一种天地网远程教育系统的实现方法

1.一种天地网远程教育系统的实现方法，在卫星传输网络的基础上，结合地面 CERNET/INTERNET，直播教室与远程卫星接收站点之间实现了实时课堂传输和多种模式 的师生交互；其特征在于，包括以下内容：
1)天地网远程教育系统构成
天地网远程教育系统由直播教室、卫星主站和远程卫星接收站点三大部分构成；
直播教室安装有授课端，用于完成教学前端的视音频采集、编码、压缩，教学课件的 同步、答疑及教学课件的录制、屏幕广播、电子教鞭、教学管理功能；并通过卫星将教学 现场发送给远程卫星接收站点；
卫星主站安装有多个媒体服务器、一个课件资源服务器和一台管理工作站；管理工作 站用于完成监视所有授课端的状态以及课程表、公告信息的发布；媒体服务器用于完成多 路数据流的格式转化与数据复用；课件资源服务器用于课件资源的存储、管理和检索；媒 体服务器、课件资源服务器通过IP/DVB网关向卫星发送数据；
远程卫星接收站点配置通信服务器和听课端软件，通过地面网向授课端提问或交互； 其中通信服务器用于实现多目IP路由转发，并对听课端进行管理；还将远程站点的请求 通过封装后经地面网络发送到授课端；听课端用于完成教师视频，音频和屏幕的回放显示， 并提供电子举手、多模式交互以及答疑功能；
2)实时课堂传输与多模式的外交互
直播教室与远程卫星接收站点之间实现实时课堂传输和多种模式的师生交互，师生交 互采用上下行不对称信道，其中上行采用地面IP网CERNET/Internet传输正在交互的听课 端媒体信息和命令、状态信息；下行采用卫星广播，传输授课端媒体信息；根据不同地面 网络接入条件，可支持以文本、语音、视音频多种模式的师生外交互；
3)传输质量控制
该系统在多媒体传输质量控制上采用一种面向卫星网络中的服务质量控制，该机制从 分级准入控制、带宽优化分配和差错控制三个方面来解决服务质量控制问题。
2.如权利要求1所述的天地网远程教育系统的实现方法，其特征在于，所述多模式 的外交互中采用了授课端卸荷策略与上下行通道的同步策略；
1)授课端卸荷策略
授课端与多个听课端连接引入中间节点——通信服务器，每个卫星站点都配置一个通 信服务器，授课端只与站点服务器建立连接，听课端与授课端交互，必须与本站点内的站 点服务器建立连接，所有交互请求通过通信服务器转发；
2)上下行通道的同步策略
授课端与听课端的媒体数据通过卫星传输，媒体数据首先经过IP/DVB网关，然后调 制上星，再从卫星组播到各远程听课端，听课端通过地面网请求交互；
上下行通道各步骤的传输时间为：
TGS＝T4+T5
TSG＝T1+T2+T3+T6
式中，T1是授课端媒体数据到IP/DVB网关的时间；T2是IP/DVB网关到卫星的时间； T3是卫星下行时间；T4是听课端到授课端交互请求时间；T5是授课端给听课端的交互反 馈时间；T6是授课端同意请求后对数据处理的时间；TGS是地面网命令或者状态交互延迟 时间；TSG是授课端答应请求后媒体数据通过卫星传输延迟时间；
在上式中，T1，T4，T5都是通过地面网传输，T2，T3通过卫星链路传输，它们的延 时总和为560ms左右，T6的延时取0.5s～1.0s之间，其同步相差为：
TΔ＝TSG-TGS＝T1+T2+T3+T6-T5
要维持同步则必须满足以下条件：
T5＝T1+T2+T3+T6
为了使等式成立，在源发送端引入一个反馈等待时间TW，则有：
T5+TW＝T1+T2+T3+T6
进一步可得：
TW＝T1+T2+T3+T6-T5
源发送端在接收到请求后，经过TW时间再给听课端反馈，保证上下行通道交互的同步。
3.如权利要求1所述的天地网远程教育系统的实现方法，其特征在于，所述服务质 量控制机制中的分级准入控制、带宽优化分配和差错控制分别是：
1)服务质量分级准入控制
采用用户级和流级两级准入控制；
用户级的准入控制是根据授课节点的带宽要求进行对该授课节点进行控制；
设u＝(n，Bmin，Bmax)为一个授课节点请求，其中n为节点ID，(Bmin，Bmax)为该授课节 点的带宽允许范围；其准入控制过程如下：
第一步：计算当前卫星剩余总带宽B；
第二步：如果B＜Bmin则不允许该授课端上课，
如果Bmin＜B＜Bmax则允许该授课端上课，并分配B带宽，
如果B＞Bmax则允许该授课端上课，并分配Bmax带宽；
流级准入控制是针对同一门课中的不同数据流进行准入控制；
设f＝(s，T，Q，a，Bmin)为一个流请求，其中s为流类型，T为f的速率特性，Q为f的 服务质量要求，a为f的准入特性，Bmin为f的最小带宽要求；
式中：s-流类型
流类型对应实时教学系统中的各个数据流实体，定义如下：
流类型∷＝<教师视频>|<教师音频>|<教师屏幕>|<学生视频>|
            <学生音频>|<文本数据>|<白板数据>|<文件数据>；
T-流速率特性
流速率特性∷＝<可变速率>|<不可变速率>|<微速率>；
Q-服务质量要求
服务质量参数∷＝<丢包允许>，<最大延迟>；
丢包允许∷＝不考虑网络丢包的情况下，用户人为丢包；
最大延迟∷＝为控制视音频同步，该报文落后于当前教师音频数据相对延迟的阈值；
a-准入特性
准入特性∷＝<必须流>|<非必须流>；
必须流∷＝维持正常教学必须存在的媒体流；
非必须流∷＝存在与否不影响正常教学，但有它能促进教学的流；
Bmin-最小带宽要求
最小带宽要求∷＝用户所能接受的最低质量要求时所需的带宽；
最小带宽要求Bmin跟数据流的种类和采用的压缩算法有关；其中准入控制取决于准入 特性a和最小带宽要求Bmin；
2)区分服务的带宽分配策略
实时教学中根据区分服务原则对带宽进行分配；教师音频速率恒定，不允许丢包；其 它多媒体数据流同步都以该数据流为基准；在此基础上制定带宽优化分配准则按下列公 式：
Bavail＝f(vTA，vTV，vTS，vSA，vSV，vother)
式中，Bavail为卫星实际可用带宽，vTA为教师音频速率，vTV为教师视频速率，vTS为 教师屏幕速率，vSA为学生音频速率，vSV为学生视频速率，vother为其他一些微量数据速率， 其中教师视频、教师屏幕、焦点视频对应的每秒帧数为f1，f2，f3，教师视频的最大延 迟为Dvmax，教师屏幕的最大延迟为Dsmax，可变速率流可用带宽总和Bvar，恒定速率流带 宽总和Bconst，预留小量带宽Breserve，k1，k2，k3分别为vTV，vTS，vSV发送速率系数， 即k1vTV、k2vTS、k3vsv为教师视频、教师屏幕、学生视频对应的实际发送速率，f为带宽 分配算法； f是在所有数据流中寻找带宽分配的最佳平衡点，为一系列优化准则的集合；
