5G云游戲的優勢及技術分析
1、簡介
隨著5G網絡商用化進程的繼續推進，更大帶寬、更低延遲、更廣覆蓋的網絡服務將成為用戶對5G網絡最直接的應用感受。基于以上三個特性，5G網絡可組合服務于多種日常使用場景，而云游戲則是其中一個潛力巨大的市場，尤其以服務于移動終端的云游戲需求增幅巨大。
據中國信通院于2019年12月發布的《云游戲產業發展白皮書》[1]中所述，智能手機的出貨量已于2011年超過PC，且于2014年達到PC出貨量的5倍。由此可見，移動端的用戶數量已遠遠超過固定終端的用戶數量。為了滿足用戶爆炸式增長的需求，基于移動端進行的應用開發也成為迫在眉睫的工作。
近年來，手機游戲作為移動端應用中的一大類，正在占據越來越重要的地位，尤其是隨著智能手機的性能、移動網絡的質量快速提升，促使手機游戲業務所占的比重快速增長。但是，手機游戲的總體表現仍受限于機體本身大小及其散熱性能，與PC相比存在一定的差距。同時，手機游戲的運營管理方面，由于終端的移動性，存在一些不易解決的問題。如外掛程序與游戲工作室的檢測問題，需要對每個終端進行更細粒度的管控，而這種在移動終端上的細粒度管控對服務器來說是比較困難的，采用云游戲的方法則可以通過集中管控實現對異常行為的快速、準確檢測。
云游戲是5G網絡提供給手機游戲的一個重要解決方案，主要思路是將游戲運算、渲染功能上移至云端并將渲染產生的畫面以極低時延極高質量推送至終端，云游戲端對端原理圖如圖1所示。
2、技術基礎
實現云游戲的主要技術基礎一是虛擬化的云技術;二是高帶寬低延時的網絡基礎設施，需要大范圍部署5G網絡。
1、如圖2所示基于虛擬化的云技術為計算能力上移提供了成本優勢。相較于原有手游架構中高質量游戲對終端設備的高性能要求，云游戲架構使用通用的X86架構服務器組成計算、渲染集群，以極高的設備使用率提升投資回報比。甚至可以解決由終端散熱問題引起的性能瓶頸問題、芯片及內存等供貨商引起的高性能終端產量問題。
2、大范圍覆蓋的5G網絡為云游戲的實際商用提供了可行性：
(1)eMBB場景：以1080P分辨率為例，若傳輸圖像為24位深圖片，在未壓縮情況下需帶寬為1920*1080*3B*30fps/s=18.66MB/s。受限于4G網絡的100MB帶寬，如果通過傳輸游戲畫面的方式實現云游戲，同一線路同時最多保障5臺終端的正常使用;而使用5G網絡的1000MB帶寬則可實現53臺終端的使用，支持設備數大大增加;
(2)mMTC場景：智能終端設備的數量眾多，而游戲業務本身對數據流連續性十分敏感。4G網絡無法完全滿足海量大帶寬設備的快速接入，可能因設備在不通基站之間的切換導致游戲業務中斷，造成用戶體驗下降，而5G網絡可快速完成大量終端的接入，進一步減少了因接入延遲導致的用戶體驗下降，提升了云游戲業務商用的可行性。
(3)uRLLC場景：云游戲的業務場景是一種對時延極其敏感的業務場景。由于傳統手機游戲架構中終端在本地進行數據計算且僅傳輸少量游戲數據，可將延遲維持在較低的范圍內;而應用云游戲架構傳輸的是大量的畫面數據及少量的操作指令。4G網絡無法針對大流量提供可靠的低延遲、低丟失傳輸服務;而5G的超低時延高可靠場景應用則可實現對云游戲的服務保障，無論是通過計算中心的區域下沉部署還是快速網絡切片功能都可以有效降低用戶對時延的感知。
3、云游戲的優勢與問題
云游戲帶來的好處主要有以下幾點：
- 游戲數據計算與游戲畫面渲染功能上提至云端，降低終端所需的計算能力與性能要求，降低了終端設備的成本，便于高質量游戲在中低端智能手機中的推廣;
- 云端強大的計算資源、存儲資源、網絡資源與調度能力可大幅提升游戲性能上限，使用戶得以體驗更多原本無法或難以在終端上運行的大型游戲;
