利用卫星实现直播课堂和网络覆盖

张 晓

（中国卫通集团股份有限公司，北京 100094）

1 背景

党的十八大以来，我国基础教育改革不断深化，在促进教育公平、提升教育质量和教育制度建设方面取得了巨大的成就，有力支撑了社会经济的发展、促进了人的全面发展。党十九大开启了加快教育现代化，建设教育强国的新征程，明确提出“推动城乡义务教育一体化发展，高度重视农村义务教育，办好学前教育、特殊教育和网络教育，普及高中阶段教育，努力让每个孩子都能享有公平而有质量的教育。”在之前召开的新时代全国教育大会，习近平总书记发表重要讲话，强调“推进教育改革，加快补齐教育短板，教育事业中国特色更加鲜明，教育现代化加速推进，教育方面人民群众获得感明显增强，我国教育的国际影响力加快提升，13亿多中国人民的思想道德素质和科学文化素质全面提升”。党的十九大之后，我国基础教育进入了从“有学上”到“上好学”的转变阶段，处在“促进公平、提升质量”的关键时期。如何补齐农村教育短板是教育工作的难点，特别是贫困地区的教育又是难点中的短板。由于地处偏远，这些地区长期存在基础设施建设薄弱，师资力量有限，学生辍学率高优质教育资源严重不足等问题，导致语文、数学等主要课程教学质量不高，英语、音乐、美术等课程难以开齐、开好，严重制约着贫困地区教育发展质量和水平。国家领导人高屋建瓴的指出信息化手段将是破解教育难点重要途径。

1.1 宽带卫星搭建传递国家关爱的天路，助力实现教育公平

目前，全国中小学（除教学点外）中，95.8%的学校实现网络接入，配备多媒体教室320万间，91%的学校实现至少拥有一间多媒体教室，68.5%的学校实现多媒体教室全覆盖。“教学点数字教育资源全覆盖”项目圆满完成，全国6.4万个教学点实现了设备配备、资源配送和教学应用的三到位，持续向教学点推送适用的数字教育资源，提高了教学点音乐、美术、英语等国家规定课程的开课率，惠及400多万偏远地区的孩子。面向农村中小学和教学点开发了1 ～3年级语文、数学、英语等8个学科，4 ～6年级英语、科学、美术等4个学科的国家规定课程数字资源，通过国家教育资源公共服务平台免费供学校下载使用。但是仍有4%的学校没有连接互联网，其中有5，000多所学校是互联网运营商服务难以覆盖的地区。这些学校不能享受到国家提供的资源和服务，进一步加剧了教育资源不均衡，拉大了数字鸿沟，使教育公平缺失。国家有义务，也有责任解决这个问题。

2017年4月，我国首颗高通量卫星“中星16号”发射成功并提供商用服务，为解决偏远农村地区的网络接入问题，带来了希望的曙光。通过卫星网络，用户终端可以方便快速地接入网络，下载和回传速率最高可达150Mb/s 和12Mb/s，高通量卫星的投入使用为“宽带网络校校通”提供了一种切实可行的解决方案，是对光纤宽带接入的有效补充，为2020年基本实现边远地区学校宽带网络的全面覆盖提供了技术保障，实现边远地区学生通过“小屏看世界”，也为边远学校搭建一条接受国家关爱的天路。

1.2 “直播课堂+网络覆盖”，促进农村学校教学质量提升

为解决农村学校教学资源缺乏的问题，国家历届政府都高度重视，先后推出了多种举措，建设了丰富数字化教学资源，地方也配套了不少地方资源；同时，开展了各种形式教师培训，很大程度提高了农村学校教学信息化水平。但总体应用水平不高，资源利用效率较低。

多方调研发现，资源与日常教学脱节是主要原因，并不是资源内容不适合，而是各地学情不一样，农村学校教师很难对资源进行有效转化。这不是一两次培训就可以解决的，因此，如何帮助农村学校教师日常教学是应用促进教育质量提升的关键问题。通过互联网将名师引入当地，帮助教师进行教研备课的教学服务将是今后资源建设的重要方式。

2 “直播课堂+网络覆盖”的应用方案

促进教育质量提升要进行优质资源课堂的同步教学，不仅要以“直播课堂”形式立中小学的单向直播教学，将优质的教学课程下放到师资薄弱的课堂；同时要解决“互联网接入”问题，需要在省内多个不通网络的教学点进行互联网建设，进一步提升远程教育能力，让学校实现双向互动的教学应用，可以通过电脑教学，网校和在线考试，交互式远程教育，广播教育电视频道到学校，接入远程图书馆，教师培训等方式实现教育资源的远程共享。

