5G云游戲平臺組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)探討

□ 文 林鵬

目前，云游戲與AR/VR等新一代智能硬件結(jié)合，可能成為5G時代的第一個殺手級應(yīng)用。5G解決了困擾云游戲及AR/VR很多年的網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲問題，3D視覺、語音交互等AI功能也為游戲帶來更好的體驗。我們看到中國移動、中國聯(lián)通等電信運營商，亞馬遜、微軟、谷歌、騰訊、阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)公司，索尼、英偉達等硬件企業(yè)都在積極布局與探索云游戲的商業(yè)模式。5G必將會引爆云游戲。

一、云游戲概述

5G低延遲、大帶寬、海量連接的特性與AI技術(shù)的進一步成熟，將為消費電子應(yīng)用注入新動能。其中，我們認為云游戲（Cloud gaming）與AR/VR游戲是消費電子應(yīng)用中主要受益的兩大方向。

1.1 云游戲發(fā)展歷程

圖1 云游戲發(fā)展歷程

十年前，OnLive、Galkai兩家創(chuàng)業(yè)公司率先推出云游戲服務(wù)，試圖將玩家從終端中解放，隨時隨地暢玩游戲。近幾年，海外主機廠商索尼，芯片巨頭英偉達亦有探索?？上В芟抻诰W(wǎng)絡(luò)帶寬條件，虛擬化技術(shù)尚不成熟，云游戲未能普及。直到2019年，隨著谷歌、微軟入局，云游戲終于徹底爆發(fā)。

隨著5G商用的到來，中國云游戲產(chǎn)業(yè)開始走向臺前。達龍云電腦、格來云游戲、紅手指、海馬云等廠商是國內(nèi)云游戲的先鋒探索家。騰訊、華為，以及順網(wǎng)科技等公司大都基于已有的業(yè)務(wù)擴張至云游戲領(lǐng)域，成為一股不可忽視的力量。中國移動、中國聯(lián)通積極推出咪咕快游、沃家云游，其中咪咕快游已正式上線、市場反響不錯，未來網(wǎng)絡(luò)運營商與內(nèi)容商將加強合作以實現(xiàn)共贏。

1.2 云游戲服務(wù)原理

什么是“云游戲”：云游戲就是將高品級的游戲（現(xiàn)在的PC游戲或主機游戲）在遠程服務(wù)器上完成計算、儲存、渲染，再通過視頻流壓縮、高速網(wǎng)絡(luò)傳輸，讓玩家在任意終端（無需高端處理器和顯卡）上以流媒體的形式獲取和游戲。用一個通俗的比方，云游戲就像是玩家在使用一臺顯示器和鼠標、鍵盤連接線特別長的電腦，玩家面前的只有顯示器、鼠標和鍵盤，而顯示器、鍵盤、鼠標連接了一個遠在千里之外的計算機。

由于本地設(shè)備上不需要安裝游戲，所以各終端設(shè)備都可以運行各類游戲，不再存在游戲?qū)浻布倪m配、終端的性能要求等以往困擾游戲玩家的問題。因此，云游戲最大的優(yōu)勢在于能夠打破各種終端限制的壁壘，在手機上可以玩到電腦主機的游戲，在電腦上也可以玩到主機、手機游戲。

1.3 云游戲端到端架構(gòu)

如圖3所示，云游戲業(yè)務(wù)解決方案架構(gòu)主要由內(nèi)容、平臺、網(wǎng)絡(luò)和終端四部分組成：

√內(nèi)容側(cè)：負責向業(yè)務(wù)平臺提供特定指標要求的高質(zhì)量的游戲內(nèi)容，確保游戲內(nèi)容的快速引入和聚合。

√平臺側(cè)：游戲平臺具備關(guān)鍵能力，計算渲染、編碼、切片推流、資源動態(tài)調(diào)配，內(nèi)容適配等。

√網(wǎng)絡(luò)側(cè)：運營商網(wǎng)絡(luò)一般包括骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)、和家庭網(wǎng)絡(luò)四部分，負責為云游戲業(yè)務(wù)提供大帶寬、低時延的穩(wěn)定傳輸。其中，基于4G/5G無線承載的網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)階段云游戲業(yè)務(wù)帶來的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

