Distance Approach im Pairs Trading: Implementierung und Analyse mit Rust

Der Distance Approach im Pairs Trading erfreut sich aufgrund seiner eleganten Einfachheit und Wirksamkeit großer Beliebtheit. Diese Technik identifiziert Asset-Paare anhand statistischer Kennzahlen und handelt auf Basis der Divergenz und Konvergenz ihrer Preisbeziehungen. Dieser Artikel bietet eine umfassende Analyse sowohl grundlegender als auch fortgeschrittener Distance-Approach-Methoden, mit praktischen Implementierungen in Rust für Hochfrequenzhändler, algorithmische Entwickler, Mathematiker und Programmierer, die robuste Lösungen suchen.

Visualisierung des Distance Approach: Assets A und B folgen einander, mit Handelssignalen basierend auf der Spread-Divergenz (Long/Short)

Theoretische Grundlage des Distance Approach

Der Distance Approach bildet einen Rahmen für das Pairs Trading auf Basis normalisierter Preisbewegungen zwischen Assets. Im Kern verwendet die Methode die quadrierte euklidische Distanz, um Assets zu identifizieren, die sich historisch gemeinsam bewegen, und generiert Handelssignale, wenn ihre normalisierte Preisdivergenz statistisch signifikante Schwellenwerte überschreitet[2].

Dieser Ansatz besteht aus zwei Hauptphasen:

1. Paarbildung - Identifikation statistisch verwandter Asset-Paare
2. Erzeugung von Handelssignalen - Erstellung von Ein- und Ausstiegsregeln auf Basis der Divergenz

Mathematische Grundlage

Die grundlegende Implementierung nutzt die euklidische Distanz zwischen normalisierten Preiszeitreihen. Für zwei Assets mit normalisierten Preiszeitreihen X und Y berechnen wir:

fn euclidean_squared_distance(x: &[f64], y: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(x.len(), y.len(), "Time series must have equal length");
    
    x.iter()
        .zip(y.iter())
        .map(|(xi, yi)| (xi - yi).powi(2))
        .sum()
}

Diese Distanzmetrik hilft dabei, Assets zu identifizieren, die sich historisch gemeinsam bewegen, und bildet damit die Grundlage für statistische Arbitragemöglichkeiten[2].

Grundlegende Implementierung des Distance Approach

Datennormalisierung

Bevor Distanzen berechnet werden, müssen die Preisdaten normalisiert werden, um vergleichbare Skalen herzustellen. Häufig wird die Min-Max-Normalisierung angewendet:

fn min_max_normalize(prices: &[f64]) -> Vec<f64> {
    if prices.is_empty() {
        return Vec::new();
    }
    
    let min_price = prices.iter().fold(f64::INFINITY, |a, &b| a.min(b));
    let max_price = prices.iter().fold(f64::NEG_INFINITY, |a, &b| a.max(b));
    let range = max_price - min_price;
    
    if range.abs() < f64::EPSILON {
        return vec![0.5; prices.len()];
    }
    
    prices.iter()
        .map(|&price| (price - min_price) / range)
        .collect()
}

Ermitteln der nächstliegenden Paare

Potenzielle Paare werden identifiziert, indem die euklidische Distanz zwischen allen Asset-Kombinationen berechnet wird und diejenigen mit den geringsten Distanzen ausgewählt werden:

#[derive(Debug, Clone)]
struct StockPair {
    stock1_idx: usize,
    stock2_idx: usize,
    distance: f64,
}

impl PartialEq for StockPair {
    fn eq(&self, other: &Self) -> bool {
        self.distance.eq(&other.distance)
    }
}

impl Eq for StockPair {}

impl PartialOrd for StockPair {
    fn partial_cmp(&self, other: &Self) -> Option<std::cmp::Ordering> {
        self.distance.partial_cmp(&other.distance)
    }
}

impl Ord for StockPair {
    fn cmp(&self, other: &Self) -> std::cmp::Ordering {
        self.partial_cmp(other).unwrap_or(std::cmp::Ordering::Equal)
    }
}

fn find_closest_pairs(normalized_prices: &[Vec<f64>], top_n: usize) -> Vec<StockPair> {
    let stock_count = normalized_prices.len();
    let mut pairs = BinaryHeap::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        for j in (i+1)..stock_count {
            let distance = euclidean_squared_distance(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            pairs.push(Reverse(StockPair {
                stock1_idx: i,
                stock2_idx: j,
                distance,
            }));
            
