はじめに

プログラマの皆様は、電気通信の文脈でいう「線路」が鉄道の線路ではなく通信線路であることはもちろんご存知だと思います。
この記事では、その線路の中でも特に水底に敷かれる線路、つまり海底ケーブルに関する試験について、これを解説しようと思います。

具体的には、一般財団法人日本データ通信協会の電気通信国家試験センターが行っている電気通信主任技術者試験のうち、専門的能力の科目の水底線路分野を解説します。令和1年度第2回のものです。（ちなみに合格すれば総務省から線路主任技術者資格証がもらえます。）

この試験について詳しくは、

電気通信主任技術者とは？ - 日本データ通信協会（公式サイト）
電気通信主任技術者総合情報（過去問や受験体験談、その他試験に役立つ知識がたくさん掲載されているのでおススメ）

などをご覧ください。

改訂履歴

2020/01/16 問5(3)(ii)の解説が誤っていたので修正、専門的科目自体の廃止について言及

弁解

Qiitaは「プログラミングに関する知識を記録・共有するためのサービス」ですが、国外への通信の99%を支える海底ケーブルについて紹介することで、プログラマの皆さんが普段プログラミングの際にcomposer installやdocker pullやTwitterをするときに、具体的にそのパケットが何を、どこを、どうやって通っているのか共有することは十分役立つと思うので投稿しました（言い訳）。

Qiita、エンジニアのための〜とか言いながらプログラミング知識の共有しか認めてないのアレだよね〜
— のわぺ (@snzhevo) March 14, 2020

解説

ここからはお手元に令和1年度第2回電気通信主任技術者試験問題・解答からダウンロードできる「専門的能力（水底線路）」のPDFファイルを用意してください。（図や問題文を丸ごとコピーするのは著作権的にヤバい気がした。）
大問は全部で5つありますが、問1と問2は専門的能力（通信線路）と同じ問題ですので、今回は割愛します。（通信線路の参考書は水底線路よりは多いです。）

読むのに飽きた人は末尾にオススメの本とこの資格の今後について書いてあるので、まとめのところだけでも読んで欲しいです…。

問3

長くなりますがお付き合いください。

(1)

答え

光海底ケーブルは、敷設されている海底環境を要因とする外傷を防止するために、様々な保護構造が施されており、保護構造で分類すると、無外装ケーブルと外装ケーブルに大別される。
図1は、無外装ケーブルのうち、LWS(Light Weight Screened)ケーブルといわれる光海底ケーブルの断面の一例を示したものである。
図1に示すように、光ファイバを防護する鉄3分割パイプの周囲にはハガネ線が撚られており、その外側にある図中Aで示す金属層は、電気抵抗がケーブル1kmあたり**（0.7～1.0）Ω程度の給電路を形成する。また、図中Bで示すラミネート加工された（鉄テープ）は、ラミネートの溶融によりLW(Light Weight)コア及び図中Cで示す外部シースと密着している。この図中Cで示す外部シースは、（高密度ポリエチレン）を押出成型したものである。
一方、外装ケーブルには、水深、海底地質など光海底ケーブルの使用環境に対応できるよう幾つかの種類がある。水深（1500）**m程度までは、一般に、一重外装ケーブルが使用されているが、陸地に近い浅海部では、漁労、錨などにより、光海底ケーブルが最も損傷を受けやすいことから、一般に、二重外装ケーブルが使用されている。

解説

まず前提知識として、海底ケーブルは水中に浮かせるのではなく、水底を這うようにして敷設されています。これは、浮いていると揺れて切れるからです。なので、日本海溝等の深い場所でも（できるだけ浅いルートを選んで）浮かせずに一番下まで沈んでいます。
また、敷設は船から行われます。船のケーブルタンクにあるケーブルを垂らして、水底に沿わせます。そのため、深いところに敷設しようとするとケーブルの自重で上の方にとても張力がかかります。なので、深いところに敷設するケーブルはできるだけ軽くしたいので、無外装ケーブルが使用されます。
鉄3分割パイプとハガネ線は、その張力に耐えるためのものです。ちなみに3分割パイプはナミテイという会社が実現した技術です¹。

海底ケーブルは、例えば日本からアメリカまで行こうとすると1万kmぐらいあるので、途中で光を増幅しないといけません。これは中継器で行われるのですが、そこに電力を供給する必要があります。そのため、光ファイバーだけではなくその周りに銅の層があり、電気を流しています。その抵抗は、**1kmあたり$0.7～1.0\Omega$**とされています（暗記）。ちなみに、ほかにも種類はありますが代表的なものだと長距離向けOS/OFSケーブルが$0.7\Omega$、中距離向けSSケーブルが$1.0\Omega$です。
実際には、長距離大容量ケーブルだと片側の陸から供給される電圧は15kVになるそうです。