√終端側(cè)：負責云游戲業(yè)務(wù)接入，內(nèi)容呈現(xiàn)以及用戶鑒權(quán)等工作。終端可以通過APP客戶端、瀏覽器、H5等播放云游戲高清視頻流。

1.4 國內(nèi)云游戲的主要實現(xiàn)方向

游戲按照原生載體可以分為三類：主機游戲、手機游戲、PC游戲。

√主機游戲：原生運行在特定游戲機上（PS、XBOX），體量大（幾十G）、畫質(zhì)高、原生支持4K，屬于高成本制作。原生使用手柄操作，對硬件GPU圖像渲染要求高，一般要求X86+GPU顯卡。

√手機游戲：原生在手機上運行和ARM適配（主要是安卓），通過觸屏操控，對硬件要求較低。

√PC游戲：原生在PC上運行和X86適配，通過鍵鼠或手柄操控，對硬件要求較高。

上述三類游戲在云游戲時代需要部署相應(yīng)云化游戲平臺：手機游戲云平臺、主機游戲云平臺以及PC游戲云平臺。所有終端（TV、PC、手機）可以實現(xiàn)跨平臺便捷體驗游戲，用戶可以通過瀏覽器、H5或者APP訪問云游戲平臺。

中國現(xiàn)有的云游戲廠商大致上分為兩個方向：其一是基于X86架構(gòu)（PC端）；其二是基于ARM架構(gòu)（移動端）。它們分別解決的是PC游戲/主機云化和移動游戲云化。

圖2 云游戲服務(wù)原理

圖3 云游戲端到端架構(gòu)

二、云游戲內(nèi)容發(fā)布

確定云游戲場景和內(nèi)容后，如何實現(xiàn)相關(guān)資源內(nèi)容的快速引入、生產(chǎn)和發(fā)布將是決定云游戲業(yè)務(wù)能否持續(xù)正常開展的核心問題。過程中涉及內(nèi)容提供方、代運營方、運營商和終端廠家等多方機構(gòu)，整體業(yè)務(wù)流程大致如圖4所示。其中，運營商提供的云游戲業(yè)務(wù)平臺和承載網(wǎng)絡(luò)處于整個環(huán)節(jié)的核心位置，向上可以整合業(yè)界優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，向下可以對接各種適配終端，拉通整個產(chǎn)業(yè)流程。

圖4 云游戲內(nèi)容發(fā)布流程

圖5 云游戲平臺架構(gòu)

三、云游戲平臺

云游戲云化平臺主要包括能力層、管理層、應(yīng)用層。各層詳述如下：

3.1 能力層：

能力層主要包括云游戲計算渲染能力實例。云游戲以游戲云化錄屏核心能力為基礎(chǔ)，經(jīng)過X86/ARM/X86+GPU實例資源池計算渲染后，通過編碼、切片、推流，輸出高清視頻流到應(yīng)用層。

游戲云平臺實例部署采用邊緣云的架構(gòu)方式，邊緣云中根據(jù)游戲類型部署的服務(wù)器種類主要分為四種：ARM手機版（SOC）架構(gòu)、ARM企業(yè)級服務(wù)器架構(gòu)、X86服務(wù)器架構(gòu)、X86+GPU服務(wù)器架構(gòu)。目前國內(nèi)云游戲主要平臺服務(wù)器架構(gòu)如下表：

3.2 管理層：

管理層主要包括用戶鑒權(quán)、計費，智能調(diào)度，統(tǒng)一游戲存檔功能。

√用戶計費鑒權(quán)

用戶通過APP或者H5訪問APP服務(wù)端，APP服務(wù)端和一級用戶中心、計費中心進行交互，用戶鑒權(quán)通過服務(wù)端將用戶請求給到智能調(diào)度平臺。

√智能調(diào)度

表1 5g主要云游戲平臺服務(wù)器架構(gòu)

其中智能調(diào)度是管理層的核心技術(shù)，主要包括時長分析、距離分析、容量分析、智能容錯等功能。智能調(diào)度模塊實時分析用戶的游戲運行環(huán)境，智能推薦最優(yōu)線路。

