高频交易 | 高速传输技术如何影响高频交易?

大家好,我是Lucy@FinTech 社区。在金融界,一直以来都有一项竞争——尽可能以最快的速度获取信息,更理想的情况是,比别人先获取到信息。如今,高频交易的竞争已经达到毫秒级,微秒级甚至纳秒级!在这篇文章中,我们将关注远距离信息传输的物理极限。

对外行而言,这篇文章是打开新世界的大门,对内行而言,这篇文章提出的目前虽还不可用但将来可能有用的neutrino beams技术或许也能带来启发。同时,高频交易对通信技术的严苛要求或许促进了通信技术的发展。 

我们将会看到,纽约至伦敦的终极传输路线极有可能是一条跨大西洋水下空芯光缆,与现在最好的陆面技术相比,这条水下桥梁可以将距离缩短1700多米,并将传输速度削减6微秒,只有中微子束能够超越这条水下桥梁,但是中微子技术远非我们目前所能运用。

高速传输技术

高速交易(HST)的物理极限主要取决于两方面:信号的传输速度;传输的距离。另一个重要的因素是处理信息以做出交易决策的速度,这需要考量基于硬件和软件的运算能力,本篇文章暂且不讨论这个话题。

普通光纤

目前,高速交易的主要传输技术之一是光纤,例如伦敦至纽约。光在光纤中的传播速度约为在真空中的60%-70%,显然,这还有提升的空间。除了速度损失外,这条跨大西洋光纤路径是沿着海床的,而海床并非是平坦的,有很多峰和谷,这进一步增加了点到点的传输时间。近年来对这条伦敦至纽约的海洋路径的延时优化主要是铺了一段更直的光缆。Hibernia Express跨大西洋光缆于2015年安装完成,往返延时理应低于59毫秒。在理想的环境下,这项技术能达到的往返最低延时在54毫秒左右。

微波和激光

电磁波是陆面传输技术之一。在金融领域,微波被用来将信号从一个基站传输到另一个基站。同时,各种类型的激光也被用来传输信号。电磁波信号在空气中的传播速度约为在真空中的99.97%(折射率约为1.0003)。然而,通过大气传输的信号通常需要从一个基站传输到另一个基站,这中间会有很多物体阻挡这些信号,所有实际路径并非一条直线。这种传输系统的可靠性在不同的天气条件下也会有很大差异。即便如此,空中路径很可能是截至目前不同交换机间最快的传输技术,在芝加哥至纽约以及伦敦至法兰克福的传输中,通过大气传播的微波是主流高速交易技术。诸如McKay Brothers这样的公司能够提供这些低延时信息,另外,一些市场玩家也使用自己的“秘密”无线电基站来进行交易。

无线电基站目前在纽约至芝加哥的高速交易信息传输竞争中以其远超光纤的速度脱颖而出,且在可预见的未来会继续保持下去,在短期内甚至空芯光纤也无法超越其在此距离中的地位。

通信卫星

由于将信号传输到卫星再将信号传输到地面会造成额外的传输距离,进而造成很多延时,通信卫星极不可能战胜基于地面的无线电基站或光缆而成为高速交易中信息传输的主要技术。但是既然我们谈到卫星,我想谈点题外话:如果可能,将交换机放置在卫星中有哪些优点和缺点?在这种情况下,这就不是离岸交换机了,而是离地交换机!这是值得思考的一件事,不管是就短期而言还是长期而言。真到了我们有很多离地交换机的时代,它们之间的信息传输会在一条近乎真空的直线上进行,到时候谁还会在地球上进行交易呢?可能只有“龟速”交易员了吧。

短波无线电

最近几年,商业金融媒体上间或有文章谈到一些交易公司在某些特定距离中秘密地转向短波无线电信号。这项技术通常被用于无线电天线间的信号传输,但是也可以被用于跨大西洋信号传输甚至更远,其工作原理是无线电信号被传输到电离层然后被反射回地面,电离层通常距离地面60千米至1000千米不等,在接近地面时,短波无线电以真空中光速的99.97%传播,在电离层则以真空中光速的99.98%甚至更快的速度传播,传播速度的确很快,但同时传播的距离也很远,这就需要进行临界分析。

