專利名稱：雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，特別是一種雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，屬于計算機技術領域。
背景技術：
隨著多媒體以及網(wǎng)絡通信技術的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡教育/遠程教育已從原來基于局域網(wǎng)以及Internet的模式衍生到基于雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡的模式，在基于雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡的多媒體實時遠程教育方面的研究與應用也取得了顯著的成就。經(jīng)對現(xiàn)有技術的查新，檢索到兩種同類產(chǎn)品它們分別是以色列Mentergy公司開發(fā)的TrainNet；以色列VCON公司開發(fā)的Meeting point 4.5。
以色列Mentergy公司開發(fā)的TrainNet是目前世界上最為強大的交互式遠程教學系統(tǒng)，已成為直接到PC的TBT工業(yè)標準。學生通過一個集成化環(huán)境參與學習。高質(zhì)量、全屏視頻效果、實時交互和協(xié)作、應用共享等為學生創(chuàng)造一個真正的高效學習環(huán)境。該產(chǎn)品支持同步與異步兩種教訓模式，僅支持組播的連接方式，可支持的最低回傳帶寬為128kbps(視頻)+8kbps(音頻)，只支持單向的a屏幕廣播。以色列VCON公司開發(fā)的Meeting point 4.5是國內(nèi)使用最為普遍的交互式遠程教學系統(tǒng)。它設計之初的應用目標是針對多點視頻會議，由于其對視音頻交互，以及白板，應用程序共享等互動操作支持較好，因而在遠程教育中得以廣泛應用。該產(chǎn)品支持一對一(單播)和一對多(組播)兩種交互模式，通過硬件進行視音頻壓縮/解壓縮以及多點播送控制，無法直接到學生桌面?？芍С值淖畹突貍鲙挒?38kbps。
現(xiàn)有系統(tǒng)存在以下幾方面的問題(1)無法支持過窄回傳帶寬(比如低于100kbps)上視音頻的正常交互；(2)無法支持組播數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)絡傳輸，進而導致系統(tǒng)無法將教學資源直接送到學生桌面；(3)無法支持系統(tǒng)的跨網(wǎng)絡部署，進而導致系統(tǒng)支持的學生端數(shù)量有限(往往與衛(wèi)星小站的個數(shù)相同)；(4)大多數(shù)同步實時授課系統(tǒng)直接采用了視頻會議系統(tǒng)中的多點群組交互機制，這種交互機制不適合于實時授課。采用這種交互機制，不僅增加了上層管理的復雜程度，同時也造成不必要的系統(tǒng)資源開銷，特別是網(wǎng)絡帶寬資源的開銷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)(稱之為astroTrainer)，使其不僅可利用雙向衛(wèi)星高速接入技術不受地域限制及可捆綁衛(wèi)星電視服務的優(yōu)勢，而且能克服衛(wèi)星上行帶寬過窄(最低可達76.8kbps)的缺陷，實現(xiàn)視音頻、屏幕及白板等多媒體數(shù)據(jù)的雙向實時交互，此外能支持盡可能多的客戶端，并且客戶端成本低，構建方式簡單靈活。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明由多媒體客戶端、轉發(fā)器、轉發(fā)服務中心以及課堂管理服務中心四個相對獨立的應用組件組成，多媒體客戶端(Client)，是系統(tǒng)的最終用戶端；轉發(fā)器(Transmit Part)，是介于衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面局域網(wǎng)之間的多媒體數(shù)據(jù)中轉服務節(jié)點，分為內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器與外聯(lián)轉發(fā)器兩類，通過網(wǎng)絡負責多媒體數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各多媒體客戶端之間的傳輸；轉發(fā)服務中心(Transmit Server)，位于衛(wèi)星主站服務器的轉發(fā)器；課堂管理服務中心(Class Management Service)由一組Web Service構成，是整個系統(tǒng)的控制中心；四個部分共同形成視音頻課堂，數(shù)據(jù)課堂以及課堂管理三大功能，多媒體客戶端分布在各個衛(wèi)星小站所在地，位于一個地方的所有多媒體客戶端通過地面以太網(wǎng)連接到內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器通過地面專線與設置在本地衛(wèi)星小站機器上的外聯(lián)服務器相連，位于各個衛(wèi)星小站的所有的外聯(lián)服務器以及位于衛(wèi)星主站服務器的轉發(fā)服務中心通過雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡進行連接，同時課堂管理服務中心也位于衛(wèi)星主站服務器上，任何一個多媒體客戶端都可以連接到衛(wèi)星主站服務器上的轉發(fā)服務中心與課堂管理服務中心，從而四個部分形成了一個緊密的整體，呈現(xiàn)出分層次星型的拓撲結構。
