Projektinterview: Handover zwischen WLAN-Call und VoLTE in der Praxis

Sara Mohd Shafek ist im Jahr 2021 bei ComConsult als studentische Hilfskraft eingestiegen. Nach einem Orientierungssemester im Fach Elektrotechnik entschied sie sich für ein Bachelorstudium an der FH Aachen. Im Rahmen ihres Studiums absolvierte sie ein sechswöchiges Berufspraktikum bei ComConsult, in dessen Verlauf sie sich mit dem Thema WLAN-Call – auch als WiFi Calling bezeichnet – beschäftigte und dazu eine Reihe von Tests durchführte. Dadurch eignete sie sich die Grundlagen an und entschloss sich, das Thema in ihrer Bachelorarbeit, die ebenfalls von ComConsult betreut wurde, sowohl theoretisch als auch praktisch vertieft zu bearbeiten.

Was war die Motivation deiner Bachelorarbeit?

Die Motivation für diese Bachelorarbeit ergab sich aus der zunehmenden Bedeutung von WLAN-Call in Unternehmen und den damit verbundenen Herausforderungen der Mobilfunkversorgung. Smartphones sind mittlerweile unverzichtbar, um zeitlich und örtlich unabhängig kommunizieren zu können. Gleichzeitig reicht die Abdeckung öffentlicher Mobilfunknetze nicht überall aus: Zum einen betrifft dies ländliche Gebiete, doch auch in vielen Städten beeinträchtigen Fassadendämpfungen und großflächige Fensterverglasungen neuer Gebäude die Signalqualität von Mobilfunk. Während meiner Zeit als studentische Hilfskraft war ich an den Mobilfunkmessungen bei einem Kunden beteiligt. Bei dem Konzern war die Mobilfunkversorgung in einigen Bauten auf dem Campus extrem schwach, und die Mitarbeiter beschwerten sich wiederholt über den unzureichenden Empfang.

Die Ausstattung von Wireless Local Area Networks (WLAN) wird in der heutigen Zeit nahezu überall vorausgesetzt. Dadurch lässt sich der Internetzugang eines Nutzers unabhängig vom Mobilfunknetz herstellen. WLAN-Call ist darauf ausgelegt, Telefongespräche auch ohne Verbindung zum öffentlichen Mobilfunknetz zu ermöglichen.

WLAN-Call erlaubt dem Endgerät, automatisch zwischen Netzen zu wechseln – unabhängig von den räumlichen Gegebenheiten – ohne Einschränkungen für den Nutzer. Dieser Vorgang wird als Handover bezeichnet: ein idealerweise störungsfreier Übergang zwischen Netzwerken. Ein typisches Beispiel ist, wenn ein Anruf beim Verlassen eines Gebäudes von WLAN auf das Mobilfunknetz wechselt, sodass der Anruf ohne Unterbrechung oder Abbruch fortgesetzt wird.

Betreiber von Gebäuden müssen entscheiden, ob WLAN-Call oder Mobilfunk die primäre Verbindung darstellen soll. Wenn ein Unternehmen entscheidet, dass eine Mobilfunkausstattung nicht notwendig ist und WLAN-Call ausreicht, müssen klare Parameter definiert werden, unter denen das Netz stabil funktioniert. So ist sichergestellt, dass ein zuverlässiger Fallback gegeben ist und im Falle eines Netzausfalls klar ist, welche Maßnahmen zu ergreifen sind.

Eines der größten Probleme von WLAN-Call besteht darin, dass in Räumen oder Gebieten ohne Mobilfunkempfang Notrufe teilweise nicht zuverlässig funktionieren. Die meisten Anbieter – mit Ausnahme der Telekom – bieten diese Funktion derzeit nicht oder nur eingeschränkt über WLAN-Call an. Dies ist auch ein Grund dafür, warum viele Unternehmen auf WLAN-Call verzichten, da Notrufe im Ernstfall zuverlässig funktionieren müssen.

Was war Gegenstand deiner Bachelorarbeit?

In meiner Arbeit habe ich das Handover zwischen WLAN-Call und dem LTE-Mobilfunknetz Voice over LTE (VoLTE) sowie umgekehrt zwischen VoLTE und WLAN-Call untersucht. Dabei habe ich verschiedene Smartphones mit unterschiedlichen Betriebssystemen und mehrere Anbieter im Hinblick auf ein Handover miteinander verglichen. Getestet wurden diverse Parameter, darunter Latenz, Datenrate, Paketverlust und Jitter.

