Datenübertragungsrate

Grundbegriff und Bedeutung

Die Datenübertragungsrate, auch Datentransferrate oder Datenrate genannt, bezeichnet die Übertragungsgeschwindigkeit, mit der eine bestimmte Datenmenge innerhalb eines Zeitintervalls über einen Übertragungskanal übertragen wird. Bei der Übertragung von einem Absender zu einem Empfänger durchlaufen Daten oder Informationen einen solchen Kanal. Die Datenübertragungsrate beschreibt dabei den Informationsfluss in Binärziffern pro Zeitspanne.

Ein Übertragungskanal kann zum Beispiel eine Verbindung in einem Rechnernetz, eine Schnittstelle zu einem Speichermedium oder die Verbindung zu einem Internetdienstanbieter sein. Die Qualität eines Internetzugangs wird heute wesentlich an seiner Datenübertragungsrate gemessen.

Die Bitrate gibt die Datenmenge in einem digitalen Netz an. Übliche Einheiten sind bit/s, kbit/s, Mbit/s und Gbit/s. Die Datenübertragungsrate ist von verwandten Begriffen zu unterscheiden: Bandbreite und Kapazität werden häufig ungenau verwendet, stehen aber eigentlich für andere Größen. Der Datendurchsatz berücksichtigt nur die reinen Nutzdaten, während bei der Datenübertragungsrate auch Steuerdaten enthalten sein können. Die maximal mögliche, fehlerfrei übertragbare Datenübertragungsrate heißt Kanalkapazität. Zusammen mit der Latenzzeit, also der Antwortverzögerung, beschreibt sie die Leistungsfähigkeit eines Kanals.

Abhängige Größen, Übertragungsarten und Kategorien

Die Datenübertragungsrate ist nicht immer konstant. Sie hängt unter anderem vom Kommunikationsprotokoll, vom Mobilfunkstandard wie 4G oder 5G, von der Leitungsqualität, der Netzabdeckung, der Netzlast, dem Endgerätetyp, der Zahl der Benutzer in einer Funkzelle und der verfügbaren Bandbreite ab. Glasfaserkabel haben geringere Übertragungsverluste und deutlich höhere Datenübertragungsraten als Kupferkabel. Je größer die Bandbreite eines Kanals ist, desto mehr Daten können pro Zeitspanne übertragen werden. Bei Überlastung eines Datennetzes kann es zu einem Denial of Service kommen.

Man unterscheidet zwei grundlegende Übertragungsarten:

• Bei der symmetrischen Datenübertragung sind Download- und Upload-Rate gleich groß. Typische Anwendungen sind Sprachübertragung im Mobilfunk und Videokonferenzen.
• Bei der asymmetrischen Datenübertragung unterscheiden sich Download- und Upload-Rate. Meist ist die Download-Bitrate wesentlich höher. Ein typisches Beispiel ist das Internet über DSL-Anschlüsse, da Nutzer gewöhnlich viel mehr Daten herunterladen als hochladen.

Für Datenübertragungen werden außerdem drei Geschwindigkeitskategorien genannt: Low Speed bis maximal 1,5 Mbit/s, etwa für Tastatur oder Computermaus; Full Speed bis maximal 12 Mbit/s; und High Speed bis maximal 480 Mbit/s, etwa für Musikstreaming, Video-Streaming und Videokonferenzen.

Einheiten und Berechnung

Die Datenübertragungsrate C berechnet sich aus der Datenmenge D geteilt durch die Zeitspanne t:

C = D/t.

Wird die Datenmenge in Bit und die Zeit in Sekunden angegeben, lautet die Einheit Bit pro Sekunde, also Bit/s beziehungsweise bit/s, früher b/s. Größere Werte werden mit dezimalen SI-Vorsätzen angegeben: 1 kbit/s = 1.000 bit/s, 1 Mbit/s = 1.000 kbit/s und 1 Gbit/s = 1.000 Mbit/s. Die Vorsätze sind hier nicht binär; 1 kbit/s bedeutet daher 1.000 bit/s und nicht 1.024 bit/s.

Ein Beispiel ist Gigabit-Ethernet über Kupferkabel: Bei 125 MBaud, dem 5-PAM-Modulationsverfahren mit 2 bit pro Symbol und vier Adernpaaren ergibt sich 1.000.000.000 bit/s (= 1 Gbit/s = 125 MBaud × 2 bit pro Symbol × vier Adernpaare). Eine Audio-CD mit 44,1 kHz Abtastrate, zwei Kanälen und 16 bit besitzt eine Datenübertragungsrate von 1.411.200 bit/s, also den üblich angegebenen 1.411 kbit/s. Auch 128 kbit/s bei MP3 entsprechen 128.000 bit/s.

