Bitrate und Datenrate

Was ist eine Datenrate — und warum beschreiben zwei Angaben in Megabit je Sekunde oft ganz verschiedene Dinge?

Bitrate und Datenrate benennen dieselbe Größe: die Menge an Daten, die je Zeiteinheit übertragen oder abgelegt wird, gemessen in Bit je Sekunde (bit/s). Gebräuchlich ist „Bitrate" für codierte Ton- und Bildströme und „Datenrate" für alles Übrige; einen sachlichen Unterschied gibt es zwischen den beiden Wörtern nicht.

Stell Dir eine Straße vor und die Zahl der Autos, die pro Minute daran vorbeikommen. Genau so eine Zahl ist die Datenrate — sie sagt, wie viel in einer Sekunde durchgeht. Sie sagt aber nichts darüber, wie gut die Autos sind oder wohin sie fahren. Wenn Du irgendwo eine Angabe in Megabit siehst, hast Du also erst die halbe Information: Du weißt, wie viel fließt, und noch nicht, was daraus wird. Und der Wert schwankt — eine ruhige Szene braucht sehr viel weniger als ein Regensturm bei Nacht.

Ausführliche Erklärung

Die Einheit ist das Bit je Sekunde. Die Vorsätze davor sind Zehnerpotenzen, wie überall im internationalen Einheitensystem: Ein Megabit je Sekunde ist eine Million Bit je Sekunde, ein Gigabit je Sekunde eine Milliarde. Für Zweierpotenzen gibt es eigene Vorsätze — kibi, mebi, gibi, also 1 024, 1 048 576 und 1 073 741 824 —, und die Doppeldeutigkeit ist der ausdrückliche Grund ihrer Einführung: Bei Arbeitsspeicher meint „Megabyte" überwiegend 2²⁰ Byte, bei Massenspeichern überwiegend 10⁶ Byte. Für Übertragungsraten hat sich die dezimale Lesart durchgesetzt, für Dateigrößen die binäre — deshalb passt die Rechnung „Dauer mal Datenrate gleich Dateigröße" nie ganz genau auf die Anzeige des Betriebssystems.

Der zweite Stolperstein steht schon im Namen: Bit und Byte. Ein Byte sind acht Bit, und die Schreibweisen unterscheiden sich nur in der Groß- und Kleinschreibung eines einzigen Buchstabens. Mbit/s ist eine Übertragungsrate, MB/s ist achtmal so viel. Wo eine Angabe unerwartet knapp oder unerwartet großzügig wirkt, lohnt der Blick auf dieses eine Zeichen zuerst.

Wie groß unkomprimiertes Material wird, lässt sich direkt ausrechnen: Bildpunkte mal Bit je Bildpunkt mal Bilder je Sekunde. Ein Bild mit 3 840 × 2 160 Bildpunkten, 8 Bit je Farbkanal und 60 Bildern je Sekunde kommt so auf knapp 12 Gbit/s. Diese Zahl ist der Ausgangspunkt für alles Weitere — sie erklärt, warum es Kompression gibt, warum Farbunterabtastung sich durchgesetzt hat und warum Schnittstellen ihre Grenzen dort haben, wo sie sie haben.

Was die Zahl nicht ist: ein Qualitätsmaß. Sie beschreibt den Aufwand und nicht das Ergebnis, und vergleichbar wird sie erst mit der Angabe der Codec-Generation dazu. Diese Abhängigkeit ist beim Videocodec ausgeführt und wird hier nicht wiederholt.

Mittelwert, Spitze und das Zeitfenster

Jede Datenratenangabe ist ein Mittelwert über ein Zeitfenster, und die Länge dieses Fensters steht fast nie dabei. Über eine Stunde gemittelt sieht ein Film glatt aus; über eine Sekunde gemittelt schwankt derselbe Film um ein Vielfaches. Für die Planung zählt fast immer die Spitze, denn an ihr setzt eine Strecke aus, nicht am Durchschnitt.

Daraus ergeben sich die gebräuchlichen Betriebsarten:

Betriebsart	Wie die Rate verläuft	Wofür sie gewählt wird
konstante Rate (CBR)	gleichbleibend, unabhängig vom Bildinhalt	feste Kanäle und Träger, bei denen der Platz vorab zugeteilt wird
variable Rate (VBR)	folgt dem Bildinhalt, Spitze deutlich über dem Mittel	Speichermedien und Abruf, wo nur die Gesamtmenge zählt
gedeckelte variable Rate	variabel, aber mit vereinbarter Obergrenze	der Regelfall im Vertrieb — Qualitätsgewinn ohne unbegrenzte Spitzen

Frei schwanken darf die Rate dabei nicht. Der Datenstrom führt ein Puffermodell mit, und dieses Modell ist normativ: In der Festlegung des digitalen Rundfunks (DVB) für Video- und Audiocodierung wird verlangt, dass der Datenstrom zu einem gedachten Referenzdecoder passt — zum hypothetischen Referenzdecoder (HRD), einem Rechenmodell mit einem Bildpuffer und einer im Datenstrom signalisierten maximalen Eingangsrate in diesen Puffer. Die Zeitstempel des Transportstroms müssen mit den Entnahmezeitpunkten dieses Modells zusammenfallen. Praktisch heißt das: Der Encoder darf eine schwere Szene teurer machen, aber nur so weit, wie der Puffer des Decoders die Schwankung auffängt. Die Obergrenze ist also eine Eigenschaft des Formats und keine Einstellungssache.

