程 偉

清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 北京 100084

聯(lián)通(廣東)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司 廣州 510320

引言

當(dāng)前，以5G為代表的新一代信息通信技術(shù)創(chuàng)新活躍，加速與經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域深度融合，日益成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)。5G的新特性、新能力與千行百業(yè)的深度融合不斷催生出諸多新業(yè)務(wù)、新模式、新業(yè)態(tài)。5G融合應(yīng)用是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的重要引擎。5G融合應(yīng)用正處于規(guī)模化發(fā)展的關(guān)鍵期。2021年7月，工信部等十部委聯(lián)合發(fā)布《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年)》，推動(dòng)5G應(yīng)用融合創(chuàng)新發(fā)展。本文以云游戲?yàn)槔?，分?G等新興技術(shù)對(duì)云游戲業(yè)務(wù)的關(guān)鍵賦能作用，以及對(duì)社會(huì)新型生產(chǎn)力發(fā)展的推動(dòng)作用。

1 云游戲在5G中的應(yīng)用

1.1 云游戲發(fā)展

云游戲是伴隨著云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的持續(xù)優(yōu)化和各方面技術(shù)的不斷成熟而發(fā)展起來(lái)的一種游戲新形態(tài)，目前受到了廣泛關(guān)注。云游戲是將內(nèi)容的存儲(chǔ)、計(jì)算和渲染從玩家本地轉(zhuǎn)移到云端，云端將實(shí)時(shí)游戲畫面(視頻流)串流到終端進(jìn)行顯示，最終呈現(xiàn)到玩家眼前，圖1是云游戲的概念架構(gòu)圖。云游戲?qū)A(chǔ)資源的計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)有很高的要求。

圖1 云游戲概念架構(gòu)圖

《2021年1-6月份中國(guó)游戲產(chǎn)業(yè)報(bào)告》顯示，2021年上半年國(guó)內(nèi)移動(dòng)游戲?qū)嶋H銷售收入占市場(chǎng)總收入的76.26%，客戶端游戲?yàn)?9.86%，網(wǎng)頁(yè)游戲?yàn)?.01%。移動(dòng)游戲仍占據(jù)主位，是國(guó)內(nèi)游戲市場(chǎng)收入的主要來(lái)源。云游戲移動(dòng)化是不可阻擋的趨勢(shì)，移動(dòng)通訊技術(shù)賦能云游戲以及云游戲移動(dòng)端便捷的移動(dòng)性，玩家可以脫離有線網(wǎng)絡(luò)，利用碎片時(shí)間隨時(shí)隨地享受游戲服務(wù)[1-3]。

1.2 云游戲網(wǎng)絡(luò)需求

云游戲的效果受網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的強(qiáng)制約，主要包括帶寬和時(shí)延抖動(dòng)，云游戲體驗(yàn)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系可以用圖2表示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬不足時(shí)，會(huì)造成云游戲流的丟包或重傳，引起畫面卡頓或操作遲滯。

圖2 云游戲體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)系

時(shí)延和抖動(dòng)也是影響云游戲質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在游戲行業(yè)中時(shí)延(從發(fā)出指令到看到畫面響應(yīng))的底線是100ms。對(duì)于電競(jìng)選手來(lái)說(shuō)，時(shí)延的底線是30ms。云游戲?qū)W(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的需求見表1，未來(lái)沉浸式游戲需要的帶寬可能要達(dá)到1～2Gb/s，總時(shí)延要求在10～20ms以內(nèi)，否則玩家會(huì)有不適感，對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高要求。從云游戲的行業(yè)調(diào)研來(lái)看，目前云游戲的時(shí)延普遍在100ms上下，玩家還無(wú)法獲得良好的游戲體驗(yàn)[1-3]。

