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 mittlerweile auch als Sprachdienste genutzt, ähnlich wie auch LTE mit VoLTE. In diesem Ratgeber erfahren Sie unter anderem, was die Vorteile von Voice over 5G sind, welcher Anbieter das bietet und welche Handys man dafür benötigt.

Außerdem: Wo liegen die Parallelen zur 4G-Telefonie und vieles mehr! Für technisch interessierte Leser erklären wir zudem, wie 5G Voice funktioniert bzw. welche möglichen Implementierungen es seitens der Mobilfunkanbieter geben könnte. Zudem zeigen wir, welche Mobilfunkanbieter den Dienst vereinzelt schon bieten!

1. 5G Telefonie: Viele Begriffe für ein Thema

Geht es um den Themenkomplex 5G-Telefonie, fallen mehrere englische Abkürzungen, die man zunächst kennen sollte. Bei einigen handelt es sich inhaltlich um dasselbe, andere unterscheiden sich auch technisch (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. Teilweise wird auch von "5G Call", "5G-Calling" oder einfach nur "5G Telefonie" geredet.

VoNR: Ist die Abkürzung für „Voice over New Radio“. Hintergrund: Die Mobilfunktechnik 5G wird in der Literatur auch als New Radio (NR) bezeichnet. Strenggenommen, 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 war VoLTE bis 2020 noch längst kein Branchenstandard, da bis dahin noch nicht jeder Tarif und nicht jedes Smartphone die 4G-Technik unterstützte. Weltweit rechneten Experten mit 3,3 Mrd. Nutzern bis Ende 2021[1]. Nachdem bis Ende 2021 aber 3G in Deutschland komplett abgeschaltet wurde, dominiert heute eindeutig 4G und damit auch Voice over 4G.

5G wird zurzeit ebenfalls (fast) ausschließlich zur Datenübertragung eingesetzt. Perspektivisch soll VoNR in naher Zukunft „echte“ Telefonie über 5G-Netze ermöglichen, genau wie heute VoLTE bei 4G.

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 hat 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 parallel 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 oder alles bleibt im 5G-Netz. Mehr dazu im Abschnitt 9 folgend.

4. Wann kommt Voice over 5G und wer sind die Anbieter?

Es ist schon gestartet! Zumindest in einigen wenigen Städten können erste Kunden schon mit Vo5G telefonieren. Denn bereits im Juni 2023 hatte Vodafone begonnen den Dienst in seinen Netzen auszurollen - von Anfang an mit dabei waren z.B. Leipzig, Düsseldorf, Frankfurt. Allerdings geht das noch längst nicht in allen Regionen, sondern vorerst nur in einigen wenigen Städten. Bis Voice over 5G bundesweit auch von anderen Anbiete rausgerollt ist, dürfte es wohl noch einige Jahre dauern.

Auch funktioniert VoNR nur an Standorten, die mit echtem 5G, also standalone ausgerüstet sind - der Anbieter nennt dies übrigens 5G+. Im Oktober 2023 startete auch O2 mit 5G+ und Vo5G - verfügbar in fast allen größeren Städten mit 3.6 GHz Antennen. Die Deutsche Telekom folgte in Q4/2024 mit 5G+. Zudem muss das Smartphone mitspielen!

5. 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. Passende Funkchips gibt es schon seit 2020. 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. Seit 2021 kommen erste Handys mit VoNR-Chip auf den Markt, wie z.B. das Xiaomi 11 lite 5G.

Das heißt aber nicht automatisch, dass ein kompatibles Gerät genügt. Vodafone hatte zum Start zunächst nur das Samsung Galaxy S23 als kompatibles Endgerät unterstützt, weitere sollen folgen. Wie es weitergeht, bleibt abzuwarten - also ob ggf. auch andere Geräte ein Update erhalten. Denn, so Vodafone in einer Pressemitteilung "[...] werden zeitnah weitere Smartphones 5G-Telefonie unterstützen."

5.1 5G-Telefonie mit der FritzBox 6850 5G

AVMs 5G-Router, die FB 6850, ist übrigens bereits für Voice over New Radio vorbereitet. Seit der Firmware 7.56, lässt sich mit einer SIM-Karte über die Box sowohl via VoLTE als auch Vo5G telefonieren. Einfach nur ein normales Telefon bzw. Fritz!Fon hinten anschließen und die SIM einlegen und schon sind Sie auch zuhause über eine bestimmte Mobilfunknummer erreichbar. Sofern Ihr Anbieter auch Multi-SIMs bietet, klingelt es dann sogar parallel zuhause und am Smartphone.

6. 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 niedriger 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 oder Wifi-Calling erschwert.

Im September 2021 gab es den entscheidenden Meilenstein. O2 gelang es, eigenen Angaben nach, im hauseigenen 5G-Livenetz einen ersten Sprachanruf per 5G VoNR durchzuführen. Seither funken tatsächlich die ersten Sendemasten bei O2 mit VoNR - genauer gesagt in Potsdam und München.

Auch passende Mobilfunk-Chips sind seit schon länger verfügbar - das Galaxy S21 5G sowie Xiaomi Mi 11 Lite 5G sind z.B. 5G VoNR fähig. Mit beiden Geräten demonstrierte die Dt. Telekom im Juni 2021 auch den ersten erfolgreichen Ende-zu-Ende Test. Technologisch unterstützt wurde der Konzern dabei von Ericsson, Nokia, Qualcomm, Samsung und Xiaomi. Allerdings fand der Test im Labor statt und nicht unter echten Live-Bedingungen.

Zudem benötigt es ohnehin noch ausreichend 5G-SA Netze. Diese werden sukzessive erst seit 2021 aufgebaut. Bis Mitte 2024 dominierten noch "Fakte 5G"-Netze also 5G-NSA.

7. 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 Vodafone und die Dt. Telekom haben schon im Juni 2021 3G abgeschaltet. O2 folgte Ende 2021. Damit verbleibt, 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 …

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, 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.

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. ..

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.

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 dieselbe Architektur wie bei Kunde2.

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.

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 Entscheidung 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

[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