Für die Anlage folgt daraus eine einfache Bemessungsregel: Eine Strecke wird auf die vereinbarte Spitzenrate ausgelegt, mit Reserve für alles, was gleichzeitig läuft. Wer den Mittelwert als Maß nimmt, plant die Aussetzer mit ein und sucht sie später an der falschen Stelle.

Anschlusswert und Datenrate des Stroms

Die zweite Verwechslung kostet in Beratungsgesprächen die meiste Zeit. Ein Anschlusswert beschreibt, was eine Leitung kann. Eine Stream-Datenrate beschreibt, was ein bestimmter Inhalt braucht. Beide werden in Megabit je Sekunde angegeben, und sie sind trotzdem verschiedene Größen.

Sichtbar wird das an den Empfehlungen der Anbieter selbst: Für 4K nennt Netflix eine empfohlene Geschwindigkeit von 15 Mbit/s und überschreibt die Tabelle ausdrücklich mit „empfohlene Geschwindigkeit". Das ist eine Aussage über den Anschluss. Was der Film tatsächlich an Datenrate belegt, ist eine andere Zahl, sie liegt niedriger, und sie ist nirgends im Menü ablesbar. Der Abstand zwischen beiden ist gewollt — er ist die Reserve für Schwankungen, für den Pufferaufbau beim Start und für alles, was im selben Haushalt sonst noch läuft. Ausführlich steht dieser Vergleich bei UHD-Blu-ray gegen Streaming.

Dieselbe Unterscheidung gilt hausintern. Ein Gigabit-Netzwerkanschluss ist ein Anschlusswert. Ob darüber vier Video-Ströme gleichzeitig störungsfrei laufen, entscheiden deren Spitzenraten, die Reihenfolge der Pakete und die Dienstgüte — nicht die Zahl auf dem Anschluss.

Brutto und netto auf der Leitung

Die dritte Unterscheidung ist die technischste und in der Planung die folgenreichste. Was eine Schnittstelle als Datenrate nennt, ist fast immer ihre Bruttorate: die Zahl der Bit, die physikalisch über die Leitung gehen. Davon kommt nur ein Teil als Nutzlast an.

Zwei Anteile gehen ab. Der erste ist die Leitungscodierung. Damit ein Empfänger den Takt aus dem Signal zurückgewinnen kann und keine langen gleichförmigen Abschnitte entstehen, werden Nutzdatenblöcke auf längere Symbolfolgen abgebildet. Die gebräuchlichen Verfahren stehen im Namen: Bei 8b/10b werden acht Nutzbit als zehn Bit übertragen, es gehen also genau 20 Prozent ab; bei 128b/132b sind es rund 3 Prozent. Welche Schnittstelle mit welchem Verfahren arbeitet und was sie in ihren Generationen jeweils übrig lässt, steht beim DisplayPort und bei FRL und TMDS. Der zweite Anteil sind die Verwaltungsdaten der Protokolle — Adressen, Prüfsummen, Abstände zwischen Paketen —, und der fällt bei paketvermittelten Wegen deutlich stärker ins Gewicht als bei fest getakteten Punkt-zu-Punkt-Strecken.

Die Merkregel dazu ist kurz: Eine Zahl auf dem Karton ist brutto, eine Zahl im Datenstrom ist netto, und zwischen beiden liegt je nach Verfahren ein Fünftel oder mehr. Wer eine Strecke ohne diesen Abzug bemisst, landet regelmäßig knapp unter dem, was er braucht.

Häufiges Missverständnis

„Mein Anschluss hat 300 Mbit/s, ein Film mit 80 Mbit/s passt also locker." Die Rechnung stimmt für den Mittelwert und geht an drei Stellen daneben. Die Spitzenrate des Films liegt über seinem Mittelwert. Vom Anschlusswert bleibt nach Leitungscodierung und Protokollköpfen weniger übrig, als die Zahl verspricht. Und die Strecke gehört selten einem allein — jedes weitere Gerät im Haus nimmt sich seinen Teil, meist genau dann, wenn es am wenigsten passt.

„Variable Rate ist immer besser als konstante." Bei einem Speichermedium ja, denn dort zählt allein die Gesamtmenge, und schwere Szenen bekommen dann mehr Daten. Auf einem Träger mit fest zugeteiltem Platz — einem Rundfunkkanal, einer reservierten Leitung — verschiebt die variable Rate das Risiko nur an eine andere Stelle: Alle Ströme gleichzeitig auf Spitze, und der Träger reicht für keinen mehr. Die konstante Rate erkauft ihre Verschwendung bei ruhigen Bildern mit Planbarkeit, und das ist in solchen Fällen der bessere Handel.

