Multivariate time series data appear often as realizations of non-stationary processes where the covariance matrix or spectral matrix smoothly evolve over time. Most of the current approaches estimate the time-varying spectral properties only retrospectively - that is, after the entire data has been observed. Retrospective estimation is a major limitation in many adaptive control applications where it is important to estimate these properties and detect changes in the system as they happen in real-time. One major obstacle in online estimation is the computational cost due to the high-dimensionality of the parameters. Existing methods such as the Kalman filter or local least squares are feasible. However, they are not always suitable because they provide noisy estimates and can become prohibitively costly as the dimension of the time series increases. In our brain signal application, it is critical to develop a robust method that can estimate, in real-time, the properties of the underlying stochastic process, in particular, the spectral brain connectivity measures. For these reasons we propose a new smooth online parameter estimation approach (SOPE) that has the ability to control for the smoothness of the estimates with a reasonable computational complexity. Consequently, the models are fit in real-time even for high dimensional time series. We demonstrate that our proposed SOPE approach is as good as the Kalman filter in terms of mean-squared error for small dimensions. However, unlike the Kalman filter, the SOPE has lower computational cost and hence scalable for higher dimensions. Finally, we apply the SOPE method to a rat's local field potential data during a hippocampus-dependent sequence-memory task. As demonstrated in the video, the proposed SOPE method is able to capture the dynamics of the connectivity as the rat performs the sequence of non-spatial working memory tasks.


翻译:多变时间序列数据似乎往往是随着非静止进程的实现而出现的,在这些过程中,共变矩阵或光谱矩阵随着时间的推移平稳地演变。但大多数现行方法只是追溯性地估计时间变化光谱属性,也就是说,在整个数据被观测到之后。回溯性估算是许多适应性控制应用程序中的一个主要限制,在这些应用程序中,必须估算这些属性,并发现系统在实时时发生的变化。在线估算的一个主要障碍是参数高度维度导致的计算成本。现有的方法,如卡尔曼过滤器或本地最小方格是可行的。然而,这些方法并不总是适合的,因为它们提供噪音估计,随着时间序列的维度增加而变得过于昂贵。在我们大脑信号应用程序中,开发一个强大的方法,可以实时估计这些属性,特别是光谱脑连接测量测量尺度。我们提出一个新的平稳的在线参数估算方法,即可自由的直流数据(SOPE)是可行的,因为现有的方法,能够控制更平稳的字段,甚至更高级的估算值,因此,在SOVI 的序列中,我们的拟议的测算方法是真实的。

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