Datenübertragungsrate

Die Datenübertragungsrate (auch Datentransferrate, Datenrate oder umgangssprachlich Übertragungsgeschwindigkeit, Verbindungsgeschwindigkeit sowie, nicht ganz zutreffend, „Bandbreite“ oder „Kapazität“ genannt) bezeichnet die digitale Datenmenge, die innerhalb einer Zeiteinheit über einen Übertragungskanal übertragen wird.

Die maximal mögliche Datenübertragungsrate, die fehlerfrei über einen Kanal übertragen werden kann, wird als Kanalkapazität bezeichnet. Diese ist zusammen mit der Latenzzeit (Antwortverzögerung) 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 Zeiteinheit (Durchsatz von Daten). Die kleinste Dateneinheit ist das Bit, weshalb sie häufig als Bitrate in der Einheit Bit pro Sekunde (bit/s, kurz b/s auf englisch bps) angegeben wird.

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). Vereinzelt werden in jüngerer Zeit Einheitenvorsätze auch in einer hybriden binär/dezimalen Bedeutung verwendet. Bezeichnete die Angabe 768 kbit/s bei ADSL eine Übertragungsrate von 768.000 bit/s, so steht die Bezeichnung 6 Mbit/s bei ADSL häufig, aber nicht durchgängig für 6.144.000 bit/s (= 6 × 1.024 × 1.000).

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 (letztere Angabe entspricht exakt einem Achtel der Geschwindigkeit der ersten).

Eine Angabe in Baud ist dagegen falsch, denn dies ist die Einheit für die „Schrittgeschwindigkeit“ bzw. „Symbolrate“ (Baudrate).

Zusammenhang zwischen Datenübertragungsrate, Bandbreite und Schrittgeschwindigkeit

Zwischen Bandbreite und maximaler Datenübertragungsrate (=Kanalkapazität) besteht ein fester Zusammenhang, welcher auch als Shannon-Hartley-Gesetz bezeichnet wird und der manchmal auch als Nachrichtenquader der Nachrichtentechnik bezeichnet wird. 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:

$C = B \cdot \log_2(1+\mathrm{SNR})$

Wesentlich ist dabei, dass diese Gesetzmäßigkeit nur bei weißem Rauschen, dessen Amplituden normalverteilt sind, gilt. Man bezeichnet jene Störgröße auch als additives weißes gaußsches Rauschen, im Englischen als additive white gaussian noise oder AWGN bezeichnet. Übertragungskanäle, welche nur diese Störungen aufweisen und sich mit jener Gleichung charakterisieren lassen, werden daher auch als AWGN-Kanal bezeichnet. Bei Störsignalen mit anderer Verteilung des Rauschsignals gilt dieser Zusammenhang nicht mehr.

Wenn es der Störabstand SNR erlaubt, können digitale Modulationsverfahren eingesetzt werden, bei denen mehr als zwei Zustände pro Übertragungsschritt möglich sind, z. B. QAM oder QPSK. Die Übertragungsgeschwindigkeit ergibt sich dann als Produkt aus der Schrittgeschwindigkeit und der Anzahl der möglichen Zustände, also der Anzahl der Bits pro Schritt.

Üblicherweise nimmt ein digitales Signal zwei Zustände ein, die man mit „0“ und „1“ bezeichnen kann. Dies 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): ${\ln(2)}/{\ln(3)}\approx 0{,}63$), die für binäre Übertragung benötigt wird.

Störabstand und Bandbreite verhalten sich komplementär. 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.