表1 云游戲?qū)W(wǎng)絡(luò)的需求

1.3 5G技術(shù)賦能

高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)傳輸能力是決定云游戲移動(dòng)端運(yùn)行的關(guān)鍵。據(jù)實(shí)時(shí)速度統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)過(guò)往12個(gè)月4G的平均下載速度為45M左右，5G的平均下載速度為240M左右。從云游戲的帶寬需求看4G可以滿足手機(jī)端的舒適體驗(yàn)需求，5G可以滿足全種類終端的舒適體驗(yàn)需求和電腦端/手機(jī)端的理想體驗(yàn)需求。時(shí)延和抖動(dòng)就成為了云游戲體驗(yàn)提升的最大阻礙。4G網(wǎng)絡(luò)和家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)下，云游戲的RTT(Round-Trip Time，往返時(shí)延)一般在100ms左右，無(wú)法滿足大型游戲和極致玩家的更高要求。5G NR采用全新空口設(shè)計(jì)，空口RTT時(shí)延由4G的20ms下降到了1ms，極大地改善了網(wǎng)絡(luò)的RTT。

如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)能力是決定云游戲體驗(yàn)的關(guān)鍵能力，大帶寬、低時(shí)延響應(yīng)和高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性是5G技術(shù)為云游戲提供保障其運(yùn)行的基石。

圖3 5G云游戲邏輯圖

5G終端下行理論速度可達(dá)20Gbit/s，上行可達(dá)10Gbit/s，是4G帶寬的100倍，考慮到規(guī)?；逃貌渴饡r(shí)的性能縮減，可以輕松滿足云游戲100Mbit/s的帶寬要求。

云游戲網(wǎng)絡(luò)的主要問(wèn)題是時(shí)延和抖動(dòng)，和傳統(tǒng)游戲相比，云游戲的流媒體傳輸對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)更加敏感，玩家可以直接感受到從指令的輸入到畫面更新的時(shí)間差。隨著云計(jì)算技術(shù)和視頻編解碼技術(shù)的飛速發(fā)展，研究表明在云游戲的整體時(shí)延中，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延占總時(shí)延的70%。如圖4所示，5G云游戲整體的時(shí)延T=(T1+T2+T3+T4)，其中T3時(shí)延是5G系統(tǒng)的傳輸時(shí)延。其中5G系統(tǒng)中無(wú)線傳輸時(shí)延又是5G系統(tǒng)傳輸時(shí)延中比較難于保障的，也最容易受環(huán)境因素的影響，產(chǎn)生時(shí)延和抖動(dòng)。

圖4 5G云游戲中網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延示意圖

5G網(wǎng)絡(luò)中提供了網(wǎng)絡(luò)切片功能，可以為某一類業(yè)務(wù)提供端到端網(wǎng)絡(luò)切片，專網(wǎng)專用，有效降低5G網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)延；同時(shí)5G結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)可進(jìn)一步縮短傳輸時(shí)延。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

在實(shí)踐中可以通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算方案為云游戲提供視頻媒體處理算力，更低的傳輸時(shí)延和更低的抖動(dòng)，提升云游戲的用戶體驗(yàn)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算技術(shù)

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)切片保障網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量

5G具有大帶寬、高速率，高可靠、低時(shí)延以及海量連接能力，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以充分體現(xiàn)這三大特性，讓不同的切片具備不同的能力，同時(shí)建議無(wú)線側(cè)采用物理資源承載預(yù)留(PRB)切片，傳輸采用靈活以太網(wǎng)(FlexE)切片，進(jìn)一步降低端到端時(shí)延[4]。

不同云游戲應(yīng)用場(chǎng)景面臨的性能指標(biāo)要求有所不同，用戶體驗(yàn)速率、流量密度、時(shí)延、能效和連接數(shù)都可能成為不同場(chǎng)景的關(guān)鍵指標(biāo)?？梢愿鶕?jù)這些維度進(jìn)行切片的靈活定制策略，比如從玩家用戶的角度可以做如下劃分。

1)普通玩家：此類用戶主要是普通的云游戲用戶，對(duì)帶寬、時(shí)延要求低。

2)VIP玩家：此類用戶是重度云游戲用戶，對(duì)帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)極度敏感。

