无线通信 ― C114(通信网)

2020/12/22 17:56

移动labs 何建涛

团队介绍

中国移动智慧家庭运营中心（杭研）终端应用产品部基础平台研发团队致力于以技术创新全面驱动数字化未来，赋能家庭领域产业全面进入数字化时代，通过开展智慧家庭网络型及连接型业务的研发，结合业务实际开展技术革新，支撑重大课题研究，致力实现让家庭更智慧的美好愿景。

简介

随着5G网络商用化进程的继续推进，更大带宽、更低延迟、更广覆盖的网络服务将成为用户对5G网络最直接的应用感受。基于以上三个特性，5G网络可组合服务于多种日常使用场景，而云游戏则是其中一个潜力巨大的市场，尤其以服务于移动终端的云游戏需求增幅巨大。

据中国信通院于2019年12月发布的《云游戏产业发展白皮书》[1]中所述，智能手机的出货量已于2011年超过PC，且于2014年达到PC出货量的5倍。由此可见，移动端的用户数量已远远超过固定终端的用户数量。为了满足用户爆炸式增长的需求，基于移动端进行的应用开发也成为迫在眉睫的工作。

近年来，手机游戏作为移动端应用中的一大类，正在占据越来越重要的地位，尤其是随着智能手机的性能、移动网络的质量快速提升，促使手机游戏业务所占的比重快速增长。但是，手机游戏的总体表现仍受限于机体本身大小及其散热性能，与PC相比存在一定的差距。同时，手机游戏的运营管理方面，由于终端的移动性，存在一些不易解决的问题。如外挂程序与游戏工作室的检测问题，需要对每个终端进行更细粒度的管控，而这种在移动终端上的细粒度管控对服务器来说是比较困难的，采用云游戏的方法则可以通过集中管控实现对异常行为的快速、准确检测。

云游戏是5G网络提供给手机游戏的一个重要解决方案，主要思路是将游戏运算、渲染功能上移至云端并将渲染产生的画面以极低时延极高质量推送至终端，云游戏端对端原理图如图1所示。

图1 云游戏原理图

技术基础

实现云游戏的主要技术基础一是虚拟化的云技术；二是高带宽低延时的网络基础设施，需要大范围部署5G网络。

1、如图2所示基于虚拟化的云技术为计算能力上移提供了成本优势。相较于原有手游架构中高质量游戏对终端设备的高性能要求，云游戏架构使用通用的X86架构服务器组成计算、渲染集群，以极高的设备使用率提升投资回报比。甚至可以解决由终端散热问题引起的性能瓶颈问题、芯片及内存等供货商引起的高性能终端产量问题。

图2 虚拟化云技术

2、大范围覆盖的5G网络为云游戏的实际商用提供了可行性：

(1)eMBB场景：以1080P分辨率为例，若传输图像为24位深图片，在未压缩情况下需带宽为1920*1080*3B*30fps/s=18.66MB/s。受限于4G网络的100MB带宽，如果通过传输游戏画面的方式实现云游戏，同一线路同时最多保障5台终端的正常使用；而使用5G网络的1000MB带宽则可实现53台终端的使用，支持设备数大大增加；

图3 eMBB场景

(2)mMTC场景：智能终端设备的数量众多，而游戏业务本身对数据流连续性十分敏感。4G网络无法完全满足海量大带宽设备的快速接入，可能因设备在不通基站之间的切换导致游戏业务中断，造成用户体验下降，而5G网络可快速完成大量终端的接入，进一步减少了因接入延迟导致的用户体验下降，提升了云游戏业务商用的可行性。

图4 mMTC场景

(3)uRLLC场景：云游戏的业务场景是一种对时延极其敏感的业务场景。由于传统手机游戏架构中终端在本地进行数据计算且仅传输少量游戏数据，可将延迟维持在较低的范围内；而应用云游戏架构传输的是大量的画面数据及少量的操作指令。4G网络无法针对大流量提供可靠的低延迟、低丢失传输服务；而5G的超低时延高可靠场景应用则可实现对云游戏的服务保障，无论是通过计算中心的区域下沉部署还是快速网络切片功能都可以有效降低用户对时延的感知。

