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Telefonieren über 5G NR

Alle Infos zur 5G-Telefonie, dem Entwicklungsstand und den Vorteilen


Weltweit wird seit 2019 am Mobilfunknetz der 5. Generation gebaut. Dabei wird in den Medien 5G fast immer als reiner Datenübertragungsstandard vorgestellt. Was viele daher nicht wissen – der 5G-Standard wird füher oder später auch für Sprachdienste genutzt werden, ähnlich wie heute auch LTE mit VoLTE. In diesem Ratgeber erfahren Sie unter anderem, was die Vorteile von Voice over 5G sind und wo die Parallelen zur 4G-Telefonie liegen. Für technisch interessierte Leser erklären wir zudem, wie 5G Voice funktioniert bzw. welche möglichen Implementierungen es seitens der Mobilfunkanbieter geben könnte.

1. 5G Telefonie: Viele Begriffe für ein Thema

Geht es um den Themenkomplett 5G-Telefonie, fallen mehrere englische Abkürzungen, die man zunächst kennen sollte. Bei einigen handelt es sich inhaltlich um dasselbe, andere unterscheiden sich auch technisch, gleich wenn nur in Feinheiten.

Vo5G: Steht als Kurzform für „Voice over 5G“ (auch kurz „5G Voice“). Gemeint sind sämtliche Techniken/Verfahren und Sprachdienste, die Gespräche in bzw. über ein 5G-Netz ermöglichen.

VoNR: Ist die Abkürzung für „Voice over New Radio“. Hintergrund: Die Mobilfunktechnik 5G wird in der Literatur auch als New Radio (NR) bezeichnet. Streng genommen, handelt es sich aber erst um „richtiges“ „NR“, wenn für den Betrieb auch Frequenzen im mmWave-Bereich genutzt werden. Aktuell ist dies zumindest in Deutschland noch nicht der Fall, weshalb Vo5G eher passen würde. Wir verwenden die Bezeichnungen allerdings synonym. Welche Bezeichnung sich künftig im medialen Kontext durchsetzt, wird sich erst noch zeigen.

2. Vo5G vs. VoLTE

Bei 5G zeichnet sich wieder die gleiche Entwicklung ab, wie damals 2011 bei der Etablierung der ersten 4G-Netze. Zunächst diente LTE nur als reiner Datendienst für schnelle Internettarife am Handy oder DSL-Ersatz im ländlichen Raum. Telefoniert wurde weiterhin nur über 2G oder 3G (CSFB).

2015, also 4 Jahre später, wurde mit Voice over LTE (VoLTE) zum ersten Mal eine rein IP-basierte Mobilfunktelefonie eingeführt. Seither wird das 4G-Netz also sowohl zur Datenübertragung, als auch für Sprachdienste genutzt, mit allen Vorteilen wie höherer Klangqualität und einem schnelleren Rufaufbau. Allerdings ist VoLTE auch 2020 noch längst kein Branchenstandard, da nicht jeder Tarif und nicht jedes Smartphone die Technik unterstützt. Aber Stück für Stück steigt die Reichweite immer weiter. Weltweit rechnen Experten mit 3,3 Billionen Nutzern bis Ende 2021[1].

5G wird aktuelle analog ebenfalls lediglich zur Datenübertragung eingesetzt. Perspektivisch soll VoNR in naher Zukunft „echte“ Telefonie über 5G-Netze ermöglichen, genau wie heute VoLTE bei 4G.


Vo5G Symbol im Smartphone

5G-Telefonie - so könnte das Symbol im Smartphone bald aussehen | Illustration


3. Vorteile: Was bringt das für Verbraucher und Mobilfunkprovider?

Der Sprung zu Voice over LTE vor einigen Jahren war geradezu revolutionär. Besonders in puncto Sprachqualität, Stromverbrauch und Rufaufbau sind die Unterschiede zu „herkömmlichen“ Mobilfunkgesprächen per 3G- oder GSM-Netze enorm. Einen derartigen Quantensprung wird es mit Vo5G wahrscheinlich nicht mehr geben, obgleich weitere Verbesserungen hinsichtlich Klangqualität und Rufaufbauzeiten möglich sind.

