5G時代下的云游戲技術探討

劉凱鴻，林國宇

（廣州工商學院，廣東 佛山 528131）

0 引言

當今時代，互聯網技術日趨成熟，孕育了許多新興行業。同時，人們對于網絡的需要也成指數級的增長。云游戲客戶端受到網絡能力的限制，使得云游戲的發展邁入瓶頸?；?G新基建的快速發展，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，中國國際數字娛樂產業大會發布的《2021年1—6月中國游戲產業報告》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%。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，由于現代生活節奏加快，碎片化時間增多，游戲節奏變快，游戲玩家不能隨時隨地游玩等因素制約游戲發展。

2.1.1 電腦硬件的配置

游玩大型網絡游戲時，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。

在需要高硬件設施的大型游戲中，減少來自設備產生的操作、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 受限于網絡

目前，大型游戲已經通過云游戲平臺初步實現移動端游玩。雖然云游戲的概念已經實體化，但此時的云游戲卻受到網絡傳輸能力的限制，無法實現穩定、快速、無延遲的視頻交互。其中，4G時代的網絡傳輸能力難以解決云游戲的時延問題。5G成功解決了網絡帶寬問題。此時，云游戲真正實現了便攜與性能相結合。移動終端可以不再受網絡傳輸的限制，擺脫依靠連接WiFi或寬帶，在固定的地方進行操作，無法發揮移動特性的束縛。突破帶寬瓶頸之后，玩家可以體驗到低延遲、高畫質渲染和無硬件配置差別的游戲環境。

3 5G下的云游戲

3.1 云游戲的設計思想

云游戲實現便捷與高性能的結合。它與云的特點相似，可以借助云端的功能，在不同的環境下運行得到相同的效果。云游戲技術建立在云計算的基礎之上，其本質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容。在游玩時，云游戲可以借助5G的強大的網絡傳輸能力實現低延遲運行游戲。

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、部署平臺和相應的服務等方便使用的虛擬資源構成的一個巨大資源池。根據不同的負載，用戶所需的資源可以動態地重新分配，以達到最理想的資源使用狀態。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、網絡存儲、熱備份冗雜和虛擬化等計算機技術混合演進并躍升的結果。

3.2.2 云計算的服務模式

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

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

云計算核心概念是為用戶提供按需服務，實現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，是以云計算技術為基礎的在線游戲技術。云游戲技術使圖形處理與數據運算能力相對有限的輕端設備運行高品質游戲。游戲是在云端服務器中運行的，不需要在玩家的游戲終端運行，經由云端服務器對游戲場景渲染成為視頻音頻流，利用網絡傳輸到玩家游戲終端。玩家游戲終端對于圖形運算與數據處理能力的要求不高。云游戲是基于信息傳輸技術以及云計算相關技術的提升而誕生的游戲細分領域，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送給云端服務器的能力即可［3］。

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

3.4 5G對云游戲發展的影響

云游戲最核心的部分是實現低延遲。延時超過60 ms時，玩家體驗會出現操作延遲感［4］，而超過100 ms時，操作延遲感就會非常明顯，4G網絡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絡傳輸的問題，4G與5G網絡下的游戲性能對比如表1所示。將用戶和邊緣節點的往返時延控制在10 ms左右，才能實現真正的低延遲運行。

表1 4G與5G網絡下游戲性能對比

以下采用阿里巴巴云游戲PaaS平臺及阿里云為引例講述。

云游戲的內核與游戲實體是在云端服務器運行的，通過極低延時的實時交互視頻跨網絡向客戶端展示，并允許玩家在客戶端上進行操作和控制。具體而言，云端系統內游戲進程在運行中渲染的畫面及音頻輸出通過采集接口，在經過一定的預處理(如RGB到YUV色域轉化）后送往實時音視頻編碼器。編碼輸出的壓縮視頻幀經過相應的分包和傳輸協議封裝后，會通過網絡向客戶端傳輸?？蛻舳藙t進行相應的網絡接收，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速ADSL上下行進行傳輸的處理，通過采集得到用戶在移動端點擊的操作事件、網絡實景畫面、網絡編碼，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境。云游戲與普通的網絡視頻技術相比有以下區別。

(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送。

(2）采用UDP等非可靠的低延遲網絡傳輸協議，采用ARQ(丟包重傳）與FEC(前向冗余）等方式應對分組延遲的變化程度產生的影響。

(3）傳輸過程中進行網絡的實時監測。防止Flipping對體驗產生不良影響，還可以通過調整分辨率、幀率等設置，降低網絡延遲。

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系統下載，Start的服務策略是將云游戲服務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，畫質會依據個人終端的網絡帶寬決定。在傳輸過程中，為防止Flipping對體驗產生影響，平臺會根據網絡狀況調整分辨率、碼率等設置，以達到最優體驗。

Start的優勢在于，一切游戲均在云端，在良好網絡的情況下，可以接入不同的終端設備。手機、電視或輕端設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勢，更加具備競爭力。

5 結語

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