„Mehr Megabit heißt besseres Bild." Diese Erzählung ist so verbreitet, dass sie einen eigenen Abschnitt beim Videocodec hat. Kurz: Die Zahl beschreibt den Aufwand, und ohne Codec-Generation, Encoder und Ausgangsformat daneben lassen sich zwei Angaben nicht gegeneinanderstellen.

Nicht zu verwechseln mit

Abtastrate: Wie oft ein Signal je Sekunde gemessen wird, angegeben in Hertz. Erst zusammen mit der Bittiefe und der Kanalzahl ergibt sich daraus eine Datenrate — die Rechnung steht bei Abtastrate und Bittiefe.
Bittiefe: Wie fein ein einzelner Abtastwert abgestuft ist. Die Bittiefe geht in die Datenrate ein, ist aber selbst keine.
Bandbreite: Im signaltechnischen Sinn eine Frequenzbreite in Hertz. Umgangssprachlich wird das Wort für die Datenrate verwendet, und in Datenblättern stehen beide Bedeutungen nebeneinander — bei Schnittstellen ist meist die Datenrate gemeint, in der Akustik immer die Frequenzbreite.
Latenz und Jitter: Wann etwas ankommt und wie gleichmäßig. Eine hohe Datenrate schließt weder eine große Verzögerung noch schwankende Ankunftszeiten aus; was daraus folgt, steht beim Jitter.
Speichergröße: Eine Menge ohne Zeitbezug. Datenrate mal Dauer ergibt die Größe, umgekehrt braucht es die Dauer als zweite Angabe.

In der Planung

Ein Kunde meldet, sein Heimkino setze bei dunklen Actionszenen kurz aus — Bild friert, Ton läuft weiter, nach zwei Sekunden ist alles wieder da. Sein Anschluss liefert 250 Mbit/s, der Zuspieler hängt am Netzwerk, im selben Haus arbeiten zwei Personen im Homeoffice. Er vermutet den Zuspieler und möchte ein neues Gerät.

Zuerst ist zu klären, welcher Weg welchen Inhalt führt und was dieser Inhalt in der Spitze verlangt. Dunkle Actionszenen sind der teuerste Fall, den es gibt: viel Bewegung, feines Rauschen in den Schatten, wenig Vorhersagbares. Genau dort greift die Spitzenrate zu, und genau dort setzt eine knappe Strecke aus. Die erste Prüfung ist deshalb, ob der Aussetzer an derselben Filmstelle wiederkehrt: Ein knapper Weg gibt bei denselben schweren Szenen nach, während ein sporadischer Fehler sich über den Film verteilt. Ein Beweis ist das noch nicht — auch ein Decoderfehler kann an einer bestimmten Stelle reproduzierbar sein —, aber es sagt, wo zuerst zu messen ist.

Daraus ergibt sich die Verfahrenswahl, und sie betrifft den Weg und nicht das Gerät. Der Videoweg bekommt Vorrang vor dem Bürodatenverkehr, damit die Spitzen nicht mit Dateiübertragungen kollidieren; wie das eingerichtet wird, klärt die Dienstgüte. Wo eine gemeinsame Strecke bleibt, wird sie auf die Summe der Spitzen bemessen und nicht auf die Summe der Mittelwerte. Läuft der Zuspieler über Funk, ist der Weg selbst die Ursache, und keine Priorisierung ersetzt eine Leitung.

Die Gerätefrage steht am Ende. Erst wenn der Weg die Spitze aushält, lässt sich beurteilen, ob der Zuspieler etwas damit zu tun hat. In diesem Aufbau hat er es fast nie — und ein neues Gerät hätte das Geld gekostet, ohne die Aussetzer zu beenden.

Verknüpfte Inhalte

Warum dieselbe Zahl bei verschiedenen Codecs verschiedene Bilder beschreibt, führt der Videocodec aus; woher die Schwankung innerhalb eines Films kommt, steht bei Intra-Frame gegen Inter-Frame. Wie sich das Ausgangsformat auf die Menge auswirkt, klärt die Farbunterabtastung. Was auf den Leitungen brutto und netto übrig bleibt, steht beim DisplayPort, bei FRL und TMDS und für längere Strecken beim HDBaseT. Wie Datenraten im Netzwerk gegeneinander priorisiert werden, klärt die Dienstgüte und ausführlich AV over IP.

Quellen

Die Festlegung der Einheit und der Vorsätze — Zehnerpotenzen für die SI-Vorsätze, kibi, mebi und gibi für die Zweierpotenzen — folgt der NIST-Referenz zu den Vorsätzen für binäre Vielfache, die auch die Doppeldeutigkeit bei Speicherangaben benennt; kanonisch steht dieselbe Festlegung in IEC 80000-13, das für diese Seite nicht am Objekt gelesen werden konnte. Dass der Datenstrom ein normatives Puffermodell mit signalisierter maximaler Eingangsrate mitführt, ist über die DVB-Festlegung ETSI TS 101 154 belegt, am Objekt gelesen; sie nennt zugleich die Syntaxelemente bit_rate und vbv_delay des MPEG-2-Datenstroms. Die empfohlenen Anschlussgeschwindigkeiten stammen aus dem Hilfebereich von Netflix, ebenfalls am Objekt gelesen.