Bandwidth and information capacity of a resource: space, frequency, time

Abstract

Studies of the bandwidth of the resource: space, frequency, time during spatial multiplexing in information transmission, storage and processing systems have been carried out. Bandwidth estimation is relevant in the development of communication systems with spatial multiplexing, as well as in problems of information theory. Limitations in spatial multiplexing are investigated. Theorems for estimating the amount of information passing through a given linear and flat area of space at certain values of the time interval and frequency band are formulated and proved. A theorem for estimating the amount of information passing through a rectangular parallelepiped due to three beams of electromagnetic radiation through three mutually perpendicular faces of a rectangular parallelepiped is formulated and proved. As an example, the amount of information contained in one cubic meter of space filled with electromagnetic radiation of a certain type is estimated. Thus, for frequencies in the range from 3 •10⁸ Hz to 6•10¹⁹ Hz, one cubic meter of space contains 3,207•10³⁴ bits of information, which is equivalent to the amount of information contained due to quantum states in a substance weighing 1,444 g at 20 °C. Practical significance: the research results can be useful for the development of information theory and the practice of developing communication systems with spatial multiplexing.

• information theory
• quantity of information
• radio communication
• optical communication
• spatial multiplexing
• multi-antenna systems

Аннотация (на русском)

Пропускная способность и информационная емкость ресурса: пространство, частота, время

Произведены исследования пропускной способности ресурса: пространство, частота, время при пространственном мультиплексировании в системах передачи, хранения и обработки информации. Оценка пропускной способности актуальна при разработке систем связи с пространственным мультиплексированием, а так же в задачах теории информации. Исследованы ограничения при пространственном мультиплексировании. Сформулированы и доказаны теоремы оценки количества информации, проходящей через заданный линейный и плоский участок пространства при определённых значениях интервала времени и полосы частот. Сформулирована и доказана теорема оценки количества информации, проходящей сквозь прямоугольный параллелепипед за счёт трёх пучков электромагнитного излучения через три взаимно перпендикулярные грани прямоугольного параллелепипеда. В качестве примера произведена оценка количества информации, содержащейся в одном кубическом метре пространства заполненного электромагнитным излучением определённого вида. Так для частот в диапазоне от 3·10⁸ Гц до 6·10¹⁹ Гц одном кубическом метре пространства содержится 3,207·10³⁴ бит информации, что эквивалентно количеству информации, содержащейся за счёт квантовых состояний в веществе массой 1,444 г при 20° C. Практическая значимость: результаты исследований могут быть полезны для развития теории информации и практики разработки систем связи с пространственным мультиплексированием.

For citation

References

1. Arslan H., Chen Z.N., Di Benedetto M. G. Ultra wideband wireless communication. John Wiley & Sons, 2006. 640 p.
2. Голдсмит А. Беспроводные коммуникации. Москва, Техносфера. 2011. 904 с.
3. Lozano A., Tulino A.M., Verdu s. Multiple-antenna capacity in the low-power regime. IEEE Trans. inform. theory. 2003. P.2527-2571. http://dx.doi.org/10.1109/tit.2003.817429
4. Grant A. Rayleigh fading multiple-antenna channels. Eurasip Journal on advances in signal. 2002. №3. P. 16-29.
5. Arslan H., Chen Z.N., Di Benedetto M.G. Ultra wideband wireless communication. John Wiley & Sons, 2006. 640 p.
6. Gray R.H., Mooley K.A vla search for radio signals from m31 and m33. The astronomical journal. V.153. №3. P.1-12. http://dx.doi.org/10.3847/1538-3881/153/3/110
7. Taylor J. Deep space communications. John Wiley & Sons. 2016. 67 p.
8. Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения. Москва, Техносфера. 2007. 488 с.
9. Хансен Р.С. Фазированные антенные решётки. Москва, Техносфера. 2012. 560 с.
10. Sibille A., Bories S. Spatial diversity for uwb communications. 5-th european personal mobile communications conference. 2003. №492. http://dx.doi.org/10.1049/cp:20030279
11. Гуревич И.М. Законы информатики в проблеме познания сложных систем. Системы и средства информатики. Спецвыпуск. 2006. С.325-380.