√統(tǒng)一游戲存檔

用戶游戲數(shù)據(jù)統(tǒng)一存檔，智能調(diào)度中心分配完具體實例后，該實例從統(tǒng)一游戲存檔下載相關(guān)用戶游戲數(shù)據(jù)。

表2 高清云游戲?qū)W(wǎng)絡(luò)的需求

3.3 應(yīng)用層：

應(yīng)用層主要包括APP客戶端、H5、PC瀏覽器、SDK等。用戶可以通過客戶端、H5、瀏覽器等方式體驗云游戲業(yè)務(wù)。

四、云游戲?qū)?G網(wǎng)絡(luò)需求

云游戲業(yè)務(wù)支持1080P、4K（3840＊2160）等分辨率畫面，同時幀率、色深、HDR、壓縮比、碼率均會影響到用戶的體驗。云游戲?qū)?G網(wǎng)絡(luò)的需求如表2所示：

目前4G網(wǎng)絡(luò)下云游戲平臺的時延普遍大于100ms，無法滿足強交互云游戲場景的需求，5G網(wǎng)絡(luò)需要提供邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片能力來滿足強交互云游戲場景端到端時延小于50ms。

4.1 5G大帶寬支持4K高清云游戲

4K高清云游戲要想順暢運行，高速的帶寬（80Mbps）、穩(wěn)定的網(wǎng)速（抖動小于1%）、低到可以忽略的延遲（端到端50ms）缺一不可，但是很明顯4G網(wǎng)絡(luò)完全不具備這一條件。而5G用戶峰值體驗速率達到1Gb/s，5G空口時延1毫秒，高速且低延遲的5G網(wǎng)絡(luò)將解決阻礙4K高清云游戲發(fā)展的瓶頸問題。

4.2 邊緣計算減少網(wǎng)絡(luò)側(cè)時延

在3GPP SA2下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究（TR23.799）、以及5G系統(tǒng)架構(gòu)（23.501）中將邊緣計算作為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要目標予以支持。其定義為：“為了降低端到端時延以及回傳帶寬實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用內(nèi)容的高效分發(fā)，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要為運營商以及第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用提供更靠近用戶的部署及運營環(huán)境”。

5G網(wǎng)絡(luò)為了支持邊緣計算可以根據(jù)終端的簽約信息、用戶位置、應(yīng)用功能（AF）提供的相關(guān)信息（業(yè)務(wù)應(yīng)用標識、網(wǎng)絡(luò)名稱、切片標識等）以及其他的策略及路由規(guī)則等為終端用戶選擇一個位置更近的UPF，并通過數(shù)據(jù)分流滿足對本地邊緣網(wǎng)絡(luò)以及業(yè)務(wù)應(yīng)用的接入和訪問。

5GSA組網(wǎng)模式下，MEC+云游戲系統(tǒng)部署如下：

MEC+云游戲場景下平臺主要系統(tǒng)功能說明如下：

√客戶端系統(tǒng)：負責游戲列表展現(xiàn)，游戲操控采集和畫面展現(xiàn)；

√智能路由系統(tǒng)：負責為用戶分配最優(yōu)游戲?qū)嵗?/p>

√實例管理系統(tǒng)：負責管理實例，包括申請，釋放；

√實例系統(tǒng)：負責游戲安裝、啟動、視頻推流；

√統(tǒng)一存檔系統(tǒng)：負責保存用戶游戲存檔數(shù)據(jù)；

√云化系統(tǒng)：負責游戲上傳、上架的可視化管理系統(tǒng)；

√游戲倉庫系統(tǒng)：負責保存游戲包體；

√APP服務(wù)端：服務(wù)用戶注冊，與一級系統(tǒng)鑒權(quán)，計費等。

其中，在MEC邊緣計算層，部署的云游戲應(yīng)用包括實例管理系統(tǒng)、實例系統(tǒng)，在中心節(jié)點部署APP服務(wù)端，云化系統(tǒng)，統(tǒng)一存檔系統(tǒng)，游戲倉庫系統(tǒng)，智能路由系統(tǒng)。