Für die Untersuchung wurden die drei Hauptanbieter in Deutschland – Telekom, Telefónica und Vodafone – ausgewählt. Als Endgeräte kamen ein iPhone XR (iOS) und ein Samsung Galaxy S20 (Android) zum Einsatz, um sowohl unterschiedliche Smartphone-Hersteller als auch die beiden führenden Betriebssysteme zu berücksichtigen.

Was waren die zentralen Fragestellungen deiner Arbeit?

Im Mittelpunkt der Untersuchung standen drei Fragestellungen:

1. Findet überhaupt ein Handover statt? In einem ersten Schritt habe ich überprüft, ob bei einem Wechsel vom WLAN- ins Mobilfunknetz ein Handover stattfindet oder ob der Anruf bei Verbindungsverlust einfach abbricht. Dies kann sowohl vom verwendeten Endgerät als auch vom jeweiligen Netzbetreiber abhängen. Ziel war es, zunächst festzustellen, ob ein Übergang zwischen den Netzen grundsätzlich möglich ist.
2. Wie lange dauert der Handover-Prozess? Wurde ein Handover erfolgreich durchgeführt, stellte sich die Frage nach dessen Dauer. Dabei habe ich gemessen, wie viel Zeit der Übergang benötigt und ob diese Verzögerung für den Nutzer spürbar ist oder praktisch unbemerkt bleibt.
3. Wie gut muss die Netzwerkverbindung mindestens sein, damit ein Handover gelingt? In einem weiteren Test habe ich untersucht, welche Anforderungen an die WLAN-Netzqualität (z. B. Signalstärke oder Stabilität) erfüllt sein müssen, damit ein WLAN-Call aufrechterhalten bzw. ein Handover erfolgreich durchgeführt werden kann.

Die Untersuchung bestand aus zwei Tests. Wie war der erste aufgebaut?

In einem ersten Test habe ich untersucht, ob das Smartphone bevorzugt WLAN-Call verwendet und zunächst die Netzbedingungen prüft, bevor ein Handover ausgelöst wird. Außerdem habe ich analysiert, wie viel Zeit vergeht, bis das Handover von VoLTE zu WLAN-Call während eines Anrufs bei einer neuen WLAN-Anbindung angestoßen wird.

Dabei kam ein speziell konfigurierter Router zum Einsatz – ein handelsüblicher TP-Link-Router, auf dem die Open-Source-Firmware OpenWRT installiert wurde. OpenWRT ist eine Linux-basierte Software, die es ermöglicht, detaillierte Netzwerkparameter manuell zu konfigurieren. Diese Art der Konfiguration ist mit herkömmlicher Router-Software in der Regel nicht möglich, weshalb ein Gerät verwendet werden musste, das mit OpenWRT kompatibel war.

Im Rahmen des Tests habe ich über die OpenWRT-Oberfläche gezielt verschiedene Netzwerkparameter verändert: Latenz (zunächst niedrig, dann erhöht), Datenrate (zunächst gering, dann erhöht), Bandbreite (verringert und anschließend erhöht) und Jitter (geringe bis starke Schwankungen). Der Unterschied zwischen Datenrate und Bandbreite besteht darin, dass die Datenrate angibt, welche Datenmenge innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens von einem Gerät zum nächsten übertragen wird. Die Bandbreite hingegen beschreibt die maximale Datenmenge, die eine Netzwerkverbindung – unabhängig vom Endgerät – in einer bestimmten Zeit übertragen kann, und wird meist in Megabit pro Sekunde (Mbit/s) gemessen. Die Signalstärke konnte mit dem Router nicht direkt beeinflusst oder gemessen werden, da dies auf Softwareebene nicht möglich ist. Daher wurden in den Tests nur die vier genannten Parameter berücksichtigt.

Für die Messungen führte ich jeweils zehn Wiederholungen durch, aus denen ich anschließend den Mittelwert berechnete. Einzelmessungen wären aus meiner Sicht nicht aussagekräftig genug gewesen, da sie die potenzielle Varianz im Verhalten nicht abbilden. Die Wiederholungen dienten dazu, zu erkennen, ob das Verhalten reproduzierbar war oder ob es sich möglicherweise nur um Ausnahmen handelte. Verschiedene Faktoren können zu Schwankungen in den Messergebnissen führen. Zwar lässt sich der Router lokal konfigurieren, jedoch ist das dahinterliegende Netz (z. B. das öffentliche Internet oder das Mobilfunknetz) nicht vollständig kontrollierbar. Dort können zusätzliche Einflüsse wie wechselnde Netzwerklast, Hintergrundverkehr oder temporäre Störungen auftreten, die die Messergebnisse beeinflussen. Daher war eine mehrfache Durchführung der Tests notwendig, um ein zuverlässigeres Bild zu erhalten und ungewöhnliche Ausreißer zu erkennen. Die zehn Wiederholungen führte ich zeitlich gestaffelt durch: fünf direkt hintereinander und die restlichen fünf einige Stunden später, um auch zeitabhängige Effekte zu berücksichtigen.

