2020年云游戏关键技术研究报告.pdf

云游戏关键技术 研究报告 （ 2020 年） 中国信息通信研究院泰尔终端实验室 5G云游戏产业联盟 2021年 1月 云游戏关键技术 研究报告 （ 2020 年版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院和 5G 云游戏产 业联盟，并受法律保护。 转载、摘编或利用其它方式使用 本 报告文字或者观点的，应注明“ 来源：中国信息通信研 究院和 5G 云游戏产业联盟” 。违反上述声明者，编者将追 究其相关法律责任。前 言 云游戏是以云计算为基础的游戏方式，其本质为交互性的在线 视频流。云游戏概念自 2000年被首次提出，历经了初生、萌芽、预 热和全面发展几个阶段，每次阶段性飞跃的背后都是信息通信基础 技术的更迭。 5G 的商用开启了云游戏移动化的新篇章，而云游戏也 将作为 5G 落地的重要应用场景之一，将先进网络技术带来的革新性 体验传达给广大用户。 报告通过对云游戏技术发展历程的回顾、技术架构的概览、关 键技术的剖析以及保障体系的构建，全面阐释了云游戏是由云计算、 网络和流媒体等多种信息通信技术融合而成的，同时又通过其广泛 的用户群体和优质的内容资源，可以迅速形成技术落地的应用示范， 从 而反向推进产业整体发展的中心思想 。 报告还 归纳了云游戏技术 的几大发展趋势，并指出由于云游戏技术架构可复用于其他高算力、 大视频流交互场景，未来有望打破场景界限，实现技术资源复用， 创造出更多更新的需求和体验。 云游戏为社会带来的不仅仅是游戏玩家的体验升级，更是全世 界信息通信技术的一场革新。 云游戏，未来可期。目 录 一、技术发展历程 . 1 （一）以 Wi -Fi 为传输承载力的云游戏雏形初现 . 1 （二）虚拟化和编解码技术助力云游戏产品萌芽 . 1 （三）云计算技术提升推动云游戏进入预热阶段 . 2 （四）5G 弥补传输短板，云游戏进入全面发展期 . 3 （五）云游戏是信息通信技术融合更迭的领跑者 . 5 二、技术架构总览 . 7 （一）参与角色与构成要素 . 7 （二）生命周期与行为分解 . 8 （三）功能架构与部署实现 . 11 三、关键技术剖析 . 17 （一）5G 技术赋能云游戏移动端便携属性 . 17 （二）边缘计算实现网络带宽与时延的双赢 . 23 （三）虚拟化/容器技术提升资源使用效率 . 27 （四）高密度 GPU 助力云游戏实现算力飞跃 . 33 （五）流媒体技术开启用户视听体验新篇章 . 37 四、保障体系构建 . 40 （一）云游戏标准化体系 . 40 （二）用户体验评价体系 . 43 五、发展趋势展望 . 48 （一）云原生引领云游戏进入新纪元 . 48 （二）指令流与视频流的双路线融合 . 51 （三）人工智能技术让云游戏更智能 . 53 （四）信息安全将愈发受到产业重视 . 55 （五）云游戏技术将实现场景社会化 . 55图 目 录 图 1 2008-2019年的云游戏发展历程 . 5 图 2 云游戏参与角色 . 7 图 3 云游戏上架部署活动行为分解 . 9 图 4 云游戏登录活动行为分解 . 9 图 5 云游戏运行活动流程 . 11 图 6 云游戏各要素的功能架构图 . 12 图 7 按云计算层级部署的云端架构 . 14 图 8 云游戏服务平台部署架构 . 14 图 9 云游戏运营平台部署架构 . 15 图 10 云游戏全局部署架构 . 16 图 11 边缘计算实现架构示意图 . 25 图 12 系统直连、容器、虚拟机架构示意图 . 28 图 13 三种不同的云游戏技术实现架构 . 29 图 14 宿主型虚拟化架构示意图 . 31 图 15 裸机虚拟化架构示意图 . 31 图 16 进程虚拟化架构示意图 . 32 图 17 GPU 直通、GPU 透传示意图 . 35 图 18 GPU 共享、GPU 虚拟示意图 . 35 图 19 云游戏的框架及用到的流媒体技术 . 37 图 20 5G 云游戏标准体系框架图 . 41 图 21 ITU-T G.1032 对游戏 QoE 影响因素的划分 . 46 图 22 视频流云游戏实现流程 . 51 图 23 指令流云游戏实现流程 . 52表 目 录 表格 1 云游戏角色及构成要素 . 8 表格 2 云游戏边缘机房管理解决方案比对分析 . 26 表格 3 软件虚拟化技术实现方案和技术特点比对 . 30 表格 4 云游戏主要推流协议性能对比 . 38 表格 5 云游戏主流编码算法特点比对 . 38 表格 6 视频流与指令流云游戏特性比对 . 