根据“直播课堂+网络覆盖”的实际应用需求，“直播课堂”和“互联网接入”可以通过“直播星”和“一锅双星”技术实现，即通过直播直播卫星和Ka 高通量卫星作为远程教育的传输通道。通过“中星9号”直播星可以将直播课程通过卫星广播的方式向全国投递。“一锅双星”能够实现一个天线面加两个馈源实现两颗卫星资源的接入，通过“中星9号”进行数字投递，学校接收卫星“直播课堂”，同时通过“中星16号”Ka 高通量卫星的接收机实现双向互联网接入。

（1）直播课堂：需要通过卫星远程教育直播系统来实现全省的单向直播教学。直播课堂教师端应该满足快速开课，统一调度的需求。在学生端，能够通过简单操作快速接入直播课堂，设备应当能够存储直播课程，维护简单。

（2）互联网接入：将省内多个不通网络的教学点通过经济便捷的手段将互联网接入偏远教学点，满足教学点电脑教学需求，提升教学点网络教学能力，同时还满足网络稳定、设备可靠维护简便的需求。

2.1 直播课堂解决方案

在辽阔地理区域内利用“直播星”来实现直播课堂是目前主要采用的技术手段。偏远学校地处地区环境复杂，各区域地面网络性能不一，很难通过地面网络实现全省范围内的直播课堂。在我国，卫星直播课堂已经有了丰富的应用案例，具备成熟的解决方案。本方案的网络模型通过直播星作为数据传输的主要通道，通过直播课堂、直播星、直播终端实现教学直播、信息传输、课堂接收三大功能的网络方案，该方案的网络结构框图如图1所示。

在该网络结构图中，由以下各部分组成：

（1）直播课堂：直播课堂作为直播课程的信息源，需要完成课堂视频制作采集、编码打包传输等，最后通过专线传输到卫星直播中心。

（2）卫星直播中心：负责卫星直播节目的播出、运行、管理。在卫星直播中心会完成内容审核、数据打包、带宽分配等工作，将数据通过直播卫星向全国广播。

（3）直播星天线+直播终端盒：直播星天线接收直播信号，由直播终端盒解调解码到教学多媒体终端播放。直播终端盒配有硬盘可以存储直播课程，以便于远端师生反复观看。

图1 直播星系统框图

2.2 互联网接入解决方案

互联网接入方案主要由Ka 高通量宽带卫星网络系统以及卫星直播课程系统构成。由于偏远区域教学点地面光纤难以覆盖，通过“一锅双星”的技术手段能够同时满足“直播课堂”和“互联网接入”的需求。

“一锅双星”即主用中星16号（110.5°）卫星实现双向高速互联网接入，兼收直播星中星9号（92.2°）实现直播课程接收。通过一锅双星，能够同时接收Ka 高通量宽带卫星信号，也能接收中星9号广播卫星信号。一个天线面支撑两套通信系统，将Ka的宽带卫星网络接入到教室，完成教师、学生网络接入的需求，使广大师生能够通过互联网实现访问丰富的网络教学资源。通过中星9号使各个学校通过电视直播的方式来实现“直播课堂”。在该方案中无需改变直播课堂解决方案的网络系统，能完美融合卫星直播课程系统和高通量宽带卫星网络两套系统，网络结构框图如图2所示。在该网络结构图中，由以下两系统组成：

（1）直播课堂网络系统：与直播课堂解决方案网络系统一致，只需将直播卫星天线更换为Ka 卫星天线即可。

（2）高通量宽带卫星网络系统

①北京运营中心：主要负责为用户提供网络接入。负责卫星数据的处理转发，将因特网数据和用户数据互联互通。

②Ka 卫星天线：一个天线面同时接收直播卫星信号和高通量宽带卫星信号。

③多功能宽带卫星终端：负责直播星信号和高通量宽带卫星信号的处理。既能完成直播信号的接收和直播课程的存储，也能通过高通量宽带卫星为广大师生提供网络接入服务，整体每个学校（教学点）提供12Mb/s 下行速率，2Mb/s 的上行速率。