①恒定速率流的固定可用带宽为：
Bconst＝vTA+vSA
②规定所有微量数据流利用预留小带宽Breserve发送数据；
③为恒定速率流和微量速率数据流分配带宽后剩下的所有带宽归可变速率数据流所 有，可变速率数据流主要包括教师视频vTV，教师屏幕vTS，学生视频vSV，它们必须满足 约束条件：
k1vTV+k2vTS+k3vSV≤Bvar
其中Bvar＝Bavail-Bconst-Breserver，k1≤1，k2≤1，k3≤1
在该约束条件下获得k1vTV，k2vTS，k3vSV实际带宽；
3)服务质量差错控制
在IP传输层之上引入前向纠错编码层，对媒体数据进行冗余编码解决媒体数据包的 丢失问题；前向纠错编码层定时从发送端缓存队列取出k维数据，这k维数据在进入缓存 队列时大小已经过处理，均小于等于实时传输协议报文大小；前向纠错编码层冗余编码要 求输入的k维数据大小一致；
接收端处理流程为：前向纠错编码层对IP传输层传来的数据进行判断，若经过前向 纠错编码层编码则判断是否满足进入前向纠错编码缓存队列的条件：前向纠错编码层队列 维持一个最老的时间戳Tdec，令刚到的前向纠错编码报文时间戳为Tfec，对该报文处理流 程如下：如果Tfec小于Tdec则丢弃；若前向纠错编码队列已经有属于同一组前向纠错编码 的报文，则进队列，并判断是否满足前向纠错编码要求，若满足则解码；如果队列中没有 属于同一组的前向纠错编码报文则开一新队列，并开始缓存；前向纠错编码报文在前向纠 错编码缓存队列中如果超出队列管理调度层给应用层触发数据的时间戳仍无法解码，则整 个队列被丢弃。

技术领域\n本发明属于计算机设计与应用技术领域，涉及计算机软件、信息传递技术、多媒体技 术以及网络教育/远程教育，特别涉及一种天地网远程教育系统的实现方法。\n背景技术\n1.随着信息传递技术的发展，网络教育/远程教育以其开放性、覆盖面广和低成本等 特点、打破了传统教育的时空限制，满足了学习的个性化、多媒体化需求，普遍被人们所 接受，成为教育技术发展的新热点。同时，在这方面的研究也取得了显著的成就。\n2、申请人检索出以下相关文献：\n(一)国内相关文献(标题、作者、出处、摘要)6篇：\n1).标题：欲穷千里目  更上一层楼——试点项目子课题阶段性研究报告\n作者：刘山泉 魏元敏\n机构：天津电大，天津300191\n出处：天津电大学报.2003，7(1).-13-16\n2).标题：基于卫星IP广播的准同步主从式远程教育管理信息系统的设计与实现\n作者：张艳 方慧等\n机构：清华大学电子工程系\n出处：电子技术应用.2002，28(5).-54-56\n3.标题：天地网合一：中国教育卫生宽带传输网的新框架——访中国教育电视台副台 长、总工程师张天\n作者：齐宏\n出处：中国远程教育.2002，(8).-13-14,27\n4.标题：电大应用多媒体远程开放系统的实践及探讨\n作者：戴国梁\n机构：广东南海广播电视大学\n出处：云南电大学报.2002，4(4).-11-14\n5.标题：利用卫星直播技术的交互式远程教学系统\n作者：郑建杭\n机构：浙江教育学院\n出处：浙江教育学院学报.2002，(1).-48-53\n6.标题：“三网合一”开展远程教育\n作者：于斌 孙斌\n机构：北京邮电大学网络教育学院\n出处：中国远程教育.2001，(8).-36-38\n(二)国外相关文献(标题、作者、出处、摘要)12篇：\n1.TI：A real-time E-learning system via satellite based on JMF and windows media.\nAU：Juan C.Guerri，Carlos E.Palau\nSO：Proceedings of the ACM International Multimedia Conference and Exhibition，2002， p 219-222\n2.TI：Advanced solutions for distance learning via satellite\nAU：De Blasi，Mario(Universita di Lecce)；Des Dorides，Carlo\nSO：Computer Communications，v 26，n 5，Mar 20，2003，p 423-429\n3.TI：Study on structure and quality of multimedia network systems for education using satellite interactive communication\nAU：Kimura，Hidetoshi(Tokai Univ Educational System)；Shinji，Masaaki；et al.\nSO：Electronics & Communications in Japan，Part I：Communications(English translation of Denshi Tsushin Gakkai Ronbunshi)，v 81，n 12，Dec，1998，p 65-79\n4.TI：Interactive multimedia communication systems for next-generation education using asymmetrical satellite and terrestrial networks\nAU：Yosshida，Shoji(Tokai Univ Educational System)；Kimura，Hidetoshi；Inoue，Yuji；\nSO：IEEE Communications Magazine，v 37，n 3，Mar，1999，p 102-106\n5.TI：Trans-Pacific HDR satellite communications experiment，phase-2 results summary\nAU：Hsu，Eddie(Jet Propulsion Laboratory，California Institute of Technology)；et al.