基于同步卫星通信技术的流媒体远程教育系统设计
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【摘要】 流媒体技术的发展，使流媒体技术已逐渐成为互联网中视音频传输的核心技术，这一新技术的应用影响着人类的学习和生活，给远程教育带来了新的动力和生机，同时也对我们现有的基于Internet的网络教育提出了新的挑战。现有的网络速度较慢，不能很好地支持流媒体应用。卫星通信网络的很多特点都有利于我国远程教育的普及和发展。本文从基于同步卫星通信技术的角度来探讨流媒体远程教育系统的设计与实现问题。
【关键词】 远程教育;流媒体技术;卫星通信技术
【中图分类号】G252.24 【文献标识码】A 【文章编号】1001-4128（2010）10-0174-02
在我国，提高教育现代化、信息化水平，大力发展现代远程教育是《面向2l世纪教育振兴计划》的重要内容。利用互联网上的文本、语音、图像、视频等共享数据资源以及国家数字网进行远程教育，又是穷国办大教育的战略性措施。从中央到地方政府，都非常重视远程教育。根据我国基础教育的实际，教育部决定从2001年起用5到10年间在全国中小学普及信息技术教育，全面实施“校校通”工程，以信息化带动现代化，努力实现基础教育跨越式的发展。实施“校校通”工程，可以有多种方式，但对于经济欠发达地区和贫困山区建立远程教育基地，实现“校校通”工程和教育信息化，最好的办法是建立卫星地面接收站，运用数字卫星接收站设备接收及利用教育信息资源。这种投资少、见效快的办法，是一个非常适合我国发展远程教育的捷径。
随着Internet的发展，流媒体(Streaming Media)越来越普及，流媒体技术已逐渐成为互联网中视音频传输的核心技术，这一新技术的出现影响着人类的学习和生活，给远程教育带来了新的动力和生机。同时也对我们现有的基于Internet的网络教育提出了新的挑战。但现有的网络速度较慢，不能很好地支持流媒体的应用。而卫星通信网络能拥有很宽的带宽，故我们可以将两种技术有机的结合起来为我们的教育服务。流媒体―卫星相结合的远程网络教育突破了时间、空间的限制，实现随时随地授课；内容丰富涉及音视频、动画、图文、多媒体课件和名师上课的实际课堂实录等多种形式；较强的交互性和真实性大大促进了人类的有效学习。本文试图通过自己的实践，谈谈流媒体技术和卫星通信在远程教育中的应用以及之间的结合。
1 流媒体技术
1.1 流媒体的界定及其特征
流媒体是一种基于宽带技术的视频、音频实时传输技术，这个实时传输技术也被称作流式传输技术，简称流技术。在 Internet/Intranet中使用流式传输技术进行传输的媒体就称为流媒体，流媒体可以看作是流技术应用的具体体现。流技术在开始传输数据后首先在使用者端的电脑上创造一个数据缓冲区，在数据应用前预先下载一段数据作为缓冲，当网络实际连线速度小于应用所耗用数据的速度时，程序就会取用这一小段缓冲区内的数据，从而避免应用的中断。流技术根据实现原理不同，分为顺序流式传输和实时流式传输两种。流技术在流媒体上的具体应用是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放上网站服务器，流技术能够按照特定的顺序将文件发送出去，允许用户一边下载一边观看、收听，而不必等到压缩文件下载完后才观看。目前在流媒体上使用的流技术主要是实时流式传输技术。
1.2 常见流媒体格式和协议
①即时串流通讯协议（Real Time Streaming Protocol，RTSP）
Real Networks公司协助建立的一个用来传送串流媒体的开放网页标准。RealNetworks公司在Real System系统中率先实现了RTSP标准协议通信。RTSP协议通信是一种有状态的通信，在语法及操作上均与HTTP／1.1 很相似。目前，Real Server通过标准的实时传输协议RTP和Real数据传输协议RDT两种数据包格式将流媒体数据发送到RTSP客户端。
②实时媒体系列（Real Media：RealAudio、Real Video和Real Flash）
Real Networks公司的Real Media系列包括三类媒体格式，自1995年至今，Real Media已经成为业界公认最好的流媒体／接收解决方案。
③微软媒体服务协议（Microsoft Media Server Protocol，MMS）是Microsoft公司为自己旗下的Windows Media量身定做的流媒体服务协议，由于Microsoft公司的影响力，它的应用十分普遍。
④高级流媒体格式（Advanced Stream Format，ASF）
微软制订的一种数据格式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式，以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容。
除此以外， Quik Time Movie文件格式同样也属于流媒体格式，在相同速度下，它的质量应该是最好的。同时由于它完全兼容PC和苹果机，很多游戏的宣传录像都采用.mov 文件。同样的，Flash文件也是一种流媒体，它支持实时传送，网上风行的大量以.SWf为后缀的MTV文件都是它的杰作。
⑤资源预订协议(RSVP)
RSVP(Resource Reserve Protoco1)是一种支持多媒体通信的传输协议，它在无连接协议上提供端到端的实时传输服务，为特定的多媒体提供端到端的Qos协商和控制功能，以减少网络传输延迟。
2 同步卫星通信系统