整個系統(tǒng)構建在TCP/IP協(xié)議及.NET Framework之上，多媒體客戶端與課堂管理中心服務器之間采用http連接協(xié)議，多媒體客戶端與內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器、內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器與外聯(lián)轉發(fā)器之間，外聯(lián)轉發(fā)器與轉發(fā)服務中心之間采用UDP協(xié)議連接，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)松耦合的總體結構。
本發(fā)明中多媒體客戶端都是通過地面局域網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)絡相連，在地面局域網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)絡之間存在防火墻，而課堂管理服務中心位于衛(wèi)星主站，因此客戶端要與課堂管理服務中心完成控制信息的交互必須穿透防火墻，采用http調(diào)用Web Service是解決這一問題的好方法，此外這種方法將主要的處理功能放在服務器端進行，減輕了客戶端的負擔，從而使系統(tǒng)能支持盡可能多的客戶端。故本發(fā)明中多媒體客戶端基于Web方式構建，無需在最終用戶處安裝客戶端，用戶可以輕松方便的通過瀏覽器參與系統(tǒng)，進行相關的操作。多媒體客戶端包括三個部分權限控制模塊，視音頻課堂模塊和數(shù)據(jù)課堂模塊。(1)權限控制模塊與課堂管理服務中心進行狀態(tài)、控制信息的交互，根據(jù)交互結果對客戶端的視音頻課堂模塊與數(shù)據(jù)課堂模塊的多媒體數(shù)據(jù)交互權限進行控制和管理，另外權限控制模塊還負責更新在客戶端顯示的用戶列表。(2)視音頻課堂模塊，負責接收、解碼視音頻數(shù)據(jù)并在本地回放或者編碼、發(fā)送從本地視音頻設備中采集到的視音頻數(shù)據(jù)。課堂中所有客戶端的視音頻課堂模塊通過轉發(fā)器相連構成一個完整的視 音頻課堂。處于課堂中的任一客戶端在課堂進行的任何時候至多能接收兩方的視音頻。其中一方是教師端的視音頻，貫穿課堂始終，且該視音頻數(shù)據(jù)源在課堂進行中始終保持不變；另外一方是與教師視音頻交互的焦點學生端的視音頻，根據(jù)教師與學生交互的需要在課堂中或出現(xiàn)或消失，焦點學生視音頻數(shù)據(jù)的來源則根據(jù)權限控制模塊的交互權限指令來確定，在課堂進行中會根據(jù)實際教學需要做出改變。(3)數(shù)據(jù)課堂模塊，該功能模塊包括兩部分共享屏幕與共享白板。位于教師端的數(shù)據(jù)課堂模塊負責捕捉本地教師機屏幕圖像及白板數(shù)據(jù)，并進行壓縮、通過轉發(fā)器發(fā)送給課堂中學生端的數(shù)據(jù)課堂模塊，此外它還接收焦點學生端在共享屏幕及共享白板上進行交互的多媒體數(shù)據(jù)并將其還原迭加在本地屏幕和白板上。位于學生端的數(shù)據(jù)課堂模塊解壓接收到的教師機的屏幕圖像及白板數(shù)據(jù)并在本地重畫，此外在重畫的圖像上迭加接收到的焦點學生端的多媒體交互數(shù)據(jù)。課堂中所有客戶端的數(shù)據(jù)課堂模塊通過轉發(fā)器相連構成一個完整的數(shù)據(jù)課堂。數(shù)據(jù)課堂增強了師生之間的交互手段，體現(xiàn)了實際教學的師生互動性。通過共享屏幕模塊學生客戶端能夠共享教師客戶端的屏幕，得到授權的焦點學生端還可以操作教師端的屏幕，這為大規(guī)模的電子文檔教學(如Word，PPT)與軟件協(xié)作教學提供了有效的工具；通過完全協(xié)同的共享白板工具，教師與授權的焦點學生可以通過白板協(xié)同討論問題。
多媒體客戶端按其登陸的用戶身份可分為教師客戶端，學生客戶端以及管理員客戶端，它們各自擁有不同的權限，可以進行不同的操作。教師客戶端可以使用實時視頻，音頻，并通過電子白板，屏幕共享以及文本Chat等工具與學生進行交互，并可以批準/禁止學生的視頻，音頻和操作共享屏幕。學生客戶端可以使用實時視頻，音頻，并通過電子白板，操作共享屏幕以及文本Chat等工具與老師及課堂中其他學生進行交互。管理員客戶端可以對系統(tǒng)中所有用戶的身份及其權限進行管理，并能對課堂資源進行管理和分配。
此外，由教師客戶端發(fā)出的多媒體數(shù)據(jù)量比較大，對出口帶寬大小要求比較高，在課堂進行過程中，教師客戶端始終在運行，并且學生客戶端對教師客戶端的多媒體數(shù)據(jù)的延時比較敏感，因此系統(tǒng)中教師客戶端通過地面專線與衛(wèi)星主站相連，充分利用了衛(wèi)星下行帶寬較寬，數(shù)據(jù)傳輸速度快的特點，而學生客戶端通過地面組播網(wǎng)與衛(wèi)星小站相連，以保證教師端多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c質(zhì)量，并使系統(tǒng)能支持盡可能多的學生客戶端。
為了盡可能的擴大教學規(guī)模以及解決實際教學應用中教學點所在地與衛(wèi)星主站或小站地理位置不一致的問題，本發(fā)明采用兩種網(wǎng)絡連接方式單播及組播。因此多媒體客戶端按其連接網(wǎng)絡的方式可分為單播客戶端和組播客戶端兩類。學生客戶端以組播方式與本地局域網(wǎng)的轉發(fā)器相連。教師客戶端通過地面專線以單播方式與轉發(fā)服務中心直接相連。