一番外側は絶縁のためにポリエチレンになっています。水圧に耐えるために高密度です。鉄テープにラミネートして接着しているそうです。光ファイバーには水素ガスが悪影響なので、周りの海水から鉄とか銅でガスを防いでいる…のかな？

いくら軽い方が良いといっても、浅いところは海底ケーブルを切断する脅威だらけです。1～3m埋めたりもしていますが、底引き網や大型船の錨はそれを突き破って切断してきます。特に大陸棚は、そこまで深くない上に漁業が盛んなので切れやすいそうです。そのため、外装を付けます。具体的には、周りにハガネ線をもっと巻きます。1重巻いたら1重外装、2重巻いたら2重外装ケーブルです。500mまでは二重外装、1500mまでは一重外装、6000mまではLWS…が一般的に使用されます。

(2)(i)

答え

海底中継器のEDF励起用LDは、光海底中継器としての所要の信頼性を実現するために、一般に、光カプラなどを介して冗長化されている。
長期間の設計寿命が要求される光海底中継器に置いて、その構成部品の信頼度を確保するための手法の一つであるスクリーニング試験では、初期故障品の除去が行われる。
耐圧筐体内に光増幅回路と給電回路を実装した回路ユニットを収容する光海底中継器においては、海底ユニット内部の温度上昇を抑える放熱対策が施されており、周囲温度が0℃～35℃の範囲で、安定して動作するよう設計されている。
**フィールドアセンブリ（正：フィールドスルーアセンブリ）**といわれる構造では、光ファイバと給電線を一括して耐圧筐体内に気密導入しており、光ファイバには樹脂成型封止とメタルコーンシール、給電線にはハンダによるメタル封止が採用されている。

解説

先ほども述べたように海底ケーブルはある程度の距離で増幅のために中継器を挟みます。伊東-八丈島程度の距離ならNTTにより無中継が実現されていますが、大陸間となるとやはり中継による増幅が必要です。海底にあるものなので、修理には何週間もかかるため、信頼性が最重要視されています。
増幅には、EDF（エルビウム添加ファイバー）という特殊なファイバーを使います。昔は一度電気信号にしていたそうですが、遅延や高速化など様々な理由で光のまま扱うほうが有利なので、これが開発されました。ちなみに開発したのは東京工業大学出身でKDDIの研究所長も務めた方です。このEDFにある波長の光を入れると励起してほかの波長の光を増幅してくれます。各中継器にあるLD（レーザダイオード）で励起のための光を作り、増幅しています。このLDを冗長化するため、光を分岐・結合する光カプラが使用されます。

信頼性のため、壊れやすい個体を出荷前に排除するためにスクリーニングします。

海底は周りが水なので、温度帯は極端になりません。そのため、周囲温度が0℃～35℃の範囲で安定に動作すれば大丈夫です。もちろん、それ以上に過酷な環境でスクリーニング試験され、突破したものだけが出荷されます。

光ファイバを中継器に入れる部分が最も弱そうなのは感覚的にそんな気がします。そのため、光ファイバには樹脂成型封止とメタルコーンシール、給電線にはハンダによるメタル封止で水密されており、この封止は工場で行われます。「フィールドアセンブリ」は現地で組み立てる方法、現地で何もしないのは「フィールドスルーアセンブリ」です。

(2)(ii)

答え

光海底中継器に要求される仕様項目の一つとして、一般に、最大水深**6,000m（正：8,000m）の海底で10年（正：25年）**以上安定して動作することがあげられる。
光海底中継器の耐圧筐体は、**785MPa（正：78.5MPa）以上の水圧に耐える機械的特性を有している。また、耐圧筐体内部を真空乾燥後、乾燥窒素ガスで置換して封止する構造により、耐圧筐体内の相対湿度を50%程度（正：20%以下）**に保つ気密性を有している。
光海底中継器では、輸送、船積み、敷設及び修理時の引揚げの際の振動や衝撃から回路ユニットを保護するため、一般に、耐圧筐体と回路ユニットの間に金属バネ製クッションが設けられている。この金属バネ製クッションは、回路ユニットの放熱の機能も持っている。
光海底中継器の耐圧筐体の材料は、機械的強度、導電性（正：？）、**耐摩耗性（正：？）などに優れた無酸素銅（正：ベリリウム銅合金）**が用いられている。

