Telefonieren über LTE
VoLTE - Was bringt Voice over LTE?
Sprachtelefonie übers LTE-Netz: Fünf Jahre nach Versteigerung der LTE-Lizenzen ist es so weit. Die ersten Netzbetreiber schalten ihre 4G-Netze zum Telefonieren frei, auch einige Smartphones beherrschen den neuen Standard schon.
Den Startschuss für die Voice over LTE oder kurz VoLTE genannte Telefonie via LTE gab Dr. Eric Kuisch von Vodafone: Anlässlich der CeBIT 2015 verkündete Vodafone am 15. März in Hannover die Freigabe von VoLTE für seine Kunden.
Doch warum ist die Freigabe der Telefonie über den Mobilfunkstandard der vierten Generation mutig? Und warum mussten seit der Versteigerung der LTE-Lizenzen fünf Jahre ins Land gehen, bis die 4G-Telefonie bei den Menschen ankommt?
Die Vorgeschichte
Um diese Fragen beantworten zu können, ist ein Blick zurück nötig. Im Jahr 2010 lief die Telefonie über 2G- und 3G-Netze zuverlässig und gut, der mobile Datenverkehr drohte jedoch unter dem Ansturm von Notebooks mit Mobilfunkmodem und Smartphones aus dem Ruder zu laufen. Mehr Kapazität war gefragt, doch dem Ausbau von UMTS waren Grenzen gesetzt. Die verfügbare Bandbreite war gemessen am Bedarf gering und konnte nicht optimal genutzt werden; Fachleute sprechen von mangelnder spektraler Effizienz.
Zudem erforderte der federführend von den Infrastruktur-Herstellern (Ericsson, Nokia Networks, Huawei, Alcatel, ZTE und andere) vorangetriebene UMTS-Standard komplexe Netzwerkstrukturen. Die sind in Anschaffung, Ausbau und Betrieb teuer.
Um diese Kosten zu reduzieren, mischten sich die Netzbetreiber in die Entwicklung der nächsten Mobilfunkgeneration (4G) kräftig ein. All-IP hieß das Stichwort zur neuen Kommunikation. Daten egal welcher Art sollten in handlichen Paketen über das gemeinsam genutzte Netz geschickt werden.
Für das Surfen im Internet, den Mail-Abruf oder das Streamen von Videos ist dieser Ansatz gut und günstig. Selbst wenn ein Datenpaket auf der Reise durchs Internet mal ein paar Zehntelsekunden länger braucht, kann es am Ende wieder richtig mit den anderen Paketen zusammengefügt werden. Schließlich dauert das Laden einer Webseite sowieso länger, und bei Video- oder Musikstreaming sind längere Pufferzeiten vorgesehen, innerhalb derer die Daten sicher ankommen.
Komplexes Handover
Beim SRVCC-Handover während eines Telefonats aus einem 4G- in ein 3G- oder 2G-Netz laufen mehrere komplizierte Prozesse gleichzeitig ab.
Während eines LTE-Telefonats (a) sendet das Smartphone die Sprachdaten in kleinen Paketen an die Mobilfunkstation (LTE RAN), von wo sie über das Kernnetz (Evolved Packet Core, EPC) an ein IP-Multimedia-Subsystem zur Weiterleitung geschickt werden.
Übertragungspausen nutzt das Smartphone, um nach anderen empfangbaren Mobilfunkstationen zu suchen. Wird die gerade zur Übertragung genutzte 4G-Zelle schwach, so kann das Netzwerk den "Single Radio Voice Call Continuity" (SRVCC) genannten Handover in ein GSM- oder UMTS-Netz (b) einleiten. Diesen steuert das IMS, in dem es Befehle an das LTE- und das 2G-/3G-Netzwerk sendet. Der EPC und das LTE RAN werden dabei angewiesen, den Anruf an das Circuit-Switched-Netzwerk zu übergeben; dieses bekommt den Befehl, zu übernehmen.
Die Umschaltung des Radio Access Networks von LTE auf UMTS oder GSM muss gleichzeitig mit der Umschaltung der Übertragung von Packet Switched auf Circuit Switched erfolgen. Die Unterbrechung beim Umschalten darf nur wenige Zehntelsekunden dauern.
Probleme bei VoLTE
Doch bei der Telefonie gelten andere Gesetze: Längere Laufzeiten führen hier zu Gesprächspausen. Übersteigen diese wenige Zehntelsekunden, fällt einer dem anderen ins Wort, was ein vernünftiges Gespräch unmöglich macht.
Um solche Probleme zu vermeiden, entschieden sich die Mobilfunk-Macher zunächst dafür, einfach alle Gespräche in die gut funktionierenden 2G- und 3G-Netze umzuleiten, Circuit Switched Fallback (CSFB) heißt diese Technik. Der Umschaltvorgang beanspruchte bis zum Zustandekommen eines Gesprächs zunächst viel Zeit und war eine Fehlerquelle. LTE-Kunden merkten, dass es plötzlich länger dauerte, bis sie jemanden an der Strippe hatten, die Zuverlässigkeit sank.
Auch wenn sich die Rufaufbauzeiten recht schnell wieder verkürzten und die Fehlerraten zurückgingen, gab es gute Gründe dafür, einen Telefonie-Standard für LTE voranzutreiben.
Lösungen für VoLTE-Telefonie
In einem All-IP-Netz muss ein für Sprachtelefonie hinreichender Quality of Service (QoS) sichergestellt sein. Dazu gehört, dass die in Datenpaketen verschickten Gesprächsteile nicht zu lange von einem Telefonierer zum anderen brauchen, damit die Gespächspausen unmerklich bleiben.
