衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程教育研究
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1遠(yuǎn)程教育的內(nèi)涵及其在我國的發(fā)展歷史
遠(yuǎn)程教育是指通過不同途徑和手段將一方的優(yōu)質(zhì)教育資源傳送給另一方或另外多方的教育方式。遠(yuǎn)程教育在中國的發(fā)展大概可以分為以下三個(gè)過程：1）函授教育，使用郵寄書本材料的方式進(jìn)行，這有著較大的局限性；2）廣播電視教育，采用電臺(tái)、錄像等方式傳播信息；3）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，它擁有面對(duì)面、函授、廣電教育的優(yōu)勢，同時(shí)依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)，把文字、聲音、圖像等融合在一起形成了第三代遠(yuǎn)程教育。但是，第三代遠(yuǎn)程教育實(shí)際應(yīng)用效果卻不好，因?yàn)楹芏嘁蛩赜绊懫湫Ч?，如地面網(wǎng)帶寬、路由的增加、交換的限制。為了解決以上出現(xiàn)的問題，人們?cè)谶h(yuǎn)程教育中引入了衛(wèi)星通信技術(shù)。
2目前遠(yuǎn)程教育中采取的衛(wèi)星通信技術(shù)以及存在的問題
20世紀(jì)90年代以來，衛(wèi)星通信的迅猛發(fā)展推動(dòng)了遠(yuǎn)程教育的長足發(fā)展。
2.1目前遠(yuǎn)程教育中采取VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)
VSAT含義是甚小口徑衛(wèi)星通信站，VSAT除了具有一般衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)外，還有以下兩個(gè)主要特點(diǎn)：一是地球站通信設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊牢固，全固態(tài)化，尺寸小、功耗低，安裝方便。二是組網(wǎng)方式靈活、多樣。因此VSAT廣泛應(yīng)用于新聞、氣象、民航、人防、銀行、石油、地震和軍事等部門以及邊遠(yuǎn)地區(qū)通信，所以VSAT適用于遠(yuǎn)程教育。
2.2傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程教育實(shí)際應(yīng)用中暴露的問題
（1）衛(wèi)星使用代價(jià)昂貴，多點(diǎn)教學(xué)，成本才能和地面網(wǎng)費(fèi)用接近，如果教學(xué)點(diǎn)達(dá)不到收益平衡點(diǎn)，衛(wèi)星通信就得不償失了。（2）單向向?qū)W生傳輸教學(xué)內(nèi)容，教師和學(xué)生無法溝通，有了疑問無法得到解答，教學(xué)接收程度也得不到衡量，無法保證教學(xué)質(zhì)量。基于這種情況，采取衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)相融合的技術(shù)，既可以保留傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的優(yōu)勢，又可以解決其不足之處。
3基于衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)的遠(yuǎn)程教育研究
3.1衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)
衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)屬于衛(wèi)星回傳通信技術(shù)，衛(wèi)星回傳通信技術(shù)是一項(xiàng)比較新的技術(shù)，目前還沒有全面普及，其主要特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)教師端和學(xué)生端的互動(dòng)，將基于DVB－S標(biāo)準(zhǔn)的VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成閉環(huán)通信模式。
3.2基于衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)的遠(yuǎn)程教育
在衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)的遠(yuǎn)程教育應(yīng)用模式中，將課件和教室視音頻直播的內(nèi)容通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到衛(wèi)星主站，再通過衛(wèi)星主站上行至衛(wèi)星，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至各個(gè)教學(xué)點(diǎn)，然后把收到的課件或者視頻音頻等通過教學(xué)系統(tǒng)展現(xiàn)在學(xué)生面前。基于衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)的遠(yuǎn)程教育彌補(bǔ)了視音頻傳輸受限和衛(wèi)星使用資費(fèi)較高的缺點(diǎn)，符合實(shí)際應(yīng)用中上行數(shù)據(jù)量少、下行數(shù)據(jù)量多的需求，這種方式既避免了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育中傳輸載體———地面網(wǎng)的劣勢，也減少了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程教育中衛(wèi)星帶寬的占用，具有較高的實(shí)用性和先進(jìn)性。
4基于衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)的遠(yuǎn)程教育的相關(guān)理論計(jì)算
基于衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)融合技術(shù)的遠(yuǎn)程教育的實(shí)現(xiàn)需要依據(jù)所在地區(qū)的地理、氣候以及衛(wèi)星通信的能力，因此我們需要對(duì)通信鏈路的能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過相關(guān)計(jì)算，驗(yàn)證選用的衛(wèi)星、設(shè)備、帶寬的可行性與合理性。整體設(shè)計(jì)應(yīng)保證系統(tǒng)余量多出1—2dB，并且系統(tǒng)功帶平衡，即盡量做到系統(tǒng)占用的轉(zhuǎn)發(fā)器功率/轉(zhuǎn)發(fā)器整體功率=系統(tǒng)占用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬/轉(zhuǎn)發(fā)器整體帶寬。如果在功帶平衡時(shí)系統(tǒng)余量過大或?yàn)樨?fù)數(shù)，可以改變上述的相關(guān)條件，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。具體設(shè)計(jì)有以下幾點(diǎn)：
4.1確定載波帶寬
載波帶寬是由以下幾點(diǎn)決定的：信息速率、FEC糾錯(cuò)率、編碼率以及調(diào)制方式。根據(jù)下列公式可求出符號(hào)速率。符號(hào)速率=（信息速率/FEC糾錯(cuò)率/編碼率）*調(diào)制因子其中報(bào)頭需要計(jì)入信息速率。前向糾錯(cuò)(FEC)編碼率通常為1/2、2/3、3/4、5/6和7/8，編碼率常用188/204。BPSK、QPSK、8PSK和16QAM的調(diào)制因子分別為1、1/2、1/3和1/4。在鏈路計(jì)算中，計(jì)算C/T、C/N和Eb/N0之間的關(guān)系將使用到載波噪聲帶寬，占星帶寬能夠決定工作頻率，并用來計(jì)算輸出、輸入回退。
4.2計(jì)算輸出和輸入回退
衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的功放級(jí)一般使用行波管方式(TWTA)或固態(tài)方式(SSPA)。這兩種放大器的功率輸出在最大功率輸出點(diǎn)附近不是線性的。一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通常有多個(gè)用戶的多個(gè)載波在使用，避免交調(diào)干擾是個(gè)比較大的問題，而交調(diào)干擾是由非線性功率輸出造成的，這就要求衛(wèi)星的放大器運(yùn)行在線性區(qū)域。此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器的實(shí)際輸出功率遠(yuǎn)低于其能夠輸出的最大功率，采用TWTA的轉(zhuǎn)發(fā)器運(yùn)行在線性區(qū)域時(shí)，輸出功率通常比最大功率低4.5dB，同時(shí)TWTA轉(zhuǎn)發(fā)器，輸入回退通常比輸出回退高6dB，對(duì)應(yīng)4.5dB的輸出線性回退，輸入線回退約為10.5dB。鏈路計(jì)算中，輸出回退對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的下行載波，輸入回退對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的上行載波。
4.3決定用戶使用載波的功率分配
衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器有功率和帶寬兩項(xiàng)資源，最好的應(yīng)用方式就是做到用戶載波占用的轉(zhuǎn)發(fā)器功率/轉(zhuǎn)發(fā)器整體功率=載波占用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬/轉(zhuǎn)發(fā)器整體帶寬。載波占用轉(zhuǎn)發(fā)器功率的比例為載波輸出回退-轉(zhuǎn)發(fā)器線性回退。當(dāng)功帶平衡時(shí)，見公式。OBOC=OBOXpd+10lg(BWXpd/BWC)OBOC為轉(zhuǎn)發(fā)器輸出回退，OBOXpd為轉(zhuǎn)發(fā)器線性輸出回退，BWXpd和BWC分別為轉(zhuǎn)發(fā)器的總帶寬和用戶租用轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬。
