Variable Bit Rate
Abkürzung: VBR
Variable Bit Rate bezeichnet einen Datenstrom, dessen Rate sich über die Zeit ändert, statt konstant zu bleiben. Der Begriff hat zwei Heimaten, die sich inhaltlich berühren und trotzdem auseinandergehalten werden sollten: Er ist zum einen eine Dienstkategorie in ATM-Netzen, zum anderen eine Betriebsart von Audio- und Video-Encodern.
Gemeinsam ist beiden der Grund: Natürliche Inhalte sind nicht gleichmäßig. Eine ruhige Szene braucht weniger Bits als ein Kameraschwenk, eine Pause im Gespräch weniger als ein Satz. Eine feste Rate muss sich am Schlimmstfall orientieren und verschenkt dazwischen Kapazität.
VBR als ATM-Dienstkategorie
Im ATM-Forum ist VBR eine von fünf Dienstkategorien und in zwei Varianten unterteilt:
rt-VBR (real-time VBR) für Ströme mit Echtzeitanspruch — Sprache und Video, bei denen Verzögerung und ihre Schwankung begrenzt bleiben müssen.
nrt-VBR (non-real-time VBR) für stoßweisen Datenverkehr ohne harte Zeitvorgabe, etwa Transaktionsverkehr. Hier zählt die Zellverlustrate, nicht die Laufzeit.
Der Verkehrsvertrag wird über drei Parameter beschrieben:
| Parameter | Bedeutung |
|---|---|
| PCR (Peak Cell Rate) | Spitzenrate, die nie überschritten wird |
| SCR (Sustainable Cell Rate) | Rate, die im Mittel zugesichert ist |
| MBS (Maximum Burst Size) | Zellenzahl, die am Stück mit PCR gesendet werden darf |
Die Netzseite überwacht die Einhaltung mit dem Leaky-Bucket-Algorithmus und verwirft oder kennzeichnet Zellen, die über den Vertrag hinausgehen. Der betriebliche Nutzen liegt im statistischen Multiplexing: Weil nicht alle Verbindungen gleichzeitig ihre Spitze fahren, lässt sich mehr zusagen als physisch vorhanden ist. Der Preis ist, dass gleichzeitige Spitzen zu Verlusten führen können — weshalb die Überbuchung eine Rechnung mit Wahrscheinlichkeiten ist und keine beliebige Zugabe.
ATM selbst ist in Zugangsnetzen weitgehend verschwunden, die Begriffe aber nicht: Wer heute eine Policing- oder Shaping-Regel mit zugesicherter Rate und Burst-Größe schreibt, beschreibt dieselbe Sache mit anderen Worten.
VBR in der Audio- und Videocodierung
Hier bedeutet VBR, dass der Encoder pro Zeitabschnitt so viele Bits ausgibt, wie der Inhalt bei vorgegebener Qualität verlangt. Die Alternativen:
CBR hält die Rate konstant und lässt die Qualität schwanken. Nötig, wenn ein Kanal mit fester Kapazität zu füllen ist — Rundfunk, Satellitenübertragung, eine Leitung mit zugeteilter Bandbreite.
VBR hält die Qualität möglichst konstant und lässt die Rate schwanken. Bei gleicher Dateigröße ist das Ergebnis sichtbar besser, weil die Bits dorthin wandern, wo sie wirken.
Constrained VBR ist der praktische Mittelweg: VBR mit einer Obergrenze für die Spitzenrate, damit der Strom durch einen Decoder mit begrenztem Puffer passt. Das ist die Betriebsart, in der nahezu alle Streaming-Inhalte ausgeliefert werden.
Für das Netz hat VBR eine Folge, die bei der Auslegung zählt: Die mittlere Rate sagt wenig über die benötigte Kapazität. Ein Videostrom mit 5 Mbit/s im Mittel kann kurzzeitig 20 Mbit/s verlangen. Wer nach dem Mittelwert dimensioniert, erhält ein Netz, das in bewegten Szenen in die Puffer läuft — und damit genau an den Stellen stockt, an denen der Zuschauer es bemerkt.
Worauf bei variabler Bitrate zu achten ist
Die Spitzenrate ist der Auslegungswert. Das gilt für Uplinks, für WLAN-Strecken und für Richtfunk. Bei mehreren Strömen hilft, dass sich die Spitzen selten decken — verlassen sollte man sich darauf nur mit Messung.
VBR und AQM arbeiten zusammen. Ein stoßweiser Strom füllt Puffer, und ein überdimensionierter Puffer macht daraus Verzögerung statt Verlust. Verfahren wie CoDel federn das ab, weshalb variabler Verkehr an einem Anschluss mit Bufferbloat deutlich schlechter läuft als an einem gleich schnellen ohne.
Nicht jedes Werkzeug kommt mit VBR zurecht. Alte Abspielgeräte und manche Hardware-Decoder erwarten eine begrenzte Spitzenrate. Eine Datei mit unbeschränktem VBR kann dort ruckeln, obwohl die mittlere Rate niedrig ist.
Abgrenzung
CBR (Constant Bit Rate) ist das Gegenstück mit fester Rate — in ATM eine eigene Dienstkategorie, in der Codierung eine eigene Betriebsart.
UBR (Unspecified Bit Rate) sichert in ATM gar nichts zu und entspricht dem Best-Effort-Verhalten des Internets.
ABR (Available Bit Rate) verhandelt die Rate mit dem Netz über Rückmeldungen nach.
QoS ist der Oberbegriff für die Verfahren, mit denen solche Zusagen durchgesetzt werden; VBR beschreibt die Art des Verkehrs, nicht das Verfahren.
Quellen
- ATM Forum af-tm-0121.000: Traffic Management Specification Version 4.1
- ITU-T I.371: Traffic control and congestion control in B-ISDN
- ISO/IEC 13818-1: MPEG-2 Systems, Abschnitt zum System Target Decoder