            // Keep only top N pairs
            if pairs.len() > top_n {
                pairs.pop();
            }
        }
    }
    
    // Convert from heap to vector and reverse to get ascending order
    pairs.into_iter().map(|Reverse(pair)| pair).collect()
}

Berechnung der historischen Volatilität

Die Berechnung der historischen Volatilität ist entscheidend für das Festlegen geeigneter Handelsschwellen:

fn calculate_spread_volatility(normalized_price1: &[f64], normalized_price2: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(normalized_price1.len(), normalized_price2.len());
    
    // Calculate price spread
    let spread: Vec<f64> = normalized_price1.iter()
        .zip(normalized_price2.iter())
        .map(|(p1, p2)| p1 - p2)
        .collect();
    
    // Calculate mean of spread
    let mean = spread.iter().sum::<f64>() / spread.len() as f64;
    
    // Calculate standard deviation
    let variance = spread.iter()
        .map(|&x| (x - mean).powi(2))
        .sum::<f64>() / spread.len() as f64;
    
    variance.sqrt()
}

Fortgeschrittene Auswahlmethoden

Filterung nach Branchengruppen

Die Beschränkung der Paarauswahl auf dieselbe Branche kann die Performance verbessern, da wirtschaftlich verwandte Assets ausgewählt werden:

fn find_industry_pairs(
    normalized_prices: &[Vec<f64>], 
    industry_codes: &[usize], 
    top_n_per_industry: usize
) -> Vec<StockPair> {
    // Group stocks by industry
    let mut industry_groups: std::collections::HashMap<usize, Vec<usize>> = std::collections::HashMap::new();
    
    for (idx, &code) in industry_codes.iter().enumerate() {
        industry_groups.entry(code).or_default().push(idx);
    }
    
    // Find closest pairs within each industry
    let mut all_pairs = Vec::new();
    
    for (_industry_code, stock_indices) in industry_groups {
        let mut industry_pairs = Vec::new();
        
        for i in 0..stock_indices.len() {
            for j in (i+1)..stock_indices.len() {
                let stock1_idx = stock_indices[i];
                let stock2_idx = stock_indices[j];
                let distance = euclidean_squared_distance(
                    &normalized_prices[stock1_idx], 
                    &normalized_prices[stock2_idx]
                );
                
                industry_pairs.push(StockPair {
                    stock1_idx,
                    stock2_idx,
                    distance,
                });
            }
        }
        
        // Sort pairs by distance
        industry_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap());
        
        // Take top N from each industry
        let top_pairs: Vec<StockPair> = industry_pairs.into_iter()
            .take(top_n_per_industry)
            .collect();
            
        all_pairs.extend(top_pairs);
    }
    
    all_pairs
}

Der Zero-Crossings-Ansatz identifiziert Paare mit häufiger Konvergenz und Divergenz, was auf potenziell profitablere Handelsmöglichkeiten hindeuten kann:

Zero-Crossings-Konzept: Identifikation von Paaren mit häufiger Mean-Reversion, erkennbar am Kreuzen der Nulllinie durch den Spread

fn count_zero_crossings(spread: &[f64]) -> usize {
    if spread.len() < 2 {
        return 0;
    }
    
    let mut count = 0;
    for i in 1..spread.len() {
        if (spread[i-1] < 0.0 && spread[i] >= 0.0) || 
           (spread[i-1] >= 0.0 && spread[i] < 0.0) {
            count += 1;
        }
    }
    