现代光纤的传输速度约为真空中光速的68%,在跨大西洋这个距离上,这意味着短波无线电由于它的速度优势可以在多传输2800米的情况下仍然快于光纤。所以,短波无线电即使需要先传输到电离层再传输回地面,它仍有可能在信号传输中超过光纤。

中点共置

以下一段话引自Percy Bridgman(1946年诺贝尔物理学奖得主):

In a single system, the upper limit for the relative velocity of two beams of light or of two material objects is not c but 2c.

这意味着如果有人在纽约和香港之间有一个共置点,他只需用比使用交换机共置的人少一半的时间就能够获取来自两个交易所的信息并开始比较,这使得一些研究者错误地认为安装中点共置是可行的,但是他们忘记考虑需要将信号送回交易所以基于得到的信息进行交易。所以,通常没理由进行中点共置,除非中点共置的租金远低于交易所共置,并且在跨交易所套利中并不慢于交易所共置。有趣的是,Spread Networks在纽约和芝加哥间建了一个中点共置,并被CME集团定为特色服务提供商。

中微子束

地球上两个金融中心间的最短几何距离是横穿过地球连接这两个城市的一条直线,这在几何上被称为弦长。中微子以非常接近真空中光速的速度进行传播。由于弦长远远小于弧长,中微子技术能够节省的金融中心之间的传输时长是毫秒级的。鉴于我们目前的能力,这项技术看起来可能太遥远了,但是近几年来一直有进展,随着时间的推进,这项技术值得大家更加仔细地考量。

空芯光纤

近几年空芯光纤发展迅速。光在空芯光纤中传播的速度远快于普通光纤,约为真空中光速的99.92%,这是接近30%速度上的显著提升,但是这仍然远远慢于微波在空气中传播的速度——真空中光速的99.97%,在高速交易的背景下,连0.05%也是显著差异。空芯光纤中光的传播速度低于空气中的传播速度是由于大约有99.9%的光在空气中传播(空芯光纤中的空气),还有0.1%的光在玻璃中传播,而玻璃的折射率为1.5,这使得传播速度为

其中1.0003是空气的折射率,1.5是玻璃的折射率。我们可以将空芯光纤中的空气全部抽出,或者使用折射率更低的壁材,比如1.45,或者是99.93%的光在空气中传播,只剩0.07%的光在壁材中传播,这样理论速度就变为

这意味着在接下来的10-20年,使光在空芯光纤中传播的速度和在空气的传播速度一样并非是不现实的。由于玻璃和光的重叠取决于光的波长,实际计算比以上我们的计算更为复杂,但是专家认为我们的预测结果对于不远的将来是具有实际可能性的,实际上,许多年前光在空芯光纤的速度就已经达到真空中光速的99.97%。

通过空芯光纤进行远距离信号传输面临一些挑战,但是随着科技的进步这些挑战正逐渐被解决。近几年,已有几千米空芯光纤信号传输的实例,在不远的将来,空芯光纤至少在某些距离上可以媲美微波和激光技术。对于跨大西洋传输,空芯光纤拥有可以像普通光纤网络一样铺排的优势,而对于微波或者激光而言,需要沿途修建一个有接发器的气球网络,这并不是不切实际,有些公司过去已经考虑过这样做了,不过如何实现具有相当的挑战性。

跨大西洋水下桥梁的几何运算与示意图

弧长:

弦长:

高度:

 

 

总结

 

有人可能会认为,花费上百万甚至数十亿的资金就为了在金融市场的信息传输中节约几微秒甚至几纳秒,这个社会简直太疯狂了。但是我们不应忘记,电报在一定程度上也是出于金融从业者的需求而产生的,而电报又促进了电话的产生。交易公司可能会刺激如空芯光纤等新技术的需求,换句话说,在高速交易中由金融玩家直接或间接出资的对更快速更可靠传输技术的不懈追求,能够加快新技术的发展,从而在长期看来会为更多产业和人们带来正面效应。