52云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 1 一、 技术发展历程 （一） 以 Wi - Fi 为传输承载力的云游戏雏形初现 云游戏本质是在线交互性流媒体。 云游戏是一种以云计算技术为 基础的在线游戏。与以往游戏不同，云游戏的运行在云端服务器中进 行，将游戏场景渲染成视频流和图片流后，利用网络传输至玩家的游 戏终端，并获取玩家输入指令，形成交互。云游戏场景下，玩家不需 要具备强大图形运算和数据处理能力的游戏终端，其设 备 只 需要具备 基本的流媒体播放功能和向云端服务器发送 指令的功能即可。云游戏 使得游戏玩家省去下 载 、 安装、升级等 操 作， 随 时 随 地在多平台通过 网络体验游戏。 云游戏初生阶段。早 在 2000年，云游戏的雏 形以视频云游戏的 形式出现在大众 视 野 中。 当 时的视频云游戏技术核 心为通过 Wi - Fi 技 术将 PC 游戏从云端传输到 终端手持设备。 然而受限于当时各方面技 术的不完善，视频云游戏这一概念并没有得到好的反馈。 （二） 虚拟化和编解码技术助力云游戏产品萌芽 云游戏萌芽阶段。 2009 年 OnLive 、 Game String 等 公司先后发布 云游戏平台， 学 术界也相继发 声 ， 正 式 敲定云游戏这 一概念。 相较于 2000 年初生阶段，这 一时期的技术更迭给云游戏技术注 入了强力的 新生力量 。容 器 概 念 的 提 出 以 及 虚拟化技术的发展融合推动了云计算 技术的发展，在云端高性能 服务器对画 面的渲染能 力大幅度提高； H.264/AVC 标准的提出进一步 提高了视频编码效率， AVS 视频编码标云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 2 准 的 制定实现了编码复 杂冗余同 编码效率的 折 中，云游戏视频编码技 术的发展使得渲染后的画 面质量 以及占 用带宽得到了进一步 的 平衡 优化； OFDM 技术、智能天线技术以及 MIMO 技术等相 关 核 心技术 的发展使得网络传输信号 质 量 以及网络传输容量得到大 幅度提升。 这 一时期对于 4G技术的探索使得网络传输能 力 得到优化，在时延 以及 用户网络波 动方面得到了 很 大的提升，视频压缩阶段的延迟控制在 平 均 15ms 内，服务端到客户端的延迟控制在 100ms 内基本可以满足用 户的游戏体验。 高画质体验与网络带宽之间的冲突，以及大规模用户与服务器高 负载需求之间的矛盾，使得这一阶段的云游戏依然未能实现质的飞跃。 随着 OnLive 等 公司的 离席，云游戏这 个 “新生儿”再一次陷 入成长 的 低迷期，同时也暴露出云游戏发展中的诸 多 痛点。首 先 是 技 术 问题， 当 时 Onlive 的技术不能 提 供超一流的游戏体验， 远远比不 上 游戏机； 其次是成本问题，由于当 时还没 有 GPU 虚拟化技术，导致每一个用 户在游戏过程中都需要一台 实体服务器为其提供支持，运 营 成本极 高， 严 重入不敷 出 ；最后是游戏版权问题， Onlive 在其云游戏业务的战 略布局时， 侧 重于已 经 较 为 普 及的主机游戏， 引 发与其他游戏平台的 恶 性 竞争， 最 后 因盗版问题失去游戏 CP 的 支持。游戏体验差 、运 营 成本高、盗版问题使得云游戏的第 一次产品 化 尝试以 失败告终。 （三） 云计算技术提升推动云游戏进入预热阶段 云游戏预热阶段。 2012到 2018年， 索尼、 英伟达、 微软等 头部 大 厂纷纷探索云游戏服务。先进的技术理 念 使得 2009 年 到 2012年 这云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 3 一时期的运营失败并未再 次 浇灭云游戏这团“星星之 火”， 此 后的几 年时间 内 工 业界以及学 术界纷纷投入资金 、时 间精力进行云游戏相 关 技术的研究与优化。2015 年，索尼收购 OnLive 以提供 技术支持， 同时推出 Playstation Now， 允许 PS4 以及 PC 用户通过串 流方式运 行 PS2-4 上 的高质量 游戏。 2017年 英伟达为 PC 和 Mac 推出了单独 的云游戏服务 GeForce Now ， 2018 年 微软正式 公布新云游戏服务 Project xCloud 。 这 一阶段的主 要技术迭代 在于视频压缩技术、云计算技术以及 GPU 服务的优化。游戏市 场的蓬勃发展、高清 视频产业的空前繁荣 以及虚拟现实和增 强现实等沉浸式视频应用的新兴 作为驱 动， 加 速了 视频编码技术的更迭与标准化， HEVC/H.265 、 FVC 等 编码标准的提 出以及相 关视频编解码技术的应用使得云游戏视频画 面传输质量 以 及 编码效率得到进一步 优化。