4.4確定SFD與上行EIRP
轉(zhuǎn)發(fā)器的飽和通量密度SFD反映了衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的接收靈敏度。靈敏度越高，要求的用戶上行功率就越低。但是一般情況下衛(wèi)星公司會(huì)根據(jù)相應(yīng)地球站所處的區(qū)域確定該地區(qū)的SFD，一味地降低上行功率，也會(huì)相應(yīng)降低上行載噪比和上行抗干擾能力。上行載波的EIRP的計(jì)算公式如下。EIRPE=SFD-載波輸入回退-G0+上行傳輸損耗G0為單位面積的天線增益，此數(shù)值有標(biāo)準(zhǔn)值。上行G/T、上行天線發(fā)射增益和功放輸出功率可由上行載波的EIRP計(jì)算得出。
4.5計(jì)算上下行C/T
上行和下行C/T的計(jì)算公式分別為C/TU=EIRPE-LossU+G/TSatC/TD=EIRPS-LossD+G/TE/S公式中的EIRPE和EIRPS分別為載波上行和下行EIRP，LossU和LossD分別為總的上行和下行傳輸衰耗，G/TSat和G/TE/S分別為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地球站的接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)。上式中的數(shù)據(jù)均為對(duì)數(shù)形式。鏈路預(yù)算的對(duì)象也可以是C/N，C/N=C/T-k-BWN公式中的k是波茲曼常數(shù)，BWN是載波對(duì)應(yīng)的噪聲帶寬。衛(wèi)星通信主要有如下的干擾：上行反極化干擾、下行反極化干擾、上行鄰星干擾、下行鄰星干擾。當(dāng)有多個(gè)載波同時(shí)工作時(shí)下的交調(diào)干擾。綜合考慮上行C/N與下行C/N以及各種干擾所產(chǎn)生的C/I，最后求得相關(guān)載波鏈路的系統(tǒng)C/N。相關(guān)算式為(C/N)Total-1=(C/(N+I))Up-1+(C/(N+I))Dn-1=((C/N)Up-1+(C/I)XpdUp-1+(C/I)AdjUp-1)+((C/N)Dn-1+(C/I)XpdDn-1+(C/I)AdjDn-1+(C/I)IM-1)上式中，(C/(N+I))Up和(C/(N+I))Dn分別為上行載波與噪聲干擾比和下行載波與噪聲干擾比(C/I)XpdUp和(C/I)XpdDn分別為上行載波與反極化干擾比和下行載波與反極化干擾比，(C/I)AdjUp和(C/I)AdjDn分別為上行載波與鄰星干擾比和下行載波與鄰星干擾比，(C/I)IM為下行載波與交調(diào)干擾比。載波噪聲比和載波干擾比都為對(duì)數(shù)形式，在換算為真數(shù)后，進(jìn)行先倒數(shù)后相加計(jì)算。可以得到系統(tǒng)C/N，如果需要得到dB值，就需要求對(duì)數(shù)，得到相應(yīng)的值。每一個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)最低Eb/N0值，即門限值，該門限值由很多條件共同確定，如不同的調(diào)制方式、不同的編碼方式、不同的硬件設(shè)備。通過Eb/N0值可以換算得到載波最低C/N值。通過計(jì)算得到的系統(tǒng)C/N值減去載波最低C/N值，就是該衛(wèi)星系統(tǒng)的系統(tǒng)余量。如果不考慮雨衰（下雨對(duì)有的衛(wèi)星信號(hào)有較大影響），系統(tǒng)余量通常取1—2dB。余量太低，系統(tǒng)誤碼率將提高，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)信息丟失現(xiàn)象；余量太高，說明建設(shè)的設(shè)備性能過剩，浪費(fèi)了一部分投資。
5結(jié)語
隨著信息與網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及教育終身化、人才科技化的需求，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式已經(jīng)不能完全滿足社會(huì)對(duì)人才的需求，現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育呈現(xiàn)出強(qiáng)有力的發(fā)展勢頭。根據(jù)我國國情，與時(shí)俱進(jìn)地發(fā)展遠(yuǎn)程教育，提高全民文化素質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)科教興國戰(zhàn)略、提高綜合國力、保持經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重大舉措。
作者：翟萍 單位：金陵科技學(xué)院