解説

海底ケーブルは、海溝の底にも敷設されます。なので8000mぐらいは耐えられないといけません。また、システム全体の設計寿命は25年です。その間に中継器だけ交換するのも非常にコストなので、中継器も25年稼働するものでないといけません。

水深8,000mでの水圧は$8\times 10^7\rm{Pa} = 80M\rm{Pa}$なので、$785M\rm{Pa}$も耐える必要はありません。また、中で結露するとショートや錆で壊れるので、乾燥させます。酸化防止のためも含め、乾燥空気ではなく乾燥窒素が用いられます。

金属バネは正しいです。回路と筐体をバネで離すことで、耐振動性を高めています。また、回路から筐体を通して排熱するため、その熱の通り道としての役割もあります。

中継器のガワはベリリウム銅合金です。これは耐腐食性と機械強度に優れています。海底では摩擦が無いので耐摩耗性は要らないし、導電したら壊れそうなので導電性も要りません。ちなみにアースは中継器から離れたところの海中に置きます。無酸素銅は大気中で酸化するので、保管中に腐食しそうなのでダメです。

(3)(i)

答え

BU（海底分岐装置）の給電回路は、駆動コイルと接点を持つ真空リレーを組み合わせて構成されている。真空リレーは単体でラッチ機能を持ち（正：持たない）、駆動コイルに電流を流すと接点が切り替わり、電流を切ってもその状態を保持することができる（正：保持しない）。
トランク経路（a-b間）に給電すると、R1とR2が動作してr1とr2が切り替わり、a-b間とc端が切り離されるとともに、c端がR4に接続される。さらに、c-SE間に給電するとR4が動作してr4が切り替わり、c端が自己保持され、通常給電状態が確立する。
通常給電状態において、b端でケーブル故障が発生した場合、初期状態に戻した後、a-c間に給電するとR2とR3が動作してr2とr3が切り替わり、故障中のb端はSEに接続されてa-c間から切り離され、a-c間のトラヒックが確保される。

解説

給電回路のスイッチは、真空リレーが用いられています。高速応答で寿命が長い…らしいです。ラッチ機能も持たないらしいです。この辺よくわからないので、回路に強い人の鉞を求めています。

海底ケーブルは、1点と1点を結ぶだけでなく、途中で分岐することもあります。例えば、日米間を太平洋経由で結ぶとき、ハワイにもそのケーブルが通れば便利ですよね？ただ、経由すると往復分の長さが無駄になるので、T字型に分岐します。
さて、T字型のケーブルは交差点を境目に3つに分かれますが、このうち1つが壊れても残りの2つで通信を継続したいです。なので、この問題では、給電回路の面からそれを実現する方法について問われています。

下2つの選択肢は、以下の画像のイメージを持っていれば問題文の図に実際に線を引いてみることで解かると思います。黄色の線は給電線で、分岐器まで電力さえ到達していれば陸から分岐器の間の通信は確保されます。電気回路の末端は分岐器についているアース、または対向の陸です。また、アースには1本しか接続できません。

(3)(ii)

答え

長距離光海底ケーブルシステムにおいて、ケーブル切断や中継器故障などの伝送路故障が発生した場合、一般に、別の経路（パス）に切り替えるネットワークプロテクションによってトラヒックが救済される。
ITU-T勧告で規定されているSNCP(Unidirectional 1+1 SubNetwork Connection Protection)は、送信ノードがワーキングパスとプロテクションパスの両方に対してデータ伝送し、受信側装置がどちらかのパスを選択する方式である。
ITU-T勧告で規定されているMS-DP Ring(Multiplex Section-Dedicated Protection Ring)のうち、4本（正：2本）の光ファイバを用いたMS-DP　Ringは、右回り/左回りを切り替えるリング切替はできるが（正：できないし）、併設されている異なる光ファイバに切り替えるスパン切替はできない。
TOA(Transoceanic Application)は、ITU-T勧告で規定されている方法であり、複数ノードを有するネットワークにおいて故障が発生した場合、単純なMS-DP Ringでは故障発生箇所に近いノードまで信号伝送した後、迂回経路側へ切り替えて受信ノードまで伝送することになるが、TOAを採用することにより最短距離のプロテクションパスを選択して切り替えることが可能である。

解説

ある1本が切れた時、当然その経路を迂回しないといけません。我が家への引き込み線のように、切れたら修理までインターネットに繋がりませんだととても困ります。近年では1本あたり8～10Tbpsのトラヒックが流れているのです。
そこで、別の経路に切り替えるわけですが、IS-ISやOSPFのようなL3/IPの手法ではなく、ITUの電気通信標準化部門が勧告しているプロトコルが使われています。具体的には、ITU-T勧告G.841で規定されています。
海底ケーブルは環状に敷設されていることが（昔は）多かったので、右回りが切れたら左回りに切り替える、という手法がよく用いられます。

