Datenübertragungsrate

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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. 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[Bearbeiten]

Die Datenübertragungsrate wird gemessen durch das Zählen von Dateneinheiten pro Zeiteinheit (Durchsatz von Daten). Die kleinste Dateneinheit ist das Bit, weshalb die Übertragungsrate 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 6.291.456 bit/s (= 6 × 1.024 × 1.024).

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).

Zusammenhang zwischen Datenübertragungsrate, Bandbreite und Schrittgeschwindigkeit[Bearbeiten]

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 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 + \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-Kanal 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. Dadurch können mehr als zwei Zustände (1 Bit) pro Symbol codiert werden, z. B. QAM oder QPSK. 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

Üblicherweise 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.

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

R \leq C

Beispiele für Datenübertragungsraten[Bearbeiten]

Kabelgebunden[Bearbeiten]

  • ATA/ATAPI (IDE): bis 1064 Mbit/s
  • DVB-C: 4–5 Mbit/s (MPEG-2-Kodierung für Video)
  • DVB-C2: 5–8 Mbit/s (MPEG-4-Kodierung für Video)
  • 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)
  • I²C: 0,1 / 0,4 / 1,0 / 3,4 Mbit/s
  • SCSI: 40 Mbit/s bis 2,5 Gbit/s je nach Typ
  • Serial ATA: Serial ATA: 1,5 Gbit/s, Serial ATA Revision 2.x: 3 Gbit/s, Serial ATA Revision 3.x: 6 Gbit/s
  • Thunderbolt (Schnittstelle): 10 Gbit/s (auch bekannt als Lightpeak)
  • Thunderbolt 2 (Schnittstelle): 20 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)

Drahtlos[Bearbeiten]

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: 53,6 kbit/s (theoretisch bis 171,2 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): bis zu 420 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-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 1300 Mbit/s
  • ZigBee: 250 kbit/s

Anzeige im Handydisplayː siehe Mobilfunkstandard

Rechnernetz[Bearbeiten]

Rechnernetze:

Internet[Bearbeiten]

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 3,5 Mbit/s Upstream (ADSL2+)
  • VDSL: 25 Mbit/s bis 52 Mbit/s, vereinzelt bis zu 100 Mbit/s Downstream, und 5 Mbit/s bis 20 Mbit/s Upstream
  • DOCSIS (TV-Kabel): 1,60+ Gbit/s Downstream
  • Fibre to the Home (FTTH; Glasfaser): 1+ Gbit/s Downstream

Video- und Audiosignale[Bearbeiten]

  • 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)
  • Verlustfrei komprimierte Musikdatei: zwischen 320 kbit/s und 1411 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 (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
  • Full-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[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Pressemitteilungen der Siemens AG, 20. Dezember 2006
  2. Single-laser 32.5 Tbit/s Nyquist WDM transmission Journal of optical Communications and Networking, Volume: 4, Issue: 10 (2012) (PDF; 1,4 MB)