    count
}

fn find_zero_crossing_pairs(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    top_distance_threshold: f64,
    min_crossings: usize
) -> Vec<StockPair> {
    let stock_count = normalized_prices.len();
    let mut qualifying_pairs = Vec::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        for j in (i+1)..stock_count {
            let distance = euclidean_squared_distance(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            // Only consider pairs with distance below threshold
            if distance < top_distance_threshold {
                // Calculate spread
                let spread: Vec<f64> = normalized_prices[i].iter()
                    .zip(normalized_prices[j].iter())
                    .map(|(p1, p2)| p1 - p2)
                    .collect();
                
                let crossings = count_zero_crossings(&spread);
                
                if crossings >= min_crossings {
                    qualifying_pairs.push(StockPair {
                        stock1_idx: i,
                        stock2_idx: j,
                        distance,
                    });
                }
            }
        }
    }
    
    // Sort by number of crossings (could extend StockPair to include this)
    qualifying_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap());
    qualifying_pairs
}

Berücksichtigung der historischen Standardabweichung

Diese Methode adressiert eine Einschränkung des grundlegenden Ansatzes, indem Paare mit höherer Spread-Volatilität priorisiert werden, was das Gewinnpotenzial erhöhen kann:

fn find_highsd_pairs(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    top_distance_count: usize,
    min_volatility: f64
) -> Vec<StockPair> {
    let stock_count = normalized_prices.len();
    let mut all_pairs = Vec::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        for j in (i+1)..stock_count {
            let distance = euclidean_squared_distance(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            // Calculate spread volatility
            let spread: Vec<f64> = normalized_prices[i].iter()
                .zip(normalized_prices[j].iter())
                .map(|(p1, p2)| p1 - p2)
                .collect();
            
            let volatility = calculate_spread_volatility(&normalized_prices[i], &normalized_prices[j]);
            
            if volatility >= min_volatility {
                all_pairs.push(StockPair {
                    stock1_idx: i,
                    stock2_idx: j,
                    distance,
                });
            }
        }
    }
    
    // Sort by distance
    all_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap());
    
    // Take top N pairs with highest volatility that meet distance criteria
    all_pairs.into_iter().take(top_distance_count).collect()
}

Fortgeschrittener Ansatz: Pearson-Korrelationsmethode

Der Pearson-Korrelationsansatz bietet gegenüber dem grundlegenden Distance Approach mehrere Vorteile, da er sich auf Renditekorrelationen statt auf Preisdistanzen konzentriert[1].

Implementierung in Rust

fn pearson_correlation(x: &[f64], y: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(x.len(), y.len(), "Arrays must have the same length");
    
    let n = x.len() as f64;
    let sum_x: f64 = x.iter().sum();
    let sum_y: f64 = y.iter().sum();
    let sum_xx: f64 = x.iter().map(|&val| val * val).sum();
    let sum_yy: f64 = y.iter().map(|&val| val * val).sum();
    let sum_xy: f64 = x.iter().zip(y.iter()).map(|(&xi, &yi)| xi * yi).sum();
    
    let numerator = n * sum_xy - sum_x * sum_y;
    let denominator = ((n * sum_xx - sum_x * sum_x) * (n * sum_yy - sum_y * sum_y)).sqrt();
    
    if denominator.abs() < f64::EPSILON {
        return 0.0;
    }
    
    numerator / denominator
}

struct PearsonPair {
    stock_idx: usize,
    comover_indices: Vec<usize>,
    correlations: Vec<f64>,
}

fn find_pearson_pairs(returns: &[Vec<f64>], top_n_comovers: usize) -> Vec<PearsonPair> {
    let stock_count = returns.len();
    let mut all_pairs = Vec::new();
    
    for i in 0..stock_count {
        let mut correlations = Vec::with_capacity(stock_count - 1);
        
        for j in 0..stock_count {
            if i == j {
                continue;
            }
            
            let correlation = pearson_correlation(&returns[i], &returns[j]).abs();
            correlations.push((j, correlation));
        }
        
        // Sort by correlation (highest first)
        correlations.sort_by(|a, b| b.1.partial_cmp(&a.1).unwrap_or(std::cmp::Ordering::Equal));
        
