基于卫星通信的在线教育浅析

文|刘颖 陈付亮 孙勇

航天恒星科技有限公司

一、概述

在线教育是以网络为介质的教学方式，通过地面网络结合卫星通信网络，学员与教师之间开展的教学活动，具有跨越时空和打破人力物力限制的资源利用最大化、随时随地进行选择的学习行为自主化、师生交流与学生自学等学习形式交互化、教学形式个性化等诸多优势。在线教育融合云计算、数据分析技术、多媒体技术、卫星通信、智慧终端等技术，推动教育向泛在学习发展。

为促进教育均衡，在线教育已成为世界各国关注和发展的重点。美国高等教育发达，但为了均衡教育开设在线教育，共享优秀资源，2014年在线高等教育课程数量已达280万，占高等教育总数的14%。英国的在线教育紧跟美国，国家投入力度相当大。艾媒咨询数据显示，中国在线教育市场规模逐年增长，预计2020年达4538亿元，在线用户规模逐年上升，预计2020年达到3.09亿人。

基于卫星的在线教育在我国得到迅速发展并取得显著成效。2000年建成的中国教育卫星宽带网络（CEBSat）在国内拥有653736个卫星终端，覆盖20000多所高等院校，400000多所中小学。2020年我国疫情期间，国家广电总局教育卫星直播中心和中国教育台密切合作，完成空中课堂频道CETV-4上星传输并覆盖全国，助力疫情期间停课不停学，直播用户超过1.4亿，遍及全国31省的贫困和偏远地区。

二、基于卫星通信的在线教育应用场景

目前在线教育主要基于地面网络，主要应用场景包括直播教学、组播教学、直播互动教学和课程点播。其中，直播教学是将直播教室的课程通过网络向其他教室实时直播；组播教学是将直播教室的课程通过网络向特定的一组教室实时直播；直播互动教学是指在直播的同时，可以进行师生实时互动；课程点播是指学生可以根据个人兴趣进行课程学习。

卫星通信具有以下优势：覆盖范围广，组网部署灵活，不受地理位置影响，尤其是山区、海域和偏远区域均可覆盖；具有广播和组播功能，节省带宽；由于卫星的广覆盖能力，与光纤、公众移动通信等通信方式相比较，不需要大量的地面基础设施支撑；在应急和灾害情况下，可作为地面网络的备份。在基础设施落后的国家和地区，可结合国际主流Ku频段或者Ka频段通信卫星的优势，实现在线教育的广泛应用。

1.基于Ku频段在线教育的网络架构

Ku频段是一个大的区域波束，覆盖范围广，一般可覆盖整个国家全境及周边地区，同一颗卫星下任何地点通信均不需要切换。基于Ku频段的在线教育，适用于整个国家全境或者大范围内的教学，能够实现教学覆盖到Ku频段下的每一个角落。大范围或者全国性的在线直播教学、组播教学和课程点播可采用Ku频段进行通信。基于Ku频段在线教育的网络架构如图1所示。

图1 基于Ku频段在线教育的网络架构

2.基于Ka频段在线教育的网络架构

Ka频段是点波束，覆盖范围为某个特定区域。覆盖一个国家的全境需要多个Ka点波束。同一颗卫星下，不同点波束通信需要进行波束切换。点波束可以波速复用，使得带宽使用率增加，所以Ka频段的单位带宽成本较低。以中星十六号卫星为例，26个点波束覆盖了我国大部分地区，波束设计采用8色频率复用，总带宽为6800MHz。

基于Ka频段的在线教育，适用于特定区域的在线教学，能够实现教学覆盖到该Ka点波束下的每个角落。区域在线直播教学、区域直播互动教学和区域点播教学可采用Ka频段进行通信。基于Ka频段在线教育的网络架构如图2所示。

图2 基于Ka频段在线教育的网络架构

在我国大凉山等边远地区农村学校，通过接入高通量宽带卫星Ka频段，为试点县学校和教学点建设多媒体网络教学环境，开展基于卫星网络的专递课堂和同步课堂、网络教研、学生自主学习等的教学教研实践。

3.直播教学应用场景

直播教学是教师讲授的课程内容，可以通过网络实时直播到各个远端教学终端。各个远端教学终端接收直播教室的课程内容，聆听直播教室老师教授知识，注视直播教室老师的教课表情、动作和板书。直播的同时自动录播课程，并上传到远程教育数据中心，实现后续对直播录制视频的回看。