- 云游戲為游戲運營與管理提供了更高效的手段。借助數據中心強大的帶寬與存儲資源，游戲運營方可快速高效地對游戲內容及版本進行維護，而用戶數據存儲于云端則方便根據用戶游戲行為進行更符合用戶習慣的游戲活動策劃;由于游戲進程都在云端環境運行，通過統一的網絡管理與數據認證可對外掛程序與工作室進行有效檢測。
雖然云游戲在5G環境下的移動市場具有極大的潛力，但仍然存在以下問題：
1.技術問題
(1)視頻壓縮與編解碼性能優化。由于云游戲下行傳輸的不是游戲數據而是游戲畫面數據，如果使用未壓縮編碼的畫面數據進行傳輸將大大消耗可用帶寬。因此，在進行畫面傳輸前需要進行數據壓縮編碼，例如H.264或H.265編碼，其中H.264編碼壓縮比低于H.265但壓縮速度高，如何在壓縮速度與壓縮比之間尋找平衡，如何優化壓縮編碼算法性能，這些都將成為云游戲服務性能的決定因素之一。
(2)云游戲的本質是一種強調及時交互的視頻傳輸，與傳統的視頻點播業務差別在于傳輸的畫面實時性極高，與傳統視頻直播業務差別在于強調延時極低的交互。降低用戶的時延感知除了降低網絡延遲外還需要對傳輸的畫面進行同步操作，減少畫面的不連續性造成用戶在主觀上對畫面卡頓的感知。因此，選用合適的畫面數據傳輸與同步算法也是決定云游戲服務質量的決定因素之一。
(3)虛擬化的云端環境要求提供可高效調度的資源池，資源包括提供計算能力的CPU與GPU、提供存儲能力的Memory與存儲陣列、提供通信能力的虛擬化網元VNF等，其中在云游戲的解決方案中以CPU與GPU最為重要。以NVIDIA提供的GPU為例，存在直通GPU與虛擬GPU兩種方案。直通GPU即以單張顯卡為單位進行分配，同一時刻僅有一個實例可在一張顯卡上運行;虛擬GPU則是通過將單張顯卡虛擬化為預設資源的多張虛擬顯卡，實現更細粒度的顯卡資源調度，同時可有多個實例在同一張顯卡上運行，提高了顯卡資源的利用率。虛擬GPU的資源利用率高于直通GPU，在某些應用場景(辦公云桌面等)具有優勢。但限于技術發展時間較短，虛擬GPU的虛擬化損耗及成本高于直通GPU，在云游戲中使用的成本問題有待研究與優化。
2.內容問題
(1)云游戲若使用操作系統級別的虛擬化則類似于使用虛擬機模擬智能終端的方案，鑒于騰訊、網易等游戲內容提供商本身提供類似的虛擬化服務，該方案針對現有的手機游戲可行性較高;但若使用游戲進程的虛擬化或其他游戲平臺(PC或PS、XBOX主機)，則可能牽涉到游戲運行方式、游戲操作方式的適配工作，需要游戲廠商進行適配。
(2)用戶數據不再存儲于本地，而是直接在云端保存。云端數據帶來運維與管理便利的同時可能帶來用戶隱私與數據安全的問題，如何在合理使用用戶數據的情況下保障用戶的數據安全也是云游戲推廣過程中必須考慮的問題。
4、總結
從以上分析來看，雖然云游戲在技術與內容上仍存在一些問題，但隨著5G網絡逐步普及其將是游戲發展的趨勢，市場潛力巨大。作為5G網絡服務提供商的中國移動，在云游戲市場發展推進方面存在天然的優勢：
- 擁有大量的硬件資源，可快速地滿足云游戲所需的計算資源、存儲資源、網絡資源等硬件條件;
- 擁有大量的軟件資源，可在現有基礎上便利地為用戶提供接入云游戲的賬戶、認證、計費等軟件條件;
- 擁有大量的用戶基礎，可快速擴大云游戲用戶群體，根據用戶反饋提供更符合用戶需求的云游戲服務;
- 擁有大量的合作伙伴，可高效地促成游戲運行、游戲運營、游戲運維等游戲內容資源集成。
因此，深入挖掘和分析用戶需求，抓緊研究和優化相關核心技術，積極開拓云游戲領域業務，是這場“云游戲搶灘登陸戰”的關鍵所在。
【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創稿件，轉載請聯系原作者】
