Карпенко М.П. Телеобучение

Подождите немного. Документ загружается.

М.П. Карпенко. Телеобучение

371

При работе над вопросом о способах связи в образовательной сети

исследовались возможности как наземных, так и спутниковых каналов

Было учтено, что наземные каналы связи имеют две характеристики, ис-

ключающие возможность их использования в сети распределенного вуза.

Это, во-первых, невозможность подключения к ним удаленных точек, где

не развита наземная инфраструктура кабельной сети. Сегодня в России

возможности сетей наземной связи ограничены крупными городами и

промышленными центрами. Решение проблемы пресловутой «последней

мили» порой обходится неоправданно дорого. И, во-вторых, – затрат-

ность для вуза, поскольку зачастую подключение каждого центра доступа

к сети – это прокладка нового канала. При этом стоимость аренды каналов

общегосударственной или выделенной сети и оплата трафика существен-

но растут с увеличением расстояний и объемов передаваемой между уда-

ленными пользователями информации, при этом надежность и качество

связи уменьшается.

Кроме того, важно, что в случае использования наземных каналов ра-

бота с общими ресурсами конечного пользователя напрямую зависит от

качества работы операторов связи, обслуживающих сеть, и это на сегод-

няшний день, к сожалению, существенно снижает надежность функцио-

нирования корпоративной сети в целом.

Поэтому при организации дистанционного обучения в отдаленных

регионах естественным явился путь построения образовательной теле-

коммуникационной сети распределенного вуза с системой спутниковой

связи.

Однако, выбор спутников, удовлетворяющих требованиям данной

сети, – процедура непростая и зависит от множества факторов: стоимости

аренды ресурса у спутникового оператора, наличия спутника, вещающе-

го на нужный регион в нужном диапазоне, уровня развития спутниковой

группировки в России и за рубежом, процедуры получения разрешений на

радиочастоты, характеристик самого спутника и т. д.

Опыт развития СГА как распределенного вуза показывает, что в на-

стоящее время с учетом возможностей современных технологий распре-

деленный вуз с большим количеством удаленных центров доступа наибо-

лее эффективно сможет реализовать дистанционный учебный процесс,

Крамарь В.А. Новые технологии связи современного гуманитарного универси-

тета // Материалы международной научно-практической конференции «Информацион-

но-телекоммуникационные технологии в образовании – 2002». Москва, 23–24 мая 2002 г.

С. 142–143.

372

Телекоммуникации и виртуальные среды

организовав все вузовские процессы на основе образовательной телеком-

муникационной сети

, в которой связь осуществляется через геостацио-

нарные спутники, расположенные на расстоянии около 36000 км от Земли.

Находясь на этой орбите, спутник вращается с той же угловой скоростью,

что и Земля. Следовательно, он всегда находится над одной и той же точ-

кой на поверхности Земли. Спутниковая связь – это разновидность бес-

проводной связи, к которой также принадлежит и привычное для нас

наземное эфирное телерадиовещание. Отличие заключается лишь в том,

что передатчик расположен не на Останкинской или другой наземной

телебашне, а на спутнике, находящемся в космосе. Передатчик состоит

из наземной части, ее называют телепортом, Центральной станции спут-

никовой связи (ЦЗССС

) или Uplink, и спутникового сегмента, с которо-

го сигнал передается непосредственно на абонентские приемники, – это

спутниковый транспондер. Транспондер принимает сигнал с телепорта

на приемную антенну и ретранслирует его через передающую антенну

абонентам.

В спутниковом вещании, как и в

наземном, используются радиочастоты.

Радиочастоты являются частью элект-

ромагнитного спектра, начинающегося

с длинных волн (радиовещательный

диапазон) и заканчивающегося очень

короткими волнами (радиоактивное

излучение). В пределах этого широкого

спектра выделены полосы радиочастот,

которые используются для передачи че-

рез спутник (табл. 6.2). Регулировани-

ем частот занимается Международный

телекоммуникационный союз (ITU

) и

Государственная комиссия по радио-

частотам в России (ГКРЧ

Кинелев В.Г. Образование для информационного общества // Материалы между-

народной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные

технологии в образовании – 2005». Москва, 19 мая 2005 г. С. 33–43.