針對(duì)VIP玩家，可以部署VIP切片，用于提升其極致游戲體驗(yàn)；游戲廠家可以和5G運(yùn)營(yíng)商合作，為此類用戶提供端到端的VIP切片保障服務(wù)，如圖5所示。

圖5 云游戲切片示意圖

玩家用戶享受專用的游戲切片服務(wù)可以通過(guò)如下兩種方式實(shí)現(xiàn)：簽約使用VIP服務(wù)和基于熱點(diǎn)位置的切片位置服務(wù)，如圖6中所示。主要步驟可以概括為：

圖6 簽約切片方案

步驟1：普通玩家在云游戲客戶端購(gòu)買VIP會(huì)員。

步驟2：云游戲服務(wù)器將該玩家的訂購(gòu)信息發(fā)給游戲后臺(tái)系統(tǒng)。

步驟3：游戲后臺(tái)系統(tǒng)根據(jù)訂購(gòu)信息，向BOSS或UDM發(fā)起切片簽約信息變更請(qǐng)求。

步驟4：UDM修改普通玩家的切片簽約信息為VIP專享切片，云游戲業(yè)務(wù)會(huì)話在該切片重建，用戶的游戲操作體驗(yàn)立即提升。

游戲提供商通過(guò)自有系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)交互，實(shí)現(xiàn)用戶動(dòng)態(tài)遷入/遷出所購(gòu)買的特定業(yè)務(wù)保障切片，無(wú)需大規(guī)模的改造工作量。

在一些特點(diǎn)地區(qū)(比如機(jī)場(chǎng)、車站等)，用戶有比較富裕的時(shí)間，需要享受高質(zhì)量的游戲體驗(yàn)，可提供基于用戶位置的切片服務(wù)，如圖7所示。主要步驟可以概括為：

圖7 基于用戶位置的切片保障方案

步驟1/2：用戶位于TA1區(qū)域，簽約普通切片，通過(guò)該普通切片訪問(wèn)云游戲服務(wù)。

步驟3：通過(guò)UDM修改該用戶切片簽約信息為熱點(diǎn)區(qū)域切片(熱點(diǎn)區(qū)域切片，只服務(wù)TA2)。

步驟4：終端不在熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)，無(wú)法注冊(cè)到熱點(diǎn)切片，游戲QoS低，無(wú)法享受高質(zhì)量的游戲服務(wù)。

步驟5：用戶移動(dòng)到熱點(diǎn)區(qū)域TA2區(qū)域。

步驟6：終端注冊(cè)到熱點(diǎn)切片并建立會(huì)話，享受熱點(diǎn)切片帶來(lái)的高質(zhì)量游戲體驗(yàn)。

云游戲業(yè)務(wù)服務(wù)引入網(wǎng)絡(luò)切片，需要端網(wǎng)云協(xié)同才能讓端到端的切片技術(shù)發(fā)揮切片的效能。目前網(wǎng)絡(luò)側(cè)的切片已經(jīng)基本成熟，本文初步實(shí)踐了在通用5G終端上支持切片的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)包含5G SA網(wǎng)絡(luò)、5G商用手機(jī)和手機(jī)端應(yīng)用，面向云游戲類業(yè)務(wù)的完整商用場(chǎng)景的端到端切片解決方案，實(shí)現(xiàn)了騰訊用戶自主訂購(gòu)與開通切片服務(wù)、手機(jī)端應(yīng)用自動(dòng)選擇接入切片的切片業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)全流程。

但是手機(jī)終端依據(jù)路由選擇策略(URSP)技術(shù)自主選擇切片，目前在業(yè)界還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，難以快速商用。手機(jī)終端自主選擇切片一般有如下幾種方案：

