ログアナライザーをトップページ（index.html）のフレームから呼び出す場合、
HTTP_REFERERは一つ前のページとして親フレーム（index.html）を参照して
しまいますが、これをindex.htmlよりもさらに一つ前のページを参照させるには
CGIをどう書き換えれば良いのでしょうか？

CGIではどうにもなりません。
2つも3つもさかのぼれたら、プライバシー上大問題だからです。

商用カウンタの中には、JavaScriptなどCGI以外の技術も組み合わせて
そこをなんとかしているものもありますが…。