Time series modeling is a well-established problem, which often requires that methods (1) expressively represent complicated dependencies, (2) forecast long horizons, and (3) efficiently train over long sequences. State-space models (SSMs) are classical models for time series, and prior works combine SSMs with deep learning layers for efficient sequence modeling. However, we find fundamental limitations with these prior approaches, proving their SSM representations cannot express autoregressive time series processes. We thus introduce SpaceTime, a new state-space time series architecture that improves all three criteria. For expressivity, we propose a new SSM parameterization based on the companion matrix -- a canonical representation for discrete-time processes -- which enables SpaceTime's SSM layers to learn desirable autoregressive processes. For long horizon forecasting, we introduce a "closed-loop" variation of the companion SSM, which enables SpaceTime to predict many future time-steps by generating its own layer-wise inputs. For efficient training and inference, we introduce an algorithm that reduces the memory and compute of a forward pass with the companion matrix. With sequence length $\ell$ and state-space size $d$, we go from $\tilde{O}(d \ell)$ na\"ively to $\tilde{O}(d + \ell)$. In experiments, our contributions lead to state-of-the-art results on extensive and diverse benchmarks, with best or second-best AUROC on 6 / 7 ECG and speech time series classification, and best MSE on 14 / 16 Informer forecasting tasks. Furthermore, we find SpaceTime (1) fits AR($p$) processes that prior deep SSMs fail on, (2) forecasts notably more accurately on longer horizons than prior state-of-the-art, and (3) speeds up training on real-world ETTh1 data by 73% and 80% relative wall-clock time over Transformers and LSTMs.
翻译:时间序列建模是一个根深蒂固的问题, 通常要求方法 (1) 明确代表复杂的依赖性, (2) 预测长地平线, (3) 高效地进行长序列培训。 国家空间模型( SSMM) 是时间序列的经典模型, 先前的工程将SMS和深学习层结合起来, 高效的序列建模。 然而, 我们发现这些先前的方法存在根本性的局限性, 证明他们的 SSM 表示无法表达自动递增时间序列过程。 因此我们引入了空间时间, 一个新的州- 空间时间序列架构, 改进了所有三个标准。 为了表达性, 我们建议基于伴体矩阵进行新的 SSM 参数化( 广度预测), 离心型的SMMM( 空间时间模型), 空间时间序列 关闭, 空间时间显示许多未来时间步骤, 创造出自己的层次输入。 为了高效的培训和推断, 我们引入一种算法, 降低记忆, 并用前方的 6 美元 美元 和 美元 时间序列 。 排序 美元 和 美元 时间 上, 美元 美元 美元 和 美元 美元 美元 美元 和 美元 美元 和 美元 美元 美元 美元 和 美元 和 美元 美元 美元 美元 美元 美元 美元 和 美元 美元 和 美元 美元 美元 美元 美元 美元 和 美元 美元 美元 美元 美元 和 和 的 美元 美元 美元 美元 美元 和 美元 美元 的 的 的 和 和 的 美元 的 的 美元 的 的 和 美元 美元 和 的 的 和 的 的 的 的 的 的 的 的 和 和 和 和 的 和 的 和 的 和 和 等 的 的 的 的 和 和 的 的 的 和 和 和 和 等 的 的 的 的 的 的 的 的 和 的 等 的 的 的 的 的 的 的 的 的 和 和 的 的 和 和 的</s>