2.1 同步卫星通信系统及其特点
卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地球上行站发上来的电磁波放大后再返送回地球下行站。地球下行站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通过地球下行站出入卫星系统形成链路。由于静止卫星在赤道上空35786Km，它绕地球一周时间恰好与地球自转一周(23小时56分4秒)一致，从地面看上去如同静止不动一般。三颗相距120°的卫生就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。最适合卫星通信的频率是1～10GHz频段。为了满足越来越多的需求，已开始开发应用新的频段如12GHz，14GHz，20GHz及30GHz等频段。
卫星通信的主要特点如下：
2.1.1 优点：
①通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖的范围均可进行通信，且通信费用于距离无关，这一点很适合我国的山区远程教育。
②不易受陆地灾害影响较大。
③建设速度快。
④易于实现广播和多址通信。
⑤可以自发自收进行监控。
⑥同一信通可用于不同方向和不同区域。
2.1.2 缺点：
①由于两地球站间电磁波传播距离有近72000Km，信号传输有较大延迟。
②10GHz以上频带受降雨雪的影响。
③天线易受太阳噪声的影响。
2.2 同步卫星通信系统设计方案的考虑
2.2.1 卫星通信系统选择的整体考虑
从国内外卫星通信系统在远程教育中的应用来看 ，卫星通信发展至今已有很多种类，但传统的卫星通信系统都是面向网络的，中间要通过地面的电信网络后再与用户相连，这样设计的流媒体远程教育系统依然不能避开地面网络的传输速度较低和传输费用高的颈瓶限制，故我们选用VSAT地球站，VSAT除了具有普通卫星通信网络的特点之外，它还有其自身的优越性：
①VSAT是面向用户的，它不通过地面网络，避开了地面网络的缺点。
②VSAT的天线采用的是小口径天线，安装非常方便，且价格低。
③VSAT的智能化（包括操作智能化、接口智能化、支持业务智能化、信道管理智能化等）功能强，便于一般的人们操作、使用。
从以上VSAT所具有的特点我们可以看出，采用VSAT方案非常适合于像我国这样经济相对落后且地貌广阔、人民分散居住的国家普及和发展远程教育。
2.2.2 卫星传输方案的考虑
①传输速率：目前，中央级的广播电视图象质量标准，在不降低质量的前提下，用MPEG-2压缩编码标准，速率应大于5Mbps。作为教学活动考虑，快速运动的图像并不多。为节省频带起见，图像和语音压缩编码后的速率控制在2Mbps左右，已能满足教学的要求。由于计算机网络技术的迅速发展，教师已开始舍弃传统的黑板，采用网络浏览器调用讲稿以及通过网络，直接调用多媒体课件，所以在已有的图像、语音通道外，附加了一个数据通道(2~19．2kbpB)用以传送教师的文稿等内容，但总的速率仍控制在2MbpB左右。
②传输波段：C波段由于传播条件好，器件实现难度较小，已被广泛使用。但现在频段已很拥挤，加之天线尺寸较大，也有不利的一面。近年来，Ku波段技术已趋成熟，且设备比较轻巧，天线尺寸小，便于构建系统，总体建设费用也不贵，考虑用Ku波段是可行的。Ku波段的最大缺点是雨衰严重，易造成系统接收不稳定。但采取适当措施，如上行功率控制等，可减少中断、质量严重下降等概率事件。
③卫星带宽：由于图像、语音及数据广播的总速率控制在2Mbps左右，租用2MHz多一点的卫星带宽(QPSK调制)即能满足。为了开通VSAT系统，另租用1MHz多带宽，满足数家校外站与主站之间的交互。这样，总的带宽为4MHz。
④管理系统：由于系统与现有的公共信息网有区别，是为了申请接受远程教育的人而提供其学习的教育系统，所以应附设了地址加密系统。同时要达到教育的目的，根据需要，有目的的播放。
3 基于同步卫星通信技术的流媒体远程系统设计
该系统由一个中心站和多个接收站组成，中心站将各种流媒体信息汇接处理成高速的数据码流，经调制、上变频放大后由大型天线向卫星发送。接收站利用小口径天线VSAT接收卫星转发的信号，解调取出授权的信息，提供给面向用户的各种应用。
4 基于同步卫星通信技术的流媒体远程教育特点
4.1 能提供高质量的视频效果。使用HTTP传输模式，当远端学生浏览一段视频录像时，由于网络带宽不稳定，视频在传输过程中的质量无法得到保证。但基于卫星通信网络的流媒体远程教育能很好的解决这个问题，使远端学生自始至终享受赏心悦目的教学图像。
4.2 下载时间短、与文件大小无关。视／音频流不需全部下载到客户端就可播放，延时时间很短，且与流媒体文件的大小无关，只与流媒体服务器、客户机和网络的性能有关。
4.3 客户端操作简单、交互性强。视／音频流既可用流媒体播放器播放，又能嵌入在Web的网页中播放，并提供回绕、快进或暂停等交互操作，直观方便。
4.4 传输费用低，覆盖面积广，不易受地区经济差异或网络运营商的影响，有利于我国远程教育的普及和发展，对于我国国民素质的提高和职业教育的发展有很大帮助。
5 结束语
基于同步卫星通信技术的流媒体远程系统的设计和实现给远程教育带来了强大的生机，它对于营造学校教学氛围、实现师生之间的良好交互起了革命性的作用。随着Internet基础环境的不断改善和卫星通信技术的不断提高，流媒体技术必将在各领域广泛发挥作用，给学习、生活、工作带来极大的便利，为我国的远程教育迎来一个崭新的春天。
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