同一时期互联 网产业的发展对云计算技 术以及相 关 虚拟化技术提出了新的需求， 随着国内 外 对于云计算标准 的 制定与 完善，云 游 戏 技 术 中 云 端 服 务 器 渲 染 及 负载能力 得 以 满足用 户需求， 编码技术的改 进以及云端能 力的增 强 使得这一时期的云游戏 技术得 以 快 速发展，用户体验良好 ，在交互时 延 以及交互质量上达 到 了传统 游戏的正常水准， 各 大 厂 商也随 之 纷纷入 局部署。 受限于 4G 环境下网络传输能力的不足以及基站部署数量的限制，这一时期的云 游戏只能在特定环境下小范围使用，无法实现产业化普及，也未能走 入大众视野。 （四） 5G 弥补传输短板，云游戏进入全面发展期云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 4 全面发展阶段。 过 去十几年间 关于云游戏技术的种种优化理 念 使 得这一 领域的热度 从未有 所 下 降 ， 然 而网络传输能 力的限制 以及相 关 体系的不完善使其一直 未 走到台前呈现于大众 ， 近 年来随着云计算技 术的成熟 ，高密度 GPU 服务器及其虚拟化技术的发展、音 视频编码 技术的成熟 、 相 关网络协议优化技术的发展，云游戏技术也随 之 激 发 到 新的高度 ，在用户体验以及负载能力方面达到 了 较 高 水准。同时 5G 技术的提出与落实弥补了云游戏技术的最 后一块空缺，网络带宽 负载以及网络传输能 力 均得到跳跃式提升，多接 入 边缘计算技术的应 用为云游戏提供 了更高的即 时性， 降低了云端到 终端的传输时延 ，网 络 切 片技术则 提 供 了更好 的 安 全性以及网络体验，优化了大规模用户 同时运行的游戏体验。 这一阶段的云游戏作为 5G 时代的“杀手级应 用”已经初现端倪，开始被大众用户所认知接触并接受。 2019 年 GDC 大会谷歌发 布 Stadia 云游戏 平台， 再 次将云游戏 推向风口。 Stadia 平台用户可以在电脑、 笔记本、 手机、 平 板 以及电 视 五 个 平台上通过网页 玩游戏，并且 可以随 时 切 换 。 支持 4K 游戏， 未来更有望支持 8K。 2020年 9 月 ， 微软公司云游戏服务 xCloud 正 式 上 线 ； 同期，亚马逊宣布 推出 Luna 云游戏服务。至此 ， 国 际 互 联 网和云服务巨 头 悉 数进入云游戏行业。 未来云游戏发展趋势将会有更 强竞争，行业格局也会逐步明朗；信息通信技术的更迭会为云游戏带 来里程碑式的技术提升，促进云游戏行业不断成熟。云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 5 来源：公开资料整理 图 1 2008-2019年的云游戏发展历程 （五） 云游戏是信息通信技术融合更迭的领跑者 云游戏的进步不是单一技术提升能够促成，而是需要多种信息技 术融合推动。 从云游戏的技术发展史 可以看 出，云游戏的技术链条从 服务端的云计算技术， 到 传输过程中的网络技术 （尤其是移动网络技 术 ） ，以及用户接收端的终端技术均 有 涉 及，涵盖 CPU/GPU 性 能 提 升、 虚拟化 /容器技术、流媒体处理 和传输、 5G 网络建设 、 边缘计算 技术实现/ 节 点布设等多种信息通信核 心技术。因此，云游戏的每一 次技术飞跃，背后都是这 些 基础核 心技术的升级迭代 。 高新视频是未来 5G 时代应用的风向标。 2020年 8月 ， 国 家广电 总 局 提出了 “5G 高新视频” （ 5G 环境下具有“ 更高技术格 式、更新应 用场景、更美 视 听 体验” 的视频） 的概念。其中，“ 高 ”是指视频融合 4K/8K、 3D、 VR/AR/MR、高 帧 率 （ HFR） 、高动 态 范 围（ HDR） 、广 色 域 （ WCG ） 等高技术格 式 ； “新 ”是指具有新奇 的 影像语言和视觉 体验的创新应用场景，能 够吸引 观 众兴趣 并 促 使 其产生消费。在 5G 众 多应用场景中，高新视频被公 认 为是 5G 时 代最重要和最早开展的 业务，愈 发 受 到 社会各 界的广泛关注 。云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 6 云游戏是 5G 高新视频领域的排头兵。5G 高新视频由云游戏、 互动视频、沉浸式视频和 VR视频构成。纵观即 时通信、影 视 娱乐、 短 视频这 些 4G时 代 的 爆款应用，其繁荣离不开迎 合用户、技术实现 和内容三 大基本要素 。