\nSO：Space Communications，v 18，n 1-2，2002，p 23-30\n6.TI：Development of distance learning system by using satellite communication network\nAU：Tanigawa，Takeshi；Ikeura，Shigeo；Anzai，Masahiro；Kaneko，Isao\nSO：Systems and Computers in Japan，v 33，n 8，July，2002，p 41-50\n7.TI：Experiences with the university of London interactive video education network\nAU：Kirstein，P.T.(Univ Coll London)；Beckwith，R.\nSO：Electronics & Communication Engineering Journal，v 3，n 1，Feb，1991，p 4-12\n8.TI：Evaluation of the characteristics of a multimedia interactive satellite communications system\nAU：Nakagawa，M.(NTT Multimedia Networks Lab)；Nagase，F.；Hashimoto，Y.；\nSO：Electromocs & Communications in Japan，Part I：Communications(English translation of Denshi Tsushin Gakkai Ronbunshi)，v 81，n 4，Apr，1998，p 12-19\n9.TI：Construction and utilization experiment of multimedia education system using satellite ETS-V and Internet\nAU：Nemoto，Yoshiaki(Graduate Sch of Tohoku Univ)；Hamamoto，Naokazu；ogram\nSO：IEICE Transactions on Information and Systems，v E80-D，n 2，Feb，1997，p 162-169\n10.TI：TCP/IP-based multimedia applications and services over satellite links：Experience from an ASI/CNIT project\nAU：Adami，D.(University ofPisa)；Marchese，M.；Ronga，L.S.\nSO：IEEE Personal Communications，y 8，n 3，June，2001，p 20-27\n11.TI：An applied research study for the provision ofa QoS-oriented environment for voice and video services over satellite networks\nAU：Adami，Davide；Marchese，Mario；Ronga，Luca Simone\nSO：Computer Communications，v 25，n 11-12，Jul 1，2002，p 1113-1124\n12.TI：System and method for live interactive distance learning.Inventor(s)：Fantini William M；Handzlik Mark E；Kelliher John D；Weber Gary Patent Number：US6288753\n查新结论\n经检索，筛选出国内相关文献6篇，国外相关文献12篇，分析如下：\n国内相关文献[1]介绍了天津电大的网络学习系统，双向视频远程教学系统、“电大在 线”教学平台、卫星数据广播地面接收网以及教育系统光纤宽带网，是基于WEB页面的异 步教学方式。\n文献[2]涉及基于卫星IP广播的准同步主从式远程教育管理信息系统的设计与实现， 该系统采用卫星IP广播方式传送多媒体课件，采用外交互通信方式来实现双向通信，完成 管理信息的回传。其系统结构与查新项目相似，涉及外交互技术。但其仅限于管理信息的 回传。\n文献[3]报道了国家教育部的重点项目“现代远程教育工程”之一的“卫星电视网络改 造”一期工程已经完成，新建立的中国教育卫星宽带传输网与中国教育科研网进行高速连 接，形成了天地网合一的开放教育网络，未涉及具体技术。\n文献[4]提出了一种基于卫星广播、有线电视网络、Internet网络三个传播平台的远程教 育信息传递模式，并对该模式的系统构成及传输原理加以介绍，该系统结构与查新项目相 似，但其仅限于少量的信息的回传。\n文献[5]介绍了利用卫星直播技术的交互式远程教学系统，提出一种大数据量下行基于 卫星直播技术，小数据量上行利用一般IP地网技术，并用ASP技术实现动态数据交互的交 互式远程教学系统，并给出教学网点的基本结构和网络教学系统的软件设计，不属于同步 实时多媒体交互式教学系统。\n文献[6]介绍了北京邮电大学远程教育的教学模式-三网合一的新的教学模式，描述了 这种综合利用会议电视网、卫星广播网及Internet网的教学模式的背景、特点、网络结构及 网络间相互的配合问题。基于会议电视网、卫星广播网及Internet网的三个系统互相独立， 相互补充。查新项目将卫星网络和地面网络结合，构成统一完整的回路。