5G云游戏平台组网关键技术探讨

□ 文 林鹏

目前，云游戏与AR/VR等新一代智能硬件结合，可能成为5G时代的第一个杀手级应用。5G解决了困扰云游戏及AR/VR很多年的网络带宽和延迟问题，3D视觉、语音交互等AI功能也为游戏带来更好的体验。我们看到中国移动、中国联通等电信运营商，亚马逊、微软、谷歌、腾讯、阿里巴巴等互联网公司，索尼、英伟达等硬件企业都在积极布局与探索云游戏的商业模式。5G必将会引爆云游戏。

一、云游戏概述

5G低延迟、大带宽、海量连接的特性与AI技术的进一步成熟，将为消费电子应用注入新动能。其中，我们认为云游戏（Cloud gaming）与AR/VR游戏是消费电子应用中主要受益的两大方向。

1.1 云游戏发展历程

图1 云游戏发展历程

十年前，OnLive、Galkai两家创业公司率先推出云游戏服务，试图将玩家从终端中解放，随时随地畅玩游戏。近几年，海外主机厂商索尼，芯片巨头英伟达亦有探索。可惜，受限于网络带宽条件，虚拟化技术尚不成熟，云游戏未能普及。直到2019年，随着谷歌、微软入局，云游戏终于彻底爆发。

随着5G商用的到来，中国云游戏产业开始走向台前。达龙云电脑、格来云游戏、红手指、海马云等厂商是国内云游戏的先锋探索家。腾讯、华为，以及顺网科技等公司大都基于已有的业务扩张至云游戏领域，成为一股不可忽视的力量。中国移动、中国联通积极推出咪咕快游、沃家云游，其中咪咕快游已正式上线、市场反响不错，未来网络运营商与内容商将加强合作以实现共赢。

1.2 云游戏服务原理

什么是“云游戏”：云游戏就是将高品级的游戏（现在的PC游戏或主机游戏）在远程服务器上完成计算、储存、渲染，再通过视频流压缩、高速网络传输，让玩家在任意终端（无需高端处理器和显卡）上以流媒体的形式获取和游戏。用一个通俗的比方，云游戏就像是玩家在使用一台显示器和鼠标、键盘连接线特别长的电脑，玩家面前的只有显示器、鼠标和键盘，而显示器、键盘、鼠标连接了一个远在千里之外的计算机。

由于本地设备上不需要安装游戏，所以各终端设备都可以运行各类游戏，不再存在游戏对软硬件的适配、终端的性能要求等以往困扰游戏玩家的问题。因此，云游戏最大的优势在于能够打破各种终端限制的壁垒，在手机上可以玩到电脑主机的游戏，在电脑上也可以玩到主机、手机游戏。

1.3 云游戏端到端架构

如图3所示，云游戏业务解决方案架构主要由内容、平台、网络和终端四部分组成：

√内容侧：负责向业务平台提供特定指标要求的高质量的游戏内容，确保游戏内容的快速引入和聚合。

√平台侧：游戏平台具备关键能力，计算渲染、编码、切片推流、资源动态调配，内容适配等。

√网络侧：运营商网络一般包括骨干网、城域网、接入网、和家庭网络四部分，负责为云游戏业务提供大带宽、低时延的稳定传输。其中，基于4G/5G无线承载的网络是现阶段云游戏业务带来的关键挑战。

√终端侧：负责云游戏业务接入，内容呈现以及用户鉴权等工作。终端可以通过APP客户端、浏览器、H5等播放云游戏高清视频流。

1.4 国内云游戏的主要实现方向

游戏按照原生载体可以分为三类：主机游戏、手机游戏、PC游戏。

√主机游戏：原生运行在特定游戏机上（PS、XBOX），体量大（几十G）、画质高、原生支持4K，属于高成本制作。原生使用手柄操作，对硬件GPU图像渲染要求高，一般要求X86+GPU显卡。

√手机游戏：原生在手机上运行和ARM适配（主要是安卓），通过触屏操控，对硬件要求较低。

√PC游戏：原生在PC上运行和X86适配，通过键鼠或手柄操控，对硬件要求较高。

上述三类游戏在云游戏时代需要部署相应云化游戏平台：手机游戏云平台、主机游戏云平台以及PC游戏云平台。所有终端（TV、PC、手机）可以实现跨平台便捷体验游戏，用户可以通过浏览器、H5或者APP访问云游戏平台。