轉發(fā)器，是介于衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面局域網(wǎng)之間的多媒體數(shù)據(jù)中轉服務節(jié)點，分為內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器與外聯(lián)轉發(fā)器兩類。它們位于的網(wǎng)絡環(huán)境不同，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器位于地面局域網(wǎng)服務器，而外聯(lián)轉發(fā)器位于對應衛(wèi)星小站的服務器，它們之間通過地面專線進行連接。內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器負責將本地客戶端發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)在本地局域網(wǎng)組播，并將其單播發(fā)送給相應的外聯(lián)轉發(fā)器；或者單播接收外聯(lián)轉發(fā)器發(fā)送來的多媒體數(shù)據(jù)在本地局域網(wǎng)組播。由于各個衛(wèi)星小站與衛(wèi)星主站通過IP協(xié)議映射構成一個對衛(wèi)星用戶透明的IP組播網(wǎng)絡，因此所有位于衛(wèi)星小站與主站的外聯(lián)轉發(fā)器形成一個支持IP組播的局域網(wǎng)拓撲結構，外聯(lián)轉發(fā)器負責將單播接收到的多媒體數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡組播發(fā)送給其他外聯(lián)服務器，將組播接收到的多媒體數(shù)據(jù)通過地面專線單播發(fā)送給相應的內(nèi)聯(lián)服務器。
轉發(fā)服務中心，是一個特殊的外聯(lián)轉發(fā)器，它位于衛(wèi)星主站服務器上，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中具有較大的出口帶寬，使其成為系統(tǒng)中多媒體數(shù)據(jù)最大的集散中心。由于系統(tǒng)中教師客戶端發(fā)送的視音頻、屏幕及白板等多媒體數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大，因此必須通過位于主站服務器的轉發(fā)服務中心下行組播到各個小站服務器上的外聯(lián)轉發(fā)器。此外與其它位于小站的外聯(lián)服務器相比，為了減少系統(tǒng)的消耗，加快教師客戶端數(shù)據(jù)的傳播，轉發(fā)服務中心支持單播客戶端的連接，允許教師客戶端通過地面專線直接單播連接到轉發(fā)服務中心。轉發(fā)服務中心也能組播接收從各小站外聯(lián)服務器轉發(fā)過來的多媒體數(shù)據(jù)，并將其單播發(fā)送給相關的教師客戶端，完成實時交互。
轉發(fā)器和轉發(fā)服務中心采用兩種數(shù)據(jù)轉發(fā)方式(1)單播 組播；(2)組播 組播轉發(fā)。衛(wèi)星組播網(wǎng)絡由轉發(fā)服務中心與各小站的外聯(lián)服務器構成；地面組播網(wǎng)絡由學生端與本地的內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器共同構成。每個轉發(fā)器及轉發(fā)服務中心通過與課堂管理服務中心的交互動態(tài)創(chuàng)建多個活動的課堂，每個課堂有一個組播地址，六個組播端口和三個單播轉發(fā)端口。本發(fā)明通過IP組播技術允許大量同步用戶加入虛擬課堂，并通過單播轉發(fā)功能突破了衛(wèi)星主站或小站對教學點地理位置的限制。
課堂管理服務中心由一組.NET Web Service構成，后臺有數(shù)據(jù)庫服務器支撐，它是整個系統(tǒng)的控制中心，多媒體客戶端，轉發(fā)服務中心，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器，外聯(lián)轉發(fā)器通過http請求與課堂管理服務中心進行交互，課堂管理服務中心通過http響應獲得整個系統(tǒng)當前最全面最完整的信息，從而為系統(tǒng)的不同組成部分提供全面的協(xié)調(diào)能力。課堂管理服務中心為有限的課堂資源提供了管理功能，既可新建課堂，也可對既定課堂進行跟蹤，還可方便地對系統(tǒng)中所有的用戶進行權限管理。此外課堂管理服務中心支持教師和學生用戶通過單擊頁面中的鏈接訪問課堂的功能。