目前，90%的在线教育应用为直播教学，基于地面网络，结合卫星网络的Ku频段或者Ka频段，可以实现大范围的在线直播教学。利用卫星直播时，发送端只发送1个数据包，所有接收端接收数据，网络传输量（Traffic）也不会增加，因此卫星网络传输数据量不变，数据传输高效，可以最少的带宽实现最大化资源共享。

4.组播教学应用场景

区别于直播，利用卫星通信的另外一个优势—组播，可对特定的一组用户发送在线教学。如图3所示。利用卫星组播时，发送端只发送1个数据包，即使接收端数量增加，网络传输量也不会增加，卫星网络传输数据量不变，数据传输高效。组播可更加流畅地、实时地传输大画面、高清晰的图像。组播推荐使用Ku频段。

图3 基于卫星通信的组播教学应用

5.直播互动教学应用场景

直播互动教学过程中，教师讲授课程的同时，除了可以和现场学生互动之外，还可以同远端学生进行实时视频互动教学，对远端学生进行提问，并回答远端学生提出的问题。直播互动教学可以增强课程的真实性和生动性，很大程度地提高学生的积极性，启发和激励学生参与教学活动，教师也可获得信息并得到学生的回应，进而促进教学。

地面网络对互动教学点的接入无限制，但当使用卫星通信网络接入远程教育点时，考虑到卫星带宽的宝贵性和价值，互动教学仅仅对有重点需求的远程教学点设置，并且建议使用价格成本相对低的Ka频段。基于卫星通信的互动教学应用如图4所示。

图4 基于卫星通信的互动教学应用

6.课程点播应用场景

课程点播是教师提前上传的优秀教学材料或者录播下来的直播课程，构建丰富的教学资源平台，学生登录教学资源平台，按照个人兴趣点播学习。同时，学生可以在课程下进行文本类的留言互动。如图5所示，远端的学生既可以利用地面网络接入教学资源平台，也可以通过通信卫星网络接入教学资源平台。基于卫星通信，甚至可以接入偏远地区的远端学生。

图5 基于卫星通信的课程点播应用

三、基于卫星通信的在线教育解决方案

相比于地面互联网，卫星通信更加灵活、甚至能到达偏远地区，解决地面网络基础建设差的场景。结合卫星网络广播和组播的优势，能够以最少的带宽实现网络传播资源最大化。基于卫星网络的在线教育解决方案如图6所示。

图6 基于卫星网络的在线教育解决方案

该方案主要包括服务平台、直播互动教室、远程教育点、通信平台。

服务平台是在线教育的后台中心，旨在提供课程资源共享平台，实现课程的直播教学、直播互动教学、课程点播等应用；同时，为在线教育提供服务，如用户管理、课程资源管理、考试管理、教务管理、运营管理、作业和教学评估等功能。

直播互动教室是在线教育的媒资中心，均部署在教学资源高的地区，旨在提供优秀的教学资源，共享优秀的教育资源，构建教育资源平台。直播互动教室的教师掌控全局，把握课堂节奏，可以把其讲授的课程通过网络完美展示给接入的远程教育点；接入的远程教育点可以实时观看课件资源、教师讲解，并和直播互动教室的教师实时互动。直播互动教室还可以把直播的课程自动录制下来，形成课件资源，上传到在线教育服务平台，形成优秀课程，供点播使用。

远程教育点可为学生提供个人学习或者集体学习的环境，可以通过地面网络或者卫星通信网络接入，可辐射到便宜地区，任何人、任何时间、任何地点均可学习，支持手机、PAD和PC各类终端；支持Android、iOS、Windows各类操作系统。

传输平台作为在线教育业务系统的网络支撑，支持地面网络和卫星通信网络，通过卫星系统实现卫星信号发射接收和网络管理，提供卫星双向通信传输服务。

四、结束语

基于卫星通信的在线教育将卫星通信和在线教育有机结合，利用卫星通信直播和组播节省带宽的优势，以及卫星组网灵活、覆盖范围广、甚至可以覆盖到偏远地区的优势，实现在线教育直播教学、组播教学、直播互动教学和课程点播的各种应用场景，从而实现优秀教育资源和精品课程资源共享，提高教学的便捷性，促进教育教学均衡发展，产生巨大的生态效益和社会效益。