Wie lief der zweite Test ab?

Auch den zweiten Test führte ich unter Verwendung eines Routers mit der OpenWRT-Firmware durch und nahm ihn wiederholt vor, bis ein eindeutiges Ergebnis zu erkennen war. Ziel war es, zu untersuchen, wie stark sich eine zunehmende Netzverschlechterung – zum Beispiel in Form erhöhter Latenz – auf das Handover-Verhalten bei WLAN-Call auswirkte.

Zunächst wurde ein stabiler Zustand mit geringer Latenz hergestellt, und WLAN-Call wurde aktiviert. Anschließend erhöhte ich die Latenz schrittweise. Technisch bedeutet das: Der Router verzögerte, wie durch Einstellung gewollt, die Weiterleitung von Datenpaketen, sodass beim Empfänger eine spürbare Verzögerung entstand. Diese simulierte Latenzsteigerung ermöglichte es, zu beobachten, ab welchem Punkt das Handover vom WLAN- ins Mobilfunknetz ausgelöst wurde.

Die Messung diente nicht nur der technischen Erfassung des Übergangs, sondern auch der Bewertung aus Sicht der Nutzererfahrung: Eine gewisse Verzögerung – beispielsweise ein bis zwei Sekunden – kann vom Nutzer noch toleriert werden. Bei höherer Latenz – etwa fünf Sekunden – wird die Sprachkommunikation jedoch stark beeinträchtigt, selbst wenn das Handover technisch erfolgreich ist.

Daher betrachtete der Test auch, ab welchem Latenzwert das Gespräch für den Nutzer als störend und unangenehm empfunden werden könnte und in welchen Fällen es sinnvoll wäre, WLAN-Call zu deaktivieren und stattdessen auf die „klassische“ Mobilfunktelefonie zu setzen.

Ich führte den Test in beide Richtungen durch: Vom WLAN ins Mobilfunknetz und vom Mobilfunknetz zurück ins WLAN. Beim zweiten Fall begann die Messung mit zunächst schlechter Netzqualität, die dann schrittweise verbessert wurde, um zu analysieren, ab welchem Punkt das System den Übergang – also das Handover – zurück ins WLAN-Netz vornahm.

Was war das Hauptergebnis deiner Untersuchung?

Die Tests führte ich zu Hause und auch im Gebäude von ComConsult in Aachen-Oberforstbach durch. Bei der LTE-Nutzung verbindet sich das Smartphone mit einer Basisstation, deren Verkehrsdaten und Kanal-Auslastung unbekannt sind. Daher sollten Tests an einem weiteren Ort erfolgen, um die Vergleichbarkeit zu prüfen. In Oberforstbach zeigten sich ähnliche Ergebnisse wie bei mir zu Hause. Bei sehr hoher Latenz oder niedrigen Datenraten sind Abweichungen möglich, die in meinen Messungen aber vernachlässigbar waren. Allgemeine Aussagen lassen sich jedoch nicht treffen, denn dazu müsste man weitere Standorte testen.

Wie bereits erwähnt, verwendete ich für die Messungen ein iPhone XR und ein Samsung Galaxy S20 und setzte im Wechsel die SIM-Karten der drei großen Netzanbieter Telekom, Telefónica und Vodafone ein.

Der erste Test „Einsatz von WLAN-Call“ zeigte, dass beide Smartphones bei den Mobilfunkanbietern Telefónica und Vodafone WLAN-Call nahezu unabhängig von den Gegebenheiten WLAN Call einsetzen. Beide Smartphones lösten das Handover direkt aus, wenn WLAN vorhanden war.

Ich maß auch, wie viel Zeit das Smartphone bei unterschiedlichen Parametern benötigte, um das Handover auszulösen. Ziel war es, das Verhalten des Smartphones zu analysieren, insbesondere, ob es einen Unterschied zeigt, wenn die Datenrate des WLAN 10 oder 100 KBit/s beträgt, und ob das Smartphone solche Unterschiede bei einem Handover überhaupt wahrnimmt. Da die gemessenen Zeiten bei den verschiedenen Parametern kaum variierten, schlussfolgerte ich, dass beide Smartphones die Netzbedingungen für das Handover von Mobilfunktelefonie zu WLAN-Call zunächst nicht überprüfen. Dies führt dazu, dass auch sehr schlechte Verbindungen mit niedriger Datenrate und hoher Latenz für WLAN-Call genutzt werden, was für den Nutzer nicht optimal ist.

