5G赋能新型业务创新研究

2022-03-23程伟

信息通信技术 2022年1期

程伟

清华大学计算机科学与技术系北京 100084

联通(广东)产业互联网有限公司广州 510320

引言

当前，以5G为代表的新一代信息通信技术创新活跃，加速与经济社会各领域深度融合，日益成为推动经济社会数字化、网络化、智能化转型升级的关键驱动。5G的新特性、新能力与千行百业的深度融合不断催生出诸多新业务、新模式、新业态。5G融合应用是促进经济社会数字化、网络化、智能化转型的重要引擎。5G融合应用正处于规模化发展的关键期。2021年7月，工信部等十部委联合发布《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》，推动5G应用融合创新发展。本文以云游戏为例，分析5G等新兴技术对云游戏业务的关键赋能作用，以及对社会新型生产力发展的推动作用。

1 云游戏在5G中的应用

1.1 云游戏发展

云游戏是伴随着云计算技术的不断发展、网络环境的持续优化和各方面技术的不断成熟而发展起来的一种游戏新形态，目前受到了广泛关注。云游戏是将内容的存储、计算和渲染从玩家本地转移到云端，云端将实时游戏画面(视频流)串流到终端进行显示，最终呈现到玩家眼前，图1是云游戏的概念架构图。云游戏对基础资源的计算能力、网络带宽、传输时延、网络抖动有很高的要求。

图1 云游戏概念架构图

《2021年1-6月份中国游戏产业报告》显示，2021年上半年国内移动游戏实际销售收入占市场总收入的76.26%，客户端游戏为19.86%，网页游戏为2.01%。移动游戏仍占据主位，是国内游戏市场收入的主要来源。云游戏移动化是不可阻挡的趋势，移动通讯技术赋能云游戏以及云游戏移动端便捷的移动性，玩家可以脱离有线网络，利用碎片时间随时随地享受游戏服务[1-3]。

1.2 云游戏网络需求

云游戏的效果受网络质量的强制约，主要包括带宽和时延抖动，云游戏体验质量和网络的关系可以用图2表示。当网络带宽不足时，会造成云游戏流的丢包或重传，引起画面卡顿或操作迟滞。

图2 云游戏体验和网络质量的关系

时延和抖动也是影响云游戏质量的关键因素，在游戏行业中时延(从发出指令到看到画面响应)的底线是100ms。对于电竞选手来说，时延的底线是30ms。云游戏对网络质量的需求见表1，未来沉浸式游戏需要的带宽可能要达到1～2Gb/s，总时延要求在10～20ms以内，否则玩家会有不适感，对网络提出了更高要求。从云游戏的行业调研来看，目前云游戏的时延普遍在100ms上下，玩家还无法获得良好的游戏体验[1-3]。

表1 云游戏对网络的需求

1.3 5G技术赋能

高质量网络传输能力是决定云游戏移动端运行的关键。据实时速度统计，国内过往12个月4G的平均下载速度为45M左右，5G的平均下载速度为240M左右。从云游戏的带宽需求看4G可以满足手机端的舒适体验需求，5G可以满足全种类终端的舒适体验需求和电脑端/手机端的理想体验需求。时延和抖动就成为了云游戏体验提升的最大阻碍。4G网络和家庭宽带网络下，云游戏的RTT(Round-Trip Time，往返时延)一般在100ms左右，无法满足大型游戏和极致玩家的更高要求。5G NR采用全新空口设计，空口RTT时延由4G的20ms下降到了1ms，极大地改善了网络的RTT。

如图3所示，网络能力是决定云游戏体验的关键能力，大带宽、低时延响应和高网络稳定性是5G技术为云游戏提供保障其运行的基石。

图3 5G云游戏逻辑图

5G终端下行理论速度可达20Gbit/s，上行可达10Gbit/s，是4G带宽的100倍，考虑到规模化商用部署时的性能缩减，可以轻松满足云游戏100Mbit/s的带宽要求。

云游戏网络的主要问题是时延和抖动，和传统游戏相比，云游戏的流媒体传输对网络时延和抖动更加敏感，玩家可以直接感受到从指令的输入到画面更新的时间差。随着云计算技术和视频编解码技术的飞速发展，研究表明在云游戏的整体时延中，网络传输时延占总时延的70%。如图4所示，5G云游戏整体的时延T=(T1+T2+T3+T4)，其中T3时延是5G系统的传输时延。其中5G系统中无线传输时延又是5G系统传输时延中比较难于保障的，也最容易受环境因素的影响，产生时延和抖动。