中国现有的云游戏厂商大致上分为两个方向：其一是基于X86架构（PC端）；其二是基于ARM架构（移动端）。它们分别解决的是PC游戏/主机云化和移动游戏云化。

图2 云游戏服务原理

图3 云游戏端到端架构

二、云游戏内容发布

确定云游戏场景和内容后，如何实现相关资源内容的快速引入、生产和发布将是决定云游戏业务能否持续正常开展的核心问题。过程中涉及内容提供方、代运营方、运营商和终端厂家等多方机构，整体业务流程大致如图4所示。其中，运营商提供的云游戏业务平台和承载网络处于整个环节的核心位置，向上可以整合业界优质内容，向下可以对接各种适配终端，拉通整个产业流程。

图4 云游戏内容发布流程

图5 云游戏平台架构

三、云游戏平台

云游戏云化平台主要包括能力层、管理层、应用层。各层详述如下：

3.1 能力层：

能力层主要包括云游戏计算渲染能力实例。云游戏以游戏云化录屏核心能力为基础，经过X86/ARM/X86+GPU实例资源池计算渲染后，通过编码、切片、推流，输出高清视频流到应用层。

游戏云平台实例部署采用边缘云的架构方式，边缘云中根据游戏类型部署的服务器种类主要分为四种：ARM手机版（SOC）架构、ARM企业级服务器架构、X86服务器架构、X86+GPU服务器架构。目前国内云游戏主要平台服务器架构如下表：

3.2 管理层：

管理层主要包括用户鉴权、计费，智能调度，统一游戏存档功能。

√用户计费鉴权

用户通过APP或者H5访问APP服务端，APP服务端和一级用户中心、计费中心进行交互，用户鉴权通过服务端将用户请求给到智能调度平台。

√智能调度

表1 5g主要云游戏平台服务器架构

其中智能调度是管理层的核心技术，主要包括时长分析、距离分析、容量分析、智能容错等功能。智能调度模块实时分析用户的游戏运行环境，智能推荐最优线路。

√统一游戏存档

用户游戏数据统一存档，智能调度中心分配完具体实例后，该实例从统一游戏存档下载相关用户游戏数据。

表2 高清云游戏对网络的需求

3.3 应用层：

应用层主要包括APP客户端、H5、PC浏览器、SDK等。用户可以通过客户端、H5、浏览器等方式体验云游戏业务。

四、云游戏对5G网络需求

云游戏业务支持1080P、4K（3840＊2160）等分辨率画面，同时帧率、色深、HDR、压缩比、码率均会影响到用户的体验。云游戏对5G网络的需求如表2所示：

目前4G网络下云游戏平台的时延普遍大于100ms，无法满足强交互云游戏场景的需求，5G网络需要提供边缘计算和网络切片能力来满足强交互云游戏场景端到端时延小于50ms。

4.1 5G大带宽支持4K高清云游戏

4K高清云游戏要想顺畅运行，高速的带宽（80Mbps）、稳定的网速（抖动小于1%）、低到可以忽略的延迟（端到端50ms）缺一不可，但是很明显4G网络完全不具备这一条件。而5G用户峰值体验速率达到1Gb/s，5G空口时延1毫秒，高速且低延迟的5G网络将解决阻碍4K高清云游戏发展的瓶颈问题。

4.2 边缘计算减少网络侧时延

在3GPP SA2下一代网络架构研究（TR23.799）、以及5G系统架构（23.501）中将边缘计算作为5G网络架构的主要目标予以支持。其定义为：“为了降低端到端时延以及回传带宽实现业务应用内容的高效分发，5G网络架构需要为运营商以及第三方业务应用提供更靠近用户的部署及运营环境”。

5G网络为了支持边缘计算可以根据终端的签约信息、用户位置、应用功能（AF）提供的相关信息（业务应用标识、网络名称、切片标识等）以及其他的策略及路由规则等为终端用户选择一个位置更近的UPF，并通过数据分流满足对本地边缘网络以及业务应用的接入和访问。