        // Take top N comovers
        let top_comovers: Vec<(usize, f64)> = correlations.into_iter()
            .take(top_n_comovers)
            .collect();
            
        let (comover_indices, correlation_values): (Vec<usize>, Vec<f64>) = 
            top_comovers.into_iter().unzip();
            
        all_pairs.push(PearsonPair {
            stock_idx: i,
            comover_indices,
            correlations: correlation_values,
        });
    }
    
    all_pairs
}

Portfoliobildung und Beta-Berechnung

Der Pearson-Ansatz erstellt für jede Aktie Portfolios aus Comovern und berechnet anschließend Regressionskoeffizienten:

fn calculate_beta(stock_returns: &[f64], portfolio_returns: &[f64]) -> f64 {
    let cov_xy = covariance(stock_returns, portfolio_returns);
    let var_x = variance(portfolio_returns);
    
    if var_x.abs() < f64::EPSILON {
        return 0.0;
    }
    
    cov_xy / var_x
}

fn covariance(x: &[f64], y: &[f64]) -> f64 {
    assert_eq!(x.len(), y.len());
    
    let n = x.len() as f64;
    let mean_x: f64 = x.iter().sum::<f64>() / n;
    let mean_y: f64 = y.iter().sum::<f64>() / n;
    
    let sum_cov: f64 = x.iter()
        .zip(y.iter())
        .map(|(&xi, &yi)| (xi - mean_x) * (yi - mean_y))
        .sum();
    
    sum_cov / n
}

fn variance(x: &[f64]) -> f64 {
    let n = x.len() as f64;
    let mean: f64 = x.iter().sum::<f64>() / n;
    
    let sum_var: f64 = x.iter()
        .map(|&xi| (xi - mean).powi(2))
        .sum();
    
    sum_var / n
}

Erzeugung von Handelssignalen

Der letzte Schritt in beiden Ansätzen besteht darin, Handelssignale auf Basis von Divergenzschwellen zu generieren:

enum TradingSignal {
    Long,
    Short,
    Neutral
}

struct TradePosition {
    stock1_idx: usize,
    stock2_idx: usize,
    signal: TradingSignal,
    entry_spread: f64,
    timestamp: usize,
}

fn generate_trading_signals(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    pairs: &[StockPair], 
    threshold_multiplier: f64,
    volatilities: &[f64],
    current_time: usize
) -> Vec<TradePosition> {
    let mut positions = Vec::new();
    
    for (pair_idx, pair) in pairs.iter().enumerate() {
        let stock1_idx = pair.stock1_idx;
        let stock2_idx = pair.stock2_idx;
        
        // Calculate current spread
        let current_spread = normalized_prices[stock1_idx][current_time] - 
                             normalized_prices[stock2_idx][current_time];
                             
        let threshold = threshold_multiplier * volatilities[pair_idx];
        
        let signal = if current_spread > threshold {
            // Stock1 is overvalued relative to Stock2
            TradingSignal::Short
        } else if current_spread < -threshold {
            // Stock1 is undervalued relative to Stock2
            TradingSignal::Long
        } else {
            TradingSignal::Neutral
        };
        
        if signal != TradingSignal::Neutral {
            positions.push(TradePosition {
                stock1_idx,
                stock2_idx,
                signal,
                entry_spread: current_spread,
                timestamp: current_time,
            });
        }
    }
    
    positions
}

Performance-Optimierung

Für Hochfrequenzhandelssysteme ist Performance entscheidend. SIMD-Instruktionen (Single Instruction, Multiple Data) können Distanzberechnungen erheblich beschleunigen:

SIMD-Beschleunigung: Nutzung von Datenparallelität in Rust, um mehrere Preispunkte gleichzeitig zu verarbeiten und die Latenz drastisch zu reduzieren

#[cfg(target_arch = "x86_64")]
use std::arch::x86_64::*;