\n以上相关文献均涉及到卫星、地面网络远程教育系统，仅文献[2、4]涉及到的基于卫 星IP广播的准同步主从式远程教育管理信息系统和基于卫星广播、有线电视网络、Internet 网络三个传播平台的远程教育信息传递模式，其系统结构与查新项目相似，且涉及外交互 技术，但其仅限于管理信息和少量反馈信息的回传，查新项目实现了对视频、音频、文本 等多媒体信息的回传。\n经对比分析，查新项目的以下技术特点国内相关文献中未涉及：基于卫星链路和地面 网的多媒体数据传输QOS解决方案；基于卫星链路的多元数据流的管理和复用技术。\n国外相关文献[1]介绍了Valencia工业大学研制的一个基于JMF和Windows多媒体的实 时远程教育系统，其由教师端、远程教室、系统管理器、通过卫星的多点传输系统、地面 公共网络(Internet/ISDN)等5部分组成。系统中采用了基于上下行不对称信道的双向交互机 制，可实现实时课堂传输。\n文献[2]描述上行使用卫星链路、下行通过调制解调器使用地面网络的实时教学系统； 结合系统的操作特点和交互式教学方案提出了一个新的教育学模型。\n文献[3]描述了结合卫星链路和地面网络进行多媒体数据传输的概念，为将它应用于 校园网络进行远程教育做出设想。\n文献[4]提出了一套用于远程教育的分级网络结构概念，系统使用宽带卫星网和简单的 地面网络进行信息和数据传输，可有效地满足点-多点间的通信；通过远程教育实验表明， 满意的通信质量可保证交互课堂的可用性。\n文献[5]总结了在加拿大、日本和美国间进行的使用卫星链路、辅以地面网络的远程医 疗与远程教育实验的情况。其地面网络应用了IP网络、ATM网络等多种类型的网络。\n文献[6]利用卫星通信网络建立一个远程教育系统，其采用两种方法来控制实时CAI课 件的传输：一是考虑延迟时间的错误控制，二是对传输数据的压缩。通过在中国与泰国之 间进行的国际远程教育实验，证实了该系统实时CAI课件传输的技术效果。\n文献[7]介绍了在伦敦大学运行的交互式视频教育网络系统(LIVE-NET)的结构、工 具和使用方法；对通过使用直播卫星对该系统进行扩展及延伸进行了描述；并考虑了辅助 操作的管理支持。\n文献[8]介绍了Tokai大学和NTT合作开发的下行使用卫星链路、上行使用地面网络的实 时多媒体交互系统及其在远程教育方面的实验，系统使用双向卫星通信网络、TCP点对点 数据传输和UDP网络播放，提供实时交互的视音频数据传输，打破了时间与空间的限制； 评估了该系统的传输质量和教育效果。\n文献[9]介绍了PARTNERS开发的使用卫星链路和地面网络的MEISEI-NET多媒体教育 系统，其主要注重以下4个问题：(1)较低的启动费用；(2)方便存取Internet网上丰富的信息 资源；(3)利用网络支持科研和教育；(4)研制发布给MEISEI-NET的用户使用的软件。 文献[10，11]介绍了意大利ASI/CNIT研究的基于TCP/IP和使用卫星链路的多媒体系统，对 系统的Qos控制效果进行了评估。通过两个卫星网络和一个地面ISDN网络的实验表明， 系统使用基于IP层的组播路由协议，可以提供较高质量的Qos保证；通过使用改进的TCP 协议可以加快Web浏览器或FTP线程的下载速度。\n文献[12]介绍了一种直播交互式远程教育系统与方法，系统基于地面网络组播技术， 支持实时交互，并可以完成远程考试。在教学过程中，教师的屏幕可以被学生看到，在教 师端有多个显示器，可以观察不同地点的学生情况；评估的数据存储在数据库中可被调用。\n从国外数据库检索和文献分析看，有关远程教育系统研究与应用的报道较多，包括以 下几种类型：(1)使用卫星链路作为独立的数据传输平台进行远程教育；(2)使用地面网络作 为独立的数据传输平台进行远程教育；(3)将地面网与卫星链路作为两种独立的数据传输平 台进行远程教育；(4)实现卫星链路和地面网络互连互通作为数据平台进行远程教育。\n经分析对比，国外相关文献[1]介绍的远程教育系统在结构和功能上与查新项目基本相 似，涉及到基于卫星链路和地面网的实时授课系统模型和基于卫星链路和地面网的多模式 外交互技术：未述及基于卫星链路和地面网的多媒体数据传输QoS解决方案和基于卫星链 路的多元数据流的管理和复用技术。其它文献介绍的远程教育系统与查新项目的结构和功 能不相同。\n发明内容\n根据上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提出一种基于天地网的远程教育 系统的实现方法。\n实现上述发明目的的技术解决方案是，在卫星传输网络的基础上，结合地面 CERNET/INTERNET，直播教室与远程卫星接收站点之间实现了实时课堂传输和多种模式 的师生交互；其特征在于，包括以下内容：\n1)天地网远程教育系统构成\n天地网远程教育系统由直播教室、卫星主站和远程卫星接收站点三大部分构成；\n直播教室安装有授课端，用于完成教学前端的视音频采集、编码、压缩，教学课件的 同步、答疑及教学课件的录制、屏幕广播、电子教鞭、教学管理功能；并通过卫星将教学 现场发送给远程卫星接收站点；\n卫星主站安装有多个媒体服务器、一个课件资源服务器和一台管理工作站；管理工作 站用于完成监视所有授课端的状态以及课程表、公告信息的发布；媒体服务器用于完成多 路数据流的格式转化与数据复用；课件资源服务器用于课件资源的存储、管理和检索；媒 体服务器、课件资源服务器通过IP/DVB网关向卫星发送数据；\n远程卫星接收站点配置通信服务器和听课端软件，通过地面网向授课端提问或交互； 其中通信服务器用于实现多目IP路由转发，并对听课端进行管理；还将远程站点的请求 通过封装后经地面网络发送到授课端；听课端用于完成教师视频，音频和屏幕的回放显示， 并提供电子举手、多模式交互以及答疑功能；\n2)实时课堂传输方式\n直播教室与远程卫星接收站点之间的双向交互采用上下行不对称信道，其中上行采用 地面IP网CERNET/Internet传输正在交互的听课端媒体信息和命令、状态信息；下行采用 卫星广播，传输授课端媒体信息；根据不同地面网络接入条件，支持以文本、语音、视音 频多种模式的师生外交互；授课端只与站点通信服务器建立连接，而听课端如果想与授课 端交互，它必须与本站点内的站点服务器建立连接，所有交互请求都必须通过通信服务器 转发，为了保证上下行通道传输同步，采用分级管理的方式，在源发送端引入一个反馈等 待时间，即在目标提出交互请求，源在给目标反馈同意信息前，增加一段同步等待时间；\n3)传输质量控制\n该系统在多媒体传输质量控制上采用一种面向卫星网络中的服务质量控制，该机制从 分级准入控制、带宽优化分配和差错控制三个方面来解决服务质量控制问题。