5G云游戲平臺組網關鍵技術探討

□ 文 林鵬

目前，云游戲與AR/VR等新一代智能硬件結合，可能成為5G時代的第一個殺手級應用。5G解決了困擾云游戲及AR/VR很多年的網絡帶寬和延遲問題，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、中國聯通等電信運營商，亞馬遜、微軟、谷歌、騰訊、阿里巴巴等互聯網公司，索尼、英偉達等硬件企業都在積極布局與探索云游戲的商業模式。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技術的進一步成熟，將為消費電子應用注入新動能。其中，我們認為云游戲（Cloud gaming）與AR/VR游戲是消費電子應用中主要受益的兩大方向。

1.1 云游戲發展歷程

圖1 云游戲發展歷程

十年前，OnLive、Galkai兩家創業公司率先推出云游戲服務，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絡帶寬條件，虛擬化技術尚不成熟，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。

隨著5G商用的到來，中國云游戲產業開始走向臺前。達龍云電腦、格來云游戲、紅手指、海馬云等廠商是國內云游戲的先鋒探索家。騰訊、華為，以及順網科技等公司大都基于已有的業務擴張至云游戲領域，成為一股不可忽視的力量。中國移動、中國聯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，未來網絡運營商與內容商將加強合作以實現共贏。

1.2 云游戲服務原理

什么是“云游戲”：云游戲就是將高品級的游戲（現在的PC游戲或主機游戲）在遠程服務器上完成計算、儲存、渲染，再通過視頻流壓縮、高速網絡傳輸，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。

由于本地設備上不需要安裝游戲，所以各終端設備都可以運行各類游戲，不再存在游戲對軟硬件的適配、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

如圖3所示，云游戲業務解決方案架構主要由內容、平臺、網絡和終端四部分組成：

√內容側：負責向業務平臺提供特定指標要求的高質量的游戲內容，確保游戲內容的快速引入和聚合。

√平臺側：游戲平臺具備關鍵能力，計算渲染、編碼、切片推流、資源動態調配，內容適配等。

√網絡側：運營商網絡一般包括骨干網、城域網、接入網、和家庭網絡四部分，負責為云游戲業務提供大帶寬、低時延的穩定傳輸。其中，基于4G/5G無線承載的網絡是現階段云游戲業務帶來的關鍵挑戰。

√終端側：負責云游戲業務接入，內容呈現以及用戶鑒權等工作。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 國內云游戲的主要實現方向

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。

中國現有的云游戲廠商大致上分為兩個方向：其一是基于X86架構（PC端）；其二是基于ARM架構（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 云游戲服務原理

圖3 云游戲端到端架構

二、云游戲內容發布

確定云游戲場景和內容后，如何實現相關資源內容的快速引入、生產和發布將是決定云游戲業務能否持續正常開展的核心問題。過程中涉及內容提供方、代運營方、運營商和終端廠家等多方機構，整體業務流程大致如圖4所示。其中，運營商提供的云游戲業務平臺和承載網絡處于整個環節的核心位置，向上可以整合業界優質內容，向下可以對接各種適配終端，拉通整個產業流程。

圖4 云游戲內容發布流程

圖5 云游戲平臺架構

三、云游戲平臺

云游戲云化平臺主要包括能力層、管理層、應用層。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，經過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用層。

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

3.2 管理層：

管理層主要包括用戶鑒權、計費，智能調度，統一游戲存檔功能。

√用戶計費鑒權

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

√智能調度

表1 5g主要云游戲平臺服務器架構

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

√統一游戲存檔

用戶游戲數據統一存檔，智能調度中心分配完具體實例后，該實例從統一游戲存檔下載相關用戶游戲數據。

表2 高清云游戲對網絡的需求

3.3 應用層：

應用層主要包括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務。

四、云游戲對5G網絡需求

云游戲業務支持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。云游戲對5G網絡的需求如表2所示：

目前4G網絡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網絡需要提供邊緣計算和網絡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）、穩定的網速（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網絡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網絡將解決阻礙4K高清云游戲發展的瓶頸問題。