在 四类高新视频场景中，互动视频、 沉浸式视 频和 VR视频的内容资源都不够丰富， 部 分 场景 （如沉浸式视频和头 显 式 VR） 还需用户单独购置 设 备 才 可 使 用，导致其用户群体覆盖率 当前均处于较低水平。而云游戏 凭借游戏产业雄厚的用户基础，保守 估 计 已 拥 有 8kw 的用户群体； 依托“ 游戏云化” 技术可快 速实现移 动端和主机端游戏的“ 一键上 云 ”， 使 其内容资源得到了 极 大程度 的 丰富。 坚 实的用户基础加上丰富的内容资源， 注定了云游戏是 5G 高 新视频业务落地的先驱 ， 践 行信息通信领域新技术的领 跑者。 云游戏与信息通信技术的发展共生。 技术的进步离不开大规模部 署 与应用，云游戏凭借规模化的用户基础和优质的内容资源，成为了 历 代 信息通信技术革新最早的 承 载 者 和 践 行 者 。 5G 和其他信息通信 技术的发展为云游戏的实现提供 了更好 的用户体验，打开了云游戏移 动化的新篇章； 而云游戏也为 5G 和高新视频产业提供 了 真 正 被用起 来、能走进 千 家 万 户的“ 抓 手”。 随着云游戏移动场景用户规模的不 断扩大，以 5G 为 代 表 的 各 类 信息通信技术也将被广泛应用。大规模 使 用和实践 将 暴露新的问题，而 市 场会驱 动产业界集 中 精 锐 力 量解决 问题，进而实现新一 轮 的技术迭代 。 如 此 周 而复始 ，云游戏与信息通 信技术将形成相 互 促 进，协 同发展的正 向 循环。云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 7 二、 技术架构总览 本章将遵循 “谁 、用 什么、 做什么和 怎么做” 的 逻辑思 路 ，通过 分 析云游戏活 动的参 与 角色、构成要 素 、生 命周期及其活 动行为， 最 终给出出云游戏的技术部署架构。 （一） 参与角色与构成要素 云游戏参与角色可 分 为游戏开发商、云游戏运营 商、方案 提 供 商、 网络提供 商、终端厂 商和云游戏玩家。其中，云游戏运 营 商又称 云游 戏 平台商 或渠道提 供 商 ； 方 案 提 供 商可根 据云计算的层 级 划分为 硬件 厂 商 和云服务提供 商。 来源：5G 云游戏产业联盟 图 2 云游戏参与角色 云游戏构成要素包括云游戏开发平台、云游戏运 营平台、云游戏 服务平台、网络资源、终端 设 备和游戏应用。 参 与 者 与构成要素 的行 为对应关系为： 游戏开发商在游戏开发平台上完成游戏内容和技术实 现的开发； 服务运营 者 以云游戏平台或渠道的形式对云游戏进行分 发、 运 营； 方 案 提 供 商以云游戏服务平台和云服务的形式提供 业务管 理 服 务和云端基础资源； 网络提供 商提供 网络资源； 终端企 业生产可以用 于云游戏的不同终端产品；而用户则使用云游戏应用产品 来玩游戏。 游戏开发商 云服务提供商 硬件厂商 云游戏运营商 云 游 戏 玩 家 终 端 厂 商 网 络 提 供 商云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 8 表格 1 云游戏角色及构成要素 角色 构成要素 云游戏用户 云游戏实例/云游戏应用 终端厂商 终端产品如手机、PC、VR/AR、大屏、手柄 等 网络运营商 网络资源如移动网络、固定网络 方案提供商 云服务提供商 云游戏服务平台（中心云、边缘云） 硬件厂商 云服务（提供基础资源如CPU、GPU和其他 硬件） 云游戏运营商 云游戏运营平台（各种云游戏平台、渠道 等） 游戏开发商 云游戏开发平台 来源：5G 云游戏产业联盟 （二）生命周期与行为分解 云游戏的整个生命周期历经游戏开发、 上 架 部署和 登陆运行。游 戏开发流程相 对 封闭， 且 各 企 业有所 不同，在此 不 做 过多探 讨 。在 此 对云游戏的上 架 部署、用 户 登录和游戏运行三 个生命周期 节 点所涉 及 的 所 有构成要素 进行行为分 解 。 云游戏上架部署活动的 主 要 参 与对象包含游戏开发者 、云游戏 平 台 （ 可以进一步 细分 为运营平台、服务 平台和云服务） 。其具体行为 可 分 解 为 ：（1 ） 游戏开发者 将基于云游戏适配的 客 户端包 体及相 关 配置信息传递 给云游戏（ 运 营 ） 平台。 （ 2） 云游戏（ 运 营 ） 平台对 游戏包 体 做 安 全 扫描等预处理 ， 使 其 满足预 定 格 式、 安 全等要求。 （ 3） 云游戏 （ 运 营 ） 平台向云游戏服务平台启动安装流程，传递 游戏包 体云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 9 部署节 点 等信息。