Die Datenübertragungsrate (auch Datentransferrate, Datenrate; ) ist in der Informationstechnik die Übertragungsgeschwindigkeit, mit der eine bestimmte Datenmenge innerhalb eines Zeitintervalls über einen Übertragungskanal übertragen wird.
Allgemeines Bei einer Datenübertragung von einem Absender zu einem Empfänger müssen die Daten oder Informationen einen Übertragungskanal durchlaufen. Dabei gibt die Datenübertragungsrate an, welcher Informationsfluss in Binärziffern pro Zeitspanne übertragen wird.Kristian Kroschel: Datenübertragungsrate. In: Hans-Jochen Schneider (Hrsg.), Lexikon Informatik und Datenverarbeitung. 1998, S. 217 (books.google.de). Die Bitrate gibt als Maßeinheit die Datenmenge in einem digitalen Netz an, ausgedrückt in Bit pro Sekunde (bit/s).Detlef Jürgen Brauner, Robert Raible-Besten, Martin Weigert: Internet-Lexikon. 1997, S. 29 (books.google.de). Übliche Messgrößen für die Datenübertragungsrate sind bit/s, kbit/s, Mbit/s oder Gbit/s.
Ein Übertragungskanal kann beispielsweise eine Verbindung im Rechnernetz, eine Schnittstelle zu einem Speichermedium oder die Verbindung zu einem Internetdienstanbieter sein.Pierre Hansch/Christian Rentschler, Emotion@Web: Emotionale Websites durch Bewegtbild und Sound-Design, 2012, S. 31 Heute wird die Qualität eines Internetzugangs an seiner Datenübertragungsrate gemessen.Silke Jandt, Technikadäquate Grundrechtsentwicklung, 2022, S. 247
Sprachlich nicht exakt, da die Begriffe zwar für verwandte, aber eigentlich andere Größen stehen, sind die Bandbreite oder Kapazität. Ebenfalls zu unterscheiden ist der Datendurchsatz, bei dem nur die reinen Nutzdaten berücksichtigt werden, wohingegen bei der Datenübertragungsrate auch eventuelle Steuerdaten mitzählen. 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.
Anwendung Die Datenübertragungsrate ist nicht immer konstant, sondern sie ist abhängig vom verwendeten Kommunikationsprotokoll, Mobilfunkstandards (4G oder 5G), Qualität der Leitung (Glasfaserkabel, Kupferkabel), Netzabdeckung, Netzlast, Endgerätetyp, Anzahl der Benutzer in einer Funkzelle oder der zur Verfügung stehenden Bandbreite.Peter Winkler, Computer-Lexikon 2009, 2008, S. 222 Glasfaserkabel weisen geringere Übertragungsverluste und weit höhere Datenübertragungsraten als Kupferkabel auf.Detlef Jürgen Brauner/Robert Raible-Beste/Martin M. Weigert, Multimedia-Lexikon, 1998, S. 156 Je größer die Bandbreite eines Übertragungskanals, umso mehr Daten können pro Zeitspanne übertragen werden.Insa Sjurts, Gabler Lexikon Medien-Wirtschaft, 2004, S. 45 Ist die Netzlast eines Datennetzes überlastet, kommt es zum Denial of Service.
Arten Unterschieden wird zwischen der symmetrischen und asymmetrischen Datenübertragung.Patrick Schnabel, Kommunikationstechnik-Fibel, 2019, o. S. Symmetrische Datenübertragung: Die Datenübertragungsrate ist für Download und Upload gleich groß. Typische Anwendungen sind Sprachübertragung (Mobilfunk) oder Videokonferenzen. Asymmetrische Datenübertragung: Die Datenübertragungsrate ist für Download und Upload unterschiedlich, die Download-Bitrate ist meist wesentlich höher als die Upload-Rate. Typische Anwendung ist das Internet über DSL-Anschlüsse. Das Internet bietet sich für die asymmetrische Datenübertragung geradezu an, weil die Internet-Nutzer meist sehr viele Daten herunterladen, aber nur wenige hochladen.
Kategorien Für die Datenübertragung sind drei Geschwindigkeitskategorien definiert:Friedrich Wittgruber, Digitale Schnittstellen und Bussysteme, 2002, S. 163 f. Low Speed: Die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit beträgt 1,5 Mbit/s (für Tastatur oder Computermaus); Full Speed: Die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit beträgt 12 Mbit/s; High Speed: Die maximale Datenübertragungsgeschwindigkeit beträgt 480 Mbit/s (Musikstreaming, Video-Streaming, Videokonferenzen)
Maße
Die Datenübertragungsrate berechnet sich aus der Datenmenge pro Zeitspanne :
. Die Datenmenge wird gemessen in Bits, die Zeit in Sekunden. Demnach ergibt sich für die Datenübertragungsrate die Einheit Bit pro Sekunde (Bit/s bzw. bit/s, früher b/s) bzw. bits per second (bps). Größere Werte werden in Vielfachen angegeben und mit SI-Einheitenvorsätzen versehen: kilobit pro Sekunde (kbit/s oder kbps), Megabit pro Sekunde (Mbit/s bzw. Mbps), Gigabit pro Sekunde (Gbit/s bzw. Gbps). Wichtig hierbei ist, dass bei Datenübertragungsraten die Einheitenvorsätze in ihrer SI-konformen dezimalen Bedeutung verwendet werden und nicht als Binärpräfixe. 1 kbit/s sind also 1.000 bit/s und nicht 1.024 bit/s. So überträgt Gigabit-Ethernet über Kupferkabel bei 125 MBaud durch das 5-PAM-Modulationsverfahren mit 2 bit pro Symbol und Adernpaar über vier Adernpaare 1.000.000.000 bit/s (= 1 Gbit/s = 125 MBaud x 2 bit pro Symbol x vier Adernpaare). Bei Datenraten von Audiosignalen gilt das Gleiche: Eine Audio-CD mit einer Abtastrate von 44,1 kHz bei zwei Kanälen mit je 16 bit hat eine Datenübertragungsrate von 1.411.200 bit/s was den üblich angegebenen 1.411 kbit/s entspricht. Und auch bei MP3 gilt: 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 zum Beispiel 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 angegebenen 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 und dem Störabstand mit additivem weißem Rauschen steht die maximal erreichbare, fehlerfreie Datenübertragungsrate in folgendem Zusammenhang: . 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, zum Beispiel Quadraturamplitudenmodulation oder Quadraturphasenumtastung. Dadurch können mehr als zwei Zustände (mehr als 1 Bit) pro Symbol codiert werden. Die Übertragungsrate ergibt sich dann als Produkt aus der Symbolrate (fs) und dem dualen Logarithmus der pro Symbol möglichen Zustände.