\n本发明的其它特点是，所述的分级准入控制、带宽优化分配和差错控制分别是：\n分级准入控制采用用户级和流级两级准入控制；用户级的准入控制针对整个授课节 点，根据授课节点的最大与最小带宽要求进行对该授课节点的媒体信息可否能进入网络； 流级准入控制针对同一门课中的不同数据流进行准入控制，根据流类型、速率特性、服务 质量控制要求、准入特性、最小带宽要求多个参数判断当前数据流可否进入网络；\n带宽优化分配采用区分服务的带宽分配策略，根据媒体流是否为必须流以及当前可用 带宽，按优先级从高到低对媒体分配带宽；对恒定速率的媒体流其分配固定可用带宽，所 有微量数据流利用预留小带宽发送数据；对恒定速率流和微量速率数据流分配带宽后剩下 的所有带宽归可变速率数据流所有，可变速率数据流包括教师视频，教师屏幕，学生视频；\n差错控制采用FEC纠错编码方案，在FEC层定时从发送端缓存队列取出固定数的数 据包，将其冗余编码后进入RTP层；在接收端FEC层对收到的RTP报文进行判断，如果是 FEC编码的RTP包，则进FEC解码队列。\n所述的用户级和流级分别是：\n1)户级准入控制\n用户级的准入控制主要针对整个授课节点，根据授课节点的带宽要求进行对该授课节 点进行一定的准入控制；\n设u＝(n，Bmin，Bmax)为一个授课节点请求，其中n节点ID，(Bmin，Bmax)为该授课节点 的带宽允许范围；其准入控制过程如下：\nstep1：计算当前卫星剩余总带宽B；\nstep2：ifB＜Bmin则不允许该授课端上课，\n       ifBmin＜B＜Bmax则允许该授课端上课，并分配B带宽，\n       ifB＞Bmax则允许该授课端上课，并分配Bmax带宽；\n2)级准入控制\n流级准入控制主要是针对同一门课中的不同数据流进行准入控制；\n设f＝(s，T，Q，a，Bmin)为一个流请求，其中s为流类型，T为f的速率特性，Q为f的 QoS要求，a为f的准入特性，Bmin为f的最小带宽要求。\n本发明的方法实现的天地网远程教育系统，实现了多种模式的师生交互对教学现场视 频、音频、电子教案、鼠标、电子教鞭的数据流进行同步实时录制和压缩，并通过地面网 传输到卫星主站的媒体服务器，经混合并转换成DVB数据格式后由卫星广播到各远程站 点，远程站点接收后进行实时解压和播放，实现教学现场的直播；远程站点还可通过地面 网以文本、语音、视频手段和老师进行交互；还可实现教学过程的自动、同步录制，并生 成流媒体课件，供学生点播学习。该方法还从分级准入控制、带宽优化分配和差错控制三 个方面来解决了卫星网络中的媒体数据传输的服务质量(QoS)控制问题。其中准入控制 基于用户级和流级，带宽优化分配利用区分服务原则，差错控制方面引入FEC纠错编码方 案，解决了数据丢失的问题。尽可能提供了实时可靠传输服务。\n四、附图说明\n图1是SkyClass网络结构。\n图2是SkyClass管理工作站界面。\n图3是SkyClass通信服务器界面。\n图4是SkyClass听课端界面。\n图5.3.1 外交互传输模型；\n图5.3.2 无站点通信服务器外交互模型；\n图5.3.3 有通信服务器外交互模型；\n图5.3.4 交互时间分布图；\n图5.3.5 FEC编码原理图；\n图5.3.6 FEC工作流程图；\n图5.3.7 FEC解码组帧流程\n五、具体实施方式\n为了更清楚的理解本发明，以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。\n5.1天地网远程教育系统SkyClass的组成\nSkyClass系统包括直播教室(授课端)、卫星主站和远程卫星接收站点三大部分，其 中，直播教室安装SkyClass授课端、卫星主站安装媒体服务器软件和管理工作站软件，远 程站点安装通信服务器软件和SkyClass听课端软件，授课端通过卫星将现场发送给远程站 点，远程站点通过地面网向授课端提问或交互。\n授课端完成教学前端的视音频采集、编码、压缩，教学课件的同步、答疑及教学课件 的录制、屏幕广播、电子教鞭以及教学管理功能。\n媒体服务器完成多路数据流的格式转化与数据复用。管理工作站完成监视授课端状态 以及课程表以及公告信息的发布功能。管理工作站界面如附图2所示。\n通信服务器实现多目IP路由转发，并对听课端进行管理。还将站点的请求通过封装 后经地面网络发送到授课端。通信服务器界面如附图3所示。听课端完成教师视频，音频 和屏幕的回放显示，并提供电子举手、多模式交互以及答疑功能。听课端界面如附图4所 示。\n5.2天地网远程教育系统SkyClass系统网络模型\nSkyClass系统是针对天地网传输平台下的实时授课业务开发的。授课教师视频、音频 和屏幕数据流发送到媒体服务器，通过卫星主站DVB网关上星，分散在各地的学生端使 用卫星接收天线接收数据，观看远端授课实况。学生端可以通过地面CERNET/Internet发 送视频、音频或文本数据流至授课端，构成完整的天地网回路，实现多种模式的外交互。\n附图1是SkyClass系统的网络模型。下面给出对这个网络模型的说明：\n1.直播教室安装SkyClass授课端软件，作为教师讲课的场所。通过CERNET/Internet 与卫星主站连接。上课时，教师端多路媒体数据将通过CERNET/Internet发送到卫星主站。\n2.卫星主站安装SkyClass媒体服务器软件和管理工作站软件，管理工作站通过 CERNET/Internet监控直播教室状态，并可以向IP/DVB网关发送课程表和公告信息。媒 体服务器接收教师端多路媒体数据，进行数据格式转化与复用后，发送至IP/DVB网关上 星。\n3.卫星广播多路媒体数据及课程表和公告信息。\n4.卫星主站包含课件资源服务器，可保存SkyClass系统生成的课件资源，根据需要， 可以使用卫星广播发送课件资源，也可以由学生通过地面CERNET/Internet进行点播。\n5.远程听课端分两种类型。