Datenübertragungsrate

Die Datenübertragungsrate (auch Datentransferrate, Datenrate) bezeichnet die digitale Datenmenge, die innerhalb einer Zeitspanne über einen Übertragungskanal übertragen wird. Umgangssprachlich werden auch die Begriffe Übertragungsgeschwindigkeit, Verbindungsgeschwindigkeit sowie (sprachlich nicht exakt, da die Begriffe eigentlich für zwar verwandte, aber andere Größen stehen) Bandbreite oder Kapazität gleichbedeutend verwendet.

Die maximal mögliche Datenübertragungsrate, die fehlerfrei über einen Kanal übertragen werden kann, wird als Kanalkapazität bezeichnet. Zusammen mit der Latenzzeit (Antwortverzögerung) ist sie ein Maß für die Leistungsfähigkeit eines Kanals. Ein Kanal kann beispielsweise eine Verbindung im Rechnernetz, die Verbindung zum Internetdienstanbieter oder die Schnittstelle zu einem Datenspeicher sein.

Maße der Datenübertragungsrate

Die Datenübertragungsrate wird gemessen durch das Zählen von Dateneinheiten pro Zeitspanne (Datendurchsatz). Die kleinste Dateneinheit ist das Bit, weshalb die Übertragungsrate häufig als Bitrate in der Einheit Bit pro Sekunde bzw. englisch bits per second angegeben wird (Bit/s bzw. bit/s, häufig kurz bps, früher b/s). Größere Datenmengen werden demnach in kilo-, Mega- oder Gigabit pro Sekunde usf. angegeben (kbit/s oder kbps bzw. Mbit/s bzw. Mbps, Gbit/s bzw. Gbps).

$C={\frac {D}{t}}$

Dabei ist C die Datenübertragungsrate, D die Datenmenge und t die Zeit.

Vielfache dieser Einheit können mit Einheitenvorsätzen gebildet werden, beispielsweise steht 1 kbit/s für 1000 bit/s. Bei Datenübertragungsraten werden die Einheitenvorsätze traditionell in ihrer SI-konformen dezimalen Bedeutung verwendet. So überträgt beispielsweise Gigabit Ethernet bei 125 MBaud durch das 5-PAM-Modulationsverfahren mit 2 bit pro Symbol und Adernpaar über vier Adernpaare 1.000.000.000 bit/s. Gleiches gilt bei Datenraten von Audiosignalen (Audio-CD: Abtastrate von 44,1 kHz bei zwei Kanälen mit je 16 bit = 1.411.200 bit/s, MP3: 128 kbit/s = 128.000 bit/s).

In Bereichen, in denen eine parallele Datenübertragung eingesetzt wird (vor allem beim Zugriff auf Datenspeicher über einen Datenbus), wird die Übertragungsrate auch häufig in Byte pro Sekunde (Byte/s, kurz B/s auf Englisch Bps) angegeben, womit üblicherweise Vielfache von 8 Bit pro Sekunde gemeint sind; man muss also darauf achten, ob eine Übertragungsrate z.B. mit 1 MB/s oder mit 1 Mbit/s angegeben wird (erstere Angabe entspricht exakt dem Achtfachen der Geschwindigkeit der letzteren). Eine Angabe in Baud ist dagegen falsch, denn das ist die Einheit für die Schrittgeschwindigkeit bzw. Symbolrate (Baudrate).

Häufig ist es bei einem angegeben Wert unklar, an welcher Stelle bzw. welcher Protokollebene diese Datenrate erzielt wird und welche Datenrate dem Benutzer tatsächlich zur Verfügung steht. Zum Beispiel können bei USB 2.0 Hi-Speed mit einer nominellen Geschwindigkeit von 480 Mbit/s nur ca. 300 Mbit/s zur Übertragung genutzt werden. Bei Ethernet bezieht sich die angegebene Datenrate immer auf die MAC-Ebene; die physische Datenrate kann wesentlich höher sein, je nach Leitungscode. Bei Fibre Channel wird immer die (gerundete) physische Datenrate angegeben, tatsächlich nutzbar sind 20 % weniger (bis 8 Gbit/s), ebenso bei Serial ATA und Serial Attached SCSI.

Zusammenhang zwischen Datenübertragungsrate, Bandbreite und Schrittgeschwindigkeit

Die Kanalkapazität (maximale Datenübertragungsrate), Bandbreite und Schrittgeschwindigkeit hängen miteinander zusammen. Dieser Zusammenhang wird durch das Shannon-Hartley-Gesetz beschrieben und auch als Nachrichtenquader der Nachrichtentechnik bezeichnet. Für einen Übertragungskanal mit der Bandbreite B und dem Störabstand SNR mit additivem weißem Rauschen steht die maximal erreichbare, fehlerfreie Datenübertragungsrate C in folgendem Zusammenhang:

$C=B\cdot \log _{2}(1+{\text{SNR}})$

Das bedeutet, sowohl die Bandbreite als auch der Störabstand beeinflussen die Kanalkapazität. Eine vorgegebene Datenübertragungsrate lässt sich sowohl in einem Übertragungskanal mit großem Störabstand und geringer Bandbreite als auch in einem solchen mit geringerem Störabstand, aber entsprechend größerer Bandbreite erreichen.