雙向衛(wèi)星是指本發(fā)明是針對現(xiàn)行雙向高速衛(wèi)星接入技術進行設計的，其優(yōu)勢在于首先，雙向衛(wèi)星實時授課這種方式簡單直觀，信息量大，學習的技術“門坎”不高，便于學生接受，教育手段符合學生的認知特點。其次，互聯(lián)網(wǎng)式的遠程教學雖然有自身的優(yōu)點，但是其中要涉及到諸如路由器、交換機、服務器等眾多設備，無疑給系統(tǒng)增加了眾多不穩(wěn)定的因素，衛(wèi)星網(wǎng)絡則在這方面穩(wěn)定得多。第三，覆蓋面廣，可以在城郊、農(nóng)村及偏遠地區(qū)等電信與有線網(wǎng)絡鞭長莫及的領域實現(xiàn)遠程實時教學，真正突破了教學的地理限制。第四，就是管理和維護的問題，雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡教學在管理和維護上都比互聯(lián)網(wǎng)教學更宜于操作，并且成本也低?？紤]到現(xiàn)行雙向寬帶衛(wèi)星接入技術上行數(shù)據(jù)傳輸速率不夠理想(80kbps-300kbps)，很難適應諸如遠程教學等雙向多媒體交互服務對大量實時上行數(shù)據(jù)傳輸速率要求的特點，本發(fā)明通過非對稱視頻壓縮編碼方法，即對通過帶寬較寬下行鏈路傳輸?shù)慕處熞曨l數(shù)據(jù)采用高采樣頻率，高分辨率，低壓縮比的方法進行壓縮，以保證教師視頻質(zhì)量；而對通過帶寬窄的上行鏈路進行傳輸?shù)慕裹c學生視頻數(shù)據(jù)則采用低采樣頻率，低分辨率，高壓縮比的方法進行壓縮，以減少上行的視頻數(shù)據(jù)量；另外Hook技術的使用大量減少了雙向多媒體交互服務中實時上行的共享白板及共享屏幕數(shù)據(jù)的流量(僅為70-75kbps)，實現(xiàn)了在過窄帶寬(最低76.8kbps)上的實時交互。因此，本發(fā)明是一款基于雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡、支持雙向多媒體實時交互的教學系統(tǒng)。
本發(fā)明還具有以下優(yōu)點●支持多課堂衛(wèi)星教學模式本發(fā)明允許同時進行多個課堂，每個課堂都能獨立的按時自動開啟和結束。管理員可以為系統(tǒng)中同時進行的課堂數(shù)量設定一個限制，該限制允許對基于課堂服務類型的網(wǎng)絡帶寬占用進行調(diào)整。
●課堂持久性與發(fā)起者處于連接狀態(tài)時方可訪問的對等式會議不同，無論是否存在課堂參與者，astroTrainer中的虛擬課堂都將在整個預定周期內(nèi)持續(xù)進行。這種方式提供了更加靈活且真實的課堂模型，課堂參與者可以隨時加入或離開課堂，而無需擔心課堂是否會被中斷。
●支持故障自動恢復本發(fā)明提供一套自動的故障恢復機制，當系統(tǒng)中有異常情況出現(xiàn)時，無需人工干預，系統(tǒng)會自動進行一系列處理。例如對于客戶端的異常退出，系統(tǒng)會自動修改相應客戶端的狀態(tài)。通過這套機制保證了系統(tǒng)的正常運行，提高了系統(tǒng)的健壯性和可靠性。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步，本發(fā)明利用雙向衛(wèi)星高速接入技術對教學現(xiàn)場進行視音頻，共享屏幕和共享白板數(shù)據(jù)的采集和網(wǎng)絡傳輸，實現(xiàn)教學現(xiàn)場的多媒體直播，并克服了雙向衛(wèi)星回傳帶寬過窄的缺陷，突破了教學中地域及環(huán)境條件的限制，實現(xiàn)了師生視音頻、共享白板和共享屏幕的實時交互及課堂管理監(jiān)控等功能，解決了傳統(tǒng)課堂教學在時間和空間上的制約問題，大大擴展了教學規(guī)模，實現(xiàn)名師授課、教育資源的共享以及師生的協(xié)同交互，并降低了大規(guī)模教學的成本。


圖1本發(fā)明的總體結構圖；圖2本發(fā)明所基于的雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結構圖；圖3本發(fā)明的功能模塊調(diào)用圖；圖4本發(fā)明的多媒體客戶端工作機制示意圖；圖5本發(fā)明的轉發(fā)器與轉發(fā)服務中心模塊工作機制示意圖。
具體實施例方式
結合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實施例，對本發(fā)明作進一步的理解，具體如下圖1給出了本發(fā)明的總體架構，以下將根據(jù)這幅圖來描述整個系統(tǒng)的實施運行機制。系統(tǒng)中教師端通過地面專線與衛(wèi)星主站相連，而學生端通過地面組播網(wǎng)與衛(wèi)星小站相連。在實際運作中，將每個衛(wèi)星小站所在地中位于地面局域網(wǎng)內(nèi)的學生端與內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器一起構成一個地面組播網(wǎng)絡，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器通過地面專線與位于當?shù)氐男l(wèi)星小站上的外聯(lián)轉發(fā)器相連。內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器會將本地學生端發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)在本地局域網(wǎng)組播，并將其單播發(fā)送給相應的外聯(lián)轉發(fā)器；或者單播接收外聯(lián)轉發(fā)器發(fā)送來的多媒體數(shù)據(jù)在本地局域網(wǎng)組播。所有位于衛(wèi)星小站的外聯(lián)轉發(fā)器和位于主站的轉發(fā)服務中心通過衛(wèi)星IP協(xié)議映射形成一個對衛(wèi)星用戶透明的衛(wèi)星組播網(wǎng)絡，外聯(lián)轉發(fā)器負責將從相應內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器單播接收到的多媒體數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡組播發(fā)送給其他外聯(lián)轉發(fā)器和轉發(fā)服務中心，并將從衛(wèi)星網(wǎng)絡組播接收到的多媒體數(shù)據(jù)通過地面專線單播發(fā)送給相應的內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器。