Doch nicht nur das! Ohne VoLTE-Support musste stets die Datenverbindung auf 3G oder niedriger zurückgestuft werden. Nur bei VoLTE-Gesprächen konnte weiter mit 4G gesurft werden. Einen ähnlichen Effekt wird es bei Voice over 5G in der Anfangsphase geben, nur eher anders herum. Je nachdem, für welchen Netzaufbau sich ein Mobilfunkprovider entscheidet, wird der Sprachdienst zurück auf VoLTE fallen, während die Datenverbindung weiter über 5G abgewickelt wird. Mehr dazu im Abschnitt 9 folgend.

Vo5G-Vorteile im Überblick:

  • Voice over 5G ist wie VoLTE ein rein Datenpaket orientierter IP-Dienst
  • etwas niedrigere Rufaufbauzeiten 1-1,5 s möglich bei 5G SA [2]
  • mindestens genauso gute Sprachqualität – perspektivisch mit moderneren Codecs auch besser [2]
  • künftig Datenverbindung UND Sprachverbindung über 5G ohne Fallback auf VoLTE möglich
  • Vorteil durch geringere Latenzzeiten bei Einsatz von 5G NR mit eigenem 5G Kernnetz

4. Herausforderungen für die Mobilfunkanbieter bei der Etablierung von VoNR

Einer der Kerncharakteristiken bei 5G NR ist der Einsatz von neuen Frequenzbändern im Bereich über 6 GHz, genauer gesagt, im Millimeterwellenspektrum ab ca. 24 GHz. In vielen Ländern, wie den USA oder Südkorea, wird 5G bereits darüber betrieben. Hierzulande ist der Einsatz zwar geplant – noch steht aber kein Termin fest.

Doch 5G über mmWave kommt, soviel ist sicher, zumindest in den Städten. Dann stehen die Provider aber vor neuen Herausforderungen. Denn Telefonie über 5G bei hohen Frequenzen birgt einige Tücken. Diese spielen natürlich gleichsam auch bei der Datenübertragung eine Rolle. Gemeint sind drei physikalische Effekte bei so hohen Nutzfrequenzen. Einmal der hohe Beugungsverlust, wo durch mehrfache Reflektion an Häusern mehrere elektromagnetische Wellen mit unterschiedlicher Wellenlänge zum Empfänger gelangen. Zudem die Freiraumdämpfung (führt zu niedrige Reichweite) und der Umstand, dass mmWellen schlecht bis gar nicht durch Wände dringen können, was die Abdeckung in Innenräumen ohne Technologiewechsel z.B. zu 4G erschwert.

5. Warum sind 5G-Sprachdienste für die Entwicklung im Mobilfunk wichtig?

Auch wenn man meinen könnte, heute werden für die Kommunikation überwiegend Messenger wie Whatsapp genutzt – die großen Netzprovider wie Vodafone, machen im Schnitt noch die Hälfte des Umsatzes mit Sprachdiensten. Sicher auch, weil es nur selten reine (lohnende) Datentarife fürs Handy gibt.

Einzig im asiatischen Raum haben Datendienste schon längst die Überhand. 2019 wurden bei China Mobile gerade mal noch 13 Prozent der Erlöse über Telefonie erwirtschaftet. Im Jahr zuvor waren es übrigen 16 Prozent [3]. Ein Grund ist neben Messengern gewiss auch, dass dort dafür eher mittels OTT-Diensten (over the top), wie beispielsweise dem allgegenwärtigen „WeChat“, telefoniert wird.