Bei paralleler Datenübertragung, besonders beim Zugriff auf Datenspeicher über einen Datenbus, wird die Rate auch in Byte pro Sekunde angegeben. Da 1 Byte 8 Bit entspricht, ist 1 MB/s exakt achtmal so schnell wie 1 Mbit/s. Baud ist dagegen die Einheit der Schrittgeschwindigkeit beziehungsweise Symbolrate und nicht der Datenübertragungsrate.

Nominelle und tatsächlich nutzbare Datenrate können voneinander abweichen. Bei USB 2.0 Hi-Speed stehen von nominell 480 Mbit/s nur ungefähr 300 Mbit/s für die Übertragung zur Verfügung. Bei Ethernet bezieht sich die angegebene Rate auf die MAC-Ebene; die physische Datenrate kann abhängig vom Leitungscode höher sein. Bei Fibre Channel werden gerundete physische Datenraten angegeben, tatsächlich nutzbar sind 20 % weniger, bis 8 Gbit/s. Vergleichbare Unterschiede gibt es bei Serial ATA und Serial Attached SCSI.

Bandbreite, Störungen und Modulation

Kanalkapazität, Bandbreite und Schrittgeschwindigkeit stehen miteinander in Verbindung. Für einen Kanal mit der Bandbreite B und dem Störabstand SNR bei additivem weißem Rauschen beschreibt das Shannon-Hartley-Gesetz die maximal erreichbare fehlerfreie Datenübertragungsrate C:

C = B · log₂(1 + SNR).

Sowohl eine größere Bandbreite als auch ein größerer Störabstand können die Kanalkapazität erhöhen. Eine bestimmte Datenrate kann deshalb entweder über einen Kanal mit großer Bandbreite und geringerem Störabstand oder über einen Kanal mit kleinerer Bandbreite und größerem Störabstand erreicht werden.

Die Gleichung gilt für weißes Rauschen mit normalverteilten Amplituden. Dieses additive weiße gaußsche Rauschen heißt auf Englisch additive white Gaussian noise, kurz AWGN. Kanäle, die nur diese Störung aufweisen, werden AWGN-Kanäle genannt. Bei einer anderen Verteilung des Rauschspektrums gilt der Zusammenhang nicht mehr. Wegen der maximalen differentiellen Entropie der Normalverteilung gilt WGN meist als hinreichendes Worst-Case-Modell für einen gestörten Kanal.

Bei ausreichend großem Störabstand können digitale Modulationsverfahren wie Quadraturamplitudenmodulation und Quadraturphasenumtastung mehr als zwei Zustände und damit mehr als 1 Bit pro Symbol übertragen. Die Datenrate R ergibt sich aus der Symbolrate fs und der Anzahl M möglicher Zustände pro Symbol:

R = fs · log₂(M) [bit/s].

Zwei Zustände entsprechen einer binären Übertragung, drei einer ternären und vier einer quaternären Übertragung. Bei gleicher Bitrate benötigt eine ternäre Übertragung nur etwa 63 % der Bandbreite einer binären Übertragung, da ln(2)/ln(3) ≈ 0,63. Bei vier Zuständen sind es 50 %. Die Kanalkapazität bleibt immer die obere Grenze: R ≤ C. Kein Verfahren kann mehr Informationen pro Zeitspanne übertragen, als die Kanalkapazität erlaubt.

Typische Datenraten verschiedener Systeme

Die Tabellen des Artikels zeigen eine große Spannweite von Datenübertragungsraten. Bei kabelgebundenen Schnittstellen reichen die Werte beispielsweise von I²C mit 0,1/0,4/1,0/3,4 Mbit/s über USB 1.0/1.1 mit 1,5/12 Mbit/s bis zu USB4 mit 20–40 Gbit/s. USB 2.0 erreicht nominell 480 Mbit/s, USB 3.0 beziehungsweise USB 3.1 Gen 1 und USB 3.2 Gen 1 5 Gbit/s, USB 3.1 Gen 2 beziehungsweise USB 3.2 Gen 2 10 Gbit/s und USB 3.2 Gen 2x2 20 Gbit/s. Thunderbolt erreicht 10 Gbit/s, Thunderbolt 2 20 Gbit/s und Thunderbolt 3 40 Gbit/s. Serial ATA kommt je nach Revision auf 1,5, 3 oder 6 Gbit/s; NVM Express ist mit 32 Gbit/s angegeben.