ЦЗССС – центральная земная станция спутниковой связи.

ITU (International Telecommunication Union) – Международный телекоммуника-

ционный союз.

ГКРЧ – Государственная комиссия по радиочастотам (Россия).

Таблица 6.2

Полосы радиочастот, выделенные

для передачи данных по спутнико-

вым каналам

Диапа-

зоны

Полосы частот, ГГц

L 0,39 ... 1,55; 1,61 ... 1,71

S 1,93 ... 2,70

C 3,40 ... 5,25; 5,725 ... 7,075

X 7,25 ... 8,40;

Ku 10,70 ... 12,57; 12,70 ... 14,80

Ka 15,40 ... 27,50; 27,00 ... 50,20

K 84,00 ... 86,00

М.П. Карпенко. Телеобучение

373

Для спутникового телевизионного вещания обычно используются

Ku- и C-диапазоны. С-диапазон использует частоты диапазона 5,725...7,075

ГГц для передачи сигнала на спутник (линия вверх) и 3,40...5,25 ГГц для

передачи его со спутника абоненту (линия вниз). Ku-диапазон использует

частоты диапазона 12,70...14,80 ГГц для линии вверх и 10,70...12,57 ГГц для

линии вниз.

Выбор того или иного диапазона определяется следующими фактора-

ми. С-диапазон больше подвержен влиянию радиопомех (от других спут-

ников, от наземных средств и т. п.), чем более высокие диапазоны частот,

и требует большего диаметра приемных и передающих антенн, которые

имеют, соответственно, и большую стоимость. Кu-диапазон сильнее под-

вержен влиянию атмосферных осадков, однако более эффективно исполь-

зует частотный ресурс. Кроме того, для образовательной спутниковой

сети с большим количеством принимающих сторон важно, что вещание в

Ku-диапазоне позволяет использовать антенны меньшего диаметра и, со-

ответственно, меньшей стоимости.

В этом диапазоне осуществляется передача данных из базового вуза

академии (Москва) в многочисленные центры доступа СГА. На момент на-

писания настоящей монографии для работы своей сети Современная гума-

нитарная академия использует два геостационарных спутника: «Экспресс-

АМ2», находящийся над экватором на долготе 80 град. в. д., и «Ямал-201»

(90 град. в. д.). Область Земли, на которую поступает сигнал с передающей

антенны транспондера, называется зоной покрытия транспондера. Зоны

покрытия спутников «Ямал-201» и «Экспресс-Ам2» приведены на рис. 6.3

и 6.4.

Покрыть одним спутником всю территорию России практически не-

возможно. Поэтому СГА использует спутник «Экспресс-АМ2» для орга-

низации вещания в европейской части России и спутник «Ямал-201» для

районов Сибири и Дальнего Востока. ЦЗССС «СГУ-Телепорт», введенная

в эксплуатацию в 2000 году, работает через ИСЗ «Экспресс-АМ2». Сигнал,

принятый с «Экспресс-АМ2», «переподнимает» в С-диапазоне на спутник

«ЯМАЛ-201» телепорт, принадлежащий ОАО «Газком» (рис. 6.5).

Числа на карте зоны покрытия (см. рис. 6.3 и 6.4) показывают уровень

принимаемого сигнала в зонах, ограниченных контурами. Если абонент

находится на краю зоны покрытия, то расстояние от его антенны до спут-

ника больше, чем у абонента, находящегося в центре зоны покрытия, и

сигнал проходит больший путь в атмосфере Земли. Следовательно, размер

374

Телекоммуникации и виртуальные среды

антенны и мощность передатчика (в случае приемо-передающей антенны)

на краях зоны всегда больше. Размер антенны нужно также увеличивать в

районах с повышенным уровнем осадков, так как сигнал при этом сильно

ослабляется. В «беспроблемных» районах для уверенного приема доста-

точно антенны диаметром 1,65 м.