Für europäische und amerikanische Provider heißt das allerdings, daß Telefonie noch viele Jahre eine elementare Einnahmequelle bleiben wird, wenn auch tendenziell abnehmend. Vor dem Hintergrund eines immer besseren 5G-Ausbaus, steigt damit auch die Notwendigkeit von Sprachdiensten über 5G oder zumindest 4G. Ein weiterer Faktor wird diese Entwicklung verschärfen. Denn bis spätestens 2022 wollen O2, Vodafone und die Dt. Telekom 3G abschalten. Damit verbliebe neben VoLTE nur noch 2G (GSM) als letzter „Fallschirm“ (Fallback), falls vor Ort weder 5G noch 4G hinreichend ausgebaut wurden. Etwa in sehr ländlichen Gefilden …


6. Braucht man ein neues Smartphone für Vo5G?

Ja! Wie auch schon beim Vorgänger VoLTE, benötig man für 5G-Teleonie ein neues, kompatibles Smartphone. Zudem muss natürlich auch der Mobilfunkanbieter den Dienst bereitstellen. Letzteres ist bisher zwar nicht in Aussicht (siehe Punkt 8), doch passende Funkchips gibt es schon in Kürze. So unterstützt Branchenführer Qualcomm erstmals mit dem Snapdragon X60 auch „Voice over New Radio“. Genauer gesagt bei 5G standalone Netzen, die ohne LTE als Grundlage auskommen. Ab 2021 könnten erste Handys mit dem VoNR-Chip ausgeliefert werden.

Qualcom X60 Prozessor mit Voice over NR Support

Qualcomms erster Smartphone-SoC mit VoNR-Support


7. Wann kommt Voice over 5G?

Aktuell (2020) ist dies noch nicht abzusehen. Erste Chips kommen, wie im vorangegangenen Absatz erwähnt, frühestens 2021. Wir rechnen in Deutschland nicht vor 2023 mit ersten Versuchen. Auch bei Voice over LTE dauerte die Einführung gut 4 Jahre …

8. drei Evolutionsstufen

Das Standardisierungsgremium 3GPP hat von vornherein 5G so entwickelt, dass zunächst erst einmal noch „Voice over 4G“ (VoLTE) genutzt werden kann – zur Not, wie wir noch sehen werden, auch mit Fallback zu noch älteren Standards. VoLTE und VoNR sind dabei jeweils zwei verschiedene Zugangsmodi, welche aber beide zwingend auf dem sogenannten IMS basieren – dem „IP Multimedia Subsystem“. Es ermöglicht einen standardisierten Zugriff auf spezifische Mobilfunkdienste, wie Telefonie. Als Basisprotokoll dafür kommt SIP zum Einsatz. Zu den Aufgaben gehört, neben der Bereitstellung von IP-basierten Sprachdiensten (VoLTE, VoNR), auch die Verbindung von älteren Netzen, wie GSM, mit IP-basierten.

Im ersten Schritt wird mit steigender 5G-Verfügbarkeit bei gleichzeitig nahezu flächendeckendem 4G-Ausbau die „Dual Connectivity“ dominieren. Dafür wird LTE vornehmlich für Telefonie genutzt und 5G als Datenturbo für schnelle Verbindungen. Bei Anrufen/Telefonaten erfolgt dabei eine Unterbrechung der 5G-Datenverbindung.

Im zweiten Schritt der Entwicklung dürfte der sogenannte EPS Fallback stehen. Verlässt also z.B. ein Nutzer eine 5G-Zelle während eines Telefonats, erfolgt wieder der Fallback zu 4G für Daten und Sprache. Allerdings kann die 5G-Datenverbindung optional (wenn vom Provider vorgesehen) nach dem EPS-FB wiederhergestellt werden, sofern 5G wieder verfügbar ist. Dann wird weiter über VoLTE telefoniert, aber via 5G gesurft. Oder aber beides bleibt bei LTE bis zur Beendigung des Gespräches.

Der letzte Schritt, welcher aber in ferner Zukunft liegen dürfte, wäre reines „Voice over NR“. So dass stets 5G als Daten- und Sprachdienst genutzt wird. Ein Handover zu 4G ist aber weiter möglich, nicht aber zu älteren Mobilfunkstandards. Dies setzt aber einen nahezu vollständigen 5G-Ausbau voraus.