教師端通過地面專線直接與主站的轉發(fā)服務中心進行單播連接。教師端將大量的多媒體數(shù)據(jù)單播發(fā)送給轉發(fā)服務中心，轉發(fā)服務中心將單播接收到的多媒體數(shù)據(jù)組播發(fā)送給各小站外聯(lián)服務器，并組播接收從各小站外聯(lián)服務器轉發(fā)過來的多媒體數(shù)據(jù)，將其單播發(fā)送給相關的教師客戶端。通過以上連接與數(shù)據(jù)轉發(fā)，同時實現(xiàn)了多個課堂教師與焦點學生實時的多媒體交互，包括視音頻，共享白板以及共享屏幕交互。實施過程中，采用了下行帶寬為2Mbps，回傳帶寬為76.8kbps的雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡，每個教師端多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送所占帶寬為400-500kbps，因此最多可支持4個課堂同時進行；焦點學生端多媒體數(shù)據(jù)發(fā)送所占的帶寬為50-70kbps，因此每個衛(wèi)星小站任意時刻只能加入一個課堂。此外管理員客戶端可以通過地面專線直接與衛(wèi)星主站服務器相連，也可以連接在學生端所在的地面局域網(wǎng)中，它們通過http調(diào)用位于衛(wèi)星主站的課堂管理服務中心提供的課堂管理服務(一組Web Service)來實現(xiàn)對系統(tǒng)中的課堂資源及用戶的管理。
圖2所示，是一個實驗性的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)所基于的雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結構，它以主站為中心節(jié)點，與各個遠端VSAT小站構成星狀通信網(wǎng)。主站既可以向全網(wǎng)廣播公共信息業(yè)務，也可以分別與各個VSAT小站以“一跳”(Single-hop)方式建立各自的雙向通信業(yè)務聯(lián)系。并且主站可作為中樞站以“兩跳”(Double-hop)方式溝通任意兩個VSAT小站之間的通信線路。這種網(wǎng)絡結構適用于全網(wǎng)只有一個信息中心，各遠端小站主要是與信息中心通信且業(yè)務量不大的用戶。這種系統(tǒng)能夠支持話音、傳真、圖像等業(yè)務。但話務量不能過大，否則網(wǎng)絡效率降低。圖中所標注的下行2Mbps，回傳76.8kbps的帶寬是實驗時所采用的雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡的雙向鏈路的帶寬大小。在實際操作中，通過IP協(xié)議映射可以將整個衛(wèi)星網(wǎng)絡構成一個對用戶透明的組播網(wǎng)絡，衛(wèi)星主站與各個遠端衛(wèi)星小站是這個組播網(wǎng)絡上的不同節(jié)點。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡星型的拓撲結構以及不對稱的通信信道，與地面局域網(wǎng)形成的組播網(wǎng)絡不同，衛(wèi)星組播網(wǎng)絡上的各個節(jié)點并不對稱，主站節(jié)點作為組播發(fā)起點時組播帶寬達到2Mbps，而各小站節(jié)點作為組播發(fā)起點時組播帶寬只有76.8kbps。此外，主站與小站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延在實驗中為750ms(“一跳”)，而小站與小站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延在實驗中達到750*2＝1500ms(“二跳”)。
圖3所示，本發(fā)明包括多媒體客戶端，轉發(fā)器，轉發(fā)服務中心以及課堂管理服務中心四個相對獨立的應用組件。按系統(tǒng)的邏輯功能結構劃分，本發(fā)明包括應用層(Application)、后臺服務(BackClass Service)、控制服務器(ControlServer)以及數(shù)據(jù)轉發(fā)服務器(Data Transmition Server)四個功能模塊，簡稱A、B、C、D模塊。應用層模塊主要包括多媒體客戶端，后臺服務器模塊與控制服務器模塊構成課堂管理服務中心，數(shù)據(jù)轉發(fā)服務器模塊包括轉發(fā)器與轉發(fā)服務中心。圖中給出了這四個功能模塊之間的調(diào)用關系，應用層模塊包括多媒體客戶端，它以Web方式呈現(xiàn)給用戶，在客戶端網(wǎng)頁界面中嵌有視音頻控件，共享屏幕與共享白板控件。這些控件與數(shù)據(jù)轉發(fā)服務器模塊之間存在基于UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)連接，連接方式為組播與單播相混合，它們與數(shù)據(jù)轉發(fā)服務模塊之間的運作機制在圖5中給出了詳細描述?？刂品掌髂K負責系統(tǒng)中所有用戶對課堂資源的訪問權限控制，定時更新用戶列表，并對異常退出系統(tǒng)的用戶進行管理?？刂品掌魍ㄟ^http調(diào)用后臺服務模塊中提供的課堂管理服務來實現(xiàn)控制功能。