#[cfg(target_arch = "x86_64")]
#[inline]
unsafe fn euclidean_distance_simd(x: &[f32], y: &[f32]) -> f32 {
    assert_eq!(x.len(), y.len());
    
    let mut sum = _mm256_setzero_ps();
    let chunks = x.len() / 8;
    
    for i in 0..chunks {
        let xi = _mm256_loadu_ps(&x[i * 8]);
        let yi = _mm256_loadu_ps(&y[i * 8]);
        
        let diff = _mm256_sub_ps(xi, yi);
        let squared = _mm256_mul_ps(diff, diff);
        sum = _mm256_add_ps(sum, squared);
    }
    
    // Handle the remaining elements
    let mut result = _mm256_reduce_add_ps(sum);
    
    for i in (chunks * 8)..x.len() {
        result += (x[i] - y[i]).powi(2);
    }
    
    result.sqrt()
}

// Helper function to sum SIMD vector
#[cfg(target_arch = "x86_64")]
#[inline(always)]
unsafe fn _mm256_reduce_add_ps(v: __m256) -> f32 {
    let hilow = _mm256_extractf128_ps(v, 1);
    let low = _mm256_castps256_ps128(v);
    let sum128 = _mm_add_ps(hilow, low);
    
    let hi64 = _mm_extractf128_si128(_mm_castps_si128(sum128), 1);
    let low64 = _mm_castps_si128(sum128);
    let sum64 = _mm_add_ps(_mm_castsi128_ps(hi64), _mm_castsi128_ps(low64));
    
    _mm_cvtss_f32(_mm_hadd_ps(sum64, sum64))
}

Asynchrone Verarbeitung kann den Durchsatz weiter verbessern, insbesondere bei der Arbeit mit vielen Aktienpaaren:

use tokio::task;
use futures::future::join_all;

async fn process_pairs_async(
    normalized_prices: &[Vec<f64>],
    stock_count: usize,
    chunk_size: usize
) -> Vec<StockPair> {
    let mut tasks = Vec::new();
    
    // Split work into chunks
    let chunks = (stock_count + chunk_size - 1) / chunk_size;
    
    for chunk in 0..chunks {
        let start = chunk * chunk_size;
        let end = std::cmp::min((chunk + 1) * chunk_size, stock_count);
        
        let prices_clone = normalized_prices.to_vec();
        
        let task = task::spawn(async move {
            let mut pairs = Vec::new();
            
            for i in start..end {
                for j in (i+1)..stock_count {
                    let distance = euclidean_squared_distance(&prices_clone[i], &prices_clone[j]);
                    
                    pairs.push(StockPair {
                        stock1_idx: i,
                        stock2_idx: j,
                        distance,
                    });
                }
            }
            
            pairs
        });
        
        tasks.push(task);
    }
    
    // Await all tasks and combine results
    let results = join_all(tasks).await;
    
    let mut all_pairs = Vec::new();
    for result in results {
        if let Ok(pairs) = result {
            all_pairs.extend(pairs);
        }
    }
    
    // Sort by distance
    all_pairs.sort_by(|a, b| a.distance.partial_cmp(&b.distance).unwrap_or(std::cmp::Ordering::Equal));
    all_pairs
}

Testen der Strategieimplementierung

Um unsere Implementierung zu bewerten, benötigen wir eine geeignete Testinfrastruktur:

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;
    
    #[test]
    fn test_normalization() {
        let prices = vec![10.0, 15.0, 12.0, 18.0, 20.0];
        let normalized = min_max_normalize(&prices);
        
        let expected = vec![0.0, 0.5, 0.2, 0.8, 1.0];
        
        for (a, b) in normalized.iter().zip(expected.iter()) {
            assert!((a - b).abs() < 0.001);
        }
    }
    
    #[test]
    fn test_euclidean_distance() {
        let x = vec![0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5];
        let y = vec![0.15, 0.22, 0.35, 0.38, 0.53];
        
        let distance = euclidean_squared_distance(&x, &y);
        let expected = 0.0049; // Calculated manually
        
        assert!((distance - expected).abs() < 0.0001);
    }
    
    #[test]
    fn test_pearson_correlation() {
        let x = vec![1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0];
        let y = vec![5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0];
        
        let corr = pearson_correlation(&x, &y);
        let expected = -1.0; // Perfect negative correlation
        
        assert!((corr - expected).abs() < 0.0001);
    }
    
    // Integration tests would be implemented in tests/ directory
}

Für Integrationstests folgen wir der Rust-Konvention, Tests in einem separaten tests-Verzeichnis im Projektstammverzeichnis abzulegen[15][18].

