5G賦能新型業務創新研究

程 偉

清華大學計算機科學與技術系 北京 100084

聯通(廣東)產業互聯網有限公司 廣州 510320

引言

當前，以5G為代表的新一代信息通信技術創新活躍，加速與經濟社會各領域深度融合，日益成為推動經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型升級的關鍵驅動。5G的新特性、新能力與千行百業的深度融合不斷催生出諸多新業務、新模式、新業態。5G融合應用是促進經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的重要引擎。5G融合應用正處于規模化發展的關鍵期。2021年7月，工信部等十部委聯合發布《5G應用“揚帆”行動計劃(2021-2023年)》，推動5G應用融合創新發展。本文以云游戲為例，分析5G等新興技術對云游戲業務的關鍵賦能作用，以及對社會新型生產力發展的推動作用。

1 云游戲在5G中的應用

1.1 云游戲發展

云游戲是伴隨著云計算技術的不斷發展、網絡環境的持續優化和各方面技術的不斷成熟而發展起來的一種游戲新形態，目前受到了廣泛關注。云游戲是將內容的存儲、計算和渲染從玩家本地轉移到云端，云端將實時游戲畫面(視頻流)串流到終端進行顯示，最終呈現到玩家眼前，圖1是云游戲的概念架構圖。云游戲對基礎資源的計算能力、網絡帶寬、傳輸時延、網絡抖動有很高的要求。

圖1 云游戲概念架構圖

《2021年1-6月份中國游戲產業報告》顯示，2021年上半年國內移動游戲實際銷售收入占市場總收入的76.26%，客戶端游戲為19.86%，網頁游戲為2.01%。移動游戲仍占據主位，是國內游戲市場收入的主要來源。云游戲移動化是不可阻擋的趨勢，移動通訊技術賦能云游戲以及云游戲移動端便捷的移動性，玩家可以脫離有線網絡，利用碎片時間隨時隨地享受游戲服務[1-3]。

1.2 云游戲網絡需求

云游戲的效果受網絡質量的強制約，主要包括帶寬和時延抖動，云游戲體驗質量和網絡的關系可以用圖2表示。當網絡帶寬不足時，會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 云游戲體驗和網絡質量的關系

時延和抖動也是影響云游戲質量的關鍵因素，在游戲行業中時延(從發出指令到看到畫面響應)的底線是100ms。對于電競選手來說，時延的底線是30ms。云游戲對網絡質量的需求見表1，未來沉浸式游戲需要的帶寬可能要達到1～2Gb/s，總時延要求在10～20ms以內，否則玩家會有不適感，對網絡提出了更高要求。從云游戲的行業調研來看，目前云游戲的時延普遍在100ms上下，玩家還無法獲得良好的游戲體驗[1-3]。

表1 云游戲對網絡的需求

1.3 5G技術賦能

高質量網絡傳輸能力是決定云游戲移動端運行的關鍵。據實時速度統計，國內過往12個月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可以滿足手機端的舒適體驗需求，5G可以滿足全種類終端的舒適體驗需求和電腦端/手機端的理想體驗需求。時延和抖動就成為了云游戲體驗提升的最大阻礙。4G網絡和家庭寬帶網絡下，云游戲的RTT(Round-Trip Time，往返時延)一般在100ms左右，無法滿足大型游戲和極致玩家的更高要求。5G NR采用全新空口設計，空口RTT時延由4G的20ms下降到了1ms，極大地改善了網絡的RTT。

如圖3所示，網絡能力是決定云游戲體驗的關鍵能力，大帶寬、低時延響應和高網絡穩定性是5G技術為云游戲提供保障其運行的基石。

圖3 5G云游戲邏輯圖

5G終端下行理論速度可達20Gbit/s，上行可達10Gbit/s，是4G帶寬的100倍，考慮到規模化商用部署時的性能縮減，可以輕松滿足云游戲100Mbit/s的帶寬要求。

云游戲網絡的主要問題是時延和抖動，和傳統游戲相比，云游戲的流媒體傳輸對網絡時延和抖動更加敏感，玩家可以直接感受到從指令的輸入到畫面更新的時間差。隨著云計算技術和視頻編解碼技術的飛速發展，研究表明在云游戲的整體時延中，網絡傳輸時延占總時延的70%。如圖4所示，5G云游戲整體的時延T=(T1+T2+T3+T4)，其中T3時延是5G系統的傳輸時延。其中5G系統中無線傳輸時延又是5G系統傳輸時延中比較難于保障的，也最容易受環境因素的影響，產生時延和抖動。