SNCPは問題文通りです。左回りと右回りの両方に同じデータを流して、受信側はどちらか好きな方のデータを受け取ります。
MS-DP RingとMS-SP Ringの違いについては、あまり理解できていないので以下の参考文献を見てください。図を見たらなんとなくわかったような気になれます。

参考文献

問4

ここを書いていたら線路主任技術者の資格者証が届きました。嬉しい！

(1)

答え

中継光海底ケーブルシステムにおいて、埋設されている光海底ケーブルが故障した場合、一般に、陸揚局に設置されている給電装置の**（エレクトローディング）機能を用いて25Hz程度の交流信号を直流給電電流に重畳し、磁気探査機能を有する（ROV）により当該ケーブル位置を特定する。（ROV）には、最大適用水深が3,000m程度のものがある。
故障箇所が中継器と中継器の間の区間であり、ケーブル故障種別が解放故障の場合において、開放故障箇所のケーブル両端がともに完全に絶縁された状態では、故障位置の測定試験として（静電容量）試験が用いられる。
ケーブル位置の特定と測定試験によって、ケーブル故障位置が特定された後は、海底地質などに応じて適切な形状の探線機を用いて探線作業を行い、ケーブルを船上まで回収する。探線機は単独でも用いられるが、海底の環境により同種のものを複数個つなげたり、他の探線機と組み合わせる場合などがあり、探線機は、海底での跳ね上がりや捻回を防止するため、一般に、チェーンや（ケーブルグリッパ）**をつないで用いられる。

解説

ケーブルは、埋設されていたり深い海の底にあったりするので、修理の時に海の上から見つけるのは難しいです。なので、交流信号をケーブルに流し、磁気を発させることで無人水中ロボット（ROV）がその磁気を探知し、見つけます。なんと300km先、運用を停止していればより高出力な信号を送れるので500km先から信号を検知することができるそうです。人が潜れるぐらいの深度ならダイバーが金属探知機を持って潜ることもあります。
ちなみに、この問題にはありませんが、敷設船にはROVを吊るすためのAフレームが装備されています。

普段は直流で中継器に給電していますが、エレクトローディング機能を用いて交流電流を重畳させる装置が陸揚局にあります。エレクトリシティをロードするからエレクトローディング…なのかな？
ちなみに陸揚局とは、海底ケーブルの終端点です。本州だと○○とか○○、離島だと各島にあると思います。ここでは、陸上ファイバー網の中の光を長距離伝送に対応した感じの波長にしたり、波同士を重ねたり（波長多重）、符号をより誤り訂正しやすいものに変換したり、給電したり、監視したり、いろんなことが行われています。

さて、故障したケーブルはROVで引き上げるわけですが、長いケーブルのどこが切れているのかを特定しないとどこの地点でケーブルを引き上げれば良いのかがわかりません。その地点を特定する手法は、故障の種類によっていくつかあります。
光ファイバまで完全に切断されている場合はOTDR(Optical Time Domain Reflectometer)を使用した試験、周りの銅線まで切れて中継器に給電がされていない場合は静電容量試験や電圧特性試験が行われます。
なお、中継器にはケーブルが両側から刺さっているので、片側の給電線が切れた場合はもう片方の陸揚局から送る電圧を上げて中継器への給電を維持します。光ファイバー自体は水に浸かってもそこまで影響はないので、中継器に電力さえ送られれば修理が来るまでの間も通信を続けさせることができます（長期間ならOH基がどうこうで損失が増大してしまう）。
静電容量試験とは、その名の通り静電容量を計測する試験です。竣工後なんの障害もない時点で静電容量を計測しておき、それと切断時の静電容量を比較することで場所を特定します。

ROVが潜れないほど深い場所のケーブルを船上に引き揚げるには、探線器が用いられます。探線器という大仰な名前がついていますが、実際はただの錨です。錨には突起があるので、海底に引きずると突起にケーブルが引っかかって持ち上げられる、という仕組みです。ちなみにこれは大西洋に最初に電信線が敷かれたときから原理は変わっていません。そんなやり方で本当に引っかかるのか？と思いますが、ちゃんと引っかかるようです（使われ続けているので）。
ただの錨と言いましたが、実際は工夫がされており、いろんな形のものがあったり、いくつか直列につなげてどれかに引っかかる確率を高めたり、突起が海底側を向いて浮いたりせず常に引きずられるようにチェーンやケーブルグリッパを使用したりします。