图4 5G云游戏中网络传输时延示意图

5G网络中提供了网络切片功能，可以为某一类业务提供端到端网络切片，专网专用，有效降低5G网络中的传输时延；同时5G结合边缘计算技术可进一步缩短传输时延。

2 关键技术分析

在实践中可以通过5G网络切片和边缘计算方案为云游戏提供视频媒体处理算力，更低的传输时延和更低的抖动，提升云游戏的用户体验。

2.1 网络切片和边缘计算技术

2.1.1 网络切片保障网络服务质量

5G具有大带宽、高速率，高可靠、低时延以及海量连接能力，网络切片技术可以充分体现这三大特性，让不同的切片具备不同的能力，同时建议无线侧采用物理资源承载预留(PRB)切片，传输采用灵活以太网(FlexE)切片，进一步降低端到端时延[4]。

不同云游戏应用场景面临的性能指标要求有所不同，用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的关键指标。可以根据这些维度进行切片的灵活定制策略，比如从玩家用户的角度可以做如下划分。

1)普通玩家：此类用户主要是普通的云游戏用户，对带宽、时延要求低。

2)VIP玩家：此类用户是重度云游戏用户，对带宽、时延、抖动极度敏感。

针对VIP玩家，可以部署VIP切片，用于提升其极致游戏体验；游戏厂家可以和5G运营商合作，为此类用户提供端到端的VIP切片保障服务，如图5所示。

图5 云游戏切片示意图

玩家用户享受专用的游戏切片服务可以通过如下两种方式实现：签约使用VIP服务和基于热点位置的切片位置服务，如图6中所示。主要步骤可以概括为：

图6 签约切片方案

步骤1：普通玩家在云游戏客户端购买VIP会员。

步骤2：云游戏服务器将该玩家的订购信息发给游戏后台系统。

步骤3：游戏后台系统根据订购信息，向BOSS或UDM发起切片签约信息变更请求。

步骤4：UDM修改普通玩家的切片签约信息为VIP专享切片，云游戏业务会话在该切片重建，用户的游戏操作体验立即提升。

游戏提供商通过自有系统和运营商核心网交互，实现用户动态迁入/迁出所购买的特定业务保障切片，无需大规模的改造工作量。

在一些特点地区(比如机场、车站等)，用户有比较富裕的时间，需要享受高质量的游戏体验，可提供基于用户位置的切片服务，如图7所示。主要步骤可以概括为：

图7 基于用户位置的切片保障方案

步骤1/2：用户位于TA1区域，签约普通切片，通过该普通切片访问云游戏服务。

步骤3：通过UDM修改该用户切片签约信息为热点区域切片(热点区域切片，只服务TA2)。

步骤4：终端不在热点区域内时，无法注册到热点切片，游戏QoS低，无法享受高质量的游戏服务。

步骤5：用户移动到热点区域TA2区域。

步骤6：终端注册到热点切片并建立会话，享受热点切片带来的高质量游戏体验。

云游戏业务服务引入网络切片，需要端网云协同才能让端到端的切片技术发挥切片的效能。目前网络侧的切片已经基本成熟，本文初步实践了在通用5G终端上支持切片的技术，实现了全球首个包含5G SA网络、5G商用手机和手机端应用，面向云游戏类业务的完整商用场景的端到端切片解决方案，实现了腾讯用户自主订购与开通切片服务、手机端应用自动选择接入切片的切片业务运营全流程。

但是手机终端依据路由选择策略(URSP)技术自主选择切片，目前在业界还没有统一标准，难以快速商用。手机终端自主选择切片一般有如下几种方案：

方案1：手机应用支持切片选择；

方案2：手机操作系统支持切片选择；

方案3：手机Modem支持切片选择。

其中方案1，涉及大量存量APP的改动，推进困难；方案2，依赖于操作系统的支持；方案3，依赖手机Modem芯片的支持，可以绕过APP和操作系统的限制，但是也需要协调不同的Modem厂家。建议当前使用方案3，未来可能需要依赖操作系统的支持(方案2)，可以屏蔽各类硬件的差别，对开发者更加方便和友好。未来选择那种方案还需要业界持续探索实践。