后臺服務模塊統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)庫服務器，Web服務器，并提供一組Web Service給客戶端及控制服務器進行http調(diào)用，為系統(tǒng)的不同組成部分提供全面的協(xié)調(diào)能力。本發(fā)明中多媒體客戶端都是通過地面局域網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)絡相連，在地面局域網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)絡之間存在防火墻，客戶端采用http調(diào)用Web Service的方法穿透防火墻與課堂管理服務中心完成控制信息的交互。本發(fā)明采用松耦合的集成方式，組件化的開發(fā)方式。各個模塊之間的關聯(lián)較少，獨立性較大，對某個模塊功能的擴展不會影響到其它模塊。另外，課堂管理服務中心采用Web Service方式開發(fā)，不僅調(diào)用方便，而且通過新增或修改Web Service可以擴展管理功能。
如圖4所示，多媒體客戶端是本發(fā)明中構造最為復雜的組成部分，圖中描述了它的工作機制。多媒體客戶端基于Web方式，包括三個部分權限控制模塊，視音頻課堂模塊和數(shù)據(jù)課堂模塊。(1)權限控制模塊與課堂管理服務中心進行狀態(tài)、控制信息的交互，根據(jù)交互結果對客戶端的視音頻課堂模塊與數(shù)據(jù)課堂模塊的多媒體數(shù)據(jù)交互權限進行控制和管理，另外權限控制模塊還負責更新在客戶端顯示的用戶列表。(2)視音頻課堂模塊，負責接收、解碼視音頻數(shù)據(jù)并在本地回放或者編碼、發(fā)送從本地視音頻設備中采集到的視音頻數(shù)據(jù)。(3)數(shù)據(jù)課堂模塊，該功能模塊包括兩部分共享屏幕與共享白板。位于教師端的數(shù)據(jù)課堂模塊負責捕捉本地教師機屏幕圖像及白板數(shù)據(jù)，并進行壓縮、通過轉發(fā)器發(fā)送給課堂中學生端的數(shù)據(jù)課堂模塊，此外它還接收焦點學生端在共享屏幕及共享白板上進行交互的多媒體數(shù)據(jù)并將其還原迭加在本地屏幕和白板上。位于學生端的數(shù)據(jù)課堂模塊解壓接收到的教師機的屏幕圖像及白板數(shù)據(jù)并在本地重畫，此外在重畫的圖像上迭加接收到的焦點學生端的多媒體交互數(shù)據(jù)。
轉發(fā)器和轉發(fā)服務中心是本發(fā)明中多媒體數(shù)據(jù)分發(fā)傳輸?shù)臉屑~，本發(fā)明為了支持盡可能多的學生客戶端，采用了IP組播技術，構造了兩個組播網(wǎng)絡，分別是由轉發(fā)服務中心與各小站的外聯(lián)服務器通過雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡互聯(lián)構成的衛(wèi)星組播網(wǎng)絡，以及由當?shù)氐膶W生端與內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器通過地面以太網(wǎng)互聯(lián)構成的地面組播網(wǎng)絡。此外系統(tǒng)通過組播與單播混合的傳輸方式實現(xiàn)了衛(wèi)星組播網(wǎng)絡與地面局域網(wǎng)組播網(wǎng)絡的無縫連接。轉發(fā)器和轉發(fā)服務中心采用兩種轉發(fā)方式(1)單播 組播；(2)組播 組播轉發(fā)；這兩種轉發(fā)方式的工作機制如圖5所示。每個轉發(fā)器及轉發(fā)服務中心通過與課堂管理服務中心的交互動態(tài)創(chuàng)建多個活動的課堂，每個課堂有一個組播地址，六個組播端口和三個單播轉發(fā)端口。
實施效果本發(fā)明突破了教學中地域及環(huán)境條件的限制，實現(xiàn)了優(yōu)秀教育資源的共享并大大降低了大規(guī)模教學的成本；采用雙向衛(wèi)星高速接入技術進行實時的多媒體遠程教育，與同類產(chǎn)品相比，不僅能夠支持更窄回傳帶寬(最低達76.8kbps)上正常的視音頻、屏幕及白板等多媒體數(shù)據(jù)的雙向實時交互，而且能支持盡可能多的客戶端，并且客戶端成本低，操作簡單靈活。
權利要求
1.一種雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，包括多媒體客戶端、轉發(fā)器、轉發(fā)服務中心以及課堂管理服務中心，其特征在于，多媒體客戶端，是系統(tǒng)的最終用戶端，轉發(fā)器是介于衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面局域網(wǎng)之間的多媒體數(shù)據(jù)中轉服務節(jié)點，通過網(wǎng)絡負責多媒體數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各多媒體客戶端之間的傳輸，分為內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器與外聯(lián)轉發(fā)器兩類，轉發(fā)服務中心位于衛(wèi)星主站服務器的轉發(fā)器，課堂管理服務中心由一組Web