9. Technik und Verfahren hinter der 5G-Telefonie

Zunächst haben wir uns in diesem Ratgeber die Grundlagen angesehen. Folgend wollen wir für interessierte Leser noch einen etwas tieferen Einblick in die (nicht ganz einfache) Technik hinter VoNR geben.

9.1 IMS-System als Basis weiter nötig

Vo5G ist dem momentan gängigen VoLTE auch technisch sehr ähnlich. Bei Voice over 4G werden Sprachanrufe als Ende-zu-Ende „Voice over IP“-Verbindung implementiert. Gesteuert und verwaltet von einem obligatorischen IMS (IP Multimedia Subsystem) – einer Art Sammlung von Netzwerkdiensten, dessen Schnittstellen und Funktionen von 3GPP standardisiert wurden (GSMA IR.92). Telefonate werden also gleichsam wie Daten IP-paketorientiert transferiert.

Auch für Vo5G wird wieder zwingend ein IMS Kern benötigt. Im Unterschied zur Implementierung bei LTE, werden hier eine Reihe von möglichen Netztopologie-Szenarien berücksichtigt – gekennzeichnet als „Optionen“ ...

9.2 3GPP Optionen zur Implementierung von 5G Voice

Da der 5G-Ausbau weltweit natürlich nicht in einem Atemzug erfolgt, benötigen die Mobilfunkprovider verschiedene Überbrückungsmöglichkeiten. Konkret, um sicherzustellen, dass die Nutzer auch dann weiter ohne Gesprächsabbruch telefonieren können, wenn sie z.B. eine 5G-Funkzelle verlassen oder lokal gar keine Verfügbarkeit besteht (etwa nur 2G).

3GPP hat dabei viele mögliche Ausbau-Szenarien berücksichtigt, um den Providern ein breites Spektrum an Instrumenten zur schrittweisen Implementierung in die Hand zu geben. Insgesamt gibt es zur Zeit mindestens zehn(!) Optionen für den Einsatz von Vo5G. Acht für Non-Standalone-Netze und zwei für Standalone 5G.

  • VoNR Non-Standalone: Option 3/3a/3x + 4/4a + 7/7a/7x
  • VoNR Standalone: Option 2 und 5

Typisch für den Praxiseinsatz werden aber voraussichtlich nur Option 3x und 2 sein, wie wir weiter unten noch zeigen! Alle anderen Ausprägungen sind ohnehin lediglich Variationen dieser beiden.

Das Endziel wäre natürlich Opt. 2 SA, wo alle Endgeräte in einer Funkzelle mit der lokalen 5G Basisstation (gNB) verbunden sind, die direkt ans 5G Kernnetz (5G NC) angebunden werden. Alle Telefonie- und Datendienste laufen dann immer direkt über 5G. Bewegt sich der Nutzer von Zelle zu Zelle, kann dank perfekter 5G-Abdeckung eine reibungslose Übergabe erfolgen.

Da die Verfügbarkeit aber selten zu 100 Prozent gegeben ist, braucht es Fallback-Möglichkeiten und Mischausbauformen auf dem Weg zu diesem (fernen) Ziel. Zudem erfolgt die Aufrüstung des 5G-Netzes auf zwei Wegen - mit LTE als Basisnetz (NSA: None Standalone) oder ohne (SA: Standalone). Siehe folgend. ..

Fazit: Die Mobilfunkanbieter müssen sicherstellen, dass Telefonate immer reibungslos funktionieren. Auch wenn sich der Nutzer von Zelle zu Zelle bewegt, plötzlich nur noch niedrigere Funkstandards verfügbar sind oder Störungen mit dem aktuellen Verbindungsstandard auftreten. Dann muss stets ein reibungsloser Handover (Übergabe) von Vo5G zu älteren Sprachdiensten, wie VoLTE oder 2G GSM, möglich sein.