Bei drahtlosen Systemen reichen die Beispiele von DCF77 mit 1 bit/s und der Marssonde Mariner 4 von 1964 mit 8,3 bit/s bis zu WLAN mit 1–6933 Mbit/s. GSM erreicht 9,6 kbit/s, ZigBee 250 kbit/s, UMTS 384 kbit/s, HSDPA 3,6/7,2 Mbit/s, Bluetooth 2.0+EDR 3 Mbit/s, WiMAX 40–100 Mbit/s und LTE-Advanced 1000 Mbit/s. Für den verbreiteten WLAN-Standard IEEE 802.11g werden typischerweise 20 Mbit/s netto und 56 Mbit/s brutto genannt. Bei LTE sind 300 Mbit/s Download und 75 Mbit/s Upload angegeben.

Bei DSL reichen die Werte von ADSL mit 1,5 bis 9 Mbit/s Downstream und 64 kbit/s bis 1,5 Mbit/s Upstream über SDSL und HDSL mit jeweils 3 beziehungsweise 2 Mbit/s in beide Richtungen bis VDSL mit 13 bis 52 Mbit/s Downstream und 24 Mbit/s Upstream. Für Internetzugänge werden unter anderem Modem mit maximal 56 kbit/s, ISDN mit 64 kbit/s beziehungsweise 128 kbit/s bei beiden B-Kanälen, ADSL2+ mit bis 25 Mbit/s Downstream und 3,5 Mbit/s Upstream, VDSL mit 25 bis 300 Mbit/s, DOCSIS mit 10 Gbit/s Downstream und 1 Gbit/s Upstream sowie FTTH mit 1+ Gbit/s Downstream genannt.

In Rechnernetzen reichen die Beispiele von Arcnet mit 2,5 beziehungsweise 20 Mbit/s und Token Ring mit 4 beziehungsweise 16 Mbit/s bis zu Ethernet mit 10 Mbit/s bis 400 Gbit/s. Fibre Channel ist mit 1 bis 128 Gbit/s angegeben, InfiniBand mit 200 Gbit/s bei HDR und vierkanaliger Verbindung. Für einzelne oder gebündelte Lichtwellenleiter werden 107 Gbit/s beziehungsweise 1 Tbit/s genannt; als Weltrekord für die schnellste Datenübertragung mit einem Laser sind 43 Tbit/s angegeben. Die genannten maximalen Raten unterliegen einer laufenden technischen Weiterentwicklung und können daher nur kurze Zeit aktuell sein.

Audio, Video und technische Anwendungen

Audio- und Videosignale benötigen je nach Qualität und Kompression sehr unterschiedliche Datenraten. G.711 verwendet 64 kbit/s und ist ein Telefonie-Codec ohne Irrelevanz- und Redundanz-Reduktion, Fehlererkennung oder Fehlerkorrektur. Komprimierte Musikdateien liegen üblicherweise zwischen etwa 24 kbit/s und 9,8 Mbit/s; verlustfrei komprimierte Musikdateien zwischen 320 kbit/s und 5000 kbit/s. Eine Audio-CD benötigt etwa 1411 kbit/s bei 44,1 kHz, 16 Bit und zwei Kanälen. SD-Fernsehbilder benötigen ungefähr 3 Mbit/s, eine Video-DVD etwa 6 Mbit/s. Unkomprimiertes SD-Video liegt bei etwa 400 Mbit/s, HD-Video bei etwa 1,3 Gbit/s, Full-HD-Video bei etwa 3 Gbit/s, 4K-UHD1-Video bei etwa 10,2 Gbit/s bei 30 Hz und 14,93 Gbit/s bei 60 Hz sowie 8K-UHD2-Video bei etwa 24 Gbit/s.

Die Datenübertragungsrate ist eine wichtige technische Angabe bei der Auswahl von Endgeräten. Bei einer Compact Disc wird die Drehzahl so verändert, dass die Datenrate konstant bleibt: Sie sinkt beim Lesen von innen nach außen von 500 1/min auf 200 1/min. Bei ISDN können B-Kanäle durch Kanalbündelung zusammengefasst werden, wodurch sich die Datenübertragungsrate theoretisch verdoppelt.

Für einseitig laufende Echtzeitdienste wie Video-Streaming und Internetfernsehen sind hohe bis sehr hohe Datenübertragungsraten erforderlich; für Video-Streaming werden beispielsweise mindestens 1,5 Mbit/s genannt. Asymmetrische Datenübertragung und Zeitverzögerung sind bei diesen Diensten grundsätzlich kein Problem, die Dienste reagieren jedoch empfindlich auf Schwankungen der Datenrate.