Die Tests mit dem Mobilfunkanbieter Telekom zeigten, dass das iPhone XR dazu tendierte, VoLTE einzusetzen. WLAN-Call war auf dem Samsung S20 möglich, aber es schnitt schlechter ab als bei den beiden anderen Anbietern. So benötigte das Samsung Galaxy S20 bei Vodafone und Telefónica bei einem Test mit unterschiedlichem Jitter bis zu 500ms zwischen 2,5s uns 3s, um das Handover auszulösen, während die Werte bei der Telekom zwischen 3,8s und 4,1s lagen.

Der zweite Test „Ermittlung der Grenzen für die Erzwingung eines Handovers“ zeigte, dass das Handover von WLAN-Call zu VoLTE erst bei sehr schlechten Netzbedingungen des WLANs ausgelöst wird. In diesen Situationen waren die Anrufe stark gestört und verzögert, und es ist sehr wahrscheinlich, dass ein Telefonat unter solchen Bedingungen in der Realität vom Nutzer vorzeitig beendet und neu gestartet würde. Beispiel: Das Samsung S20 wechselte vom WLAN-Call zu VoLTE für alle drei Anbieter, wenn die Latenz des WLANs mindestens 5 Sekunden betrug. Dabei ist zu beachten, dass es keine klare Grenze gab, sondern die Ergebnisse leicht variierten. In den Tests kam es vor, dass WLAN-Call noch möglich war, obwohl die Latenz über 5s lag. Gespräche bei solchen Verzögerungen waren schwer bis gar nicht zu führen. Leider erkennt das Smartphone nicht, dass der Nutzer dabei Schwierigkeiten hat und setzt den Anruf fort.

Die Tests zeigten außerdem, ob das Handover während eines laufenden Anrufs erfolgt und somit als unterbrechungsfrei bezeichnet werden kann. Beim Samsung S20 war das Handover trotz schlechter Netzbedingungen unterbrechungsfrei. Beim iPhone XR war es in der Regel nicht unterbrechungsfrei. In den meisten Fällen musste der Anruf beendet und neu gestartet werden.

Die WLAN-Signalstärke, bei der ein Handover ausgelöst wurde, lag für alle Anbieter ungefähr gleich. Das Handover von WLAN zu LTE erfolgte, wenn die Signalstärke des WLANs zwischen -86 dBm und -88 dBm lag. Das Handover von LTE zu WLAN war erst zwischen -71 dBm und -73 dBm möglich. Einerseits kann so ein Verhalten als robust bezeichnet werden, andererseits zeigt es, dass das System bei schlechten Bedingungen nicht optimal reagiert, da Gespräche unter solchen Bedingungen häufig kaum möglich sind.

Was ist das Fazit und deine Empfehlung?

Wenn sich ein Unternehmen entscheidet, dass eine WLAN-Versorgung für die Telefonie ausreicht und ein Inhouse-Mobilfunksystem nicht nötig ist, muss überlegt werden, welcher Anbieter und welches Smartphone eingesetzt werden sollen. Entsprechende Tests sollten durchgeführt werden, da die Ergebnisse standortabhängig variieren können. Die relevanten Parameter müssen bekannt sein, und es sollte kommuniziert werden, wann WLAN-Call genutzt werden kann und wann nicht. Obwohl das Handover im Normalfall zuverlässig funktioniert, kann es im Falle eines Anrufs zu Störungen wie Unterbrechungen, Verzögerungen oder gar Ausfällen kommen, die vom Anwender als unangenehm oder sogar inakzeptabel wahrgenommen werden.

Smartphones sind derzeit nicht in der Lage, selbstständig zu erkennen, wann ein Handover standfinden sollte. Sie greifen lediglich auf Parameter zurück, die vom Anbieter oder Hersteller vorgegeben werden. Sie berücksichtigen jedoch nicht, dass bestimmte Übergänge für den Nutzer unangenehm sein können, beispielsweise bei sehr hoher Latenz, Paketverlusten oder zu geringer Datenrate. Die Geräte prognostizieren oder prüfen Netzbedingungen nicht eigenständig in verlässlicher Weise. Solche Entscheidungen würden erfordern, dass ein intelligentes System die aktuelle Situation bewertet; dies ist bei den Smartphones derzeit noch nicht der Fall. Daher ist es wichtig, diese Aspekte im Blick zu behalten und entsprechende Einstellungen oder Eingriffe durch den IT-Support vorzunehmen. Qualifizierte Mitarbeiter sollten regelmäßig das Netz hinsichtlich Latenz, Bandbreite und Verfügbarkeiten überwachen und festlegen, wann Mitarbeiter beispielsweise VoLTE beibehalten oder auf WLAN-Call wechseln sollten.