第一种安装SkyClass通信服务器软件和DVB-S接收机或 接收卡，收到授课端数据后在本网段组播，本网段内的PC安装SkyClass听课端软件，这 样就构成“电子教室”。第二种仅安装SkyClass听课端软件和DVB-S接收机或接收卡，收 看远端教学现场实况。\n6.在上述第4条中描述的第一种情况中，可以实现多种模式的外交互。当听课端需 要交互时，通过通信服务器发送交互请求到授课端，如果教师同意，听课端将视频、音频 或文本数据通过地面CERNET/Internet发送到授课端。实现师生之间的交互。\n由于卫星广播具有单向的特点，所以仅仅通过卫星网络是无法实现交互功能。因此， 天地网远程教育系统SkyClass结合卫星网络和地面CERNET/Internet，构成完整的天地网 回路，实现多种模式的外交互。\n5.3基于天地网的多模式外交互\n在传统的交互通信模式中，上下行信道一般都是对称的，即接收和发送的信道带宽相 同，信息往返传输都是在一种物理链路上实现，这对于非对称模式的数据通信不太合适， 一方面上行浪费带宽，另一方面，下行负荷过重，容易产生拥塞甚至导致网络瘫痪，而天 地网结合正好可以解决这一问题。\n目前国内外对外交互定义都是普遍采用基于TCP/IP协议以保证交互的可靠性和同步 性(状态一致性)，它严格的按照TCP协议，只是改变了以往的同一物理链路的情况，上下 行采用不同的物理链路，即在建立连接时源和目标之间是通过两条物理链路进行的，这样 的做法无疑是扩展了TCP协议的内涵，但是这不能满足本文所论述的实时教学的要求，存 在着最大传输速率受限、授课端负荷过载、基本拥塞控制和流量控制协议性能下降和开发 工作量大问题。\n本发明的天地网远程教育系统SkyClass在卫星传输网络的基础上，下行信道采用卫星 信道，上行信道采用地面CERNET/INTERNET通信网络，实现实时课堂传输和多种模式 的师生交互。包括：1)视频、音频、屏幕、鼠标、电子教鞭多种类型数据流的实时采集、 压缩编码、IP数据包到DVB数据包的转换、卫星广播、地面接收并组播、解压并播放； 2)对不同地面网络接入条件下，支持以文本、语音、视音频等多模式的师生外交互。\n1、外交互控制模型\nSkyClass系统采用如图5.3.1所示的交互传输模型：\n源对目标的多媒体数据传输采用在卫星平台下的组播UDP协议，目标向源反馈多媒 体数据时采用一般的UDP协议，而源与目标之间的控制命令和状态交互均采用基于地面 网络的可靠的有连接的TCP协议。\n上述模型是建立在现成的网络协议之上，无须自己重新对协议进行加工，但这还是存 在以下两个问题需要解决：\n1)授课端的负担仍然没有得到减轻，只不过从基于不对称传输的TCP连接转到了纯 地面网TCP连接；\n2)地面网络的低延时和卫星网络的高延时的结合，导致了听课端显示状态和实际交 互状态的不同步，授课端交互命令能迅速地通过地面网传输到各听课端，但实际的媒体数 据却需要经过一定的缓存处理和高延时的卫星链路才能到达听课端，引起状态的不一致。\n2、外交互控制策略\n■授课端卸荷策略\n参见图5.3.2，我们假定有n个站点，每个站点平均有m个听课端，听课端的总数为 n×m个，它们都有权与授课端交互，如果不加以一定的策略控制，则授课端需要与听课端 建立n×m条连接，这个数量可能相当大，很难实现连接要求。\n为此我们引入了中间节点——通信服务器(图5.3.3)，每个卫星站点都配置一个通信 服务器，授课端只与站点服务器建立连接，因此只需建立n条连接，而听课端如果想与授 课端交互，它必须与本站点内的站点服务器建立连接，所有交互请求都必须通过通信服务 器转发，采用分级管理的方式，大大减轻了授课端的负荷。\n■同步策略\n授课端与听课端的媒体数据通过卫星传输，媒体数据首先经过IP/DVB网关，然后调 制上星，再从卫星组播到各远程听课端，听课端通过地面网请求交互，期间的每个环节都 有一定的时间消耗，而且各个阶段消耗相差较大，其时间分布如图5.3.4所示：\n其中T1是授课端媒体数据到IP/DVB网关的时间；T2是IP/DVB网关到卫星的时间； T3是卫星下行时间；T4是听课端到授课端交互请求时间；T5是授课端给听课端的交互反馈 时间；T6是授课端同意请求后对数据处理的时间；TGS是地面网命令或者状态交互延迟时 间；TSG是授课端答应请求后媒体数据通过卫星传输延迟时间；则\n    TGS＝T4+T5                               (5.1)\n    TSG＝T1+T2+T3+T6                         (5.2)\n在式1和式2中，T1，T4，T5都是通过地面网传输的，一般来说它们的值都比较小， T2，T3通过卫星链路传输，它们的延时总和大约在560ms左右，T6为数据处理和队列等 待时间，延时大小根据当前数据量、数据内容和等待队列长度决定，一般在0.5～1.0s之 间，其同步相差：\n        TΔ＝TSG-TSG＝T1+T2+T3+T6-T5                  (5.3) 这个值是相当大的，要维持同步则必须满足以下条件：\n        T5＝T1+T2+T3+T6                               (5.4) 实际上，T1、T5的值很小，T2+T3的值相对而言是相当大的，因此，该等式不成立，为了 使该等式成立，我们在源发送端引入一个反馈等待时间TW，即在目标提出交互请求，源 同意交互，在给目标反馈同意信息前增加一段同步等待时间TW，由此式5.4改进为\n        T5+TW＝T1+T2+T3+T6                            (5.5) 由式5.5可得：\n        TW＝T1+T2+T3+T4-T5                            (5.6) 也就是说源在接收到请求后，经过TW时间再给听课端反馈，虽然有一定的延迟，但是在 一般都在听课学生的容忍范围内，却能很好的保证交互或者状态的同步。\n这样，结合卫星传输网络和地面CERNET/Internet，构成完整的天地网回路，有效的 实现了天地网的互连互通，可以支持师生之间的视频、音频、文本多种模式的外交互。\n5.4天地网实时教学传输的Qos控制技术\n相对于地面IP网络来说，卫星传输具有带宽固定、传输延迟大、误码率较高三个特 点。