Da aber jedes Netzwerk bei starker Auslastung langsamer wird, müssen die Sprachpakete eines Telefonats gegebenenfalls bevorzugt behandelt werden. Was Aktivisten unter dem Stichwort Netzneutralität auf die Palme bringt, ist für die Telefonie in Datennetzen ein Muss.
Eine weitere Hürde bei der Telefonie über LTE ist das Handover. Beim bisherigen Switch von GSM zu UMTS und umgekehrt musste lediglich das Funk-Interface gewechselt werden, netzwerkseitig blieb alles gleich. Verlässt hingegen ein Smartphone bei laufendem VoLTE-Call das LTE-Netz, so muss erstens das Funk-Interface von 4G auf 3G oder 2G gewechselt werden und zweitens die Übertragung innerhalb des Netzwerks von All-IP auf Circuit Switched.
"Single Radio Voice Call Continuity" (SRVCC) heißt dieser Vorgang, bei dem die Übergabe innerhalb von maximal 0,3 Sekunden vollzogen sein muss. Erschwert wird dies dadurch, dass das Telefon jeweils nur über ein einziges Funk-Interface (Single Radio) verbunden sein darf, also erst nur über LTE und dann nur über UMTS oder GSM.
VoLTE-Smartphones
Wird die LTE-Verbindung schwächer, muss das Telefon also in kleinen 4G-Funkpausen nach starken 2G- und 3G-Netzen suchen. Hat es ein gutes konventionelles Netz gefunden, gilt es, in absoluter Synchronie mit dem Funknetz und dem dahinterliegenden Netzwerk die Verbindung umzuschalten. Das stellt hohe Anforderungen an die Abstimmung zwischen Smartphone-Herstellern und Netzbetreibern. Kein Wunder also, dass etwa der CTO der Deutschen Telekom, Bruno Jacobfeuerborn, bei der Frage nach dem VoLTE-Start auf die sich erst langsam entwickelnde Verfügbarkeit von passenden Smartphones hinweist.
Da zeigt sich der CTO von Vodafone mutiger und startet mit zunächst nur einem verfügbaren Telefon durch - dem Samsung Galaxy S5. Doch das ist populär und weit verbreitet. Zum Einstieg in die VoLTE-Welt reicht ein Firmware-Update. Jeder Kunde mit S5 und LTE-Vertrag kann danach mit VoLTE telefonieren. Die Abrechnungsmodalitäten in Bezug auf Minutenpreise, Freiminuten und Flatrates ändern sich dabei nicht.
Inzwischen hat das Angebot an VoLTE-fähigen Smartphones mit dem Sony Xperia Z3 Zuwachs erhalten. In diesem Sinne kann es eine weise Entscheidung von Vodafone gewesen sein, die VoLTE-Schleuse zu einem Zeitpunkt zu öffen, zu dem nur ein Telefon mit der neuen Technik zurechtkam. Bei zunächst kleinen, allmählich steigenden Nutzerzahlen lässt sich gut beobachten, ob alles wunschgemäß und wie in Laborexperimenten und Friendly-User-Tests prognostiziert läuft.
Es gibt viel zu verlieren
Doch die Anforderungen an VoLTE sind sehr hoch. Im aktuellen connect-Mobilfunk-Netztest erreichte Vodafone bei der Telefonie in Städten Erfolgsraten von 98,4 Prozent. Man stelle sich den Aufschrei der anspruchsvollen Business-Kundschaft vor, wenn durch die Einführung von VoLTE diese sehr geringe Fehlerrate spürbar steigen würde.
Die Vorzeichen allerdings waren gut: In einem VoLTE-Vortest, den connect in Zusammenarbeit mit dem Netztestpartner P3 communications für connect 12/2014 durchführte, schafften die Düsseldorfer bei reinen VoLTE-zu-VoLTE-Calls eine Erfolgsrate von 99,4 Prozent.
Und selbst bei den durch das komplizierte SRVCC-Handover wesentlich komplexeren Telefonaten mit Smartphones, die auf "4G preferred" eingestellt waren und so auch das Umschalten von LTE in die konventionellen Netze verkraften mussten, lag die Erfolgsrate bei 98,9 Prozent.
Bei der Rufaufbauzeit verbesserte sich Vodafone gegenüber dem Netztest von 6,2 auf 2,2 Sekunden, und auch in Sachen Sprachqualität war eine Steigerung von einem POLQA-MOSWert von 3,4 auf 3,8 sichtbar - und deutlich hörbar ebenfalls.
Das liegt auch an den besseren Codecs, die bei VoLTE die Sprache in digitalen Datenstrom verwandeln. Zur Erhaltung der Kompatibilität kann weiterhin ein AMR-Narrow-Band-Codec (Adaptive Multi-Rate) mit geringer Auflösung aufgrund der 3,5-Kilohertz- Frequenzgrenze zum Einsatz kommen. Daneben steht aber ein AMR-WB-Codec (Adaptive Multi-Rate Wideband; G722.2) bereit, der die HD-Voice genannte, deutlich höhere Auflösung mit einer Frequenzgrenze von 7 Kilohertz bietet. Das macht Stimmen natürlicher und besser verständlich, wenn ein Anruf aus der akustisch gestörten Umgebung kommt, etwa einer U-Bahn.
Doch mit HD-Voice ist noch lange nicht Schluss. EVS (Evolved Voice Service) heißt die nächste, auch Full-HD Voice genannte Ausbaustufe, die dann nahe an CD-Qualität heranreicht und damit auch zur Musikübertragung taugt. Die Zeit ist also reif für VoLTE, das zeigt auch Telefonica/O2, die genau einen Monat nach Vodafone ihr VoLTE-Angebot starten.
