We present novel data-processing inequalities relating the mutual information and the directed information in systems with feedback. The internal blocks within such systems are restricted only to be causal mappings, but are allowed to be non-linear, stochastic and time varying. These blocks can for example represent source encoders, decoders or even communication channels. Moreover, the involved signals can be arbitrarily distributed. Our first main result relates mutual and directed informations and can be interpreted as a law of conservation of information flow. Our second main result is a pair of data-processing inequalities (one the conditional version of the other) between nested pairs of random sequences entirely within the closed loop. Our third main result is introducing and characterizing the notion of in-the-loop (ITL) transmission rate for channel coding scenarios in which the messages are internal to the loop. Interestingly, in this case the conventional notions of transmission rate associated with the entropy of the messages and of channel capacity based on maximizing the mutual information between the messages and the output turn out to be inadequate. Instead, as we show, the ITL transmission rate is the unique notion of rate for which a channel code attains zero error probability if and only if such ITL rate does not exceed the corresponding directed information rate from messages to decoded messages. We apply our data-processing inequalities to show that the supremum of achievable (in the usual channel coding sense) ITL transmission rates is upper bounded by the supremum of the directed information rate across the communication channel. Moreover, we present an example in which this upper bound is attained. Finally, ...


翻译:我们展示了与相互信息和反馈系统中的定向信息相关的新的数据处理不平等; 这种系统中的内部区块仅限于因果绘图,但允许是非线性、随机性和时间差异。 这些区块可以代表源编码器、解码器或甚至通信渠道。 此外, 所涉及的信号可以任意分布; 我们的第一个主要结果涉及相互和直接的信息, 可以被解释为信息流保护法; 我们的第二个主要结果就是在封闭循环中完全嵌入随机序列组合的数据处理不平等( 一种有条件版本) 。 我们的第三个主要结果是引入并描述“ 线性、 随机和时间差异” 的概念。 这些区块可以代表源编码的编码、 解码或甚至通信渠道。 有趣的是, 与电文的加密和频道能力相关的传统传输率概念是信息流与输出之间的相互信息流,但正如我们所显示的那样, 国际交易日志的传输率的独特概念是,如果频道的传输率高于正常传输率,那么频道的传输率的升级率就会超过正常水平。

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