（ 4） 云游戏服务平台将游戏包 体等部署配置到 对 应的节 点 。 （ 5） 云游戏（ 运 营 ） 平台运 营 人员测试 、 审 核 云游戏内 容。 （ 6）审核 通过后，云游戏（ 运 营 ） 平台发 布 并 上 架 该款游戏。 来源：5G 云游戏产业联盟 图 3 云游戏上架部署活动行为分解 来源：5G 云游戏产业联盟 云游戏登录活动的 主 要 参 与对象 有云游戏用户、终端和云游戏运 营平台。云游戏登录活动流程的行为可分 解 为 ：（ 1） 用户输入游戏 云游戏运 营平台 云服务 云游戏服 务平台 游戏开发 者 云游戏配置信 息及游戏包体 云游戏安装 云游戏自动 化安全扫描 云游戏部署与配置 状态返回 状态返回 测试审核 审核通过 上架 终端 云游戏运 营平台 云游戏用 户 登录信息录入 登录请求 登录结果呈现 登录响应 登录信息验证 图 4 云游戏登录活动行为分解云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 10 大 厅登录账户及相 关信息。（ 2） 终端将登录信息发送 给云游戏（ 运 营 ） 平台验 证 。 （ 3） 云游戏（ 运 营 ） 平台验 证 后 返 回给终端，用户 进入登录后的界面。 云游戏运行活动流程主 要 参 与对象包含云游戏用户、终端、云游 戏运营平台、云游戏服务 平台、云服务和云游戏实 例 ，其运行行为可 分 解 为 ：（ 1） 用户点 击 开 始某游戏。 （ 2） 终端携 带游戏、用户测 速 和地址 等信息加载请 求并发送 给云游戏（ 运 营 ） 平台。 （ 3） 云游戏 （ 运 营 ） 平台根 据用户服务等级，向云游戏服务平台请 求用户调 度 。 （ 4） 云游戏服务平台根 据服务节 点负载情况、资源配 比 等信息选择 节 点 资源，向对应的云服务发送 申请。 （ 5） 云服务加载对应的实例 和游戏。（ 6） 云游戏服务平台返 回为该 用户分配的实例 信息，并传 递 给终端。 （ 7） 终端启动建立 与云游戏实例 的 安 全 连 接 和传输通道 。 （ 8） 用户通过终端屏幕、 手 柄 等 设 备输入指令传递 给云端实例 ，实 例 通过本地音 视频流采集、 编码再传输给终端，终端实现音 视频播放。云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 11 来源：5G 云游戏产业联盟 图 5 云游戏运行活动流程 （三）功能架构与部署实现 1. 云游戏功能架构 通过对各 个要素 的 主 要行为分 析，可得 出每个行为活 动 涉 及的功 能点，从而提 炼 出云游戏各 要 素 的 功能架构。云游戏的功能架构可分 为终端、网络、云端、其他和跨层五个不同层 级。 功能架构的明确为 进一步 厘 清 云游戏的技术架构和部署实现提供 了 必 要的依 据。 云游戏运 营平台 云游戏服 务平台 云游戏用 户 云服务 终端 云游戏实 例 点击开始游戏 加载请求 用户调度 云资源申请 加载实现 选择匹配节点资源 云资源响应 调度响应 加载响应 建立云游戏实例连接 连接云游戏实例响应 游戏指令 输入游戏指令 音视频流解码 &传输 音视频流 音视频输出 音视频流串流 &传输云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 12 来源：5G 云游戏产业联盟 图 6 云游戏各要素的功能架构图 终端功能层是云游戏的表 现 层 。 包括用户输入数据的收 集 、云游 戏 画 面 显 示和声音播放等，用户终端及其支持的 设 备 包括但不仅限于 手机、 平 板 、 PC、大屏 、 机 顶盒以及鼠 标 键 盘 、游戏手 柄 等。 网络功能层是云游戏的传输层 。 该层将终端用户的操 作指令传输 到 云端，并将云端的视频流回传给终端。网络包含无线网络和有线网 络，需要高带宽低时 延 的性能 来 满足云游戏的传输体验要求。 云端功能层由基础硬件、云计算、云游戏 平台及其上 运行的云游 戏 共 同构成。基础硬件是云端功能层 的基石 。基础硬件主 要由基于 x86 服务器的虚拟机架构或 基于 ARM 服务器虚拟机架构和 GPU 以及 其他硬件共同实现。基础硬件提 供 图形处理 、运算处 理能力，并配 合 提 供 云 主机、云容器 引 擎 、 弹 性 伸 缩 等服务。云计算主 要 分 为中心云 和 边缘云， 边 云 协 同实现数据的存储、计算等 功能。