옥외형 소형 기지국 장비 (Outdoor Small cell)의 최적설계

Abstract

스마트 기기의 사용으로 인한 데이터 트래픽양의 증가로 통신 업계는 데이터 트래픽양을 해결하기 위하여 Small cell 활용을 적극 검토 하고 있다. Small cell은 기존의 인터넷을 통해서 코어망과 접속 하여 가정이나 소규모 사무실에 손쉽게 설치해 이동통신 서비스를 가능하게 해주는 소형 기지국 이며, Outdoor Small cell은 일반적인 Small cell과 달리 옥외에 설치되며 고출력 증폭기를 사용 하여 보다 넓은 통신 서비스 지역을 커버 할 수 있다. 고출력 증폭기는 제품 특성상 고열량 발열체가 사용되며 방열을 위하여 Heat sink를 이용한 자연 대류 냉각 방식을 주로 사용 한다. Heat sink 방식 방열은 무소음, 무동력으로 방열이 가능 하지만 제품의 소비 전력이 커질수록 Heat sink 또한 대형화 되어야 한다. 최근 Outdoor Small cell 시장에선 고출력 소형화 제품의 검토가 활발히 이루어지고 있으며 제품 경쟁력을 위하여 최적설계를 통한 소형화 검토가 필요 하다. 본 논문 에서는 과설계된 현재의 Heat sink 형상을 최적화하여 고방열 소형화 제품을 도출 하는 것을 목적으로 하며 Outdoor Small cell을 설계문제 정식화 한 후, 최적화 프로그램을 이용 하여 근사 모델을 이용한 최적설계를 수행 하였다. 수행 결과 최적설계 후 제품의 높이는 153mm에서 140.7mm로 12.3mm 축소되었으며, 열 유동 해석을 통해 9개의 주요 발열 부품의 접합 온도 또한 한계온도 보다 낮음을 확인 하였다. 근사모델의 정확성을 확인하기 위하여 최적설계 모델과 근사모델의 온도 값을 비교 하였고, 최대 상대 오차 0.63%로 두 모델의 온도 값이 거의 일치하기 때문에 근사모델의 정확성을 입증 할 수 있었다. 이러한 사항을 종합하여 본 논문에서는 다음과 같은 결과를 도출 하였다.

(1) Outdoor Small cell의 Heat sink 최적설계를 위하여 설계변수, 목적함수, 구속조건을 선정함으로써 설계문제를 정식화 하였다.

(2) 근사모델을 이용한 최적설계를 진행 하였으며, 최적설계 절차는 실험 계획법 실시, 근사모델 생성, 최적화 기법 적용 순으로 수행 하였다.

(3) 최적화 프로그램은 PIAnO를 사용 하였고, 열 유동 해석을 위해 Flow Simulation 2015를 활용 하였다.

(4) 최적설계 결과 모든 구속조건을 만족 하면서 제품 크기를 9.3% 저감 시킬 수 있었으며, 차후 신규 제품 개발 시 Heat sink 높이 설계와 관련 하여 참고 자료가 될 수 있었다.