因此，其QoS控制策略和地面IP网的QoS控制有一定差异。课堂直播具有实时性要 求高、多数据流、且各数据流存在优先级和可靠性差异特点。本发明的SkyClass系统的解 决策略是：根据卫星网络传输的特性和实时教学系统多媒体数据的特点，SkyClass应用基 于发送端的Qos控制思想，采用QoS分级准入控制、带宽优化分配和差错控制三方面的 方法来解决QoS控制问题。其中准入控制基于用户级和流级，带宽优化分配利用区分服务 原则，差错控制方面引入FEC纠错编码方案，解决了数据丢失的问题。尽可能提供了实时 可靠传输服务。理论计算与实际应用表明，这种解决方案能有效地实现天地网实时课堂传 输中的QoS控制及传输质量。\n1、Qos分级准入控制\n在天地网远程教育系统SkyClass中，它首先以一门课为单位，同一门课中又包含多个 数据流，而在同一卫星信道中允许有多门课同时存在，为保证教学质量，SkyClass采用了 两级准入模型：用户级和流级。\n3)用户级准入控制\n用户级的准入控制主要针对整个授课节点，根据授课节点的带宽要求进行对该授课节 点进行一定的准入控制。设u＝(n，Bmin，Bmax)为一个授课节点请求，其中n节点ID， (Bmin，Bmax)为该授课节点的带宽允许范围。其准入控制过程如下：\nstepl：计算当前卫星剩余总带宽B；\nstep2：ifB＜Bmin则不允许该授课端上课，\n       ifBmin＜B＜Bmax则允许该授课端上课，并分配B带宽，\n       ifB＞Bmax则允许该授课端上课，并分配Bmax带宽；\n4)流级准入控制\n流级准入控制主要是针对同一门课中的不同数据流进行准入控制，设 f＝(s，T，Q，a，Bmin)为一个流请求，其中s为流类型，T为f的速率特性，Q为f的QoS要 求，a为f的准入特性，Bmin为f的最小带宽要求。\ni.报文标识s\n流类型对应实时教学系统中的各个数据流实体，定义如下：\n流类型::＝<教师视频>|<教师音频>|<教师屏幕>|<学生视频>|\n          <学生音频>|<文本数据>|<白板数据>|<文件数据>；\nii.流速率特性T\n流速率特性::＝<可变速率>|<不可变速率>|<微速率>；\niii.QoS要求Q\nQoS参数::＝<丢包允许>，<最大延迟>；\n丢包允许::＝不考虑网络丢包的情况下，用户人为丢包；\n最大延迟::＝为控制视音频同步，该报文落后于当前教师音频发送帧的相对延迟的阈 值；\niv.准入特性a\n准入特性::＝<必须流>|<非必须流>；\n必须流::＝维持正常教学必须存在的媒体流；\n非必须流::＝存在与否不影响正常教学，但有它能促进教学的流；\nv.最小带宽要求Bmin\n最小带宽要求::＝用户所能接受的最低质量要求时所需的带宽。\n最小带宽要求Bmin跟数据流的种类和采用的压缩算法有关。其中准入控制取决于准入 特性a和最小带宽要求Bmin。其他参数将在下一节带宽的优化分配用到。\n假定已有准入流集合F(f1，f2...，fn)，集合中各流对应的最小带宽要求分别为B1min， B2min，...，Bnmin。现到达流请求f＝(s，T，Q，a，Bmin)，卫星总带宽B，卫星剩余平均带宽 B剩，前提在卫星总带宽大于所有必须流的平均带宽总和的条件下，准入过程描述如下：\nswitch(a)\n{\n    case必须流：\n    {\n        ∥如果剩余带宽大于所需最小带宽，则允许该流进入\n        if B剩＞Bmin then admission；\n        else\n        {\n            ∥计算所有F中在最小带宽条件下卫星带宽剩余\n\n            if B′剩＞Bmin then admission；\n            else\n            { \n                逐个终止F中的非必须流传输并重新计算B剩，直至B剩＞Bmin；\n                admission，并给各已经终止的流的发送端反馈终止交互消息，\n            }\n        }\n    }\n    case    非必须流：\n    {\n        if(T＝＝微速率)then admission；\n        else\n        {\n            if(B剩＞Bmin)then admission；\n            else return带宽不足；\n        }\n    }\n}\n2、区分服务的带宽分配策略\n上述的准入算法已经在一定程度上体现了带宽优化分配的原则。但一旦准入之后，它 无法控制各流之间的带宽竞争而导致服务质量下降。尤其是可变速率流突发峰值数据的影 响，使得在准入优化的基础上进行进一步的带宽优化分配非常必要。\n常见的卫星带宽分配算法如平均分配策略、公平分配、最大延迟优先分配方法都不能 很好的满足实时教学要求，原因在于这些算法都是普遍适用算法，而没有针对某一项专门 的应用提出解决方案，实时教学是一个特殊应用，各数据流对完成实时教学任务的重要程 度存在差别，甚至在数据流内部的报文也有一定的优先级关系，针对这项特殊的应用，必 须用特殊的带宽优化分配算法来保证当前可用带宽下获得最佳的传输质量。由于实时教学 中数据流的已知性，可以根据区分服务原则对带宽分配进行描述。\n教师音频因其速率恒定、不允许丢包，而且是实时教学中必不可少的数据流，是最重 要的数据流，其他多媒体数据流同步都以该数据流为基准。在此基础上制定一系列的带宽 优化分配准则。\n设卫星实际可用带宽Bavail，教师音频速率νTA，教师视频速率νTV，教师屏幕速率νTS， 学生音频速率νSA，学生视频速率νSV，其他一些微量数据速率νother，其中教师视频、教师 屏幕、焦点视频对应的每秒帧数为f1，f2，f3，设教师视频的最大延迟为Dvmax，教师屏 幕的最大延迟为Dsmax，可变速率流可用带宽总和Bvar，恒定速率流带宽总和Bconst，预留 小量带宽Breserve，k1，k2，k3分别为νTV，νTS，νSV发送速率系数，即k1νTV、k2νTS、k3νsv 为教师视频、教师屏幕、学生视频对应的实际发送速率，f为带宽分配算法，则\n          Bavail＝f(νTA，νTV，νTS，νSA，νSV，νother)    (式5.7)\nf的目的就是在所有数据流中寻找带宽分配的最佳平衡点，为一系列优化准则的集 合。