端到端网络切片技术提供了更好的安全性以及网络体验，优化了大规模用户同时运行的游戏体验。在实际商用中游戏运营商可以和移动网络运营商合作，依据用户的需求和付费情况等，通过网络切片为用户提供有保障的云游戏体验。

2.1.2 边缘计算满足低时延需求

通过5G边缘计算技术，可以在靠近用户的位置提供5G通信服务。对于时延敏感类型的业务，通过部署5G边缘计算服务可以有效降低网络传输时延，提升用户体验。通过将云游戏(视频媒体流)下沉到边缘，通过MEC平台为提供本地分流能力和边缘加速渲染能力，实现内容分布式部署，可以减少对回传网压力，大幅降低时延，提升用户体验。

图8中，在MEC中部署云游戏，UPF随MEC一起下沉，采用UL-CL分流策略将游戏业务流引导到MEC。UPF下沉到边缘云游戏MEC部署(靠近用户部署，比如在热点地区)，使得运营商能够在靠近用户的接入点附近提供网络服务，以便减少数据转发时延，同时减少传输网络上的负载，实现高效服务。通过MEC能力平台和5GC的交互，动态调整游戏应用带宽并对终端接入应用的上下行流量进行带宽控制，为应用提供差异化服务[5-7]。

图8 云游戏部署在5G MEC中

广东联通联合腾讯云游戏、中兴通讯进行两期商用试点，验证5G网络切片+5G边缘计算对云游戏用户体验提升明显，实验表明：高带宽方面，单用户下载速率达到535Mb/s，带宽稳定，云游戏的画面稳定；低时延方面，UPF+MEC本地处理转发，端到端时延低至10ms；流畅体验方面，客户端与服务端画面同步，满足多路游戏同时并发。

2.2 uRLLC进一步降低网络时延和抖动

实验表明，网络切片和边缘计算的应用会为5G云游戏带来更好的体验。但在实际大规模商用中还是会遇到诸如多用户带宽抢占、无线资源恶化等问题，严重影响无线接入终端的游戏体验，可利用uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)技术和5G AI技术来进一步保障5G云游戏的业务体验。

2.2.1 uRLLC低时延高可靠保障

5G面向行业支持uRLLC高可靠超低时延业务类型，在云游戏中可以使用其超低时延特性，同时影响云游戏体验的主要因素就是时延，两者非常契合。 5G NR(New Radio)的时延(T1)最低可以到1ms，端到端最低时延(T1+T2)可以到5ms，如图9所示。

图9 5G uRLLC业务类型时延分布图

对时延敏感型云游戏业务，5G网络可以采用时延关键可保障比特率(Delay Critical GBR)来确保低时延传输。建议采用专门的5G服务质量特性5QI(5G QoS Indicator)，如表2所示。针对某些重度玩家VIP客户可以通过表中的82、83来提高在无线侧的调度优先级，降低端到端时延和抖动；要求更高的可以采用85、86进一步降低时延和抖动[8-9]。

表2 时延关键可保障比特速率(Delay Critical GBR)

2.2.2 AI能力自优化网络

3GPP从R15版本开始引入了一个AI网元NWDAF(网络数据分析功能)。NWDAF从NF、AF、OAM等收集原始数据，并对原始数据进行包含训练、推理等智能化分析，输出分析数据给NF、AF、OAM等网元或网管用于优化决策；NWDAF通过数据采集、分析和反馈的过程，实现对网络状态的感知，用于网络和业务的优化，支撑网元自动闭环优化[10-12]。

5G系统本质上还是一个尽力而为的网络，同时无线资源也容易受到各种干扰和影响，因此在5G云游戏中可以尝试利用NWDAF参与业务的自动闭环优化，动态改善用户的游戏体验，如图10。

图10 NWDAFD的网络负载分析场景

在图10中，NWDAF从RCAF(无线拥塞感知功能)收集网络状态和业务流量数据，从AF收集业务实际QoE体验相关的指标，从PCF收集业务当前QoS参数。NWDAF将分析后的结果，发送给PCF，以便触发PCF策略调整，例如：控制忙区的QoS参数调整；NWDAF将分析后的结果发生给AF，以便触发AF调整业务的服务策略，保障云游戏业务质量。