Wesentlich ist dabei, dass diese Gesetzmäßigkeit nur bei weißem Rauschen gilt, dessen Amplituden normalverteilt sind. Diese Störgröße wird auch als additives weißes gaußsches Rauschen bezeichnet, im Englischen additive white Gaussian noise oder AWGN. Übertragungskanäle, welche nur diese Störungen aufweisen und sich mit obiger Gleichung charakterisieren lassen, werden daher auch als AWGN-Kanäle bezeichnet. Bei Störsignalen mit anderer Verteilung des Rauschspektrums gilt dieser Zusammenhang nicht mehr. Da die Normalverteilung jedoch die maximale differentielle Entropie besitzt, ist WGN als Worst-Case-Störung meist ein hinreichendes Modell für einen gestörten Kanal.

Wenn der Störabstand groß genug ist, können digitale Modulationsverfahren eingesetzt werden, z.B. QAM oder QPSK. Dadurch können mehr als zwei Zustände (mehr als 1 Bit) pro Symbol codiert werden. Die Übertragungsrate ergibt sich dann als Produkt aus der Symbolrate und dem dualen Logarithmus der pro Symbol möglichen M Zustände.

$R=f_{s}\cdot \log _{2}(M)\quad \left\lbrack {\frac {{\text{bit}}}{{\text{s}}}}\right\rbrack$

In der einfachsten Variante nimmt ein digitales Signal zwei Zustände ein, die man mit „0“ und „1“ bezeichnen kann. Das nennt man binär. Drei Zustände bezeichnet man mit ternär. Bei gleicher Bitrate und drei Zuständen für den Signalparameter beträgt die benötigte Bandbreite nur noch 63 % der Bandbreite (Siehe Nyquist-Bandbreite unter Shannon-Hartley-Gesetz: ${\tfrac {\ln(2)}{\ln(3)}}\approx 0{,}63$ ), die für binäre Übertragung benötigt wird. Vier Zustände bezeichnet man quarternär – bei gleicher Bitrate und vier Zuständen je Symbol beträgt die benötigte Bandbreite nur noch 50 %.

In jedem Fall stellt die Kanalkapazität die obere Schranke für die Datenrate dar, d.h., es ist mit keinem Verfahren möglich, mehr Informationen pro Zeiteinheit über einen Kanal zu übertragen, als durch dessen Kapazität angeben ist (shannonsches Quellencodierungstheorem):

$R\leq C$

Beispiele für Datenübertragungsraten

Kabelgebunden

Standard	Datenübertragungsrate	Bemerkung
DVB-C	4–5 Mbit/s	MPEG-2-Kodierung für Video
DVB-C HD	6–18 Mbit/s	MPEG-4 AVC-Kodierung für Video
DVB-C2	5–8 Mbit/s	MPEG-4 AVC-Kodierung für Video
FireWire 400	ca. 400 Mbit/s
Firewire 800	ca. 800 Mbit/s	eine weitere, mit den bisherigen Standards abwärtskompatible Spezifikation Firewire S3200 mit demselben 9-poligen Steckertyp wie FW 800 erreicht bis zu ca. 3,2 Gbit/s und wird vor allem für professionelle Anwendungen im Audio- und TV-Bereich weiterentwickelt und eingesetzt
I²C	0,1/0,4/1,0/3,4 Mbit/s
M.2	32 Gbit/s	PCIe ×4, 128b130b-codiert
Parallel ATA (IDE)	bis 1064 Mbit/s	16 bit parallel
Parallel SCSI	40–2560 Mbit/s	je nach Typ, 8 oder 16 bit parallel
SAS-1 (Serial Attached SCSI)	3 Gbit/s	8b10b-codiert
SAS-3	12 Gbit/s	8b10b-codiert
Serial ATA	1,5 Gbit/s	8b10b-codiert
Serial ATA Revision 2.x	3 Gbit/s	8b10b-codiert
Serial ATA Revision 3.x	6 Gbit/s	8b10b-codiert
External Serial ATA (eSATA)	3 Gbit/s	8b10b-codiert
SATA Express	16 Gbit/s	PCIe ×2, 128b130b-codiert
Thunderbolt (Schnittstelle)	10 Gbit/s	auch bekannt als Lightpeak
Thunderbolt 2 (Schnittstelle)	20 Gbit/s
Thunderbolt 3 (Schnittstelle)	40 Gbit/s
USB 1.1	1,5 oder 12 Mbit/s
USB 2.0	480 Mbit/s	nur bei mit dem Zertifizierungslogo versehenen Geräten voll erreicht
USB 3.0	5 Gbit/s	Bruttorate mit 8b10b-Kodierung
USB 3.1	10 Gbit/s	Bruttorate mit 128b132b-Kodierung

Drahtlos

Funksignale:

