性地决定了宽带卫星通信系统的星状结构，这意味着宽带卫星特别适合提供B2C型应用。宽带卫星网络可承载高清视频、IP话音、互联网接入等要求宽带传输的业务，相比传统卫星通信，宽带卫星终端的下载和回传能力大大提高。此外，宽带卫星高频段信号内在的高增益使得用户终端进一步缩小，安装对星简单且部署起来更为便利，降低建设和使用成本，加强了实际应用的方便性和易用性。

3.教学点接入宽带卫星网络的必要性

教学点由于地理环境的限制，加之面临随时撤并的可能，高投入建成的地面网络由于缺乏可迁移性，自然失去了使用价值，极易造成资源的浪费。宽带卫星通信在解决长距离、稀路由数据传输方面优势显著，具有组网快速、灵活机动、一站式传输的技术特点，同时兼具较强的可移植性和再部署性，非常好地弥补了传统地面网的不足，特别适合因人口稀少或地理条件所限导致的地面网络建设和维护成本过高的偏远地区教学点。宽带卫星网络接入服务更加全面，能够让教学点具备全部宽带业务双向传输能力，包括高速數据业务、互联网业务、视频业务、多媒体广播业务等，对于落实“三通两平台”目标是可行路径。同时能够使“一校带多点、一校带多校”的教学和教研组织模式在教学点教育均衡发展中发挥作用，对于开齐开好国家规定课程，破解教育不均衡发展的难题具有现实意义。

四、教学点宽带卫星网络接入路径

教学点网络接入是教育信息化的重点任务。根据教学点教学应用功能需求不同进行部署，大致可分为两种：互联网接入和实时教学，互联网接入是基础，课堂实时互动远程教学是补充。按照该思路，可以将教学点网络接入的技术实现路径归结为三类，即教学点单方面宽带卫星网络接入、教学点宽带卫星网络与主体学校光纤网络接入、教学点与主体学校均为宽带卫星网络接入，前一类面向教学点单一的互联网接入需求，后两类面向教学点实时远程互动教学需求。

1.路径一：教学点单方面宽带卫星网络接入

该方式是在教学点部署卫星终端设备实现互联网接入。教育资源等互联网资源均可从中国卫通的Ka网络运营中心进入卫星网络，通过关口站将内容一站式分发至设在教学点的卫星小站，卫星小站提供的是远程接入点。此外，还可增加本地服务器，教育卫星网资源管理中心可以通过闲时将资料广播下来，接收点收到后存储在服务器中，非实时互动的资料可以在本地服务器获得，从而高效利用卫星带宽。对于每个教学点，其互联网接入如图1所示，教学点的教学终端通过WiFi（或者网线）接入卫星网络终端设备，由宽带卫星终端设备直接通过卫星网络与地面关口站连通，进而通过中国卫通业务运营中心接入互联网。

通过在教学点安装卫星收发设备，使教学点具备互联网的接入条件，师生能够利用多媒体设备便捷地访问互联网;能够浏览、下载国家基础教育资源公共服务平台与互联网上的数字教育资源，但不能实现同步教学等需要进行实时视频信息交互的功能。

2.路径二：教学点宽带卫星网络与主体学校光纤网络接入

该方式是建立在两个先决条件之上：一是主体学校要有足够的带宽，且在日常教学过程中，整个互联网链路能够进行实时视音频的流畅传送，延时保持在能够不影响教学进展的程度内;二是主体学校和教学点已经具备进行远程互动教学的网络平台与系统。在此基础上，在教学点部署卫星终端设备即可实现教学点“互联网接入+实时教学”的功能，如图2所示。基于主体学校已铺设的地面网络且具备足够的视频上传能力，因此要实现实时教学不需要再在主体学校部署卫星终端设备，主体学校的直播课程视频可通过地面网络上传至电教平台，宽带卫星网络完成将直播课程广播到远端教学点的任务（单向模式），同时远端教学点的实时课堂视频也可由宽带卫星网络广播到主体学校或其它教学点，完成课堂实时互动教学任务（双向互动模式）。

通过在教学点安装宽带卫星收发设备，使教学点具备互联网接入条件;主体学校通过广播方式向多个教学点直播课堂教学实况，教学点的课堂教学同样通过广播方式向主体学校与其它教学点进行直播，师生能够与主体学校教师进行多媒体交互，支持“专递课堂”“协同教研”等信息化教学与教研应用模式。

3.路径三：教学点与主体学校均为宽带卫星网络接入

该方式是建立在主体学校和教学点已经具备进行远程互动教学的网络平台与系统基础之上。宽带卫星网络接入的实现方式是在主体学校和教学点均部署宽带卫星终端设备，即可实现教学点“互联网接入+实时教学”的功能，如图3所示。与路径二不同，基于主体学校未铺设地面网络或者已有地面网络不具备足够的视频上传能力，主体学校的直播课程视频和远端教学点的实时课堂视频，均通过宽带卫星网络广播到主体学校及其它教学点，完成课堂广播（单向模式）及课堂实时互动（双向互动模式）的教学任务。

通过在主体学校和教学点安装双向宽带卫星收发设备，提供互联网接入条件，主体学校与教学点之间实现流畅的远程师生互动教学，主讲教师实时得到学生学习状态的反馈，学生的提问也能即时得到回答，真正做到两地同步教学。

五、宽带卫星网络在教学点的试点接入

1.宽带卫星网络设备终端的安装

“宽带卫星联校试点行动”选取了甘肃省甘南藏族自治州舟曲县、云南省昭通市彝良县、四川凉山彝族自治州雷波县作为试点县，每县选择一所主体学校（承担连片教学与教研任务的中心学校）和4个未联网教学点开展试点。截至2018年1月，中国卫通历时两个多月分三个批次，分别为上述三个县区配备、安装、调试宽带卫星网络接收基站。

各地安装调试完成后，中国卫通为试点学校进行了宽带卫星网络的使用账号分发、操作方法指导、日常维护培训等应用指导，并安排工程师与试点县区确定的地方技术人员进行对接，沟通可能遇到的突发情况及解决办法，互留联系方式以确保在遇到突发情况时能够第一时间响应。

2.宽带卫星网络运行测试

安装完成后，针对三种不同路径，围绕教学资源网站的访问、视频资源的观看/下载、远程实时视频互动等不同应用场景进行了网络负载测试。在进行教学资源网站访问以及视频资源观看/下载测试时，考虑到教学点教师实际教学需要，选择了国家教育资源公共服务平台以及教学点数字教育全覆盖项目平台作为测试平台，测试模拟真实教学场景，由教师利用上述资源平台为教学点学生上课，期间利用网速测试工具监测网速。测试持续一个完整的教学周，具体测试安排为：周一“8：00-10：00”;周二“10：00-12：00”;周三“12：00-14：00”;周四“14：00-16：00”;周五“16：00-18：00”。采取渐进覆盖的方式进行测试，网速统计值为测试区间段内均值。测试结果如图4所示，整体来看，无论采取何种路径接入，宽带卫星的网速均表现稳定，在采样测试周内没有表现出较大的起伏或波动;对比来看，三种接入路径表现出来的网速差异并不明显，路径三稍有优势，原因在于当主体学校和教学点均采取宽带卫星网络接入时，形成了小型内部局域网;深入来看，路径三对比路径二优势并不明显，这也能从侧面说明宽带卫星网络对其它网络的兼容性较好。