5G時代下的云游戲技術(shù)探討

劉凱鴻，林國宇

（廣州工商學(xué)院，廣東 佛山 528131）

0 引言

當(dāng)今時代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，孕育了許多新興行業(yè)。同時，人們對于網(wǎng)絡(luò)的需要也成指數(shù)級的增長。云游戲客戶端受到網(wǎng)絡(luò)能力的限制，使得云游戲的發(fā)展邁入瓶頸?；?G新基建的快速發(fā)展，云游戲突破了制約瓶頸，終端接入速度大幅提升，有效地縮短了用戶的游玩時延，助力云游戲的發(fā)展。

1 游戲市場分析

目前，游戲成為娛樂放松的主要方式，它涵蓋社會各個年齡階層。近日，中國國際數(shù)字娛樂產(chǎn)業(yè)大會發(fā)布的《2021年1—6月中國游戲產(chǎn)業(yè)報告》顯示，在2021年的上半年，中國游戲用戶達到6.67億，同比增長1.38%；游戲市場實際銷售收入為1 505億元，同比增長7.89%。其中，移動游戲?qū)嶋H銷售收入占市場總收入的76.26%，客戶端游戲為19.86%，網(wǎng)頁游戲為2.01%。由此得出，游戲收益主要來自移動端。

2 游戲受到的制約

2.1 受限于硬件

不同種類的游戲受限于硬件設(shè)備，部分游戲在達到官方最低配置要求后，可以較低的幀率運行游戲，幀率低導(dǎo)致流暢度低，使得游戲體驗變差，讓玩家因配置因素失去對游戲的興趣。同時，由于現(xiàn)代生活節(jié)奏加快，碎片化時間增多，游戲節(jié)奏變快，游戲玩家不能隨時隨地游玩等因素制約游戲發(fā)展。

2.1.1 電腦硬件的配置

游玩大型網(wǎng)絡(luò)游戲時，前提是玩家需要一臺達到游戲推薦配置要求的電腦。實際中達到配有推薦配置的電腦價格偏高，以游戲顯卡為例，市面上配有中高端顯卡的GeForce RTX3060的單配件達近6 000元，這使組裝成本高昂。

在需要高硬件設(shè)施的大型游戲中，減少來自設(shè)備產(chǎn)生的操作、畫面上的差異，會一定程度地提高游戲平衡性。

2.1.2 便攜性

目前，游戲市場的主要收益來源于移動端，而PC終端游戲難以擁有移動端游戲的便捷效果。

2.2 受限于網(wǎng)絡(luò)

目前，大型游戲已經(jīng)通過云游戲平臺初步實現(xiàn)移動端游玩。雖然云游戲的概念已經(jīng)實體化，但此時的云游戲卻受到網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的限制，無法實現(xiàn)穩(wěn)定、快速、無延遲的視頻交互。其中，4G時代的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力難以解決云游戲的時延問題。5G成功解決了網(wǎng)絡(luò)帶寬問題。此時，云游戲真正實現(xiàn)了便攜與性能相結(jié)合。移動終端可以不再受網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南拗?，擺脫依靠連接WiFi或?qū)拵В诠潭ǖ牡胤竭M行操作，無法發(fā)揮移動特性的束縛。突破帶寬瓶頸之后，玩家可以體驗到低延遲、高畫質(zhì)渲染和無硬件配置差別的游戲環(huán)境。

3 5G下的云游戲

3.1 云游戲的設(shè)計思想

云游戲?qū)崿F(xiàn)便捷與高性能的結(jié)合。它與云的特點相似，可以借助云端的功能，在不同的環(huán)境下運行得到相同的效果。云游戲技術(shù)建立在云計算的基礎(chǔ)之上，其本質(zhì)是滿足弱算力需求的終端，可以借助視頻的方式體驗需要高算力需求的渲染內(nèi)容。在游玩時，云游戲可以借助5G的強大的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力實現(xiàn)低延遲運行游戲。

3.2 云計算

3.2.1 云計算的定義

云計算的定義為：云是由硬件資源、部署平臺和相應(yīng)的服務(wù)等方便使用的虛擬資源構(gòu)成的一個巨大資源池。根據(jù)不同的負載，用戶所需的資源可以動態(tài)地重新分配，以達到最理想的資源使用狀態(tài)。它主要是由分布式、分布式計算、效用計算、負載均衡、并行計算、網(wǎng)絡(luò)存儲、熱備份冗雜和虛擬化等計算機技術(shù)混合演進并躍升的結(jié)果。

3.2.2 云計算的服務(wù)模式

云計算的典型的服務(wù)模式分為3種SaaS(軟件即服務(wù)）、PaaS(平臺即服務(wù)）與IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）。云游戲采用云計算模式中的PaaS(平臺即服務(wù)）服務(wù)模式［1］

PaaS(平臺即服務(wù)）服務(wù)模式主要是指應(yīng)用程序開發(fā)和部署平臺以服務(wù)的方式提供給用戶，用戶可以根據(jù)提供的已有服務(wù)引擎搭建自己需要的服務(wù)類型、運行平臺［2］。