Service構成，是整個系統(tǒng)的控制中心，四個部分共同形成視音頻課堂，數(shù)據(jù)課堂以及課堂管理三大功能，多媒體客戶端分布在各個衛(wèi)星小站所在地，位于一個地方的所有多媒體客戶端通過地面以太網(wǎng)連接到內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器通過地面專線與設置在本地衛(wèi)星小站機器上的外聯(lián)服務器相連，位于各個衛(wèi)星小站的所有的外聯(lián)服務器以及位于衛(wèi)星主站服務器的轉發(fā)服務中心通過雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡進行連接，同時課堂管理服務中心也位于衛(wèi)星主站服務器上，任何一個多媒體客戶端都可以連接到衛(wèi)星主站服務器上的轉發(fā)服務中心與課堂管理服務中心，從而四個部分形成了一個緊密的整體，呈現(xiàn)出分層次星型的拓撲結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，其特征是，整個系統(tǒng)構建在TCP/IP協(xié)議及NET Framework之上，多媒體客戶端與課堂管理中心服務器之間采用http連接協(xié)議，進行控制信息的交互，多媒體客戶端與內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器、內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器與外聯(lián)轉發(fā)器之間，外聯(lián)轉發(fā)器與轉發(fā)服務中心之間采用UDP協(xié)議連接，進行多媒體數(shù)據(jù)的交互，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)集中控制，松耦合的總體結構。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，其特征是，多媒體客戶端基于Web方式，無需在最終用戶處安裝客戶端，用戶通過瀏覽器參與系統(tǒng)，進行相關的操作，教師和學生用戶通過單擊頁面中的鏈接訪問課堂，管理員通過Web管理用戶及課堂資源，因此，按登陸的用戶身份多媒體客戶端可分為教師客戶端，學生客戶端以及管理員客戶端三種，多媒體客戶端包括三個部分權限控制模塊，視音頻課堂模塊和數(shù)據(jù)課堂模塊(1)權限控制模塊與課堂管理服務中心進行狀態(tài)、控制信息的交互，根據(jù)交互結果對客戶端的視音頻課堂模塊與數(shù)據(jù)課堂模塊的多媒體數(shù)據(jù)交互權限進行控制和管理，另外權限控制模塊還負責更新在客戶端顯示的用戶列表；(2)視音頻課堂模塊，負責接收、解碼視音頻數(shù)據(jù)并在本地回放或者編碼、發(fā)送從本地視音頻設備中采集到的視音頻數(shù)據(jù)，課堂中所有客戶端的視音頻課堂模塊通過轉發(fā)器相連構成一個完整的視音頻課堂，處于課堂中的任一客戶端在課堂進行的任何時候至多接收兩方的視音頻，其中一方是教師客戶端的視音頻，貫穿課堂始終，另外一方是與教師視音頻交互的焦點學生客戶端的視音頻，根據(jù)教師與學生交互的需要在課堂中或出現(xiàn)或消失，焦點學生視音頻數(shù)據(jù)的來源則根據(jù)權限控制模塊的交互權限指令來確定，在課堂進行中會根據(jù)實際教學需要做出改變；(3)數(shù)據(jù)課堂模塊，該功能模塊包括兩部分共享屏幕與共享白板，位于教師客戶端的數(shù)據(jù)課堂模塊負責捕捉本地教師機屏幕圖像及白板數(shù)據(jù)，并進行壓縮、通過轉發(fā)器發(fā)送給課堂中學生端的數(shù)據(jù)課堂模塊，它還接收焦點學生客戶端在共享屏幕及共享白板上進行交互的多媒體數(shù)據(jù)并將其還原迭加在本地屏幕和白板上，位于學生客戶端的數(shù)據(jù)課堂模塊解壓接收到的教師機的屏幕圖像及白板數(shù)據(jù)并在本地重畫，在重畫的圖像上迭加接收到的焦點學生端的多媒體交互數(shù)據(jù)，課堂中所有客戶端的數(shù)據(jù)課堂模塊通過轉發(fā)器相連構成一個完整的數(shù)據(jù)課堂，通過共享屏幕模塊學生客戶端能夠共享教師客戶端的屏幕，得到授權的焦點學生端還可以操作教師端的屏幕，通過完全協(xié)同的共享白板工具，教師與授權的焦點學生可通過白板協(xié)同討論問題。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，其特征是，多媒體客戶端按其連接網(wǎng)絡的方式可分為單播客戶端和組播客戶端兩類，學生客戶端以組播方式與本地局域網(wǎng)的內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器相連，教師客戶端通過地面專線以單播方式與轉發(fā)服務中心直接相連。
5.根據(jù)權利要求1所述的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，其特征是，轉發(fā)器，分為內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器與外聯(lián)轉發(fā)器兩類，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器位于地面局域網(wǎng)服務器，而外聯(lián)轉發(fā)器位于對應衛(wèi)星小站的服務器，它們之間通過地面專線進行連接，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器負責將本地客戶端發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)在本地局域網(wǎng)組播，并將其單播發(fā)送給相應的外聯(lián)轉發(fā)器；或者單播接收外聯(lián)轉發(fā)器發(fā)送來的多媒體數(shù)據(jù)在本地局域網(wǎng)組播，各個衛(wèi)星小站與衛(wèi)星主站構成一個對衛(wèi)星用戶透明的組播網(wǎng)絡，所有位于衛(wèi)星小站與主站的外聯(lián)轉發(fā)器形成一個支持組播方式的局域網(wǎng)拓撲結構，外聯(lián)轉發(fā)器負責將單播接收到的多媒體數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡組播發(fā)送給其他外聯(lián)服務器，將組播接收到的多媒體數(shù)據(jù)通過地面專線單播發(fā)送給相應的內(nèi)聯(lián)服務器。