圖4 5G云游戲中網絡傳輸時延示意圖

5G網絡中提供了網絡切片功能，可以為某一類業務提供端到端網絡切片，專網專用，有效降低5G網絡中的傳輸時延；同時5G結合邊緣計算技術可進一步縮短傳輸時延。

2 關鍵技術分析

在實踐中可以通過5G網絡切片和邊緣計算方案為云游戲提供視頻媒體處理算力，更低的傳輸時延和更低的抖動，提升云游戲的用戶體驗。

2.1 網絡切片和邊緣計算技術

2.1.1 網絡切片保障網絡服務質量

5G具有大帶寬、高速率，高可靠、低時延以及海量連接能力，網絡切片技術可以充分體現這三大特性，讓不同的切片具備不同的能力，同時建議無線側采用物理資源承載預留(PRB)切片，傳輸采用靈活以太網(FlexE)切片，進一步降低端到端時延[4]。

不同云游戲應用場景面臨的性能指標要求有所不同，用戶體驗速率、流量密度、時延、能效和連接數都可能成為不同場景的關鍵指標。可以根據這些維度進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，對帶寬、時延要求低。

2)VIP玩家：此類用戶是重度云游戲用戶，對帶寬、時延、抖動極度敏感。

針對VIP玩家，可以部署VIP切片，用于提升其極致游戲體驗；游戲廠家可以和5G運營商合作，為此類用戶提供端到端的VIP切片保障服務，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可以通過如下兩種方式實現：簽約使用VIP服務和基于熱點位置的切片位置服務，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買VIP會員。

步驟2：云游戲服務器將該玩家的訂購信息發給游戲后臺系統。

步驟3：游戲后臺系統根據訂購信息，向BOSS或UDM發起切片簽約信息變更請求。

步驟4：UDM修改普通玩家的切片簽約信息為VIP專享切片，云游戲業務會話在該切片重建，用戶的游戲操作體驗立即提升。

游戲提供商通過自有系統和運營商核心網交互，實現用戶動態遷入/遷出所購買的特定業務保障切片，無需大規模的改造工作量。

在一些特點地區(比如機場、車站等)，用戶有比較富裕的時間，需要享受高質量的游戲體驗，可提供基于用戶位置的切片服務，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區域，簽約普通切片，通過該普通切片訪問云游戲服務。

步驟3：通過UDM修改該用戶切片簽約信息為熱點區域切片(熱點區域切片，只服務TA2)。

步驟4：終端不在熱點區域內時，無法注冊到熱點切片，游戲QoS低，無法享受高質量的游戲服務。

步驟5：用戶移動到熱點區域TA2區域。

步驟6：終端注冊到熱點切片并建立會話，享受熱點切片帶來的高質量游戲體驗。

云游戲業務服務引入網絡切片，需要端網云協同才能讓端到端的切片技術發揮切片的效能。目前網絡側的切片已經基本成熟，本文初步實踐了在通用5G終端上支持切片的技術，實現了全球首個包含5G SA網絡、5G商用手機和手機端應用，面向云游戲類業務的完整商用場景的端到端切片解決方案，實現了騰訊用戶自主訂購與開通切片服務、手機端應用自動選擇接入切片的切片業務運營全流程。

但是手機終端依據路由選擇策略(URSP)技術自主選擇切片，目前在業界還沒有統一標準，難以快速商用。手機終端自主選擇切片一般有如下幾種方案：

方案1：手機應用支持切片選擇；

方案2：手機操作系統支持切片選擇；

方案3：手機Modem支持切片選擇。

其中方案1，涉及大量存量APP的改動，推進困難；方案2，依賴于操作系統的支持；方案3，依賴手機Modem芯片的支持，可以繞過APP和操作系統的限制，但是也需要協調不同的Modem廠家。建議當前使用方案3，未來可能需要依賴操作系統的支持(方案2)，可以屏蔽各類硬件的差別，對開發者更加方便和友好。未來選擇那種方案還需要業界持續探索實踐。

端到端網絡切片技術提供了更好的安全性以及網絡體驗，優化了大規模用戶同時運行的游戲體驗。在實際商用中游戲運營商可以和移動網絡運營商合作，依據用戶的需求和付費情況等，通過網絡切片為用戶提供有保障的云游戲體驗。