9.3 Implementierung bei 5G non standalone vs. 5G standalone

Gemein ist allen Optionen stets, dass es eine 5G-Baisstation (gNB) gibt und die Sprachdienste, wie schon erwähnt, vom IMS gesteuert werden. Doch damit hat es sich schon mit den Gemeinsamkeiten.

Bei den NSA-Optionen existiert neben dem 5G-Mast (gNB) je noch eine LTE-Basisstation (eNB). Der Unterschied liegt dann vor allem in der Frage, ob zusätzlich noch ein 5G-Kernnetz (5G CN) existiert (alle 4´er und 7´er Optionen) oder nicht (alle 3´er Opt.). In Deutschland ist dies bisher z.B. noch nicht der Fall.


9.4 Option 2 (SA) – mit zwei möglichen Ausprägungen

Die Standalone Option 2 kommt dagegen originär völlig ohne eNB aus. Dann wird Sprache direkt vom IMS System bereitgestellt (GSMA NG.114). Telefonie und Datenverbindung laufen also auch bei gleichzeitiger Nutzung direkt weiter über 5G-Funk – eine Abhängigkeit von LTE als eine Art Rückgrat entfällt völlig. Erst hier spricht man eigentlich von „VoNR“ statt Vo5G.

VoNR Architektur nach Option 2 | Bild: 5G-Anbieter.info


Aber: Frühe SA-Mobilfunknetze mit 5G CN welche die Opt. 2 einsetzen, werden noch kein echtes VoNR bereitstellen. Stattdessen können Provider auf eine weitere Variante zurückgreifen, welche die 3GPP ebenfalls zulässt. Der Ansatz wird Option 2 mit „EPS fallback for IMS voice“ genannt. Dann erfolgt beim Initiieren von Telefonaten weiter ein 4G-Fallback, genauer gesagt ein „Evolved Packet System“ Fallback. Wohlgemerkt auch wenn vor Ort 5G verfügbar ist!

Im Zuge des schrittweisen NR-Ausbaus, wird die 5G-Abdeckung immer nur eine Teilmenge der 4G-Versorung ausmachen. Um für den Nutzer unterbrechungsfreie Telefonate zu gewährleisten, erfolgt dann „vorsichtshalber“ schon beim Etablieren eines Anrufs direkt ein Fallback zu LTE (für Daten und Sprache), selbst wenn aktuell der 5G-Empfang noch gut ist. Denn sollte sich der Kunde während des Gespräches doch aus der Zelle entfernen, müsste ein Handover erfolgen. Die Erfahrung mit LTE zeigte den Ingenieuren jedoch, dass diese im Sinne der Verbindungsstabilität möglichst zu vermeiden sind. Daher wird direkt bei Rufaufbau der „EPS Fallback for IMS voice“ eingeleitet, so dass später kein Handover nötig ist.

Obwohl dann auch die Datenverbindung zurückgestuft wird, könnte der Provider theoretisch nach dem EPS-FB wieder auf NR umstellen. Letzteres setzt aber den Support der Dual Connectivity (EN-DC) voraus.

Die folgende Grafik soll dies veranschaulichen. Im vorliegenden Beispiel hat das Endgerät von Kunde2 eine reine Datenverbindung etabliert. Kunden1 erhält einen Anruf - durch den EPS-Fallback erfolgt nun die Telefonie- und Datenübertragung dieses Nutzers ausschließlich über 4G bis zum Ende des Gespräches. Anschließend greift wieder die selbe Architektur wie bei Kunde2.

Architektur Vo5G mit EPS-Fallback in Option 2

Illustration der Architektur eines EPS-Fallbacks in Option 2


9.5 Rel-15 vs. Rel-16

Noch ein Hinweis zu den 5G-Releasestufen. Die erste Spezifikation Rel-15 lässt für Telefonate noch keinen Fallback auf 3G zu, falls einmal vor Ort auch kein LTE zur Verfügung stehen sollte. Für VoNR Option 2 müsste also immer wenigstens 4G bereitstehen, sonst könnte man nicht telefonieren. Erst Release 16 (seit Juli 2020) unterstützt auch eSRVCC (enhanced Single Radio Voice Call Continuity) für den FB von 5G zu 3G per CS (Circuit Switched).