云游戏 平台主要 终端 网络 云端 其他 无 线 网 络 固 定 网 络 游戏 1 游戏 2 游戏 N 云计算 中心云 边缘云 硬件 ARM/X86 G PU 其他 云游戏服务平台 接入管理 流化管理 游戏管理 云游戏运营平台 用户服务 开发者服务 内容服务 云游戏平台 渠 道 直 播 APP 浏览器 手机、 PC 、电 视 跨层功能云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 13 包含云游戏运营平台功能和云游戏服务平台。云 游 戏 服 务 平台主要提 供接入 管 理 、流化 管 理 和游戏管 理 等 功能； 云游戏运营平台主要提供 用户服务、开发者 服和内容服务等功能。 其他功能层包括了云游戏渠道和 直播功能。 跨层功能层包括了一系列 功能组件。 这 些 功能组件与其 上 方 三层 组件进行交互以提供支撑 能 力。 这 些 支 撑 能 力 包括但不限于监 控 服务、 授 权 和 安 全 策 略 、 认证和 身份管理 。 2. 云游戏部署实现 云游戏是基于云计算的交互视频流，其云端功能层 的 部署是重中 之重。 从云计算层级看 ， 可将云端部署分 为 SaaS、 PaaS 和 IaaS 的 三层 架构。SaaS 层 面向云游戏（ 运 营 ） 平台， 专 注 于 面向用户做 游戏推 广， 与游戏内容开发商合作游戏内容运营 等。PaaS 层 面向云游戏服 务 平台，以 云端串 流 、运行 实 例 和游戏管 理 、 智能调 度 、 组员管理 为 核 心 功能， 承 载 了云游戏算力带宽 成本和游玩体验的诉 求。 IaaS 层 面 向 基础设 施 云服务， 主 要用于 提 供 基础计算、 存储、 网络资源， 包括 中心云和边缘云。云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 14 来源：5G 云游戏产业联盟 图 7 按云计算层级部署的云端架构 从云游戏要素看 ， 可将云端部署分 为云游戏服务平台和运营平台 两 方面来部署。 来源：5G 云游戏产业联盟 图 8 云游戏服务平台部署架构 云游戏服务平台部署架构主 要 包含三个 部 分 。一是终端 APP 上 的 SDK ； 二 是 部署在 边缘云和中心云的业务面功能， 负 责 用户接 入 管 理 （含鉴权 管 理 、多 协议传输、 控制通 道 、网 络 监 控 、 安 全 防护等 ） 、 流化管 理 （ 音 视频采集、 音 视频编码、视 频 转 码 和 智能码率控制等 ） ； 三 是 部署在中心云的管 理 面，负 责 游戏管 理 （ 实 例管理 、 镜像管理 、 部署与 配置、资源计 量 、 费 用与账 单 、游戏 状态管理 、游戏 调 度 、用云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 15 户体验管 理 等 ） 。 来源：5G 云游戏产业联盟 图 9 云游戏运营平台部署架构 云游戏运营平台部署架构由用户服务、开发者 服务、游戏内容管 理 构成。用户服务是面向终端用户的相 关服务。主 要 包含账号 管 理 、 认证与 鉴 权 、用户 调 度 、 订 购 计 费 、用户社 区 、 防 沉迷等。开发者 服 务是面向游戏内容开发者 的 相 关服务。 主 要 包含开发者签约、云游戏 开发与测 试 、 联 合运营 、运 营 报 表 、 财 务 结 算等。游戏内容管 理主要 包含游戏上 下架、搜 索 与推荐 。 云游戏的全局部署架构应基于成本、用户体验和可靠性 等 多方面 进行综 合 考虑。 一是对游戏时延 、用户体验要求高的云游戏服务 平台 算力下沉边端 靠 近 用户侧 ， 缩 短 时 延 ，提升用户体验 ； 中心云部署用 于时延 不 敏感的云游戏或者边缘云资源 池 储 备备选 。 二 是云游戏服务 平台管 理 面以及云游戏( 运 营 )平台应以中心云部署为 主 ，实现全 局 资 源信息统 一 管 理 和高可用性。 三 是应能 实现边边协同， 边 云 协 同， 能 够 满足弹 性资源调 度 和高可靠 性需求。云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 16 来源：5G 云游戏产业联盟 图 10 云游戏全局部署架构云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 17 三、 关键技术剖析 （一） 5G 技术赋能云游戏移动端便携属性 第五代移动通信（5G ）技术代表了现今网络发展的主要方向。 5G 将驱动社会从人与人之间的宽带互联逐步扩展到万物互联，从而 更加深刻地影响未来人类社会的生活和工作方式。