\n①考虑到恒定速率流的重要性，和不可丢包性，为其分配固定可用带宽，则\n             Bconst＝νTA+νSA\n②文本数据流占用带宽相对其他媒体数据流来说微乎其微，但在实时教学系统中的作 用却是相当大的，规定所有微量数据流利用预留小带宽Breserve发送数据；\n③为恒定速率流和微量速率数据流分配带宽后剩下的所有带宽归可变速率数据流所 有，可变速率数据流主要包括教师视频νTV，教师屏幕νTS，学生视频νSV，它们必须满足 约束条件：\n             k1νTV+k2νTS+k3νSV≤Bvar                  (式5.8)\n其中Bvar＝Bavail-Bconst-Breserver，k1≤1，  k2≤1，k3≤1\n在该条件下经过一定的带宽优化分配，最终找到一个最佳的平衡点，分别获得k1νTV， k2νTS，k3νSV实际带宽，并使得系统在当前带宽条件下创造最佳的教学质量，分配步骤：\nstep1：计算νTV，νTS，νSV值。设当前buffer中的数据总量为M，buffer缓存时间为t， νTV，νTS，νSV可根据下面公式得到：\n                  ν＝M/t\nstep2：计算k1，k2，k3。采用教师端优先策略，即如果在总带宽不足的情况下，首 先降低或者停止焦点学生视频发送，描述如下：\n      switch(νTV+νTS+νSV)\n      {\n      case≤Bvar：k1＝k2＝k3＝1；break；\n      case≥Bvar：\n               if νTV+νTS≤ Bvar then\n               { ∥在不能满足νTV、νTS、νSV三路数据流，但满足νTV、νTS两路要求时，优先满∥足教师视 频和屏幕，焦点视频按优先级从低到高依次丢包将低视频速率\n              令k1＝k2＝1，\n              并且νTV+νTS+k3νSV＝Bvar；       (式5.9)\n              k3＝(Bvar-νTS-νTV)/νSV\n         }\n         else\n         { ∥在教师视频和屏幕数据已经超过剩余带宽的情况下，停止焦点视频，教师视频∥和屏幕采 取一定的丢包策略，依次丢弃优先级最低的视频或者屏幕包\n              k3＝0；∥使屏幕和视频丢帧比例相同\n$k_2=\frac{f_2}{f_1}{k}_1;$ (式5.10)\n              ∥结合(式5.9)和(式5.10)所得\n$k_1=B_{\mathrm{var}}/(v_{\mathrm{TV}}-\frac{f_2}{f_1}{v}_{\mathrm{TS}});$\n          }\n          break；\n    }\n该算法体现了各数据流的重要性原则，优化了实时教学系统的带宽分配。\n3、天地网远程教育系统Qos差错控制\n多媒体传输业务对网络的QoS需求决定了传输方式不能使用可靠的TCP协议，因此， 本发明采用基于RTP/UDP作为媒体数据传输协议。在多媒体应用中，需要传输的媒体数 据单元可能超过RTP报文大小，因此在发送端会把该数据单元分割成多个RTP包传输， 在接收端对接收到的多个RTP包重组成一个媒体数据单元回放。若分割后的RTP包有一 个包被丢弃或者损坏，接收端就无法完成帧重组过程，属于同一帧的所有RTP包都被丢 弃，整个媒体帧在应用层无法回放。这种情况一旦发生，不仅影响用户得到的服务质量， 同时还浪费了大量的网络带宽，传输了无用的数据。此外，许多实时媒体数据不允许出现 报文丢失现象，例如音频，一旦出现音频帧丢失，就会产生断音现象。所以我们必须针对 RTP丢包或者损坏进行一定的恢复控制。\n由上所述，必须在UDP协议之上解决网络传输的不可靠问题。传统的ARQ(Automatic Repeat Request)机制不能满足实时多媒体应用对传输延迟的苛刻要求，因为超时重传的数 据到达接收端可能超出了解码、播放的时间。基于以上原因，SkyClass系统在UDP层之 上引入了FEC层对媒体数据进行冗余编码。FEC层以及和其它层之间的工作流程如图5.3.5 所示：\nFEC层定时从发送端缓存队列取出k维数据，这k维数据在进入缓存队列时大小已经 过处理，均小于等于RTP报文大小。FEC冗余编码要求输入的k维数据大小一致，在实 际应用中视频和音频在进入缓存队列后略有差别，下面将详细讨论如何对视频和音频数据 进行冗余编码。\n多媒体数据帧经FEC编码后将加上FEC报文头，FEC报文结构定义如下：\ntypedef struct_FECHEADER\n{\n    ulong FecCoded ：1；∥是否FEC编码0：未编码，1：编码\n    ulong OroginalK：10；∥原始数据维数k\n    ulong RedunN   ：11；∥冗余度n，用以生成解码矩阵\n    ulong OrigiCol ：10；∥对应的编码矩阵的列值\n}FECHEADER；\n在接收端FEC层对收到的RTP报文进行判断，如果有FEC编码则进FEC解码队列， 否则直接进入队列管理层。\n处理流程如图5.3.6所示，FEC层对RTP层传来的数据进行判断，若经过FEC编码 则判断是否满足进入FEC缓存队列的条件：FEC队列维持一个最老的时间戳Tdec，令刚到 的FEC报文时间戳为Tfec，对该报文处理流程如下：如果Tfec小于Tdec则丢弃；若FEC队 列已经有属于同一组FEC的报文，则进队列，并判断是否满足FEC解码要求，若满足则 解码；如果队列中没有属于同一组的FEC报文则开一新队列，并开始缓存。FEC报文在 FEC缓存队列中如果超出队列管理调度层给应用层触发数据的时戳仍无法解码则整个队 列被丢弃。