图5 uRLLC场景

云游戏的优势与问题

云游戏带来的好处主要有以下几点：

1.游戏数据计算与游戏画面渲染功能上提至云端，降低终端所需的计算能力与性能要求，降低了终端设备的成本，便于高质量游戏在中低端智能手机中的推广；

2.云端强大的计算资源、存储资源、网络资源与调度能力可大幅提升游戏性能上限，使用户得以体验更多原本无法或难以在终端上运行的大型游戏；

3.云游戏为游戏运营与管理提供了更高效的手段。借助数据中心强大的带宽与存储资源，游戏运营方可快速高效地对游戏内容及版本进行维护，而用户数据存储于云端则方便根据用户游戏行为进行更符合用户习惯的游戏活动策划；由于游戏进程都在云端环境运行，通过统一的网络管理与数据认证可对外挂程序与工作室进行有效检测。

虽然云游戏在5G环境下的移动市场具有极大的潜力，但仍然存在以下问题：

1.技术问题

(1)视频压缩与编解码性能优化。由于云游戏下行传输的不是游戏数据而是游戏画面数据，如果使用未压缩编码的画面数据进行传输将大大消耗可用带宽。因此，在进行画面传输前需要进行数据压缩编码，例如H.264或H.265编码，其中H.264编码压缩比低于H.265但压缩速度高，如何在压缩速度与压缩比之间寻找平衡，如何优化压缩编码算法性能，这些都将成为云游戏服务性能的决定因素之一。

(2)云游戏的本质是一种强调及时交互的视频传输，与传统的视频点播业务差别在于传输的画面实时性极高，与传统视频直播业务差别在于强调延时极低的交互。降低用户的时延感知除了降低网络延迟外还需要对传输的画面进行同步操作，减少画面的不连续性造成用户在主观上对画面卡顿的感知。因此，选用合适的画面数据传输与同步算法也是决定云游戏服务质量的决定因素之一。

(3)虚拟化的云端环境要求提供可高效调度的资源池，资源包括提供计算能力的CPU与GPU、提供存储能力的Memory与存储阵列、提供通信能力的虚拟化网元VNF等，其中在云游戏的解决方案中以CPU与GPU最为重要。以NVIDIA提供的GPU为例，存在直通GPU与虚拟GPU两种方案。直通GPU即以单张显卡为单位进行分配，同一时刻仅有一个实例可在一张显卡上运行；虚拟GPU则是通过将单张显卡虚拟化为预设资源的多张虚拟显卡，实现更细粒度的显卡资源调度，同时可有多个实例在同一张显卡上运行，提高了显卡资源的利用率。虚拟GPU的资源利用率高于直通GPU，在某些应用场景(办公云桌面等)具有优势。但限于技术发展时间较短，虚拟GPU的虚拟化损耗及成本高于直通GPU，在云游戏中使用的成本问题有待研究与优化。

2.内容问题

(1)云游戏若使用操作系统级别的虚拟化则类似于使用虚拟机模拟智能终端的方案，鉴于腾讯、网易等游戏内容提供商本身提供类似的虚拟化服务，该方案针对现有的手机游戏可行性较高；但若使用游戏进程的虚拟化或其他游戏平台(PC或PS、XBOX主机)，则可能牵涉到游戏运行方式、游戏操作方式的适配工作，需要游戏厂商进行适配。

(2)用户数据不再存储于本地，而是直接在云端保存。云端数据带来运维与管理便利的同时可能带来用户隐私与数据安全的问题，如何在合理使用用户数据的情况下保障用户的数据安全也是云游戏推广过程中必须考虑的问题。

总结

从以上分析来看，虽然云游戏在技术与内容上仍存在一些问题，但随着5G网络逐步普及其将是游戏发展的趋势，市场潜力巨大。作为5G网络服务提供商的中国移动，在云游戏市场发展推进方面存在天然的优势：

1.拥有大量的硬件资源，可快速地满足云游戏所需的计算资源、存储资源、网络资源等硬件条件；

2.拥有大量的软件资源，可在现有基础上便利地为用户提供接入云游戏的账户、认证、计费等软件条件；

3.拥有大量的用户基础，可快速扩大云游戏用户群体，根据用户反馈提供更符合用户需求的云游戏服务；

4.拥有大量的合作伙伴，可高效地促成游戏运行、游戏运营、游戏运维等游戏内容资源集成。

因此，深入挖掘和分析用户需求，抓紧研究和优化相关核心技术，积极开拓云游戏领域业务，是这场“云游戏抢滩登陆战”的关键所在。

参考文献

[1]中国信息通信研究院和5G云游戏产业联盟, 《云游戏产业发展白皮书》, 2019年12月.