4.2 邊緣計算減少網絡側時延

在3GPP SA2下一代網絡架構研究（TR23.799）、以及5G系統架構（23.501）中將邊緣計算作為5G網絡架構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業務應用內容的高效分發，5G網絡架構需要為運營商以及第三方業務應用提供更靠近用戶的部署及運營環境”。

5G網絡為了支持邊緣計算可以根據終端的簽約信息、用戶位置、應用功能（AF）提供的相關信息（業務應用標識、網絡名稱、切片標識等）以及其他的策略及路由規則等為終端用戶選擇一個位置更近的UPF，并通過數據分流滿足對本地邊緣網絡以及業務應用的接入和訪問。

5GSA組網模式下，MEC+云游戲系統部署如下：

MEC+云游戲場景下平臺主要系統功能說明如下：

√客戶端系統：負責游戲列表展現，游戲操控采集和畫面展現；

√智能路由系統：負責為用戶分配最優游戲實例；

√實例管理系統：負責管理實例，包括申請，釋放；

√實例系統：負責游戲安裝、啟動、視頻推流；

√統一存檔系統：負責保存用戶游戲存檔數據；

√云化系統：負責游戲上傳、上架的可視化管理系統；

√游戲倉庫系統：負責保存游戲包體；

√APP服務端：服務用戶注冊，與一級系統鑒權，計費等。

其中，在MEC邊緣計算層，部署的云游戲應用包括實例管理系統、實例系統，在中心節點部署APP服務端，云化系統，統一存檔系統，游戲倉庫系統，智能路由系統。

圖6 MEC+云游戲部署方案

4.3 網絡切片減少丟包和抖動

5G端到端網絡切片是指將網絡資源靈活分配，網絡能力按需組合，基于一個5G網絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。每個端到端切片均由核心網、無線網、傳輸網子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一管理。

國際電信聯盟（ITU）將5G時代的業務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務（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，可以滿足極致的業務體驗要求。

根據不同的業務場景以及資源情況，可以對無線網進行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用，5G網絡切片通過網絡資源的隔離和業務邏輯的隔離，避免不同業務視頻流之間在資源搶占中的相互影響，可以實現視頻流的高穩定性和服務SLA的保障。同時資源也可以按需、獨立進行資源規劃和動態擴縮容，從而使資源效率得到提升。

圖7 5G網絡切片技術在云游戲業務中的應用

云游戲網絡切片部署流程如下：

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

2)運營商網絡建立MS-ISDN與切片標識對應關系；運營商向UE下發切片標識集合；向UE下發APP ID與切片標識對應關系；

3)終端側APP激活時，UE根據URSP綁定切片標識進行通信；

通過切片管理對終端、接入網、核心網、承載網的端到端網絡進行統一管理，實現端到端服務質量保障，以及和業務層等多領域的跨層協同。通過靈活的策略調控eMBB網絡切片和手機終端切片資源來保障云游戲流暢所需的網絡速率抖動，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、總結與展望

為盡快實現云游戲業務規模商用的目標，現階段運營商可采取以下措施和方案：

√內容生態：依托統一的內容聚合平臺，打通整個云游戲產業鏈，向上整合優質內容，向下適配各類終端，梳理從內容引入到發布的全業務流程。

√業務平臺：合理選擇實例架構（ARM手機版架構、ARM企業級服務器架構、X86服務器架構、X86+GPU服務器架構），并通過合理選擇私有云、公有云方式實現云游戲業務的快速、低成本部署。

√承載網絡：按照基于“WIFI的家庭網絡/5G網絡+基于4K的承載網絡”的整體目標網絡架構進行升級和改造，滿足云游戲業務用戶的體驗需求。

√業務終端：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解決云游戲技術瓶頸，云游戲必將成為5G的第一個ToC端殺手級應用。