2.1.2 邊緣計算滿足低時延需求

通過5G邊緣計算技術，可以在靠近用戶的位置提供5G通信服務。對于時延敏感類型的業務，通過部署5G邊緣計算服務可以有效降低網絡傳輸時延，提升用戶體驗。通過將云游戲(視頻媒體流)下沉到邊緣，通過MEC平臺為提供本地分流能力和邊緣加速渲染能力，實現內容分布式部署，可以減少對回傳網壓力，大幅降低時延，提升用戶體驗。

圖8中，在MEC中部署云游戲，UPF隨MEC一起下沉，采用UL-CL分流策略將游戲業務流引導到MEC。UPF下沉到邊緣云游戲MEC部署(靠近用戶部署，比如在熱點地區)，使得運營商能夠在靠近用戶的接入點附近提供網絡服務，以便減少數據轉發時延，同時減少傳輸網絡上的負載，實現高效服務。通過MEC能力平臺和5GC的交互，動態調整游戲應用帶寬并對終端接入應用的上下行流量進行帶寬控制，為應用提供差異化服務[5-7]。

圖8 云游戲部署在5G MEC中

廣東聯通聯合騰訊云游戲、中興通訊進行兩期商用試點，驗證5G網絡切片+5G邊緣計算對云游戲用戶體驗提升明顯，實驗表明：高帶寬方面，單用戶下載速率達到535Mb/s，帶寬穩定，云游戲的畫面穩定；低時延方面，UPF+MEC本地處理轉發，端到端時延低至10ms；流暢體驗方面，客戶端與服務端畫面同步，滿足多路游戲同時并發。

2.2 uRLLC進一步降低網絡時延和抖動

實驗表明，網絡切片和邊緣計算的應用會為5G云游戲帶來更好的體驗。但在實際大規模商用中還是會遇到諸如多用戶帶寬搶占、無線資源惡化等問題，嚴重影響無線接入終端的游戲體驗，可利用uRLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)技術和5G AI技術來進一步保障5G云游戲的業務體驗。

2.2.1 uRLLC低時延高可靠保障

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

圖9 5G uRLLC業務類型時延分布圖

對時延敏感型云游戲業務，5G網絡可以采用時延關鍵可保障比特率(Delay Critical GBR)來確保低時延傳輸。建議采用專門的5G服務質量特性5QI(5G QoS Indicator)，如表2所示。針對某些重度玩家VIP客戶可以通過表中的82、83來提高在無線側的調度優先級，降低端到端時延和抖動；要求更高的可以采用85、86進一步降低時延和抖動[8-9]。

表2 時延關鍵可保障比特速率(Delay Critical GBR)

2.2.2 AI能力自優化網絡

3GPP從R15版本開始引入了一個AI網元NWDAF(網絡數據分析功能)。NWDAF從NF、AF、OAM等收集原始數據，并對原始數據進行包含訓練、推理等智能化分析，輸出分析數據給NF、AF、OAM等網元或網管用于優化決策；NWDAF通過數據采集、分析和反饋的過程，實現對網絡狀態的感知，用于網絡和業務的優化，支撐網元自動閉環優化[10-12]。

5G系統本質上還是一個盡力而為的網絡，同時無線資源也容易受到各種干擾和影響，因此在5G云游戲中可以嘗試利用NWDAF參與業務的自動閉環優化，動態改善用戶的游戲體驗，如圖10。

圖10 NWDAFD的網絡負載分析場景

在圖10中，NWDAF從RCAF(無線擁塞感知功能)收集網絡狀態和業務流量數據，從AF收集業務實際QoE體驗相關的指標，從PCF收集業務當前QoS參數。NWDAF將分析后的結果，發送給PCF，以便觸發PCF策略調整，例如：控制忙區的QoS參數調整；NWDAF將分析后的結果發生給AF，以便觸發AF調整業務的服務策略，保障云游戲業務質量。

3 總結和展望

通過為云游戲部署端到端5G網絡切換切片、熱點區域的UPF下沉+MEC邊緣計算，可以充分發揮5G網絡的優勢，既保障云游戲需要的帶寬，又保障了低時延低抖動，從而提升了云游戲的業務體驗。本文同時探討了為一些極致客戶提供5G uRLLC+網絡切片服務，并利用5G、AI賦能云游戲，從而進一步提升用戶體驗。

當前，5G已經能夠解決低時延、高可靠、低抖動的行業應用訴求，但不足在于上行帶寬的限制。在未來的2～3年內，在5G-Advanced階段，如果解決了上行帶寬問題，5G將會在工業互聯、工業制造、XR/VR等場景規模應用，并將助力元宇宙的進一步發展。