6.根據(jù)權利要求1所述的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，其特征是，轉發(fā)服務中心，是一個特殊的外聯(lián)轉發(fā)器，它位于衛(wèi)星主站服務器上，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中具有較大的出口帶寬，是系統(tǒng)中多媒體數(shù)據(jù)最大的集散中心，系統(tǒng)中教師客戶端發(fā)送的視音頻、屏幕及白板等多媒體數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量比較大，必須通過位于主站服務器的轉發(fā)服務中心下行組播到各個小站服務器上的外聯(lián)轉發(fā)器，轉發(fā)服務中心支持單播客戶端的連接，允許教師客戶端通過地面專線直接單播連接到轉發(fā)服務中心，轉發(fā)服務中心也能組播接收從各小站外聯(lián)服務器轉發(fā)過來的多媒體數(shù)據(jù)，并將其單播發(fā)送給相關的教師客戶端，完成實時交互。
7.根據(jù)權利要求1所述的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，其特征是，采用IP組播技術，存在兩種組播網(wǎng)絡，分別是由轉發(fā)服務中心與各小站的外聯(lián)服務器通過雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡互聯(lián)構成的衛(wèi)星組播網(wǎng)絡，由當?shù)氐膶W生端與內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器通過地面以太網(wǎng)互聯(lián)構成的地面組播網(wǎng)絡，通過組播與單播混合的傳輸方式實現(xiàn)了衛(wèi)星組播網(wǎng)絡與地面局域網(wǎng)組播網(wǎng)絡的無縫連接，據(jù)此轉發(fā)器和轉發(fā)服務中心采用兩種數(shù)據(jù)轉發(fā)方式(1)單播 組播；(2)組播 組播轉發(fā)，每個轉發(fā)器及轉發(fā)服務中心通過與課堂服務中心的交互動態(tài)創(chuàng)建多個活動的課堂，每個課堂有一個組播地址，六個組播端口和三個單播轉發(fā)端口。
8.根據(jù)權利要求1所述的雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)，其特征是，課堂管理服務中心，由一組Web Service構成，后臺有數(shù)據(jù)庫服務器支撐，它是整個系統(tǒng)的控制中心，多媒體客戶端，轉發(fā)服務中心，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器，外聯(lián)轉發(fā)器通過http請求與課堂管理服務中心進行交互，課堂管理服務中心通過http響應獲得整個系統(tǒng)當前最全面最完整地信息，課堂管理服務中心為有限的課堂資源提供管理，既可新建課堂，也可對既定課堂進行跟蹤，還可對系統(tǒng)中所有的用戶進行權限管理，此外，通過新增或修改Web Service進一步擴展課堂管理中心功能。
全文摘要
一種雙向衛(wèi)星多媒體遠程實時教學系統(tǒng)屬于計算機設計和應用技術領域，包括多媒體客戶端、轉發(fā)器、轉發(fā)服務中心、課堂管理服務中心，四部分形成視音頻課堂，數(shù)據(jù)課堂和課堂管理三大功能，多媒體客戶端分布在各個衛(wèi)星小站所在地，位于一個地方的多媒體客戶端通過地面以太網(wǎng)連接到內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器，內(nèi)聯(lián)轉發(fā)器通過地面專線與設置在本地衛(wèi)星小站機器上的外聯(lián)服務器相連，位于衛(wèi)星小站的外聯(lián)服務器以及位于衛(wèi)星主站服務器的轉發(fā)服務中心通過雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡連接，課堂服務中心位于衛(wèi)星主站服務器上，多媒體客戶端連接衛(wèi)星主站服務器上的轉發(fā)服務中心與課堂管理服務中心。本發(fā)明不受地域限制，實現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)的雙向實時交互，成本低，構建簡單靈活。
文檔編號G09B5/08GK1472713SQ0311698
公開日2004年2月4日 申請日期2003年5月16日 優(yōu)先權日2003年5月16日
發(fā)明者申瑞民, 江濟, 王加俊, 肖任重, 高毅 申請人:上海交通大學