方案1：手機(jī)應(yīng)用支持切片選擇；

方案2：手機(jī)操作系統(tǒng)支持切片選擇；

方案3：手機(jī)Modem支持切片選擇。

其中方案1，涉及大量存量APP的改動(dòng)，推進(jìn)困難；方案2，依賴于操作系統(tǒng)的支持；方案3，依賴手機(jī)Modem芯片的支持，可以繞過(guò)APP和操作系統(tǒng)的限制，但是也需要協(xié)調(diào)不同的Modem廠家。建議當(dāng)前使用方案3，未來(lái)可能需要依賴操作系統(tǒng)的支持(方案2)，可以屏蔽各類硬件的差別，對(duì)開發(fā)者更加方便和友好。未來(lái)選擇那種方案還需要業(yè)界持續(xù)探索實(shí)踐。

端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)提供了更好的安全性以及網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，優(yōu)化了大規(guī)模用戶同時(shí)運(yùn)行的游戲體驗(yàn)。在實(shí)際商用中游戲運(yùn)營(yíng)商可以和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商合作，依據(jù)用戶的需求和付費(fèi)情況等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片為用戶提供有保障的云游戲體驗(yàn)。

2.1.2 邊緣計(jì)算滿足低時(shí)延需求

通過(guò)5G邊緣計(jì)算技術(shù)，可以在靠近用戶的位置提供5G通信服務(wù)。對(duì)于時(shí)延敏感類型的業(yè)務(wù)，通過(guò)部署5G邊緣計(jì)算服務(wù)可以有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延，提升用戶體驗(yàn)。通過(guò)將云游戲(視頻媒體流)下沉到邊緣，通過(guò)MEC平臺(tái)為提供本地分流能力和邊緣加速渲染能力，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容分布式部署，可以減少對(duì)回傳網(wǎng)壓力，大幅降低時(shí)延，提升用戶體驗(yàn)。

圖8中，在MEC中部署云游戲，UPF隨MEC一起下沉，采用UL-CL分流策略將游戲業(yè)務(wù)流引導(dǎo)到MEC。UPF下沉到邊緣云游戲MEC部署(靠近用戶部署，比如在熱點(diǎn)地區(qū))，使得運(yùn)營(yíng)商能夠在靠近用戶的接入點(diǎn)附近提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以便減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，同時(shí)減少傳輸網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高效服務(wù)。通過(guò)MEC能力平臺(tái)和5GC的交互，動(dòng)態(tài)調(diào)整游戲應(yīng)用帶寬并對(duì)終端接入應(yīng)用的上下行流量進(jìn)行帶寬控制，為應(yīng)用提供差異化服務(wù)[5-7]。

圖8 云游戲部署在5G MEC中

廣東聯(lián)通聯(lián)合騰訊云游戲、中興通訊進(jìn)行兩期商用試點(diǎn)，驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)切片+5G邊緣計(jì)算對(duì)云游戲用戶體驗(yàn)提升明顯，實(shí)驗(yàn)表明：高帶寬方面，單用戶下載速率達(dá)到535Mb/s，帶寬穩(wěn)定，云游戲的畫面穩(wěn)定；低時(shí)延方面，UPF+MEC本地處理轉(zhuǎn)發(fā)，端到端時(shí)延低至10ms；流暢體驗(yàn)方面，客戶端與服務(wù)端畫面同步，滿足多路游戲同時(shí)并發(fā)。

2.2 uRLLC進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)

實(shí)驗(yàn)表明，網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算的應(yīng)用會(huì)為5G云游戲帶來(lái)更好的體驗(yàn)。但在實(shí)際大規(guī)模商用中還是會(huì)遇到諸如多用戶帶寬搶占、無(wú)線資源惡化等問(wèn)題，嚴(yán)重影響無(wú)線接入終端的游戲體驗(yàn)，可利用uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)技術(shù)和5G AI技術(shù)來(lái)進(jìn)一步保障5G云游戲的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2.2.1 uRLLC低時(shí)延高可靠保障