Fazit

Der Distance Approach bietet einen robusten Rahmen für das Pairs Trading, wobei sowohl die grundlegende als auch die fortgeschrittene Methodik wertvolle Möglichkeiten zur statistischen Arbitrage eröffnen. Der grundlegende Ansatz mit seinem Fokus auf die euklidische Distanz bietet Einfachheit und Wirksamkeit, während der Pearson-Korrelationsansatz zusätzliche Flexibilität und potenziell bessere Eigenschaften bei der Divergenz-Reversion bietet.

Die Performance-Eigenschaften von Rust machen die Sprache ideal für die Implementierung dieser rechenintensiven Strategien, insbesondere in Kombination mit Optimierungen wie SIMD und nebenläufiger Verarbeitung. Die Verbindung aus statistischer Genauigkeit und effizienter Implementierung ergibt ein leistungsfähiges Toolkit für algorithmische Trader.

Bei der Implementierung eines Pairs-Trading-Systems sollten mehrere Aspekte berücksichtigt werden:

1. Der Kompromiss zwischen Einfachheit (grundlegender Ansatz) und erhöhter statistischer Aussagekraft (Pearson-Ansatz)
2. Der Rechenaufwand, der für eine großangelegte Paaranalyse erforderlich ist
3. Transaktionskosten, die die Profitabilität erheblich beeinträchtigen können[3]
4. Die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Überwachung und Neukalibrierung der Paare

Durch die Kombination des Distance Approach mit den Performance-Fähigkeiten von Rust können Trader hocheffiziente und wirksame Systeme zur statistischen Arbitrage entwickeln, die mit der Geschwindigkeit und dem Umfang arbeiten können, die moderne Märkte erfordern.

Citation

@software{soloviov2025distanceapproach,
  author = {Soloviov, Eugen},
  title = {Distance Approach in Pairs Trading: Implementation and Analysis with Rust},
  year = {2025},
  url = {https://marketmaker.cc/en/blog/post/distance-approach-pairs-trading},
  version = {0.1.0},
  description = {A comprehensive analysis of basic and advanced Distance Approach methodologies for pairs trading, with practical implementations in Rust tailored for high-frequency traders and algorithmic developers.}
}

References

1. Hudson Thames - Introduction to Distance Approach in Pairs Trading Part II
2. Hudson Thames - Distance Approach in Pairs Trading Part I
3. Reddit - Pairs Trading is Too Good to Be True?
4. GitHub - Kucoin Arbitrage
5. docs.rs - Euclidean Distance in geo crate
6. Simple Linear Regression in Rust
7. GitHub - correlation_rust
8. docs.rs - Cointegration in algolotl-ta
9. GitHub - trading_engine_rust
10. docs.rs - distances crate
11. Reddit - Looking for stats crate for Dickey-Fuller
12. crates.io - crypto-pair-trader
13. w3resource - Rust Structs and Enums Exercise
14. Rust Book - Test Organization
15. Design Patterns in Rust
16. GitHub - simd-euclidean
17. Rust by Example - Integration Testing
18. YouTube - Integration Testing in Rust
19. Stack Overflow - Calculate Total Distance Between Multiple Points
20. Databento - Pairs Trading Example
21. Rust std - f64 Primitive
22. Hudson & Thames - Distance Approach Documentation
23. GitHub - trading-algorithms-rust
24. docs.rs - linreg crate
25. Rust Book - References and Borrowing
26. Stack Overflow - How to Interpret adfuller Test Results
27. lib.rs - arima crate
28. Econometrics with R - Cointegration
29. DolphinDB - adfuller Function
30. docs.rs - arima crate (latest)
31. Wikipedia - Cointegration