Рис. 6.3. Зона покрытия геостационарного спутника «Ямал-201» (90° в. д.).

Покрытие на линии вниз, С-диапазон

Рис. 6.4. Зона покрытия геостационарного спутника «Экспресс-AМ2» (80°в. д.). Широкая

европейская зона. Покрытие на линии вниз, Ku-диапазон

М.П. Карпенко. Телеобучение

375

Через спутники «Экспресс АМ-2» и «Ямал-201» осуществляется пе-

редача данных в формате MPEG-2

DVB. Этот стандарт компрессии изоб-

ражения был принят в начале 90-х годов XX века, в связи с чем и появи-

лась возможность передавать по спутниковым каналам связи видеосиг-

нал со скоростью 1,5–15 Мбит/c в зависимости от качества изображения.

В 1993 году 200 организаций из 30 стран мира пришли к единому стандарту

цифрового вещания видеосигнала – DVB

. Проект DVB относился не толь-

ко к спутниковому вещанию, но и к передаче по кабельным каналам и эфи-

ру. Проект DVB основывался на применении стандарта MPEG-2 для пере-

дачи видеоизображения с многоканальным звуковым сопровождением и

позволял также передавать любую другую информацию в цифровом виде.

Перспективы развития сети центров доступа, которые стали очевид-

ны в тот же период, заложили основу использования спутниковой связи в

учебных целях. Именно в 2000 году М.П. Карпенко предложил перейти на

новые способы обеспечения учебного процесса во всех центрах доступа

академии и заменить дорогостоящую транспортировку учебных продук-

тов на огромные расстояния передачей оцифрованного образовательного

контента по спутниковым каналам связи в сети СГА. Быстрое увеличение

MPEG-2 (Moving Picture Experts Group type 2) – стандарт компрессии изображе-

ния.

DVB (Digital Video Broadcasting) – единый стандарт цифрового вещания видеосиг-

нала.

Рис. 6.5. Схема передачи сигнала с использованием геостационарных спутников

376

Телекоммуникации и виртуальные среды

количества центров доступа академии и расширение охватываемой ими

территории достаточно скоро убедили сомневающихся в рациональности

этого подхода, что данный способ обеспечения учебного процесса в фи-

лиалах является экономически более эффективным. Поэтому с 2001 года

рассылка образовательного контента, созданного в базовом вузе (ком-

пьютерные программы, слайд-лекции, тестирующие программы, ресурсы

электронной библиотеки и др.) согласно потребности конкретного центра

доступа стала основным принципом учебно-методического обеспечения

учебного процесса во всей образовательной сети СГА. Технологическая

причина нового подхода заключается в том, что в различные центры до-

ступа, реализующие одно и то же направление обучения, должен переда-

ваться один и тот же массив учебных продуктов, требуемый для освоения

конкретной образовательной программы. Важно, что базовым вузом про-

изводится рассылка одного пакета данных большому количеству пользо-

вателей, и этот процесс не требует спутникового ресурса для реализации

обратной связи. Поэтому технология обеспечения центров доступа об-

разовательными ресурсами на первом этапе развития образовательной

сети СГА основывалась на использовании симплексного канала связи

большой пропускной способностью. Очевидно, что для передачи больших

объемов информации из базового вуза в центры доступа необходима была

широкополосная односторонняя спутниковая связь.

6.2.2. Первый этап развития образовательной сети – использование

односторонней спутниковой связи. Информационно-спутниковая об-

разовательная технология

Была разработана и внедрена следующая схема функционирования

сети, использующей одностороннюю спутниковую связь.

Передачу сигнала на спутник осуществляет телепорт, основными за-

дачами которого в образовательной распределенной сети являются:

− передача в общем транспортном потоке цифровых данных для цен-

тров доступа;

Симплексный канал связи – физическое или логическое соединение двух точек,

при котором данные могут передаваться всегда только в одном направлении.