增强移动宽带 （ eMBB ）、超 高 可 靠 低 时 延 通 信（ uRLLC）和 海 量 机 器 类 通 信（ mMTC） 是 5G 典型的三大应用场景。增强移动宽带的典型应用包括超高清视 频、虚拟现实、增强现实等。超高可靠低时延通信的典型应用包括工 业控制、无人机控制、智能驾驶控制等。海量机器类通信的典型应用 包括智能家居、智能健康等。 1.5G 技术赋能云游戏 5G 赋能移动通信技术填补云游戏移动场景短板。 4G 使得随时随 地看视频成为可能，并让以移动互联网为平台，手机为载体的手游火 遍大江南北。可见，玩家对游戏的需求除了游戏内容、画质、交互等 因素之外，对其移动性的要求也很高。手游的走红完美地证明了，移 动场景为游戏带来了随时可玩的便利，填补了用户在工作生活中各种 等待场景下的缝隙时间，既能使内容简易传送也能为玩家所接受。云 游戏可在瘦客户端上支持 3A大作的畅玩，如若其能同时兼备手游的 移动便利性，则云游戏将更加契合玩家的需求。 5G 之前的网络由于 传输能力的限制，无法支持云游戏的移动场景，导致云游戏因可移动 性和便携体验较差，而无法为广大玩家所熟识。云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 18 5G 提供的高质量网络传输能力是决定云游戏移动端运行的关键。 大带宽（码率） 、低时延响应和高网络稳定性是 5G 技术为云游戏提 供的保证其运行的基石。 （ 1）云游戏高带宽需求 云游戏的多媒体流较传统网络游戏而言，需要消耗更多带宽。 游 戏场景渲染的多媒体流质量取 决于网络通信带宽，画质越 高的多媒体 流，消耗的带宽资源也会越 高。高清云游戏 (1080P 30fps) 在 H264编 码 条件下，码率可达 8000Kbps 左右， 网络带宽需达 到 10Mbps 才 能 稳定流畅运行。随着 应用终 端扩展到大屏电视、 VR等 设 备，对 分辨 率和帧 率的要求逐步提高(4K/8K ， 60fps/120fps) ， 码率也随之提高。 初 步 估算， 4K 60fps 的超高清云游戏码率(H264 编 码 )大 概 在 60Mbps 到 70Mbps， 考虑网络抖 动因素后 ，需 至少 80Mbps 网络带宽才 能保 持稳定流畅运行。 4G 网络环境下的带宽值远远不能满足云游戏对网络带宽的需求， 网络传输能力成为云游戏过去十年间发展的最大阻碍。 从 理论值上看， 大 规模商用的 TDD -LTE 和 FDD -LTE 的 4G 服务理论下行带宽是 100150Mbit/s ； 在实际 运 营 中， 单 基 站 提供的 4G 专 用下行带宽会缩 水至 80Mbit/s 左右，而这 80Mbit/s 并 不 是由一个终端用户独享的， 是由接入 基 站 的 终 端 共享， 这就导致用户实际 体验到的下行带宽往往 在 1030Mbit/s 。 根据网络信号监测公司 Open Signal 对 全球 77个国 家 调查的 数据可 知 ， 截至 2018年 2月 ， 全球 4G 平 均 网 速 为 16.9Mbit/s ； 根据宽带发展联盟 发 布 的 中 国 宽带速 率 状况报告 可 知 ， 我国 2018云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 19 第 四季度移动宽带用户使用 4G 网络访问互联网的平均 下载速 率为 22.05Mbit/s 。 相较于 4G， 5G 提供了充足的带宽空间，为云游戏的运行提提供 了保障。 国际电信联盟 （ ITU）发 布 的关于 5G 网络的技术规范显示， 5G 用户端下行速理论值可 达 20Gbit/s ，上行 速 可 达 10Gbit/s ，为 目 前 商 用 4G 带宽的 100 倍；即使 考虑到大规模商业 化 时的性能缩减和带 宽 共享，也能满足 3550Mbit/s 的云游戏要求。目 前，华 为在实地测 试 中 已 实现的 5G 网 速记录为 3.67Gbit/s ，随着 技术的不断成熟，实 际 可用的网速 将 进一步提升 ，云 游 戏 对 网 速 的需求在移动端将有望得 到 满足。高 速 率 不仅可以轻松实现 4K超高清游戏画面 传输，也能将 游戏延迟 从 4G 时代的 4050 毫秒降低 至 1020 毫秒，从而带来更流 畅的交互体验。 （ 2）云游戏低延迟 需求 首先，传 统意义上的交互延迟只是多人在线 游戏系统的 一个问题， 单 人游戏通常不考虑交互延迟 的 问题，而 云 游 戏 则 彻底改变了 这一点。 现在所有 游戏都 可以远程渲染，并流回 到玩家的瘦客户端。