Standard	Datenübertragungsrate	Bemerkung
Marssonde Mariner 4 (1964)	8,3 bit/s
GSM (Mobilfunk)	9,6 kbit/s
IrDA 1.0 (Infrarotschnittstelle)	9,6–115 kbit/s
IrDA 1.1	4 Mbit/s
IrDA 1.3	16 Mbit/s
GPRS (Mobilfunk 2G)	53,6 kbit/s (theoretisch bis 171,2 kbit/s)
Merkursonde Mariner 10 (1973)	100–150 kbit/s
EDGE (Mobilfunk 2G)	Download: 260 kbit/s Upload: 220 kbit/s
BGAN (Internet über Satellit)	bis zu 420 kbit/s
DECT (drahtlose Festnetztelefone)	ca. 800 kbit/s
UMTS (Mobilfunk 3G)	384 kbit/s
HSDPA (mobile Datenübertragung 3.5G)	3,6/7,2 Mbit/s
Digital Radio Mondiale	11–26 kbit/s
DRM+	35–185 kbit/s
DMB	1–2 Mbit/s
Bluetooth 2.0+EDR	3 Mbit/s
DVB-T	2–3 Mbit/s	MPEG-2-Kodierung für Video
DVB-S	4–5 Mbit/s	MPEG-2-Kodierung für Video
DVB-S2	5–20 Mbit/s	MPEG-4-Kodierung für Video
WiMAX	40–100 Mbit/s
3GPP (LTE) (Mobilfunk 3.9G)	Download: 300 Mbit/s Upload: 75 Mbit/s
LTE-Advanced (Mobilfunk 4G)	1000 Mbit/s
WLAN (drahtlose Datenübertragung)	1–6933 Mbit/s	im verbreiteten Standard IEEE 802.11g typischerweise 20 Mbit/s netto und 65 Mbit/s brutto
ZigBee	250 kbit/s

Rechnernetz

Rechnernetze:

Standard	Datenübertragungsrate	Bemerkung
Arcnet	2,5 Mbit/s, 20 Mbit/s	Alt-Technik.
Token Ring	4 Mbit/s, 16 Mbit/s	Alt-Technik. Spezifikation für 100 Mbit/s und 1000 Mbit/s sind vorhanden.
Ethernet	10 Mbit/s bis 100 Gbit/s
PowerLAN	14/85/200/500/1200 Mbit/s
Fibre Channel	1 bis 128 Gbit/s
InfiniBand	60 Gbit/s	bei 12-kanaliger Verbindung
einzelner Lichtwellenleiter	107 Gbit/s	Rekord für einen einzelnen Leiter ohne Frequenzmultiplex über 160 km
Interkontinental-Lichtwellenleiterbündel	1 Tbit/s
Laser	43 Tbit/s	Weltrekord für die schnellste Datenübertragung mit einem Laser

Internet

Beim Internetzugang:

Standard	Datenübertragungsrate	Bemerkung
Modem	maximal 56 kbit/s
ISDN	64 kbit/s, 128 kbit/s bei Nutzung beider B-Kanäle 2 Mbit/s bei Primärmultiplexanschluss
ADSL	384 kbit/s Down- und 64 kbit/s Upstream (DSL „light“) bis 25 Mbit/s Down- und 3,5 Mbit/s Upstream (ADSL2+)
VDSL	25 Mbit/s bis 300 Mbit/s
DOCSIS (TV-Kabel)	10 Gbit/s Down- und 1 Gbit/s Upstream
Fibre to the Home (FTTH; Glasfaser)	1+ Gbit/s Downstream

Video- und Audiosignale

Standard	Datenübertragungsrate	Bemerkung
Gespräch in Telefonqualität	64 kbit/s	etwa 3,1 kHz Bandbreite (ISDN – wobei praktisch keine Techniken der Irrelevanz- und Redundanz-Reduktion („Komprimierung“) angewandt werden.)
Komprimierte Musikdatei	üblicherweise zwischen etwa 24 kbit/s (Streaming Audio über analoges Telefonmodem) und 9,8 Mbit/s (maximale Datenrate für verlustfrei komprimierte Mehrkanaltonspuren einer SACD/DVD-A)
Verlustfrei komprimierte Musikdatei	zwischen 320 kbit/s und 5000 kbit/s je nach Quelle	Flac
Audio-CD	ca. 1411 kbit/s, Abtastrate 44,1 kHz, 16 Bit und zwei Kanäle	praktisch ohne Irrelevanz- und Redundanz-Reduktion
SD-Fernseh-Bild	ca. 3 Mbit/s	MPEG-2-komprimiert
Video-DVD	ca. 6 Mbit/s	MPEG-2-komprimiert
SD-Video	ca. 400 Mbit/s	576p 50 Hz unkomprimiert
HD-Video	ca. 1,3 Gbit/s	720p 60 Hz 24b/px unkomprimiert
Full-HD-Video	ca. 3 Gbit/s	1080p 60 Hz 24b/px unkomprimiert
4K-UHD1-Video (2160p)	ca. 10,2 Gbit/s bei 30 Hz ca. 14,93 Gbit/s bei 60 Hz	2160p
8K-UHD2-Video	ca. 24 Gbit/s	4320p 120 Hz

Höhere Datenübertragungsraten neuerer Technologien ermöglichen zunehmend die Übertragung immer breitbandigerer Audio- und Videosignale.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de