5G面向行業(yè)支持uRLLC高可靠超低時(shí)延業(yè)務(wù)類型，在云游戲中可以使用其超低時(shí)延特性，同時(shí)影響云游戲體驗(yàn)的主要因素就是時(shí)延，兩者非常契合。 5G NR(New Radio)的時(shí)延(T1)最低可以到1ms，端到端最低時(shí)延(T1+T2)可以到5ms，如圖9所示。

圖9 5G uRLLC業(yè)務(wù)類型時(shí)延分布圖

對(duì)時(shí)延敏感型云游戲業(yè)務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)可以采用時(shí)延關(guān)鍵可保障比特率(Delay Critical GBR)來(lái)確保低時(shí)延傳輸。建議采用專門的5G服務(wù)質(zhì)量特性5QI(5G QoS Indicator)，如表2所示。針對(duì)某些重度玩家VIP客戶可以通過(guò)表中的82、83來(lái)提高在無(wú)線側(cè)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，降低端到端時(shí)延和抖動(dòng)；要求更高的可以采用85、86進(jìn)一步降低時(shí)延和抖動(dòng)[8-9]。

表2 時(shí)延關(guān)鍵可保障比特速率(Delay Critical GBR)

2.2.2 AI能力自優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)

3GPP從R15版本開始引入了一個(gè)AI網(wǎng)元NWDAF(網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能)。NWDAF從NF、AF、OAM等收集原始數(shù)據(jù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行包含訓(xùn)練、推理等智能化分析，輸出分析數(shù)據(jù)給NF、AF、OAM等網(wǎng)元或網(wǎng)管用于優(yōu)化決策；NWDAF通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析和反饋的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的感知，用于網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的優(yōu)化，支撐網(wǎng)元自動(dòng)閉環(huán)優(yōu)化[10-12]。

5G系統(tǒng)本質(zhì)上還是一個(gè)盡力而為的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)無(wú)線資源也容易受到各種干擾和影響，因此在5G云游戲中可以嘗試?yán)肗WDAF參與業(yè)務(wù)的自動(dòng)閉環(huán)優(yōu)化，動(dòng)態(tài)改善用戶的游戲體驗(yàn)，如圖10。

圖10 NWDAFD的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分析場(chǎng)景

在圖10中，NWDAF從RCAF(無(wú)線擁塞感知功能)收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)流量數(shù)據(jù)，從AF收集業(yè)務(wù)實(shí)際QoE體驗(yàn)相關(guān)的指標(biāo)，從PCF收集業(yè)務(wù)當(dāng)前QoS參數(shù)。NWDAF將分析后的結(jié)果，發(fā)送給PCF，以便觸發(fā)PCF策略調(diào)整，例如：控制忙區(qū)的QoS參數(shù)調(diào)整；NWDAF將分析后的結(jié)果發(fā)生給AF，以便觸發(fā)AF調(diào)整業(yè)務(wù)的服務(wù)策略，保障云游戲業(yè)務(wù)質(zhì)量。

3 總結(jié)和展望

通過(guò)為云游戲部署端到端5G網(wǎng)絡(luò)切換切片、熱點(diǎn)區(qū)域的UPF下沉+MEC邊緣計(jì)算，可以充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，既保障云游戲需要的帶寬，又保障了低時(shí)延低抖動(dòng)，從而提升了云游戲的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。本文同時(shí)探討了為一些極致客戶提供5G uRLLC+網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，并利用5G、AI賦能云游戲，從而進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。

當(dāng)前，5G已經(jīng)能夠解決低時(shí)延、高可靠、低抖動(dòng)的行業(yè)應(yīng)用訴求，但不足在于上行帶寬的限制。在未來(lái)的2～3年內(nèi)，在5G-Advanced階段，如果解決了上行帶寬問(wèn)題，5G將會(huì)在工業(yè)互聯(lián)、工業(yè)制造、XR/VR等場(chǎng)景規(guī)模應(yīng)用，并將助力元宇宙的進(jìn)一步發(fā)展。