5GSA组网模式下，MEC+云游戏系统部署如下：

MEC+云游戏场景下平台主要系统功能说明如下：

√客户端系统：负责游戏列表展现，游戏操控采集和画面展现；

√智能路由系统：负责为用户分配最优游戏实例；

√实例管理系统：负责管理实例，包括申请，释放；

√实例系统：负责游戏安装、启动、视频推流；

√统一存档系统：负责保存用户游戏存档数据；

√云化系统：负责游戏上传、上架的可视化管理系统；

√游戏仓库系统：负责保存游戏包体；

√APP服务端：服务用户注册，与一级系统鉴权，计费等。

其中，在MEC边缘计算层，部署的云游戏应用包括实例管理系统、实例系统，在中心节点部署APP服务端，云化系统，统一存档系统，游戏仓库系统，智能路由系统。

图6 MEC+云游戏部署方案

4.3 网络切片减少丢包和抖动

5G端到端网络切片是指将网络资源灵活分配，网络能力按需组合，基于一个5G网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。每个端到端切片均由核心网、无线网、传输网子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理。

国际电信联盟（ITU）将5G时代的业务归纳成三种典型的类型，增强型移动宽带（eMBB）、超高可靠性低时延业务（URLLC）和海量机器类通信（mMTC）。5G在eMBB、URLLC和mMTC方面提供了非常高的能力，可以满足极致的业务体验要求。

根据不同的业务场景以及资源情况，可以对无线网进行AAU/DU/CU功能的灵活切分和部署。通常来说，mMTC场景对时延和带宽都无要求的，可以尽量进行集中部署，获取集中化处理的优势；eMBB场景对带宽要求都比较高，对于时延要求，差异比较大，CU集中部署的位置根据时延要求来确定；而URLLC场景对时延要求极其苛刻，一般都会采用共部署的方式，来降低传输时延的损耗。

对于云游戏这种高容量和低时延的实时视频流应用，5G网络切片通过网络资源的隔离和业务逻辑的隔离，避免不同业务视频流之间在资源抢占中的相互影响，可以实现视频流的高稳定性和服务SLA的保障。同时资源也可以按需、独立进行资源规划和动态扩缩容，从而使资源效率得到提升。

图7 5G网络切片技术在云游戏业务中的应用

云游戏网络切片部署流程如下：

1)游戏企业开发APP并获得APPID；游戏企业向运营商购买切片，获得切片标识；

2)运营商网络建立MS-ISDN与切片标识对应关系；运营商向UE下发切片标识集合；向UE下发APP ID与切片标识对应关系；

3)终端侧APP激活时，UE根据URSP绑定切片标识进行通信；

通过切片管理对终端、接入网、核心网、承载网的端到端网络进行统一管理，实现端到端服务质量保障，以及和业务层等多领域的跨层协同。通过灵活的策略调控eMBB网络切片和手机终端切片资源来保障云游戏流畅所需的网络速率抖动，丢包的性能指标要求。

五、云游戏终端

云游戏终端主要包括手机、TV、游戏盒子、无线路由器等，无线手柄等。对终端的性能要求详见下表：

表3 云游戏终端性能要求

六、总结与展望

为尽快实现云游戏业务规模商用的目标，现阶段运营商可采取以下措施和方案：

√内容生态：依托统一的内容聚合平台，打通整个云游戏产业链，向上整合优质内容，向下适配各类终端，梳理从内容引入到发布的全业务流程。

√业务平台：合理选择实例架构（ARM手机版架构、ARM企业级服务器架构、X86服务器架构、X86+GPU服务器架构），并通过合理选择私有云、公有云方式实现云游戏业务的快速、低成本部署。

√承载网络：按照基于“WIFI的家庭网络/5G网络+基于4K的承载网络”的整体目标网络架构进行升级和改造，满足云游戏业务用户的体验需求。

√业务终端：通过搭建云游戏渲染平台代替本地主机进行渲染，可以降低终端性能要求和用户使用成本。

随着5G解决云游戏技术瓶颈，云游戏必将成为5G的第一个ToC端杀手级应用。