云計算核心概念是為用戶提供按需服務(wù)，實現(xiàn)用最少的支出使資源利用率最大化。

3.3 云游戲概述

云游戲概念最早由芬蘭的G-cluster公司提出，云游戲又稱游戲點播，是以云計算技術(shù)為基礎(chǔ)的在線游戲技術(shù)。云游戲技術(shù)使圖形處理與數(shù)據(jù)運算能力相對有限的輕端設(shè)備運行高品質(zhì)游戲。游戲是在云端服務(wù)器中運行的，不需要在玩家的游戲終端運行，經(jīng)由云端服務(wù)器對游戲場景渲染成為視頻音頻流，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)酵婕矣螒蚪K端。玩家游戲終端對于圖形運算與數(shù)據(jù)處理能力的要求不高。云游戲是基于信息傳輸技術(shù)以及云計算相關(guān)技術(shù)的提升而誕生的游戲細分領(lǐng)域，它對硬件要求不高，僅需擁有基本的流媒體播放能力與獲取玩家輸入指令并發(fā)送給云端服務(wù)器的能力即可［3］。

依靠云計算的PaaS服務(wù)模式，云游戲平臺已搭載完整游戲環(huán)境，應(yīng)用程序和部署平臺被平臺開發(fā)商以服務(wù)的方式提供給有需要的用戶使用，其優(yōu)勢在于開發(fā)、部署、管理和維護簡單。運維可以通過遠程監(jiān)控，對整個云游戲集群的資源進行檢測。

3.4 5G對云游戲發(fā)展的影響

云游戲最核心的部分是實現(xiàn)低延遲。延時超過60 ms時，玩家體驗會出現(xiàn)操作延遲感［4］，而超過100 ms時，操作延遲感就會非常明顯，4G網(wǎng)絡(luò)可以流暢地播放視頻，但仍不足以支持云游戲的流暢運行，而5G承載了高帶寬可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯栴}，4G與5G網(wǎng)絡(luò)下的游戲性能對比如表1所示。將用戶和邊緣節(jié)點的往返時延控制在10 ms左右，才能實現(xiàn)真正的低延遲運行。

表1 4G與5G網(wǎng)絡(luò)下游戲性能對比

以下采用阿里巴巴云游戲PaaS平臺及阿里云為引例講述。

云游戲的內(nèi)核與游戲?qū)嶓w是在云端服務(wù)器運行的，通過極低延時的實時交互視頻跨網(wǎng)絡(luò)向客戶端展示，并允許玩家在客戶端上進行操作和控制。具體而言，云端系統(tǒng)內(nèi)游戲進程在運行中渲染的畫面及音頻輸出通過采集接口，在經(jīng)過一定的預(yù)處理(如RGB到Y(jié)UV色域轉(zhuǎn)化）后送往實時音視頻編碼器。編碼輸出的壓縮視頻幀經(jīng)過相應(yīng)的分包和傳輸協(xié)議封裝后，會通過網(wǎng)絡(luò)向客戶端傳輸?？蛻舳藙t進行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接收，視頻幀組裝，解碼并輸出向顯示。

從用戶點擊到畫面反饋這一過程中，云游戲需要另外的網(wǎng)速ADSL上下行進行傳輸?shù)奶幚?，通過采集得到用戶在移動端點擊的操作事件、網(wǎng)絡(luò)實景畫面、網(wǎng)絡(luò)編碼，并考慮用戶的解碼速度和渲染開銷問題，通過解決用戶的操作延時的時間問題，使得用戶點擊屏幕到客戶端呈現(xiàn)反饋的時延降到最低，達到真正意義上的低延遲。云游戲盡可能地達到延時無感知的效果，確保用戶感知的是流暢的游戲環(huán)境。云游戲與普通的網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)相比有以下區(qū)別。

(1）采用超低延遲對音視頻實時編碼，禁用B幀，不緩存視頻幀并且直接向客戶端發(fā)送。

(2）采用UDP等非可靠的低延遲網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，采用ARQ(丟包重傳）與FEC(前向冗余）等方式應(yīng)對分組延遲的變化程度產(chǎn)生的影響。

(3）傳輸過程中進行網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)測。防止Flipping對體驗產(chǎn)生不良影響，還可以通過調(diào)整分辨率、幀率等設(shè)置，降低網(wǎng)絡(luò)延遲。

利用低延遲解決實時交互的問題后，基本奠定了云游戲與PC平臺游玩時響應(yīng)無差別的特點。

4 云游戲終端

騰訊公司出品的Start云游戲，目前暫不支持IOS系統(tǒng)下載，Start的服務(wù)策略是將云游戲服務(wù)器貼近玩家進行部署，游玩游戲時可以控制在延遲10 ms左右，碼流20～30 Mbps，畫質(zhì)會依據(jù)個人終端的網(wǎng)絡(luò)帶寬決定。在傳輸過程中，為防止Flipping對體驗產(chǎn)生影響，平臺會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況調(diào)整分辨率、碼率等設(shè)置，以達到最優(yōu)體驗。

Start的優(yōu)勢在于，一切游戲均在云端，在良好網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以接入不同的終端設(shè)備。手機、電視或輕端設(shè)備均可低延遲流暢地運行游戲。PC端Start采用英偉達專門為其定制的適用于云游戲場景的GPU，使得性能和成本上占有優(yōu)勢，更加具備競爭力。

5 結(jié)語

針對云游戲受限的情況，網(wǎng)絡(luò)傳輸是核心問題。5G擁有大帶寬的特點，解決了4G時代云游戲的時延問題，實現(xiàn)延時無感知的效果。