因此 ， 即 使对于单 人游戏， 我们也 必须考虑交互延迟 的 问题。其 次 ，传 统 的在 线 游戏系统通 常 会在操 作 者 到 达 游戏服务器之前就 在其本 地 系统上 呈 现 操 作，从而隐藏交互延迟 所带来的影响。 例 如，玩家在操 控游戏 中的角色移动时， 本 地游戏可以立即在 本 地渲染并执 行， 即 使游戏服 务 器在几毫秒内 都没有进行 位置更 新 ，也 丝毫不影响用户的操 控体验。 而云游戏的渲染过程全部在云平台中实现，客户端无法通过本地 操 作云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 20 来 协助向玩家隐藏交互延迟 。 云游戏的产品和技术特点导致其与传统游戏相比，对延时的要求 更为苛刻。若使用目 前 已有的 4G 网络和 Wi -Fi ，在网络正常的 情况 下，云游戏的响应延迟 大 约 在 50ms- 140ms 范围内 波 动。对操 作响 应延迟 要求较高的游戏（例 如 :动作类、 格 类、 MOBA 类、第一 人 称射击类、赛车类等），仍 和 本 地游戏在体验上有 较为明显 的差距 ， 需要进一步 降 低 操 作响应延迟 。而 VR 设 备由于其头显的 特殊性，延 迟 较大时会使人产 生 晕 动 症 (motion sickness) ，需要把 延 迟 控制在 20ms 以内才 能 有效控制排斥反应。 云游戏整体时延中网络传输时延占比超 70%。 据学者研究，以 某 云游戏 Demo 166ms 时延为例 ，包括输 入 、 操 作网络传输、云端游戏 渲染、视频网络传输和解 码等时延，其中网络传输时延竟 高 达 120ms， 占比总延 迟 的 70%以上。 虽然对于不 同的游戏类别 ， 不 同的网络环境 会 造 成 该数值和 比例的 波 动， 但 网络时延若不 能得到有效的 降 低， 那 么 云游戏必然还会 卡 在 “时延”这 一 关，无法进 行大规模应用与发展。 由 此 可见， 5G 时代无线 +核心网络整 体的优化改善已成为降 低时延的 关键。 5G 通过物理实现、网络升级和软件优化多重技术可大幅提升传 输速率，降低时延。 一 是 5G 技术引入了更为丰富的频谱资源以 及 大 规模天线技术（MIMO ）， 能 够有效提 升 网络速 率。二 是 5G 网络技 术中提出 的 全 光 网是实现低时延的重 要支撑 技术， 新 型的多址 技术可 以 节省调度开销，同时基于 软 件 定 义 网络（ SDN ）和网络 功 能虚拟化云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 21 （ NFV）实现网络 切片，并 采 用 FlexE 技术使业务 流以最短、 最快的 路 由到达目的用户。三是 5G 技术改善了接入 侧 的网络时延， 30KHz 的 子 载 波 间 隔 、上 行 免 调度以 及 两 个 符 号 微 时隙的配 置 方 案 可使空 中 接 口双向时延降 低 至 1ms 以下； 同时边缘计算 节 点 可 改善核心网 TTL 时延，将核心网下沉 到接入 层 可实现基站 到 核心网的延迟 在 13ms 以内。 （ 3）云游戏网络稳定性（低抖 动）需求 在 当 前 硬 件编解码 相 对可控的条件下，网络抖 动会造 成游戏画面 帧 间 隔 不均衡 的 问题，从而导致游戏画 面不流畅。 具 体现象 一 般 表现 为以下两 种 情况： 一 是 相连帧 到 达终端的时间差变 大，可能导致终 端 显示完 当 前 帧 ， 但 下 一帧却 没有及时到达 ，从 而 造 成画面 的 停顿现 象 ； 二 是 相连帧 同时到达终端， 这 可能会导致终 端 只显示最 新帧，从而 造 成画面 的 跳 帧 现 象 。 4G 时代的共享型网络模式不能满足云游戏对网络稳定性的需求。 4G 时代的网络是共享模式，对业务 来 说 ，网络其实是不 确 定的，体 验是时好 时 坏 的（取 决于接入 的人数 和 你 能 抢 到的带宽） ； 真 实网络 环境下，网速不断波动，稳定性较差，游戏中平均 下载速 率 尚难以 有 效 维 持，高清、 重 度 游戏的流畅运行更是难 以得到保证。如何 解 决网 络 共享带来的抖 动 问题，也 是 云 游 戏 在 网 络 技 术 上 需 要 解 决的一个痛 点 。 5G 切片技术可为云游戏提供其运行所需的稳定网络。网络切片 是在物理 网络基础 上，利用虚拟化 技术切 分 出 多 个 端到端的虚拟网络云游戏关键技术研究报告（ 2020 年） 22 网络间采 用 逻辑隔离， 每 个个 体 都 拥 有独立的 设 备、接入 、传输和 核 心 网，可以实现业务