KBRN Tehdit Ortamlarında İnsansız Hava Araçları İçin RF Haberleşme Bozulması: Sistematik Bir Haritalama Çalışması

Öz

Kimyasal, Biyolojik, Radyolojik ve Nükleer (KBRN) ortamlar; yoğun aerosol yapıları, ani çevresel değişimler ve elektromanyetik anomaliler gibi ekstrem fiziksel koşullar nedeniyle kablosuz haberleşme sistemlerinde girişimlere (interferans) yol açmaktadır. Yüksek riskli operasyonlarda ve afet yönetiminde kritik rol üstlenen İnsansız Hava Araçları (İHA), görev sürekliliğini idame ettirmek için radyo frekansı (RF) altyapısına bağımlıdır. Ancak KBRN senaryolarındaki iyonlaştırıcı radyasyon, yoğun aerosol konsantrasyonları ve ani atmosferik değişimler; RF sinyallerinde şiddetli sönümlenme (atenuasyon), saçılma, faz bozulması ve gürültü artışına neden olarak haberleşme güvenilirliğini tehdit etmektedir. Bu çalışma, KBRN ortamlarının RF sinyal yayılımı ve İHA haberleşmesi üzerindeki etkilerini ele alan literatürü sistematik olarak haritalandırmayı amaçlamaktadır. Bu kapsamda, uluslararası akademik veri tabanlarında belirlenmiş anahtar kelimelerle sistematik bir tarama icra edilmiş; seçilen yayınlar nitel ve tematik analiz yöntemleriyle sınıflandırılmıştır. Literatürün analiz edilmesi, baskın temaların ve parametrelerin belirlenmesi sürecinde MAXQDA yazılımından faydalanılmıştır. Araştırma bulguları, pek çok kaynağın çevresel sinyal bozulmalarını incelemesine karşın, KBRN koşullarının özgün etkilerinin genellikle dolaylı olarak ele alındığını göstermektedir. Bu çalışma, gelecekteki araştırmalar için kavramsal bir çerçeve ve metodolojik bir temel sunmaktadır. Ayrıca, KBRN ortamlarında görev icra edecek dayanıklı İHA haberleşme mimarilerinin geliştirilmesine katkı sağlamak amacıyla mevcut literatürdeki boşlukları ve eğilimleri ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• KBRN Ortamları
• İnsansız Hava Araçları (İHA)
• RF Sinyal Bozulması
• Kablosuz haberleşme
• Aerosol Saçılması
• İyonlaştırıcı Radyasyon
• Sinyal-Gürültü Oranı
• Sistematik Haritalama

RF Communication Degradation for Unmanned Aerial Vehicles in CBRN Threat Environments: A Systematic Mapping Study

Öz

Chemical, Biological, Radiological, and Nuclear (CBRN) environments interfere with wireless communication systems because of extreme physical conditions such as dense aerosol structures and abrupt environmental changes and electromagnetic anomalies. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), which play a critical role in high-risk operations and disaster management, rely on radio-frequency (RF) infrastructure to maintain mission continuity. However, ionizing radiation, dense aerosol structures, and abrupt environmental changes in CBRN scenarios lead to severe attenuation, scattering, phase distortion, and increased noise in RF signals, threatening communication reliability. This study aims to systematically map the literature on the impacts of CBRN environments on RF signal propagation and UAV communications. A systematic search was conducted across international academic databases using predefined keywords. Qualitative and thematic analysis were used to group the chosen publications. MAXQDA software was used to analyze the literature and highlight dominant themes and parameters. The findings show that while many resources address environmental signal degradation, they often discuss the impacts of CBRN conditions indirectly. This study provides a conceptual framework and methodological foundation for future research. It reveals gaps and trends in the current literature to support the development of resilient UAV communication architectures in CBRN environments.

Anahtar Kelimeler

• CBRN environments
• Unmanned aerial vehicles (UAVs)
• RF signal degradation
• Wireless communication
• Aerosol scattering
• Ionizing radiation
• Signal-to-noise ratio (SNR)
• Systematic Mapping