Карпенко О.М., Кривова В.А. Дистанционное обучение в Современном гумани-

тарном университете с применением новых информационных технологий // Материалы

международной научно-практической конференции «Информационно-телекоммуника-

ционные технологии в образовании – 2002». Москва, 23–24 мая 2002 г. С. 149–160.

М.П. Карпенко. Телеобучение

377

− прием сигнала со спутника с целью контроля наличия сигнала на

спутнике и его качества;

− обеспечение постоянной работоспособности спутникового канала;

− проведение исследовательских работ, направленных на выработку

рекомендаций по приему программ и использованию приемного оборудо-

вания.

Так как сигнал передается на спутник в цифровом формате, то имеется

возможность организовать многопрограммное вещание. Такой принцип

вещания называется MCPC-передачей

, когда несколько программ переда-

ются в одном пакете на одной несущей, в отличие от аналоговой передачи,

когда каждая программа передается на отдельной несущей в своей поло-

се частот. Такой способ передачи позволяет более экономно расходовать

энергетический и частотный ресурс транспондера.

Функционально различных единиц оборудования используется не-

много. Исходя из принципа передачи, был определен состав оборудования

передающей станции: кодеры, мультиплексор, модулятор, преобразователь

частоты, усилитель мощности (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Структурная схема телепорта

MCPC-передача (Multi Channel Per Carrier) – принцип вещания, при котором не-

сколько программ передаются в одном пакете на одной несущей.

378

Телекоммуникации и виртуальные среды

Кодер преобразует аналоговые видео- и звуковые сигналы в элемен-

тарный цифровой поток и осуществляет их компрессию в соответствии со

стандартами MPEG-2/DVB. Кодеры обычно имеют модульную конструк-

цию, позволяющую реализовать широкий спектр входных и выходных ин-

терфейсов. Композитные и компонентные аналоговые входные интерфей-

сы для видеосигнала дополняются цифровым последовательным интер-

фейсом SDI (оцифрованный, но несжатый видеосигнал). Количество циф-

ровых и аналоговых звуковых входов путем добавления соответствующих

модулей может варьироваться в широких пределах: до шести или даже до

двадцати стереопар. Кроме того, обычно имеется вход высокоскоростных

данных, которые могут быть включены в общий выходной поток для рас-

пространения совместно с телевизионным сигналом, а также низкоскорос-

тные входы (Ethernet, RS-232, RS-485) для организации удаленного управ-

ления и объединения в систему с другими функциональными модулями.

В качестве выходных обычно используются один или несколько асинх-

ронных последовательных интерфейсов транспортных потоков DVB-ASI.

Инкапсулятор. Процесс ввода данных IP в поток MPEG-2/DVB-S осу-

ществляют инкапсуляторы, или, по-другому, IP/DVB-шлюзы. Инкапсуля-

тор принимает TCP/IP-данные, адресованные абонентам сети, и преобра-

зует их в DVB-S-совместимый транспортный поток MPEG-2. На входной

стороне инкапсулятор соединяется по интерфейсу 10/100BaseT с незави-

симыми локальными сетями, по одной из которых происходит передача

данных, по другой, защищенной от внешних воздействий сети, осущест-

вляется контроль и управление работой устройства. На выходе инкапсуля-

тор имеет интерфейс DVB-ASI и может непосредственно подсоединяться

к DVB-S-модулятору или входу мультиплексора. Адресация передаваемой

информации осуществляется путем присвоения каждому абоненту уни-

кального 48-битного МАС (физического) адреса приемного устройства.

Специальное программное обеспечение на передающей стороне управляет

потоками передаваемой информации, ведет учет трафика и тарификацию.

Мультиплексор. Для объединения элементарных ASI-потоков, форми-

руемых кодерами и инкапсуляторами, в единый транспортный поток слу-

жат мультиплексоры. Количество входных интерфейсов в мультиплексоре

может достигать нескольких десятков, но при этом суммарная скорость

элементарных потоков на входах всегда ограничена определенной величи-

ной. Скорость выходного транспортного потока (или суммарная скорость

в случае нескольких выходных потоков) также ограничена. В настоящее

М.П. Карпенко. Телеобучение

379

время эти ограничения лежат в пределах 100...200 Мбит/с. Мультиплексоры

могут также включать в себя системы условного доступа, которые позво-

ляют организовать информационную защиту транслируемых программ.