圖6 MEC+云游戲部署方案

4.3 網(wǎng)絡(luò)切片減少丟包和抖動

5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片是指將網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配，網(wǎng)絡(luò)能力按需組合，基于一個5G網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。每個端到端切片均由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。

國際電信聯(lián)盟（ITU）將5G時代的業(yè)務(wù)歸納成三種典型的類型，增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠性低時延業(yè)務(wù)（URLLC）和海量機器類通信（mMTC）。5G在eMBB、URLLC和mMTC方面提供了非常高的能力，可以滿足極致的業(yè)務(wù)體驗要求。

根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景以及資源情況，可以對無線網(wǎng)進行AAU/DU/CU功能的靈活切分和部署。通常來說，mMTC場景對時延和帶寬都無要求的，可以盡量進行集中部署，獲取集中化處理的優(yōu)勢；eMBB場景對帶寬要求都比較高，對于時延要求，差異比較大，CU集中部署的位置根據(jù)時延要求來確定；而URLLC場景對時延要求極其苛刻，一般都會采用共部署的方式，來降低傳輸時延的損耗。

對于云游戲這種高容量和低時延的實時視頻流應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)切片通過網(wǎng)絡(luò)資源的隔離和業(yè)務(wù)邏輯的隔離，避免不同業(yè)務(wù)視頻流之間在資源搶占中的相互影響，可以實現(xiàn)視頻流的高穩(wěn)定性和服務(wù)SLA的保障。同時資源也可以按需、獨立進行資源規(guī)劃和動態(tài)擴縮容，從而使資源效率得到提升。

圖7 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在云游戲業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

云游戲網(wǎng)絡(luò)切片部署流程如下：

1)游戲企業(yè)開發(fā)APP并獲得APPID；游戲企業(yè)向運營商購買切片，獲得切片標識；

2)運營商網(wǎng)絡(luò)建立MS-ISDN與切片標識對應(yīng)關(guān)系；運營商向UE下發(fā)切片標識集合；向UE下發(fā)APP ID與切片標識對應(yīng)關(guān)系；

3)終端側(cè)APP激活時，UE根據(jù)URSP綁定切片標識進行通信；

通過切片管理對終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)端到端服務(wù)質(zhì)量保障，以及和業(yè)務(wù)層等多領(lǐng)域的跨層協(xié)同。通過靈活的策略調(diào)控eMBB網(wǎng)絡(luò)切片和手機終端切片資源來保障云游戲流暢所需的網(wǎng)絡(luò)速率抖動，丟包的性能指標要求。

五、云游戲終端

云游戲終端主要包括手機、TV、游戲盒子、無線路由器等，無線手柄等。對終端的性能要求詳見下表：

表3 云游戲終端性能要求

六、總結(jié)與展望

為盡快實現(xiàn)云游戲業(yè)務(wù)規(guī)模商用的目標，現(xiàn)階段運營商可采取以下措施和方案：

√內(nèi)容生態(tài)：依托統(tǒng)一的內(nèi)容聚合平臺，打通整個云游戲產(chǎn)業(yè)鏈，向上整合優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，向下適配各類終端，梳理從內(nèi)容引入到發(fā)布的全業(yè)務(wù)流程。

√業(yè)務(wù)平臺：合理選擇實例架構(gòu)（ARM手機版架構(gòu)、ARM企業(yè)級服務(wù)器架構(gòu)、X86服務(wù)器架構(gòu)、X86+GPU服務(wù)器架構(gòu)），并通過合理選擇私有云、公有云方式實現(xiàn)云游戲業(yè)務(wù)的快速、低成本部署。

√承載網(wǎng)絡(luò)：按照基于“WIFI的家庭網(wǎng)絡(luò)/5G網(wǎng)絡(luò)+基于4K的承載網(wǎng)絡(luò)”的整體目標網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行升級和改造，滿足云游戲業(yè)務(wù)用戶的體驗需求。

√業(yè)務(wù)終端：通過搭建云游戲渲染平臺代替本地主機進行渲染，可以降低終端性能要求和用戶使用成本。

隨著5G解決云游戲技術(shù)瓶頸，云游戲必將成為5G的第一個ToC端殺手級應(yīng)用。