图2 一锅双星系统框图

3 方案系统优势

3.1 直播星

教学信息传输流量有很明显的特点即教学信息下行（从教师端到学生端）量大，上行量（从学生端到教师端）数据传输量小。根据这一特点可以采用非对称带宽的模式来实现教学点的网络教学，十分适合应用直播星教学。同时直播星网络具有覆盖面广、图像清晰、网络通畅、无堵塞的特点，在今后相当长的时间内都具有广阔的发展空间，特别是边远地区和远离中心大城市的地区，卫星传输更有其独特的优势。

（1）网络优势：在覆盖区域上，直播星能够做到中国全境覆盖；直播课堂由省电教馆自主协调，播出内容可管可控，全省能做到统一同步管理；直播课堂每四小时轮播，直播内容可存储，最大程度上保证直播课程的可靠性。

（2）设备优势：直播星方案的设备简单，通过普通家用户户通天线和卫通标配直播终端盒就能实现直播课堂，在远端教学点无需进行大规模网络建设。同时设备维护方便，终端设备故障后可快速更换。

3.2 一锅双星

在偏远地区，地面光纤难以到达，高通量宽带卫星不受空间地域的限制，能够快速接入网络。高通量宽带卫星能够与直播星完美融合，不需要对直播星网络做更改，将直播星天线更换为“一锅双星”天线，配上多功能宽带卫星终端就能实现互联网接入和直播课堂的功能。

（1）网络优势：网络结构简单，终端快速接入，能够在3小时内完成一个教学点的工程建设，为用户提供12Mb/s 下行，2Mb/s 上行的网络带宽，满足师生日常教学使用。网络配置简单，无需复杂操作，通电接入即可接通网络。

（2）设备优势：能够和直播星设备融合，无需对远程教学端多做网络配置；终端结构简单仅需将户户通天线换为配套高通量宽带卫星天线即可，同时适配直播星直播终端盒。

4 终端配置及安装

根据远程教育应用场景和数据的需求，直播星推荐使用如下终端配置，主要包括：接收高频头、接收天线、直播终端盒；一锅双星推荐使用如下终端配置，主要包括：Ka 一体化Modem+收发馈源、接收天线、直播终端盒，以下对两种技术方案分别介绍。

4.1 直播星方案

接收设施设备图如图3所示。

选取卫星天线的安装位置时，一是要避免卫星天线前方出现遮挡或可能发生的遮挡，始终保持卫星天线能够很好对准卫星，最好将卫星天线固定在屋檐下且成人伸手够不着的坚固墙面上；二是要尽量离户户通机顶盒安放位置以及电视机保持较近距离（10米以内，越近电缆衰耗越小），以免馈线过长（超过20米）信号衰耗过多，影响正常接收；三是要选择坚固可靠的地方固定卫星天线基座，注意避雷、防风，防止跌落事故。

图3 直播星典型终端配置

4.2 一锅双星方案

将高通量宽带卫星室外单元的Ka 一体化Modem+收发馈源和直播星的接受高频头，一同安装在室外天线的馈源口处，具有卫星信号调制解调、卫星射频信号的功率放大和接收功能，使卫星终端高度集成化，同时将互联网接入和直播信号接收通过一个天线接入到室内多功能宽带卫星终端中，同时为教室提供互联网服务和直播课堂服务。

图4 一锅双星典型终端配置

天线可选用口径为0.76米的偏馈抛物面天线，使用配套的U型抱箍和螺栓可以将天线安装在室外的立柱上，而无需天线基础的施工。如果没有立柱可供使用，也可以提供安装支架，或者根据场地条件提供天线固定方案。天线后部的结构和安装后的天线外观示意图如图5所示。

图5 天线安装后整体示意图

5 存在的问题及展望

随着Ka 高通量卫星“中星16号”的正式投入使用，利用卫星实现直播课堂和偏远地区网络覆盖为信息化教学提供了更有力技术支撑。在优质的卫星网络教学环境下，要实现优质教师资源最大化利用。直播教师在直播课堂上仅仅起辅助作用，在各个教学点仍然需要教学点教师负责教学点学生课前预习、课堂秩序维护、课堂效果反馈和课后作业批改等，因此，教学点教师的约束问题同样重要。

同时，快速扩展卫星教学资源应用、推进卫星网络学习平台的建设也是重中之重。要真正的利用卫星资源，减少偏远学校学生流失，把优质教育资源和学习环境送到偏远学生手中，解决学生在家门口能上学、上好学的问题。