. 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: ), die für binäre Übertragung benötigt wird. Vier Zustände bezeichnet man quaternär – 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 Zeitspanne über einen Kanal zu übertragen, als durch dessen Kapazität angegeben ist (shannonsches Quellencodierungstheorem): .
Verschiedene Datenübertragungsraten Kabelgebunden StandardDatenübertragungsrateBemerkungDVB-C4–5 Mbit/sMPEG-2-Kodierung für VideoDVB-C HD6–18 Mbit/sMPEG-4 AVC-Kodierung für VideoDVB-C25–8 Mbit/sMPEG-4 AVC-Kodierung für VideoFireWire 400ca. 400 Mbit/sFirewire 800ca. 800 Mbit/seine 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 eingesetztI²C0,1/0,4/1,0/3,4 Mbit/sNVM Express32 Gbit/sPCIe ×4, 128b130b-codiertParallel ATA (IDE)bis 1064 Mbit/s16 bit parallelParallel SCSI40–2560 Mbit/sje nach Typ, 8 oder 16 bit parallelSAS-1 (Serial Attached SCSI)3 Gbit/s8b10b-codiertSAS-312 Gbit/s8b10b-codiertSerial ATA1,5 Gbit/s8b10b-codiertSerial ATA Revision 2.x3 Gbit/s8b10b-codiertSerial ATA Revision 3.x6 Gbit/s8b10b-codiertExternal Serial ATA (eSATA)3 Gbit/s8b10b-codiertSATA Express16 Gbit/sPCIe ×2, 128b130b-codiertThunderbolt (Schnittstelle)10 Gbit/sauch bekannt als LightpeakThunderbolt 2 (Schnittstelle)20 Gbit/sThunderbolt 3 (Schnittstelle)40 Gbit/sUSB 1.0 / 1.11,5 / 12 Mbit/sUSB 2.0480 Mbit/snur bei mit dem Zertifizierungslogo versehenen Geräten voll erreichtUSB 3.0 (USB 3.1 Gen 1; USB 3.2 Gen 1)5 Gbit/sBruttorate mit 8b10b-KodierungUSB 3.1 Gen 2 (USB 3.2 Gen 2)10 Gbit/sBruttorate mit 128b132b-KodierungUSB 3.2 Gen 2x220 Gbit/sUSB420–40 Gbit/s
Drahtlos Funksignale: StandardDatenübertragungsrateAnmerkungenDCF77 (Funkuhr-Signal)1 bit/sMarssonde Mariner 4 (1964)8,3 bit/sGSM (Mobilfunk)9,6 kbit/sIrDA 1.0 (Infrarotschnittstelle)9,6–115 kbit/sDigital Radio Mondiale11–26 kbit/sDRM+35–185 kbit/sGPRS (Mobilfunk 2G)53,6 kbit/s (theoretisch bis 171,2 kbit/s)Merkursonde Mariner 10 (1973)100–150 kbit/sZigBee250 kbit/sEDGE (Mobilfunk 2G)Download: 260 kbit/sUpload: 110 kbit/sUMTS (Mobilfunk 3G)384 kbit/sBGAN (Internet über Satellit)bis zu 420 kbit/sDECT (drahtlose Festnetztelefone)ca. 800 kbit/sHSDPA (mobile Datenübertragung 3.5G)3,6/7,2 Mbit/sDMB1–2 Mbit/sDVB-T2–3 Mbit/sMPEG-2-Kodierung für VideoBluetooth 2.0+EDR3 Mbit/sIrDA 1.14 Mbit/sDVB-S4–5 Mbit/sMPEG-2-Kodierung für VideoDVB-S25–20 Mbit/sMPEG-4-Kodierung für VideoIrDA 1.316 Mbit/sWiMAX40–100 Mbit/s3GPP (LTE) (Mobilfunk 3.9G)Download: 300 Mbit/sUpload: 75 Mbit/sLTE-Advanced (Mobilfunk 4G)1000 Mbit/sWLAN (drahtlose Datenübertragung)1–6933 Mbit/s im verbreiteten Standard IEEE 802.11g typischerweise 20 Mbit/s netto und 56 Mbit/s brutto
Anzeige im Handydisplayː siehe Mobilfunkstandard
Medien Medien und Peripheriegeräte sind für unterschiedliche Datenübertragungsraten ausgelegt.
DSL-Varianten