Kaynakça

1. [1] C. A. Korkmaz, "Donanmaların etkinliğinin artırılmasında insansız hava araçlarının rolü [The role of unmanned aerial vehicles in increasing the effectiveness of navies]," Türkiye İnsansız Hava Araçları Dergisi, vol. 2, no. 2, pp. 49–54, 2020. [Online]. Available: https://izlik.org/JA77KA22KW [In Turkish].
2. [2] NATO, "ATP-45, Warning and Reporting and Prediction of Hazard and Hazard Areas After a CBRN Incident," NATO Standardization Agency, Brussels, Belgium, 2014.
3. [3] NATO, "AJP-3.8: Allied Joint Doctrine for Chemical, Biological, Radiological, and Nuclear Defense," NATO Standardization Office (NSO), Brussels, Belgium, Rep. AJP-3.8(A), 2012.
4. [4] M. Erdelj, M. Król, and E. Natalizio, "Wireless sensor networks and multi-UAV systems for natural disaster management," Comput. Netw., vol. 113, pp. 254–267, Feb. 2017.
5. [5] E. Yiğit, İ. Yazar, and T. H. Karakoç, "İnsansız Hava Araçlarında Elektronik Harp Uygulamaları ve Trend Analizi [Electronic Warfare Applications and Trend Analysis in Unmanned Aerial Vehicles]," Sürdürülebilir Havacılık Araştırmaları Dergisi, 2018. [In Turkish].
6. [6] ATS Lab., "Ionizing radiation effects in electronics: temporary malfunctions through single event effects and cumulative damage," n.d. [Online]. Available: https://atslab.com. [Accessed: Mar. 9, 2026].
7. [7] L. Giaume, B. Le Roy, Y. Daniel, H. Lauga Cami, D. Jost, S. Travers, and M. Trousselard, "Psychological, cognitive, and physiological impact of hazards casualties' trainings on first responders: the example of a chemical and radiological training. An exploratory study," Front. Psychol., vol. 15, p. 1336701, 2024, doi: 10.3389/fpsyg.2024.1336701.
8. [8] M. Arjomandi, S. Agostino, M. Mammone, M. Nelson, and T. Zhou, "Classification of unmanned aerial vehicles," Report for Mechanical Engineering class, University of Adelaide, Adelaide, Australia, pp. 1-48, 2006.

9. [9] F. Basholli, "Influence of Terrain and Atmospheric Conditions on the Propagation of Radio Waves," ResearchGate, 2024.
10. [10] National Research Council, Sensor Systems for Biological Agent Attacks, National Academies Press, 2002.
11. [11] W. Khawaja, I. Guvenc, D. W. Matolak, U.-C. Fiebig, and N. Schneckenburger, "A Survey of Air-to-Ground Propagation Channel Modeling for Unmanned Aerial Vehicles," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 21, no. 3, pp. 2361–2391, 2019. doi: 10.1109/COMST.2019.2915069.
12. [12] Z. Elabdin, "Prediction of Signal Attenuation Due to Duststorms Using Mie Scattering," IIUM Engineering Journal, IIUM Press, 2010.
13. [13] VERBI Software, "MAXQDA online manual," 2023. [Online]. Available: https://www.maxqda.com/help-maxqda.
14. [14] S. Glasstone and P. J. Dolan, Eds., The Effects of Nuclear Weapons – Chapter X: Radio and Radar Effects, Atomic Archive.
15. [15] U.S. Department of Defense, Nuclear Weapons Handbook 2020 – Chapter 13: Basic Nuclear Physics and Weapons Effects (Blackout section), 2020.
16. [16] X. Yang, C. Wang, and X. Liu, "Research on the Attenuation Characteristics of LiDAR Transmission Energy in Different Atmospheric Environments," Atmosphere, vol. 16, no. 2, p. 210, 2025. doi: 10.3390/atmos16020210.
17. [17] A. Musa, A. Abdulwaheed, and B. S. Paul, "Dust Particles' Permittivity in Microwave Signal Propagation: A Review," J. Commun., vol. 15, no. 1, pp. 38-44, 2020.
18. [18] National Research Council (US) Commission on Engineering and Technical Systems, National Research Council (US) Commission on Life Sciences, T. E. McKone, B. M. Huey, E. Downing, et al., Eds., Strategies to Protect the Health of Deployed U.S. Forces: Detecting, Characterizing, and Documenting Exposures, National Academies Press, 2000, Appendix D, Detecting and Monitoring Chemical Agents.
19. [19] X. Chen, Y. Hu, Y. Gu, X. Wang, and P. Wang, "Analysis of compounding and broadband extinction properties of novel bioaerosols," Photonics, vol. 10, no. 4, p. 357, 2023.
20. [20] L. T. Wedage, et al., "Comparative analysis of terahertz propagation under dust storm conditions on Mars and Earth," IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol. 17, no. 4, pp. 745-760, 2023.
21. [21] E. Meriaux, J. Weitzen, and A. Norton, "Simulation of the Effect of Correlated Packet Loss for sUAS Platforms Operating in Non-Line-of-Sight Indoor Environments," Drones, vol. 7, no. 7, p. 485, 2023. doi: 10.3390/drones7070485.
22. [22] S. Ibeobi and X. Pan, "Study of electromagnetic pulse (EMP) effect on surveillance unmanned aerial vehicles (UAVs)," Journal of Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, vol. 2, no. 1, pp. 44-53, 2021.
23. [23] M. M. Hoque and N. Jakowski, "Ionospheric propagation effects on GNSS signals and new correction approaches," Global Navigation Satellite Systems: Signal, Theory and Applications, vol. 10, p. 30090, 2012.
24. [24] Md. R. Islam, et al., "Prediction of signal attenuation due to duststorms using Mie scattering," IIUM Engineering Journal, vol. 11, no. 1, pp. 71-87, 2010.
25. [25] M. E. Emetere, et al., "Effect of atmospheric aerosol on corrosion of metallic surfaces," Procedia Manufacturing, vol. 35, pp. 666-673, 2019.
26. [26] M. Jamriska, T. C. DuBois, and A. Skvortsov, "Statistical characterisation of bio-aerosol background in an urban environment," Atmos. Environ., vol. 54, pp. 439–448, Aug. 2012.