Модуляторы служат для преобразования цифровой информации из

импульсной формы в одну из форм, пригодных для ретрансляции через

спутниковый транспондер, кабельную сеть или эфирный передатчик. В

случае спутниковой ретрансляции используются следующие типы модуля-

ции: квадратурно-фазовая (QPSK), восьмифазная (8PSK) или амплитудно-

фазовая модуляция (16QAM). Наиболее распространена модуляция типа

QPSK, которая в настоящее время используется в системах непосредствен-

ного телевизионного вещания и распределительных системах.

После переноса сигнала на частоту передачи в преобразователе час-

тоты и усиления в усилителе мощности он по гибкому фидеру подается на

облучатель антенны, с которой и передается на спутник.

На приемной стороне сигнал проходит обратные преобразования.

Усиленный приемной антенной сигнал попадает на преобразователь-уси-

литель частоты (конвертор) и после усиления и понижения частоты по

кабелю поступает на вход приемника. В приемнике сигнал декодируется,

демультиплексируется и в аналоговой форме поступает с выхода приемни-

ка на обычный телевизор. Основным средством индивидуального приема

цифрового мультимедийного транспортного потока DVB-S являются спе-

циализированные компьютерные платы, вставляемые в свободный слот на

материнской плате компьютера и взаимодействующие с ресурсами ком-

пьютера по внутренней высокоскоростной шине.

Приемная станция состоит из следующего оборудования:

− приемная спутниковая антенна (диаметр 1,2–2,4 м);

− конвертор;

− спутниковый приемник для приема телеканалов;

− телевизор или видеопроектор для просмотра телелекций;

− видеомагнитофон, предназначенный для записи телелекций;

− приемный компьютер с установленной в нем DVB/PC-картой для

приема и хранения данных.

Таким образом, общая схема функционирования сети, основанной на

использовании односторонней спутниковой связи имеет вид (рис. 6.7).

Бесперебойное и эффективное функционирование разработанной

системы привело к созданию и внедрению в образовательную деятельность

СГА информационно-спутниковой образовательной технологии (ИСОТ),

380

Телекоммуникации и виртуальные среды

которая в дальнейшем стала базовой для распределенного вуза. В основе

данной технологии лежит доставка необходимых для учебного процесса

материалов в электронном виде непосредственно на сервер центра досту-

па с применением системы гарантированной доставки цифровых данных

через спутниковый канал Syrus Satellite Delivery System (SSDS). Принятые

на сервер материалы располагаются в определенном порядке для наиболее

эффективной организации учебного процесса. Система SSDS предназначе-

на для доставки любой информации на удаленные приемные станции, ко-

торые не имеют никакой связи с передающей станцией, т. е. без обратного

канала. В этом случае наличие обратного спутникового канала в системе

является желательным, но не обязательным, так как используя функцио-

нальные возможности программного обеспечения системы, часто можно

было обойтись без обратного канала при передаче как файлов, так и циф-

ровых потоков аудио и видео. Использование системы SSDS позволяло по-

лучить надежный скоростной спутниковый канал передачи данных даже

в плохих погодных условиях. Обратная связь центров доступа с базовым

вузом осуществляется с помощью электронной почты и телефонии.

Опишем подробнее систему, лежащую в основе ИСОТ (рис. 6.8).

Система Syrus Satellite Delivery System состоит из двух функциональ-

ных частей: программной и аппаратной. Для бесперебойного функциони-

рования ИСОТ необходимо было осуществить оптимальный подбор про-

граммных и аппаратных средств, позволяющих экономично и качественно

решить задачи доставки цифрового контента из базового вуза в центры

доступа.

Рис. 6.7. Схема функционирования сети, использующей одностороннюю спутниковую

связь