Beispiele für Datenübertragungsraten

Kabelgebunden

• I²C: 0,1 / 0,4 / 1,0 / 3,4 Mbit/s
• USB 1.1: 1,5 oder 12 Mbit/s
• USB 2.0: 480 Mbit/s (nur bei mit dem Zertifikationslogo versehenen Geräten voll erreicht)
• USB 3.0: 4 Gbit/s
• FireWire: FireWire 400: ca. 400 Mbit/s, FireWire 800: ca. 800 Mbit/s (eine weitere, mit den bisherigen Standards abwärtskompatible Spezifikation Firewire S 3200 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)
• Serial ATA: Serial ATA: 1,5 Gbit/s, Serial ATA Revision 2.x: 3 Gbit/s, Serial ATA Revision 3.x: 6 Gbit/s
  • External Serial ATA (eSATA): 3 Gbit/s
• ATA/ATAPI (IDE): bis 1064 Mbit/s
• SCSI: 40 Mbit/s bis 2,5 Gbit/s je nach Typ
• Thunderbolt (Schnittstelle) : 10 Gbit/s (auch bekannt als Lightpeak)

Drahtlos

Funksignale:

• Marssonde Mariner 4 (1964): 8,3 bit/s
• GSM: 9,6 kbit/s
• IrDA 1.0 (=Infrarotschnittstelle): 9,6 kbit/s bis 115 kbit/s
• IrDA 1.1: 4 Mbit/s
• IrDA 1.3: 16 Mbit/s
• GPRS: 115,2 kbit/s
• Merkursonde Mariner 10 (1973): 100–150 kbit/s
• EDGE 260 kbit/s bei Downloads und 220 kbit/s bei Uploads
• BGAN (Internet über Satellit): ca. 500 kbit/s
• DECT: ca. 800 kbit/s
• UMTS: 384 kbit/s
• HSDPA: 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-C, 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): 75–300 Mbit/s
• WLAN: 1 bis 600 Mbit/s
• ZigBee: 250 kbit/s

Rechnernetz

Rechnernetze:

• Arcnet: 2,5 Mbit/s, 20 Mbit/s
• Token Ring: 4 Mbit/s, 16 Mbit/s
• Ethernet: 10 Mbit/s
• Fast Ethernet: 100 Mbit/s
• Gigabit Ethernet: 1 Gbit/s
• Powerline: 14 / 85 / 200 Mbit/s
• Fibre Channel: 4 Gbit/s, 8 Gbit/s
• 10 Gigabit Ethernet: 10 Gbit/s
• InfiniBand: 60 Gbit/s (bei 12-kanaliger Verbindung)
• Rekord für einen einzelnen Lichtwellenleiter ohne Frequenzmultiplex (über 160 km): 107 Gbit/s ^[1]
• Interkontinental-Lichtwellenleiterbündel: 1 Tbit/s

Internet

Beim Internetzugang:

• 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 1 Mbit/s Upstream (ADSL2+)
• VDSL: 25 Mbit/s bis 52 Mbit/s, vereinzelt bis zu 100 Mbit/s Downstream, und 5 Mbit/s bis 10 Mbit/s Upstream
• DOCSIS (TV-Kabel): 160+ Mbit/s Downstream
• Fibre to the Home (FTTH; Glasfaser): 1+ Gbit/s Downstream

Video- und Audiosignale

• Gespräch in Telefonqualität (etwa 3,1 kHz Bandbreite): 64 kbit/s (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);
• Audio-CD: ca. 1411 kbit/s, Abtastrate 44,1 kHz, 16 Bit und zwei Kanäle (praktisch ohne Irrelevanz- und Redundanz-Reduktion);
• SD Fernseh-Bild (MPEG-2 komprimiert): ca. 3 Mbit/s;
• Video-DVD (MPEG-2 komprimiert): ca. 6 Mbit/s;
• SD-Video (576p 50 Hz unkomprimiert): ca. 400 Mbit/s;
• HD-Video (720p 60 Hz 24b/px unkomprimiert): ca. 1,3 Gbit/s;
• HD-Video (1080p 60 Hz 24b/px unkomprimiert): ca. 3 Gbit/s.

Höhere Datenübertragungsraten bieten eine höhere Bandbreite und werden zunehmend durch neue Technologien ermöglicht.

Siehe auch

• Bitratenadaption
• Datendurchsatz
• Spektrale Effizienz

Weblinks

• Intel macht PCs mit Lichtleitern zu Teraflop-Computern

Einzelnachweise

1. ↑ [1] Pressemitteilungen, Siemens AG, 20. Dezember 2006