9.6 Option 3x (NSA) als „Übergang“ ohne 5G CN

In Deutschland überwiegen zunächst im frühen Ausbaustadium nur sogenannte Non-Standalone 5G-Netze. Dabei wird der neue Standard erstmal nur in ein bestehendes 4G-Netz implementiert. Es gibt zwar eigene 5G-Stationen mit passenden Antennen – aber die Abwicklung erfolgt weiter über den EPC (Envolved Packed Core), also LTE. Insbesondere existiert noch kein 5G-Kernnetz. Daher erfolgt in diesem Szenario der Fallback auf VoLTE (oder niedriger) für Telefonate. Aber auch die Datenverbindung wechselt zu 4G.

Für die meisten Provider dürfte die Implementierung nach Option 3X in den Anfangsjahren des 5G-Ausbaus naheliegend sein. LTE bleibt dabei das bestimmende Primär-Netz, während 5G erstmal nur die Rolle des Datenbeschleunigers übernimmt. Für Anrufe übernimmt VoLTE über das 4G IMS die Sprachdienste.

Sollte auch kein LTE verfügbar sein, z.B. wenn ein Kunde die Reichweite aller lokalen 4G-Zellen verlässt, sorgt SR-VCC (Single-Radio Voice Call Continuity) für einen reibungslosen Übergang ohne Gesprächsunterbrechung von VoLTE zu 2G/3G. Zur Not kann auch ohne VoLTE per Circuit Switched Fallback (CSFB) der Übergang von 4G zu einem niedrigen Standard erfolgen.

Architektur Vo5G Option 3 (none-standalone)

Architektur Vo5G Option 3 (NSA) | Illustration 5G-Anbieter.info


9.7 so funktioniert der 5G Handover zu LTE

Am Beispiel von Option 2 (EPS Fallback) wollen wir noch kurz den Vorgang des Fallbacks bei einem eingehenden oder ausgehenden Anruf skizzieren.

Geht beim Endgerät (UE) des Kunden z.B. nun ein Anruf ein, sendet das Device die Signalstärke der umliegenden 4G-Zellen an die 5G-Basisstation (gNB). Folgend informiert die AMF (Access and Mobility Funktion) die MME (Mobility Management Entity) über die Enscheidung des gNB zum Handover. Dadurch werden drei Prozesse ausgelöst. Einmal wird ein 4G-Träger zur IMS Steuerung initiiert, plus ein weiterer Träger der für Sprache und Daten genutzt wird. Im dritten Schritt erfolgt nun die Handover-Anfrage an die LTE-Station (eNB). Nach Erfolg, wird die 5G-Verbindung rein auf 4G umgestellt. Sendet das UE die Fertigstellung dessen zum eNB, wird die MME informiert. Letztere wiederum sendet noch eine Trägeränderungsanfrage an die P-GW ( Packet Data Network Gateway). Damit ist der Vorgang abgeschlossen und alle IMS Steuerungen für Sprache und Daten laufen fortan über das 4G-Netz.

9.8 sonstige Modelle

Wer noch mehr über die restlichen Vo5G-Optionen erfahren möchte und deren Architektur, sei auf das hervorragende Whitepaper „Voice over 5G: the options for development“ (PDF) von Nokia verwiesen.

Quellen

[1] Omdia.com, „VoLTE Market Growth […] Trends“; 2018
https://www.omdia.com/resources/product-content/media-coverage-global-volte-connections-to-grow-by-3-33bn


[2] NGNM.org https://www.ngmn.org/wp-content/uploads/Publications/2020/20200130_NGMN-PrecomNW_Trials_Major_Conclusions.pdf

[3] China Mobile Annual report 2019 S.109 https://www.chinamobileltd.com/en/ir/reports/ar2019.pdf